黃超，劉璐，張成芹，王俊杰

(中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200032)

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超大型海上風(fēng)機(jī)整機(jī)運輸船的改造設(shè)計

黃超，劉璐，張成芹，王俊杰

(中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200032)

為滿足海上風(fēng)機(jī)整體安裝的需要，將原“新能源駁1號”改造為10 000 t多功能運輸船，用有限元法對支持結(jié)構(gòu)及船體強(qiáng)度進(jìn)行計算，校核拖航穩(wěn)性，結(jié)果表明，改造后運輸船滿足每航次運輸2臺整機(jī)風(fēng)機(jī)至海上風(fēng)場的工程需求，實現(xiàn)利用現(xiàn)有裝備完成海上風(fēng)機(jī)整體安裝。

多功能運輸船；整體安裝；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；穩(wěn)性

目前海上風(fēng)機(jī)安裝方法主要有2種：整機(jī)吊裝安裝和現(xiàn)場分體安裝[1-2]，整機(jī)安裝技術(shù)特點適用于規(guī)模大的風(fēng)場建設(shè)，具有施工安全、效率高的特點。整機(jī)吊裝安裝工藝需要在基地進(jìn)行整機(jī)組裝，然后通過大型的運輸駁運至現(xiàn)場，再用大型起重船整機(jī)安裝[3-4]。分析海上風(fēng)機(jī)整體安裝工藝，綜合考慮三航局現(xiàn)有的船機(jī)設(shè)備、新船建造成本及周期等因素，確定專用多功能運輸駁方案，以實現(xiàn)海上風(fēng)機(jī)整體安裝。

1 設(shè)計改造概述

1.1 改造目標(biāo)

原船為三航“新能源1號”，鋼質(zhì)、單甲板、雙底的非自航駁船，可作為甲板駁運載貨物。為了滿足單航程運載2臺最大重量1 000 t、重心高度達(dá)60 m的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，需要在原船上設(shè)置風(fēng)機(jī)固定裝置與吊裝設(shè)備，并對船體結(jié)構(gòu)局部進(jìn)行加強(qiáng)，把原船改造為適合沿海裝配和運輸風(fēng)機(jī)的專用運輸船。

1.2 新增風(fēng)機(jī)固定裝置與起吊系統(tǒng)布置

1)4座井架。左右為1對、全船共2對。1臺風(fēng)機(jī)由2座井架固定，布置于風(fēng)機(jī)左右2舷。

2)2座平衡梁。前后各布置1座。平衡梁與風(fēng)機(jī)塔筒間采用4組抱箍器連接。平衡梁2端設(shè)有與井架連接的上座，上下座間采用錐形插銷連接，并用千斤頂壓緊裝置壓緊。

3)起吊系統(tǒng)。風(fēng)機(jī)塔筒底部設(shè)起吊系統(tǒng)，起吊架與塔筒底部外法蘭用螺栓固定。起吊架下設(shè)有支撐底座，在起吊架與塔筒螺栓固定前起臨時支撐作用，當(dāng)起吊架與塔筒底部外法蘭用螺栓固定后，起吊架與其支撐底座完全脫離。

4)風(fēng)機(jī)底座。根據(jù)風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)固定井架及上部起吊架情況，需在風(fēng)機(jī)塔筒、井架及上部起吊架下設(shè)置底座。風(fēng)機(jī)塔筒下設(shè)1個直徑4 700 mm圓筒底座，在圓筒內(nèi)側(cè)設(shè)置肘板，面板上設(shè)置與風(fēng)機(jī)塔筒對應(yīng)螺栓孔，底座與塔筒間用螺栓固定。風(fēng)機(jī)固定井架每個支腿下設(shè)墩座1個，用于船體與井架的固定連接。起吊架下設(shè) 8 個支撐底座，呈45°角布置于風(fēng)起吊架底下的甲板上。

5)船體結(jié)構(gòu)局部加強(qiáng)。對應(yīng)風(fēng)機(jī)支持結(jié)構(gòu)與船體連接部分應(yīng)作相應(yīng)的加強(qiáng)。

1.3 功能

1)風(fēng)機(jī)的整機(jī)組裝。包括：塔架、風(fēng)機(jī)艙、葉片等風(fēng)機(jī)部件運送到碼頭，利用吊機(jī)吊到船上，并進(jìn)行組裝[5-6]。

2)運輸2臺3.6 MW風(fēng)機(jī)。將組裝好的風(fēng)機(jī)可靠固定，本船將被拖航至海上風(fēng)電機(jī)場。

3)風(fēng)機(jī)海上安裝配套。本船被拖航至預(yù)定位置，定位和拋錨，可靠地系泊在安裝位置，用來安裝風(fēng)機(jī)的浮吊借助于吊具把整個風(fēng)機(jī)從本船吊起，浮吊移位至風(fēng)機(jī)與已建成的海上基礎(chǔ)準(zhǔn)確對齊處，將風(fēng)機(jī)安裝在已安裝好的海上基礎(chǔ)上[7-8]。

1.4 改造后船舶性能參數(shù)及總布置

改造后的船舶主尺度見表1。改造后船舶總布置圖見圖1、2。

表1 船舶主尺度及技術(shù)參數(shù)

圖1 舯剖面

圖2 主甲板布置示意

2 典型工況結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)性計算

為了實現(xiàn)本船一次可裝配、運輸和配套安裝2臺風(fēng)機(jī)整機(jī)[9]的新功能，而且風(fēng)機(jī)整機(jī)最大重量1 000 t、重心高度達(dá)60 m，需要解決運輸安裝過程中船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及拖航穩(wěn)性的問題，對原船增加拖航運輸風(fēng)電機(jī)組的固定措施和對船體對應(yīng)部位作局部加強(qiáng)，通過有限元計算運輸風(fēng)機(jī)的支持結(jié)構(gòu)和船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并對拖航穩(wěn)性進(jìn)行校核。

2.1 支持結(jié)構(gòu)拖航強(qiáng)度計算

針對拖航運輸3.6 MW風(fēng)機(jī)狀態(tài)，利用有限元對支持結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行計算。本次拖行運輸?shù)暮骄€為浙江岱山基地至上海臨港二期風(fēng)電場。拖航海況限定在6級風(fēng)、2 m波高、三級海況以下進(jìn)行；最大橫搖角控制在13°以下，橫搖周期8 s左右。計算工況見表2，有限元模型見圖3，強(qiáng)度校核各結(jié)構(gòu)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)如表3,拖航工況強(qiáng)度校核結(jié)果見表4。

表2 計算工況

圖3 支持結(jié)構(gòu)有限元模型示意

通過MSC.Patran計算本船支持結(jié)構(gòu)拖航強(qiáng)度計算。結(jié)果表明，所計算的井架、平衡梁及船體結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

表3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)

2.2 船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計算

對改造后運輸船在拖航運輸2臺3.6 MW風(fēng)機(jī)狀態(tài)時的船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行計算，根據(jù)CCS《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》(2015)的要求，參照CCS《集裝箱船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計算指南》(2005)第二章的要求對本船船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行直接計算。船體結(jié)構(gòu)有限元模型見圖4。

表4 井架、平衡梁和船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核結(jié)果 MPa

圖4 船體結(jié)構(gòu)有限元模型示意

本計算中波浪頻率為0.2～3.0 rad/s，間隔為0.1 rad/s；浪向位0°～180°，間隔為15°，共計13個浪向，其中180°為迎浪。沿船長方向選取21個剖面作為計算剖面，具體剖面位置見表5。

表5 21個參考橫截面位置

風(fēng)機(jī)裝載到港工況及整船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析工況見表6。

將靜水工況與設(shè)計波載荷工況結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力合成，得出整船強(qiáng)度校核工況，匯總于表7，切應(yīng)力計算結(jié)果匯總于表8，船體位移數(shù)據(jù)見表9。

表6 風(fēng)機(jī)裝載到港工況整船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析工況

表7 各工況船體構(gòu)件最大合成應(yīng)力匯總 MPa

表8 各工況船體構(gòu)件最大切應(yīng)力匯總 MPa

表9 各工況最大位移 m

許用彎曲應(yīng)力[σ]=190 MPa，許用切應(yīng)力[τ]=100 MPa，計算結(jié)果均小于許用值。

2.3 拖航穩(wěn)性校核

本船為非自航駁船，根據(jù)中華人民共和國船舶檢驗局1999年《國際航行海船法定檢驗技術(shù)規(guī)則》對無限航區(qū)海駁的拖航穩(wěn)性要求進(jìn)行計算，各種裝載情況穩(wěn)性計算，見表10。

表10 各種裝載情況穩(wěn)性匯總表

3 成果應(yīng)用

現(xiàn)場風(fēng)機(jī)運輸安裝作業(yè)見圖5，結(jié)果表明，設(shè)計改造的超大型海上風(fēng)機(jī)整機(jī)運輸船強(qiáng)度載荷及拖航穩(wěn)性滿足，成功完成風(fēng)機(jī)整機(jī)運輸安裝。

圖5 上海臨港海上風(fēng)電二期工程風(fēng)機(jī)整機(jī)運輸、安裝

4 結(jié)論

通過對超大型海上風(fēng)機(jī)整體安裝工藝的分析，利用現(xiàn)有海洋裝備進(jìn)行改造，以滿足工程上整體運輸安裝風(fēng)機(jī)的需求。通過新增相應(yīng)的風(fēng)機(jī)固定裝置及起吊系統(tǒng)，并對原船結(jié)構(gòu)局部加強(qiáng)，對改造后的船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和拖航穩(wěn)性進(jìn)行計算和校核，結(jié)果均滿足規(guī)范的要求。改造后的運輸船投產(chǎn)后完成上海臨港海上風(fēng)電二期工程整機(jī)運輸安裝任務(wù)，具備同時安裝、運輸2臺整機(jī)風(fēng)機(jī)功能，為超大型海上風(fēng)機(jī)整機(jī)運輸專業(yè)船舶的研制積累了寶貴的經(jīng)驗。

[1] 何炎平，楊啟.海上風(fēng)電機(jī)組運輸 安裝和維護(hù)船方案[J].船海工程,2010,38(4):24-37

[2] 楊駿.海上風(fēng)電機(jī)組安裝裝備與技術(shù)的發(fā)展[J].中外船舶科技,2016(2):6-14.

[3] 葉宇，何炎平，葛川，等.海上風(fēng)電機(jī)組構(gòu)成、安裝方式及典型安裝船型[J].中國海洋平臺，2008，23(5)：39-44.

[4] 萬文濤.海上風(fēng)電機(jī)組運輸與安裝方式研究[J].船舶工程，2011，33(2)：81-84.

[5] 劉貴浙，張勇慧.海上風(fēng)電場工程船發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].船舶物資與市場，2010(1)：27-31.

[6] 莫為澤，馮賓春，鄧杰．海上風(fēng)電機(jī)組安裝概述[J]．水利水電技術(shù)，2009，40(9):4-7．

[7] 劉志杰. 海上風(fēng)電安裝技術(shù)及裝備發(fā)展現(xiàn)狀分析[J].船舶工程，2015，37(7)：1-4.

[8] 張崧,譚家華.海上風(fēng)電場風(fēng)機(jī)安裝概述[J].中國海洋平臺,2009,24(3):35-41.

[9] 姚震球,韓強(qiáng).海上風(fēng)機(jī)吊裝運輸船及其吊裝方式的研究概況[J].船舶,2011,22(2):54-61.

Design and Transformation of the Large Offshore Wind Turbine Transport Ship

HUANG Chao, LIU Lu, ZHANG Cheng-qin, WANG Jun-jie

(CCCC Third Harbor Engineering Co., Ltd, Shanghai 200032, China)

In order to meet the integral installation of offshore wind turbine, the original ship “new energy barge 1” was transformed into 10 000 t multi-purpose transport ship. The structural strength of hull and supporting structure was assessed and the towing stability during transportation was checked. The results showed that the ship can meet the project to transport 2 sets of wind turbines each voyage, and implement the object of using existing equipment to complete the integral installation of offshore wind turbines.

multi-purpose transport; integral installation; structural strength; stability

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.038

2016-11-29

上海市科學(xué)技術(shù)委員會科研計劃項目(13dz1202202)

黃超(1987—)，男，碩士，工程師

研究方向：船舶技術(shù)管理

U662

A

1671-7953(2017)04-0165-04

修回日期：2016-01-11