自升式风电安装平台半浮态作业安全性评估

朱俊峰，周 锋，李 飞，施兴华

(1.江苏亨通蓝德海洋工程有限公司，江苏 南通 226000;2.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003)

0 引 言

随着海上风电的不断发展，我国规划的海上风场覆盖北方的大连沿海海域至南方广东沿海，海底地质条件变化较大[1]，同时风场海域的水深从几米到三十多米，变化很大。现有的海上风机设备的安装必须采用自升式风电安装平台进行施工，但目前的平台无法覆盖所有现有的海域进行作业，主要原因如下：

(1)在平台设计时，水深为30～45 m，但桩腿设计入泥深度较浅，一般在3 m左右，导致作业时桩腿的有效长度较短。

(2)我国沿海地质条件变化较大，很多海域淤泥层较厚，如上海东海大桥风场淤泥层厚度超过20 m，广东珠海金湾风场淤泥层厚度超过15 m，致使平台桩腿的入泥深度很大，可能超过25～30 m，此时需要的桩腿有效长度超过48 m，因此，大部分平台无法正常进行风机设备的吊装。

覆盖我国目前规划风场海域作业的自升式海上风电安装平台奇缺，但风场建设任务重。为解决此问题，提出一种自升式风电安装平台半浮态作业方案，并开展其安全性评估。

1 半浮态方案

考虑到某些区域的地质和水深对插桩深度要求较高，并考虑平台实际插深能力和施工情况，可能机位插深不够，拟采用半浮态吊装作业方式进行施工，如图1所示。采用海底地基承载力和船体本身的浮力同时承担船体自重、装载货物重量和吊装时的附加力矩。此时必须考虑风浪流等横向载荷对船体和桩腿底部的影响，且需分析不同吃水对桩腿的影响：

图1 半浮作业状态平台受力示例

(1)如果吃水太浅，可能因海底地基承载力不够而出现突然沉降，产生危险。

(2)如果吃水太深，可能出现2个后果：一是吊装船稳性不够，甲板上浪，影响作业；二是船体浮力与总重力平衡，桩腿出现上拉，类似于拔桩过程，如果后面吃水降低，桩腿再次下沉，扰动土体，会出现地基承载力急剧下降的情况，产生危险。

(3)如果出现潮差，则应改变吃水而使吊装作业处于安全状态：涨潮时需升高平台，降低吃水；落潮时需降低平台，保证船体有足够的吃水提供吊装作业浮力。

因此，需对该过程风浪流作用下平台的动力响应及相关参数开展深入研究，才可为施工提供参考。

2 环境载荷

2.1 波浪作用

波浪的作用力可根据结构构件的尺寸及其所遭遇波浪的波长和高度采用不同的分析方法进行计算。通常根据直径与波长之比(D/L)选用波浪力计算方法：

(1)当D/L<0.2时，假设结构物的存在不影响波浪特性，可采用Morison方程[2]进行求解；

(2)当D/L>0.2时，结构物的存在对流场的影响不能忽视，采用绕射理论进行求解。

目标平台桩腿直径为3.3 m，波长为75 m，D/L<0.2，则桩腿的波浪力计算采用Morison方程进行。

采用Sesam软件进行波浪载荷计算[3]。根据型线图建立如图2所示的水动力模型，并依据各站位的质量重心位置建立质量模型，平台计算模型如图3所示。

图2 水动力模型

图3 平台计算模型

采用Sesam的Wadam模块进行波浪载荷预报，可计算得到不同吃水下的波浪载荷。目标平台在0.5 m吃水下波浪载荷计算结果如表1所示。

表1 0.5 m吃水下波浪载荷预报

2.2 波浪载荷校核

为保证结果的准确性，采用二维简单理论对波浪载荷进行校核，具体方法见文献[4]，给出固定于水面的方箱波浪力理论解。

取水深为12 m、波周期为7 s，计算得波数k为0.095；取半宽度B为20 m，计算得波浪水平力为 3.96×106N。将该方箱模型采用Sesam软件进行计算，得到其波浪载荷为3.87×106N。理论计算值大于软件计算值，原因如下：

(1)没有考虑目标平台的尺度效应，理论计算过于简化，加入很多假设。在一般情况下，理论值较为保守，需要涵盖可能的所有情况，因此，计算结果偏大。

(2)采用二维理论值直接推广为三维理论解，由于船长为90 m，尺度加大，其近似程度有待验证。

(3)船体首尾部都有很大的型线(向上收起)，这样波浪受力面积将减少，软件所得的波浪力会小于理论值。

2.3 风流载荷

风和流对于细长杆的作用力F为

(1)

式中：Cd为细长结构物阻力因数，由经验和试验得到，对于船体、上层建筑等大片受力面，Cd取1.0，对于圆柱形构件，Cd取0.5；ρ为密度；A为面积；u为速度。

风速取13.8 m/s，风载荷为54.4 t；流速取1.6 m/s，流载荷为40.3 t。

3 安全性校核

3.1 浮力计算

船体吃水所提供的浮力Ff为

Ff=ρgVs

(2)

式中：Vs为船体在水下的体积。

采用Sesam软件中Genie的自动计算功能，得到浮力如表2所示。

表2 不同吃水的浮力计算

3.2 桩底反力计算

目标平台在船宽方向上的稳定性较差，因此考虑如图4所示的危险工况，其中1、2、3、4分别表示1号、2号、3号、4号桩腿。起重机吊臂垂直于船长方向，同时风浪流同向，且沿船宽方向，此时吊重和风浪流产生同向的倾覆力矩使平台处于危险状态。

图4 危险工况

平台计算模型如图3所示。在保证船体质量分布的基础上，加载600 t@20 m(吊重为600 t，吊距为20 m)的起重机载荷，同时加载风浪流载荷，其中风速为25 m/s，流速为3 kn，最大波高为3 m，周期为7 s。采用有限元计算平台桩底支座反力，计算结果如表3所示。

表3 桩底支座反力(压力为正，拉力为负)

续表3 桩底支座反力(压力为正，拉力为负)

3.3 安装平台半浮状态下抗倾覆性能校核

抗倾稳性是指平台在重量、浮力和海床对平台的联合作用下，抵抗环境载荷作用引起平台倾覆的能力，此指标是考核平台站立安全性的重要性能之一。按中国船级社(CCS)《海上移动平台入级规范》[5]规定：在作业条件下，自升式安装平台抗倾覆安全因数应不低于1.5；在自存条件下，自升式安装平台抗倾覆安全因数应不低于1.3。

在坐底状态下，平台在相应工况的环境载荷作用下应具有足够的抗倾覆能力，平台的抗倾稳性满足如下要求：

(3)

式中：Mk为平台坐底时的抗倾覆力矩，由平台的总重量和重心相对于倾覆轴的水平距离计算得到；Mq为平台坐底时的倾覆力矩，即各环境外载荷组合下所引起的倾覆力矩；kq为抗倾覆安全因数。

Mk=MD+ML

(4)

Mq=ME+p

(5)

式(4)和式(5)中：MD为平台船体自重产生的恢复力矩；ML为桩腿自重产生的恢复力矩；ME为风浪流载荷产生的倾覆力矩；p为船体P-Delta效应产生的倾覆力矩。

3.4 结果分析

抗倾覆性能分析主要针对1号和4号桩腿的外侧进行。抗倾覆安全因数如表4所示。

表4 抗倾覆安全因数

借鉴CCS规范，在作业状态下抗倾覆安全因数应大于1.5，结合表4可知，船体吃水最大值应取1.5 m。这是由于虽然船体吃水增加可加大浮力从而减小桩靴底部的支座反力，但是过多的浮力会使船体的倾覆力矩增大而无法保证作业安全。

4 结 论

实际风电场工程地质条件较差，采用半浮状态进行安装作业能够增加安装船适宜作业的水深，提高作业效率；与大插深、船体抬离水面作业相比，半浮状态安装作业可减少移船时间。但考虑波浪、潮差等影响，得出如下结论：

(1)当船体吃水由0.5 m变化至3.0 m时，4号桩腿底部支座反力从2 312.851 t减小至506.152 t，表明半浮状态可提供较大的浮力。当船体吃水为1.5 m时，桩底支座反力变化较为平缓。当吃水由1.5 m变化至2.5 m时，支座反力由1 806.014 t减小至807.851 t。考虑到海底土质较差(其他桩腿出现拉力)以及波浪的影响(该区域最大波高为3 m，可能发生甲板上浪等不利情况)：当吃水大于2.0 m时，较为危险；当吃水小于1.0 m时，波浪可能对船底产生较大的冲击力，可能出现危险。

(2)该风电安装平台在东海大桥风场进行半浮态作业时，船体吃水范围应在1.0～1.5 m。如果吃水超过1.5 m，在小于2.0 m的情况下，由于考虑安全因素，倾覆力矩估算偏大(出现横风、横浪的情况概率较低)，平台处于安全状态。