高稳高效海上风电安装平台关键制造技术研究

张永康，吴建新，吴凤民

（ 1. 广东工业大学机电工程学院，广东广州 510006；2. 启东中远海运海洋工程有限公司，江苏启东 226200 ）

1 海上风电安装平台概述

随着能源需求的持续增长，人类终将耗尽有限的化石能源，并导致日益严重的环境污染与全球气候变暖问题。2020 年12 月，国家主席习近平在气候雄心峰会上宣布：到2030 年，中国单位国内生产总值CO2排放将比2005 年下降65%以上， 非化石能源占一次能源消费比重将达到25%，森林蓄积量将比2005 年增加60 亿立方米，风电、太阳能发电总装机容量将达12 亿千瓦以上[1]。 可持续能源政策促进我国绿色低碳发展已成为必然之势。

海上风电作为可再生清洁能源之一，具有风资源大、风能密度高、风湍流小、发电量大、环境影响小、输送距离短、电网消纳能力强等优点，受到世界各国的高度重视与大力发展。 我国已将海上风电提升至解决能源危机、减缓气候变化、调整能源结构的国家战略高度。 我国东部沿海地区是工业高度集中区域，但能源相对匮乏，对电力的需求极大，然而东部沿海拥有非常丰富的风能资源，海上可开发和利用的风能储量约75 万兆瓦， 因此迫切需要在东部沿海兴建大型海上风电场。 国内的海上风电场建设刚刚起步，风电安装平台不足是海上风电场无法如期建成投产的主要障碍。

欧洲海上风电装备技术总体处于领先地位，丹麦和英国分别建成了世界上第一个与世界上最大的海上风电场，使欧洲的海上风电成本整体大幅下降。 2019 年12 月，国际可再生能源署发布了《风电的未来——开发、投资、技术、并网及社会经济效益》报告：全球累计风电装机将从2018 年的23 GW加速发展到2050 年1000 GW， 成为万亿美元级新兴产业群[2]。 与所有化石燃料发电电源相比，海上风电发电的竞争力不断增强，到2030 年，海上风电的平准化度电成本将从2018 年的0.13 美元／度降至0.05～0.09 美元 ／度， 到 2050 年将降至 0.03～0.07 美元／度。

为降低海上风力发电成本，海上风电发展呈两大趋势：一是风机大型化，风电机组的单机容量由小风机发展到当今世界上商业化运行最大的8 MW大型风机，其机舱重390 t、叶片重35 t、叶片长80 m、风机塔高140～220 m、风轮直径164 m，风轮扫掠面积超过21 000 m2， 现在英国、 美国正分别建设9.5、12 MW 超大型风机，满足超十万户家庭的用电需求；二是风电场深水远岸化，浅水区受环保生态、航道、风能资源等制约，发展空间受限，而深水远岸区范围广、风能资源丰富、风速稳定，国家规划中明确鼓励深水远岸布局海上风电，未来全球新增装机的主战场在深水远岸区。

在风大、浪高、水急的深水区，运输和安装大型风机是世界级难题，海上风电场建设技术领先者是西北欧国家，核心技术也被欧洲国家所垄断。 由于缺乏专业海上风电安装装备，我国海上已完成的风电场主要在潮间带浅水区，具有更佳风能的深水区未得到有效开发。 目前，运输驳、浮吊、辅助船舶的联合作业模式已不适合深水区大型风机的安装，而受风浪影响小、安全性高、效率高的自航自升式超大型安装平台受到各国的高度关注，其具有装载运输、自航自升、重型起重、动力定位、海上作业等多功能于一身，是海上风电建设的关键装备。

2 海上风电安装平台高端装备制造关键技术

2.1 自航自升式海上风电安装平台

自航自升式海上风电安装平台是一种巨重巨型的高端海工装备。 以图1 所示的8 MW 安装平台为例，平台尺寸为133.15 m×39 m×9 m，其频繁地自航到海上风电场作业地点，自升至海面上形成一个稳定的作业平台，提升重量近2 万吨。 然而，深水远岸区环境恶劣，受平台超万吨自重、超20 m/s 风速、超5 m 高浪载、超50 m 水深海床地质、超千吨吊装等极端工况的影响，大型风机海上安装存在亟待解决的三大世界技术难题：桩腿站立作业易“失稳”、大平台大跨距大倾覆力矩自升易“失控”、高空吊装巨型叶片逾百螺栓精准定位易“失准”。 如此苛刻的服役要求，对安装平台的设计制造提出了巨大的挑战。

图1 自航自升式海上风电安装平台

2.2 巨型桩腿的关键设计制造

桩腿是支撑整个安装平台重量和运动的核心部件，长度近百米的桩腿由100 mm 厚超强度E690海工钢多段拼装焊接而成， 桩腿上有两组共80 多个对穿通的 φ550±0.5 mm 销孔， 两组呈 90°角垂直分布，重达2 万吨的平台通过桩腿上的定位销孔上下运动。 桩腿分段焊接质量直接决定了桩腿的强度和变形，从而影响了定位销孔的圆度、同轴度、直线度与位置精度，进而直接影响平台上下运动的平稳性，尤其是多条腿上下运动的同步控制，错误安装甚至导致整体平台报废。

为了满足深水区风大浪高水域的作业要求，需要设计出全新的高稳性结构桩腿和防滑桩靴。 长度近百米、重千吨的巨型桩腿制造难度极大，例如作业水深80 m 的桩腿长度达118 m，而允许的最大扭转公差仅为0.00006 rad/m，使得焊接变形控制难度成倍增加，成为全球的共性技术瓶颈，其中的制造难点包括：

（1）尺寸大、重量重，焊接易变形。 桩腿有圆形、八边形等结构，圆形桩腿外径5 m、重量达1200 t；八边形桩腿尺寸4.8 m×4.8 m、重量达800 t，在焊接过程中难以调整其姿态以适应最佳焊接工位，容易产生变形。

（2）材料敏感性大，易产生焊接裂纹。 超强度E690 海工钢碳含量高，焊缝和热影响区的淬硬性和冷裂敏感性大，桩腿壁厚大，冷却速度快，内外温度冷却速度不一致，极易产生残余应力和裂纹。

（3）桩腿结构复杂、焊接预热温度一致性控制难。 巨型桩腿结构复杂，在焊接预热保温的过程中难以形成均匀的预热温度场。

从2007 年起，通过产学研合作研究，根据桩腿风浪流耦合力学模型，获得了海洋极端环境载荷对桩腿应力、刚度、变形、疲劳性能等的影响规律及数据；根据桩靴力学模型，获得了桩靴强度、变形和拔桩阻力随入泥深度变化的规律及数据；自主设计了具有高稳性结构的全地形桩腿被，有圆形、八角形等多种结构，能满足 35、45、50、80 m 水深的作业需求；提出了选区电磁感应模块式的精确加热，建立了巨桩腿预热数学模型，发明了可控连续预热焊接方法，获得了焊接坡口两侧预热温度、保温时间和冷却速度的最佳范围，减少了焊接应力，解决了巨型桩腿多段拼接焊接的变形难题，提高了抗疲劳性能；制定了基于选区电磁感应模块式均布加热和保温控制的多层多道定位焊工艺，形成了焊接材料选择、焊口打底、填充、盖面、坡口制备、背部清根、消氢处理、去应力等成套焊接工艺规范，实现了长度近百米巨型拼焊桩腿的直线度小于5 mm（图2）[3-9]。

图2 全地形高稳性巨型桩腿

桩腿开孔精度、两孔的同轴度和直线度直接影响平台的上下运动。 在超高强度厚达100 mm、外径2～5 m 的桩腿上加工出多个对穿通的φ550±0.5 mm销孔，超强度钢E690 抗拉强度大，切削性能差，用传统的镗孔工艺在效率和成本上很难满足。 因此，发明了预热温控的高效率火焰切割方法和半自动装置，解决了大尺寸厚板曲面销孔切割中产生的温度差对尺寸精度和形状精度的影响，实现了φ550±0.5 mm 销孔的精密切割成形， 孔垂直度误差小于0.5 mm；还发明了具有4 自由度自动打磨机，通过一种碰壁方法和自动装置的智能计算功能，实现了板厚方向的内外侧全方位打磨，消除了等离子切割形成的氧化物，确保销孔的圆度和粗糙度[10-12]。

2.3 液压升降系统设计制造技术

与传统钻井平台和小型安装平台相比，超大型安装平台是个庞然大物， 重量相当于一艘轻型航母，超过2 万吨，其靠4 根圆形桩腿频繁地自升降，桩腿间的跨距超过100 米，平台自升时倾覆力矩更大、保持稳定更难。 加之极端复杂的海况环境，原有设计制造方法已经不适用。

针对平台惯性大、海底地形复杂、自身及环境载荷多变的问题，建立了液压升降系统精细非线性分析模型，优化了升降合力作用线的偏移距离和固桩高度，研发了新型连续桩腿液压升降装置。 通过同步随动、多桩腿、多轴套交替升降装置与控制方法（图3），插销座在随动过程中找准定位，实现了平台在复杂海底连续无停顿可靠升降，始终保证每个桩腿与平台间有一对插销固定，解决了巨型平台大跨距大倾覆力矩自升易“失控”卡死倾覆的行业关键难题，实现了连续稳定快速提升（图4）[10-11]。

图3 连续液压升降系统

图4 安装平台连续稳定自升

针对大质量平台大跨距同步升降时倾覆力矩大易“失控”卡死的难题，建立了基于重心平衡设计的安装平台三维模型，获得了运载风机重量、风载荷、波浪载荷及流载荷、平台重量、压载水载荷及甲板载荷对平台重心和结构强度的影响规律，优化了应力分布及位移变形；提出了大型模块化高效高精度平地建造，提高了建造精度和安装精度。 桩腿与升降导轨的配合间隙不大于0.5 mm，实现了2 万吨重载平台提升速度从18 m/h 提高至30 m/h 的高速稳定自升[12]。

2.4 高空大风下叶片快速精准安装

随着风机容量的增大，风机叶片的长度也越来越大，8 MW 风机的叶片长度超过80 m， 重量超过30 t，叶片法兰盘直径达4 m，其端面均匀分布着超过100 根的安装螺栓。 叶片巨头LM Wind Power 为GE Haliade-X 12/13MW 海上风电机组设计的叶片长度达107 m，2020 年9 月在美国波士顿的风力技术 测 试 中 心 （the wind technology testing center，WTTC） 完成了测试； 另一支叶片通过了英国ORE Catapult 的全面测试，包括静态测试、疲劳测试和疲劳后测试。据悉，该叶片即将获得TüV Nord（德国技术监督协会）颁发的部件认证证书。

在高空大风随动载荷下，巨型叶片逾百螺栓同时精准定位、 动态插入叶轮安装孔的难度极大，周长累积安装误差仅3 mm，极易“失准”（图5）。 针对百米高空大风随动载荷下巨型叶片逾百螺栓同时精准定位易“失准”的难题，发明了两根绳索保持恒水平、恒张力、恒角度不变的姿态随动控制方法；研制了角度可调式稳货机构， 由恒张力稳货绞车、钢丝绳、固定导向滑轮、行走小车、导轨、行走牵引绞车等组成。 如图6 所示，钢丝绳从稳货绞车上引出后， 通过吊臂根部和头部的固定导向滑轮组换向后、 再通过导向小车滑轮组连接到被吊巨型叶片上，稳货绞车出绳位置随叶片位置与吊臂角度变化而动态匹配调整。 此外，提出了新型的紧凑型回转支承装置、旋转平台、大吨位双变幅机构、轻型副臂和大容量起重绞车，并开发了一系列大型全回转起重设备，提升能力为 900、1200、3200 t[13]。

2.5 激光锻造修复再制造

图5 高空精准定位要求高

图6 角度可调式稳货系统

巨型海上风电安装平台结构复杂，一些结构件在弯曲成形过程中易产生应力集中而导致裂纹，如图7 所示。 焊接是平台建造最重要的工艺，焊缝也容易产生气孔、裂纹等缺陷，如图8 所示。 这些损伤和焊接缺陷是常规热修复存在的问题：①内应力难消除、变形难控制；② 焊补修复的强度低、塑性差、疲劳寿命短，不能满足等强度修复原则。 激光锻造修复再制造提供了一种低应力、高抗疲劳、长寿命的新方法。

图7 结构件弯曲裂纹

图8 焊缝裂纹

激光锻造修复再制造采用复合增材制造的原理，将两束不同功能的激光束同时且相互协同制造金属零件。如图9 所示，第一束连续激光熔覆3D 成形零件，与此同时第二束短脉冲激光（脉冲能量5～10 J，脉冲宽度10～30 ns）直接作用在高温激光熔覆金属表面，金属表层吸收激光束能量后气化电离形成冲击波，利用脉冲激光诱导的冲击波（冲击波峰值压力为GPa 量级）对处于锻造温度区的金属进行冲击锻打。 熔覆成形激光参数与冲击锻打参数相互约束与协同，首先通过温度测量确定激光熔覆层温度场，然后根据温度场确定激光冲击锻打的最佳锻造温度区域、尺寸范围及冲击锻打参数，激光冲击锻打频率与压力参数的选择又约束着激光熔覆速度与送粉参数的选择。 最终，激光冲击锻打使熔覆层发生塑性形变，消除了熔覆层的气孔等内部缺陷和热应力，提高了金属零件的内部质量和机械力学综合性能，并有效控制宏观变形与开裂问题[14-18]。

图9 激光锻造原理

激光锻造具有如下优点：

（1）细化晶粒与锻造态。 锻打使晶粒细化和均匀化，减少了激光3D 打印金属零件的内部缺陷，如缩孔、气孔等，实现了原位修复“锻造态”组织，大幅提高机械性能。

（2）消除应力与长寿命。 消除了残余拉应力，形成了残余压应力， 解决了薄壁金属3D 变形与开裂问题，大幅提高疲劳寿命。

（3）适应性强与复杂性。 由于光束直径与形状、脉冲宽度、脉冲能量、重复频率等参数可以精确调控， 适应于各种材料和复杂结构件的高质量成形，尤其是大型结构。

（4）工序减少与低成本。 无需消除内应力、变形并提高机械力学性能的后处理工艺，节约了大量时间，大幅降低生产成本。

3 工程应用

从2008 年起至今， 研制了自升自航式安装平台的系列高端装备，安装速度为1 台/天，比欧洲最快效率（1 台/2 天）提高 1 倍。

（1）作业水深 55 m，4 桩腿型 8 MW 海上风机自航自升式超大型安装平台（图10）。主要技术参数为：航速 13 节，可载运4 套8 MW 风电机组；四根圆形桩腿，单腿提升能力4500 t；采用绕桩吊设计，起吊高度达到135 m。 满足了在4.8 m 浪高、14 m/s风速、 工作水深达55 m 的恶劣工作环境下8 MW风电机组高效吊装的苛刻要求，完成了世界首批32台8 MW 风机的安装，产生了巨大的行业影响力。

（2）作业水深 45 m，6 桩腿型 6 MW 海上风机自航自升式超大型安装平台（图11）。主要技术参数为：首型平台航速 12 节，可载运10 套 6 MW 风电机组；艏艉各3 台推进器实现DP-2 动力定位，可保证高精度海上定位；六根八边形桩腿，单腿提升能力3750 t，工作水深 45 m，最大提升高度50 m，可连续快速提升船体使其离开海面，形成安全平稳的作业平台；配备1000 t 主吊和50 t 辅吊，最大起吊高度120 m。

图10 8 MW 安装平台

图11 6 MW 安装平台

（3）作业水深 50 m，铁建风电01，是国内首艘1300 t 自升自航式风电安装船，4 根圆形桩腿，作业水深 50 米， 能安装 8 WM 风机，1300 t 绕桩吊机为国内最大（图12）。

图12 铁建风电01 号

研制的不同规格的系列装备已广泛应用于中国、英国、丹麦、德国等国家的著名海上风电场建设 ， 如 ：London Array OWF、Anholt OWF、Gunflet Sands Extension OWF、West Duddon Sands OWF、Burbo Bank Ext、Race Bank OWF、Horns Rev ⅢOWF 等。不断创新了海上风机安装的世界记录，如：2013 年在 Gunfleet Sands Extension OWF 首次成功安装 6 MW 风机，2016 年在英国 Burbo Bank 海上风场完成世界首批32 台8 MW 风机安装，等等。

在国内外的应用产生了巨大的经济效益和社会效益，形成了巨大的国际影响力，中国央视和英国BBC 联合摄制纪录片《改变地球的一代人》，其内容包括本研究之一“发现号”为暴风肆虐、环境恶劣的世界最大海上风电场——英国“伦敦阵列”的建设提供解决方案，展示了中国制造的强大能力。 该纪录片在央视一套（CCTV1）、英国广播公司（BBC）、德国ZDFneo、香港电台（RTHK）等知名媒体连续播放。 此外，被国际权威评估机构《海上支持杂志》授予“海洋可再生能源奖”，全球海上风电安装平台首次获得该奖项。

4 结束语

海上风电作为可再生清洁能源之一，受到世界各国的高度重视和大力发展。 海上风电场正从浅水区走向具有更佳风能资源的深水区，在风大浪高水深的恶劣环境中， 安装超大型风机具有极大的难度。 本研究解决了腿站立作业易“失稳”、大平台大跨距大倾覆力矩自升易“失控”、高空吊装巨型叶片逾百螺栓精准定位易“失准”的三大技术难题，自主研发了不同规格的系列装备，在中国、英国、丹麦、德国等国家的著名海上风电场建设中获得了广泛的应用，产生了巨大的经济效益和社会效益，形成了巨大的国际影响力。