风电安装平台海工吊与绕桩吊组合方式研究

朱俊峰

(江苏亨通蓝德海洋工程有限公司，江苏 南通 226000)

0 引言

由于海上风机的安装要求精度高且不能有碰撞损伤，自升式风电安装平台一直是海上风电安装施工的关键装备。平台的吊重能力是自升式风电安装平台最重要的指标之一，同时海上风机的安装需要2台吊机配合作业才能完成。因此，平台吊机的布置形式及其吊重的设计是自升式风电安装平台设计的关键技术。国内第一代自升式海上风电安装平台的吊机主要采用固定式的海工吊主吊及固定式的海工吊辅吊，如“华电1001”自升式风电安装平台，但该平台的固定式海工吊有效的吊距较小，可用的吊机角度范围较小。自升式风电安装平台采用绕桩吊主吊+固定式海工吊辅吊的吊机组合形式，如“华电稳强”号自升式风电作业平台，该平台的有效吊距较大，且可用的吊机角度范围较大，但这种吊机组合方式对于平台升降装置的能力及桩腿桩靴的承载能力要求较高，成本也较高。为此，本文提出一种海工吊主吊+绕桩吊辅吊的吊机组合方式，研究自升式风电安装平台的设计技术，以降低风电安装平台的作业成本，增大吊机的有效吊距。

1 不同的吊机组合方式研究

(1)风电安装平台绕桩吊主吊+海工吊辅吊的布置方式见图1。该平台吊机的有效吊距较大，抬升重量为79 092 kN，主吊机的吊重为6 000 kN，吊距为20 m。其升降能力要求较高，单桩腿预压载能力为35 000 kN。

图1 绕桩吊主吊+海工吊辅吊的布置方式

(2)风电安装平台海工吊主吊+绕桩吊辅吊的吊机布置方式见图2。在主尺度基本相同的情况下，该平台的抬升重量为85 403.90 kN，主吊机的吊重为6 500 kN，吊距为25 m，其升降能力要求相对较低，单桩腿预压载能力30 000 kN。

图2 海工吊主吊+绕桩吊辅吊的布置方式

由此可见，在成本较低的情况下，海工吊主吊+绕桩吊辅吊的布置形式更为合理。

2 海工吊主吊+绕桩吊辅吊平台设计

2.1 平台桩腿强度校核

采用莫里森方程和确定的规则波分析方法，根据水深、浪高和周期的关系选择波浪理论，具体如下：水深30 m，重力加速度9.81 m/s，波浪周期7.0 s，无量纲相对水深0.062，无量纲相对波陡0.006；最大波高，波浪理论为斯托克斯五阶波。

莫里森方程中的波/流力被表示为一个拖曳力和惯性力的总和，其特征在于一个阻力系数和惯性系数。依据-，大型圆柱形桩腿的光滑圆管的阻力和惯性系数分别为0.65和2.0。在此基础上，桩腿的系数根据桩腿直径、粗糙度等进行修正，其数值分别取0.94、2.02。流速的分布形状通过海底泥线和水线2处的流速来表示，水线及泥线处的流速分别为1.5、1.0 kn。

(1)动态放大效应

为了考虑到动态的放大效应，需要在模型中加载额外的水平力和倾覆力矩。动态放大因子为

(1)

式中：为平台的固有周期；为波浪周期；为阻尼比，≤7%。

惯性力的计算公式如下：

(2)

式中：、分别为桩腿底部的最大剪力和最小剪力。

(2)船体横向位移的影响

垂直载荷和船体的侧向位移会形成一个二级弯矩(-弯矩)。-效应是由船体的线性一阶位移决定的，计算公式如下：

(3)

式中：为-效应引起的变形；为船体的线性一阶位移；为桩腿支反力；为桩腿欧拉力。

-弯矩将引起桩腿的垂向支反力增加，船体的水平偏移也会引起下导板处弯矩增加。

根据主钩负载曲线，由起重机操作引起的最大载荷见表1。吊机可以在水平360°范围内动作。为了和环境负荷进行叠加，在每一个环境载荷方向，吊机在最大负荷下围绕固定柱360°旋转。

表1 吊机支座反力

2.2 桩腿强度校核

计入空船重量、可变载荷、桩腿桩靴重量和桩腿浮力，各工况下桩腿支反力结果见图3。考虑风浪流环境载荷同向，由于目标平台沿宽度方向的对称性，因此环境载荷的角度仅在0°～180°范围之内，同时，每一风浪流条件下，吊机角度旋转180°，因此计算工况共计81个。

图3 支反力计算结果

桩腿的最大支座力为32 100 kN，可取桩靴底部反力为32 500 kN，其最小预压载及单腿支持能力为29 580 kN。桩腿材料采用EH36，屈服应力为355 MPa，正常作业桩腿的组合工况安全系数取1.25，许用应力为284 MPa。

经过计算，在操作工况下，平台的设计满足CCS的相关要求。根据上述的输入条件，桩腿轴向应力最大实际应力与许用应力的比值(UC值)为0.534，弯曲应力最大UC值为0.494，结果显示平台的桩腿整体能力满足要求。

2.3 平台船体强度校核

正常作业工况下，平台的船体设计满足CCS的相关要求。根据上述的输入条件，平台的各主要结构计算结果和应力云图见图4。结果显示，平台的关键能力满足要求。船体部分钢材为AH32，屈服强度为315 MPa，安全系数取1.25，许用应力为252 MPa。

图4 平台各主要结构Von-mises应力云图(单位：Pa)

3 2台吊机同时作业

将平台2台吊机同时作业组合工况分为Z01、Z02、Z03、Z04，环境载荷的方向与主吊机方向一致，见表2。

表2 2台吊机同时作业组合工况 单位：(°)

3.1 桩腿强度计算结果

考虑绕桩吊与主吊机同时施工对于平台的桩腿支撑能力及强度的影响，经过计算，在正常作业工况下，根据上述的输入条件，绕桩吊和主吊机同时作业，输出各桩腿的支座反力，计算结果见表3。

表3 支反力计算结果 单位：kN

计入空船重量、可变载荷、桩腿桩靴重量和桩腿浮力，支反力合计为99 891.3 kN，大于总重量。这是由于吊机载荷以支座处反力施加，其中在吊机设计时加入了安全系数。

桩腿的最大支座力为32 100 kN，可取桩靴底部反力为32 500 kN，其最小预压载及单腿支持能力为29 850 kN。桩腿材料采用EH36，屈服应力为355 MPa，正常作业桩腿的组合工况安全系数取1.25，许用应力为284 MPa。

在操作工况下，平台的设计满足CCS的相关要求。根据上述的输入条件，绕桩吊全回转时，桩腿轴向应力最大UC值为0.511，弯曲应力最大UC值为0.224。结果显示，平台的桩腿整体能力满足要求。

3.2 船体有限元计算结果

在绕桩吊和主吊机同时作业工况下，平台的船体设计满足CCS的相关要求，有限元强度结果见表4。结果显示，平台的关键能力满足要求。

表4 船体有限元计算结果单位：MPa

4 结论

(1)相比绕桩吊主吊+海工吊辅吊，海工吊主吊+绕桩吊辅吊的吊机组合不仅成本较低，而且吊距大、吊重能力强。

(2)海工吊主吊+绕桩吊辅吊的吊机组合形式下，自升式风电安装平台进行吊机作业时的桩腿及船体强度均满足CCS规范要求。

(3)2台吊机同时作用时，在限定组合工况下，自升式风电安装平台的桩腿及船体强度均满足CCS规范要求。