張潔，沈棟，邱松，盧益峰

（1.中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海 200032；2.中交三航（上海）新能源工程有限公司，上海 200137）

0 引言

海上風(fēng)電半潛式坐底安裝平臺(tái)（船）由半潛駁發(fā)展而來(lái)，其通過(guò)主動(dòng)坐底，即船舶通過(guò)調(diào)節(jié)自重使船體緩慢、穩(wěn)定下沉與海底泥面接觸，利用泥面的支撐力進(jìn)行風(fēng)機(jī)安裝作業(yè)。它可以最大程度上滿足吊機(jī)工作要求，降低天氣和海況對(duì)吊機(jī)工作的影響，為縮短海上安裝作業(yè)周期、降低建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)、控制施工成本創(chuàng)造了先決條件，在建造成本上具有較大的競(jìng)爭(zhēng)力。海上風(fēng)電半潛式坐底安裝平臺(tái)由于其獨(dú)特的船舶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，能夠滿足3～20 m水深范圍內(nèi)的作業(yè)，以其優(yōu)越的地質(zhì)適應(yīng)性彌補(bǔ)了這一施工盲區(qū)。

當(dāng)平臺(tái)坐底時(shí)，如果船底與泥面接觸均勻，則船體受力也近似均勻，一般不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的船身斷裂危險(xiǎn)。但是，平臺(tái)坐底后由于海洋環(huán)境因素改變，船底周?chē)l(fā)生沖刷掏空現(xiàn)象，導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)受力非常復(fù)雜，并且環(huán)境隨機(jī)因素造成的結(jié)構(gòu)損傷和破壞難以通過(guò)理論計(jì)算進(jìn)行預(yù)測(cè)。因此，需要開(kāi)發(fā)一套預(yù)警系統(tǒng)對(duì)船體結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估，同時(shí)還需根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)情況，制定相應(yīng)的技術(shù)措施，以彌補(bǔ)沖刷掏空造成的船底受力不均，使船體在事故發(fā)生之前脫離危險(xiǎn)，解決困擾海上風(fēng)電半潛式坐底安裝平臺(tái)安全施工的這一大難題。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在船體應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1-5]、傳感器優(yōu)化布置方案[6]，船體應(yīng)力計(jì)算[7]、坐底船（平臺(tái)）沖刷掏空機(jī)理[8]等方面進(jìn)行了深入的研究。本文將針對(duì)三航“工5”坐底式風(fēng)電安裝船的船型特點(diǎn)及在坐底施工中受力情況的分析計(jì)算，提出和建立一套施工安全預(yù)警系統(tǒng)，為海上風(fēng)機(jī)安裝提供安全保障。

1 預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于船體坐底作業(yè)時(shí)底部泥面平整度難以判斷，船體本身自重非均勻分布、工作荷載的大小和方向不斷變化，因此船體受力復(fù)雜且不斷發(fā)生變化。坐底施工時(shí)，船體縱線一般會(huì)盡量保證與水流方向平行，當(dāng)沖刷引起艏、艉底部掏空時(shí)，掏空會(huì)逐漸向跨中延伸。當(dāng)發(fā)生掏空后，未掏空部位的土壓力發(fā)生變化，船體應(yīng)力重新分布，因此可在船體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位布置應(yīng)變計(jì)，監(jiān)測(cè)作業(yè)時(shí)的應(yīng)力變化，定性判斷掏空的程度從而進(jìn)行預(yù)警，也為船體結(jié)構(gòu)分析提供參考。

坐底船應(yīng)力監(jiān)測(cè)安全預(yù)警系統(tǒng)采用模塊化和智能化的理念設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主要由結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)單元和上位機(jī)軟件組成，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)船底主要結(jié)構(gòu)應(yīng)力情況?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)置測(cè)控單元的監(jiān)控參數(shù)，如采樣頻率、通訊間隔等。系統(tǒng)還包含安全預(yù)警管理和消息提醒系統(tǒng)，一旦有數(shù)據(jù)異常，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)響應(yīng)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

對(duì)傳感器設(shè)定不同的預(yù)警值，按照掏空程度的變化，以不同的預(yù)警級(jí)別評(píng)價(jià)危險(xiǎn)程度，設(shè)定二級(jí)預(yù)警：

1）一級(jí)準(zhǔn)備：報(bào)警后應(yīng)暫停施工，仔細(xì)檢查本預(yù)警系統(tǒng)和其他監(jiān)控設(shè)備工作狀況，初步判斷淘空程度，如有條件可派潛水員下水探摸，如無(wú)明顯危險(xiǎn)可繼續(xù)施工，并另外派人到壓艙水調(diào)節(jié)工作臺(tái)前，做好排水準(zhǔn)備工作。

2）二級(jí)排水：報(bào)警后應(yīng)立即通知起重機(jī)操作人員卸載，將起重機(jī)轉(zhuǎn)向合適的方向，同時(shí)外排壓艙水。

2 船體受力分析

船體長(zhǎng)100 m，寬40 m，艏艉兩端分別布置塔架和大型起重機(jī)，重力分布呈兩端重、中間輕的狀態(tài)，船體總體布置見(jiàn)圖1。根據(jù)設(shè)計(jì)初步計(jì)算結(jié)果以及對(duì)船體強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)判斷，應(yīng)變傳感器測(cè)點(diǎn)位置的布置分別按縱、橫向考慮。船身長(zhǎng)寬比約為2.5∶1，船體受彎以縱向?yàn)橹?，所有的?yīng)變計(jì)均測(cè)量縱向應(yīng)變，但也應(yīng)考慮到橫向不均勻受力情況，因此沿縱向應(yīng)布置多道平行的傳感器。

圖1 船體總體布置圖Fig.1 General plan of hull layout

無(wú)論船體處于漂浮、坐底或掏空狀態(tài)，船身中間段承受近似均勻的自重均布荷載，在艏艉還分別承受塔架及起重機(jī)荷載，近似以集中荷載表示。當(dāng)船底坐在均勻泥面時(shí)，泥面提供的地基反力是不均勻的，在較大的集中荷載位置地基反力就大，如圖2所示。

圖2 掏空開(kāi)始發(fā)展時(shí)船體沿縱向承受外荷載及船身彎矩示意圖Fig.2 Loads and bending moment along the longitude direction when the sediment erosion starts

均勻坐底時(shí)，船體受彎最大值在集中荷載靠近跨中方向附近。如果兩端發(fā)生掏空，船身彎矩在船端有2個(gè)峰值，隨著掏空程度越來(lái)越大，這2個(gè)峰值向跨中移動(dòng)，峰值也越來(lái)越大。

當(dāng)掏空繼續(xù)發(fā)展，地基反力作用面積進(jìn)一步減小，船端懸臂長(zhǎng)度越來(lái)越大，兩個(gè)彎矩峰值在跨中合并，此時(shí)船身受彎達(dá)到非常危險(xiǎn)的狀況，最危險(xiǎn)位置在跨中附近。

3 傳感器測(cè)點(diǎn)分布

傳感器測(cè)點(diǎn)位置設(shè)定按以下原則考慮：

1）如在船底大量布置測(cè)點(diǎn)，導(dǎo)線需要穿越多道橫艙壁，開(kāi)洞過(guò)多不符合船檢要求，且施工難度和工作量很大，難以實(shí)現(xiàn)。

2）可能發(fā)生斷裂的位置在船體縱向中部，本預(yù)警系統(tǒng)主要為了應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的掏空現(xiàn)象。在掏空發(fā)生的初期，沿船體縱向布置的傳感器可以監(jiān)測(cè)到這一現(xiàn)象。

3.1 測(cè)點(diǎn)縱向分布

測(cè)點(diǎn)縱向分布首先選取主要的關(guān)鍵點(diǎn)位置，按以下原則考慮：艏艉線型起點(diǎn)位置；起重機(jī)外輪廓位置，以及船艙端部位置；船身跨中位置。此外，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)掏空過(guò)程的連續(xù)不間斷監(jiān)測(cè)，沿船縱向測(cè)點(diǎn)布置宜均勻分布，在以上危險(xiǎn)點(diǎn)之間的大間距部分，近似均勻再插入若干個(gè)斷面。綜合以上考慮，在縱向總計(jì)14個(gè)斷面位置布置傳感器，根據(jù)圖3所示，基本考慮到了船身強(qiáng)度和剛度突變、較大集中荷載作用等不利影響。并且測(cè)點(diǎn)沿船體縱向基本呈均勻分布，可較好地監(jiān)測(cè)掏空過(guò)程，有利于形成多級(jí)危險(xiǎn)預(yù)警機(jī)制和做出相應(yīng)決策。

圖3 船身縱向測(cè)試斷面分布Fig.3 Longitudinal test section distribution along the hull

3.2 測(cè)點(diǎn)橫向分布

根據(jù)船體橫向構(gòu)造，船體縱向彎矩主要由7道縱艙壁承擔(dān)，其中有2道縱艙壁沿船長(zhǎng)方向不連續(xù)，另2道縱艙壁在船側(cè)不易實(shí)施傳感器的安裝和保護(hù)，因此可以主要監(jiān)測(cè)中部3道縱艙壁的受力變化情況作為預(yù)警系統(tǒng)的根據(jù)?？紤]到安裝可行性，測(cè)點(diǎn)在每個(gè)斷面分布在3道縱艙壁上。其中兩側(cè)連續(xù)縱艙壁上下分別布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，位置分別在甲板上表面和縱艙壁與肋板面板上方一定位置；中間縱艙壁在甲板上表面布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 測(cè)點(diǎn)橫向分布示意圖Fig.4 Horizontal distribution of test points

受安裝可行性制約，第8號(hào)肋位甲板面、第44號(hào)肋位船艙內(nèi)，以及第11號(hào)肋位甲板面中間縱艙壁難以安裝傳感器。綜上所述，本預(yù)警系統(tǒng)甲板面布置38個(gè)傳感器，船艙內(nèi)布置26個(gè)，總計(jì)布置傳感器數(shù)量為64個(gè)。

3.3 傳感器安裝及保護(hù)

考慮到船底坐底與泥面接觸，以及泥面沖刷導(dǎo)致的船體受力情況，采用鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力傳感器。由于工作環(huán)境惡劣，傳感器必須具備良好的耐久性，因此采用具有防水功能的振弦式應(yīng)變計(jì)，可承受50 m水壓。為提高傳感器保護(hù)效果，安裝傳感器保護(hù)盒，導(dǎo)線接頭也埋入盒內(nèi)，在盒內(nèi)灌滿防水膠采用20號(hào)槽鋼覆蓋焊接保護(hù)電纜。焊點(diǎn)避開(kāi)傳感器位置，在預(yù)計(jì)焊點(diǎn)位置的導(dǎo)線包裹石棉，防止焊縫燙傷電纜。

4 預(yù)警值設(shè)定

本預(yù)警系統(tǒng)所采用的應(yīng)力值均為“應(yīng)力變化值”，而非構(gòu)件實(shí)際的受力狀態(tài)。構(gòu)件在漂浮狀態(tài)時(shí)的既有應(yīng)力由有限元計(jì)算得到。只要傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，船底掏空前后的構(gòu)件應(yīng)力變化值基本可以反映出掏空程度。在最有可能發(fā)生斷裂的位置，估算出構(gòu)件的強(qiáng)度余量，可以滿足對(duì)于掏空安全性的監(jiān)測(cè)。各級(jí)預(yù)警設(shè)定值如表1所示。

表1 預(yù)警設(shè)定值Table 1 Pre-warning set values

預(yù)警系統(tǒng)可進(jìn)行人機(jī)交互，系統(tǒng)自動(dòng)采集現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元采集的傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)設(shè)的邏輯進(jìn)行判斷，當(dāng)數(shù)據(jù)產(chǎn)生異常，可根據(jù)報(bào)警的等級(jí)進(jìn)行聲光報(bào)警，并在界面上提示報(bào)警的等級(jí)和發(fā)生報(bào)警的位置。

5 工況監(jiān)測(cè)

以2017年6月于江蘇如東風(fēng)電場(chǎng)施工時(shí)的工況為例，只針對(duì)其中靠近起重機(jī)的左舷側(cè)甲板應(yīng)力為研究對(duì)象，進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)分析。根據(jù)有限元計(jì)算，在正常漂浮狀態(tài)時(shí)，靜水壓力對(duì)船體作用最均勻，布置點(diǎn)的既有應(yīng)力為-5～6 MPa，每條縱線上布置點(diǎn)應(yīng)力均值為-2～2 MPa，可在此狀態(tài)下將傳感器數(shù)值歸零，只考慮漂浮至坐底施工后的應(yīng)力變化。

圖5為船體由漂浮狀態(tài)至坐底穩(wěn)定的應(yīng)力變化，由于船體靠注入壓載水下沉，中間格艙先打滿水，待整體坐穩(wěn)后再向艏艉兩端格艙注水調(diào)平，故船體在下沉過(guò)程中呈舯垂?fàn)顟B(tài)。由圖可見(jiàn)，由漂浮狀態(tài)至基本觸底過(guò)程中，船體甲板壓應(yīng)力增加，中部壓應(yīng)力最大，呈明顯的舯垂?fàn)顟B(tài)，基本觸底后由于現(xiàn)場(chǎng)落潮，故船體沉底量增加，繼續(xù)下沉至穩(wěn)定，壓應(yīng)力變化逐漸減小。應(yīng)力變化最大位置為27肋位，漂浮至基本觸底期間壓應(yīng)力增加了28.3 MPa，基本觸底至完全穩(wěn)定期間壓應(yīng)力增加了12.1 MPa。

圖5 漂浮至坐底穩(wěn)定期間左舷側(cè)甲板應(yīng)力Fig.5 Stress on port side deck while the hull is sinking to the bottom and becomes stable

圖6為某日船體坐底沖刷期間的甲板應(yīng)力變化，根據(jù)船底泥沙測(cè)深裝置檢測(cè)，在10∶30—12∶30時(shí)間段內(nèi)發(fā)生漲潮，左舷側(cè)的艏艉泥沙沖刷加劇，舯拱程度增強(qiáng)，可見(jiàn)甲板壓應(yīng)力明顯減小，中部肋位壓應(yīng)力最大減小了11 MPa。在12∶30—13∶00時(shí)間段內(nèi)，左舷船艏泥沙基本未動(dòng)，船艉至船舯泥沙回淤，可見(jiàn)舯拱程度減弱，中部壓應(yīng)力略增加。

圖6 沖刷時(shí)的左舷側(cè)甲板應(yīng)力Fig.6 Stress on port side deck when the sediment erosion is developing

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)半潛式安裝平臺(tái)（船）在坐底施工中可能發(fā)生的掏空問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了一套坐底施工結(jié)構(gòu)安全預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)采用64個(gè)振弦式應(yīng)力傳感器，通過(guò)監(jiān)測(cè)船體應(yīng)力變化，結(jié)合有限元計(jì)算的船體構(gòu)件初始應(yīng)力，設(shè)定了船體結(jié)構(gòu)受力預(yù)警值，在坐底施工過(guò)程中對(duì)船身受力進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，并編制系統(tǒng)軟件根據(jù)危險(xiǎn)程度進(jìn)行相應(yīng)級(jí)別的報(bào)警，在泥面沖刷嚴(yán)重影響安全施工、以及對(duì)船體結(jié)構(gòu)帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)前采取一定措施保證施工和船體安全。