朱俊峰

(江蘇亨通藍(lán)德海洋工程有限公司，江蘇 南通 226000)

0 引言

由于海上風(fēng)機(jī)的安裝要求精度高且不能有碰撞損傷，自升式風(fēng)電安裝平臺一直是海上風(fēng)電安裝施工的關(guān)鍵裝備。平臺的吊重能力是自升式風(fēng)電安裝平臺最重要的指標(biāo)之一，同時海上風(fēng)機(jī)的安裝需要2臺吊機(jī)配合作業(yè)才能完成。因此，平臺吊機(jī)的布置形式及其吊重的設(shè)計是自升式風(fēng)電安裝平臺設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。國內(nèi)第一代自升式海上風(fēng)電安裝平臺的吊機(jī)主要采用固定式的海工吊主吊及固定式的海工吊輔吊，如“華電1001”自升式風(fēng)電安裝平臺，但該平臺的固定式海工吊有效的吊距較小，可用的吊機(jī)角度范圍較小。自升式風(fēng)電安裝平臺采用繞樁吊主吊+固定式海工吊輔吊的吊機(jī)組合形式，如“華電穩(wěn)強(qiáng)”號自升式風(fēng)電作業(yè)平臺，該平臺的有效吊距較大，且可用的吊機(jī)角度范圍較大，但這種吊機(jī)組合方式對于平臺升降裝置的能力及樁腿樁靴的承載能力要求較高，成本也較高。為此，本文提出一種海工吊主吊+繞樁吊輔吊的吊機(jī)組合方式，研究自升式風(fēng)電安裝平臺的設(shè)計技術(shù)，以降低風(fēng)電安裝平臺的作業(yè)成本，增大吊機(jī)的有效吊距。

1 不同的吊機(jī)組合方式研究

(1)風(fēng)電安裝平臺繞樁吊主吊+海工吊輔吊的布置方式見圖1。該平臺吊機(jī)的有效吊距較大，抬升重量為79 092 kN，主吊機(jī)的吊重為6 000 kN，吊距為20 m。其升降能力要求較高，單樁腿預(yù)壓載能力為35 000 kN。

圖1 繞樁吊主吊+海工吊輔吊的布置方式

(2)風(fēng)電安裝平臺海工吊主吊+繞樁吊輔吊的吊機(jī)布置方式見圖2。在主尺度基本相同的情況下，該平臺的抬升重量為85 403.90 kN，主吊機(jī)的吊重為6 500 kN，吊距為25 m，其升降能力要求相對較低，單樁腿預(yù)壓載能力30 000 kN。

圖2 海工吊主吊+繞樁吊輔吊的布置方式

由此可見，在成本較低的情況下，海工吊主吊+繞樁吊輔吊的布置形式更為合理。

2 海工吊主吊+繞樁吊輔吊平臺設(shè)計

2.1 平臺樁腿強(qiáng)度校核

采用莫里森方程和確定的規(guī)則波分析方法，根據(jù)水深、浪高和周期的關(guān)系選擇波浪理論，具體如下：水深30 m，重力加速度9.81 m/s，波浪周期7.0 s，無量綱相對水深0.062，無量綱相對波陡0.006；最大波高，波浪理論為斯托克斯五階波。

莫里森方程中的波/流力被表示為一個拖曳力和慣性力的總和，其特征在于一個阻力系數(shù)和慣性系數(shù)。依據(jù)-，大型圓柱形樁腿的光滑圓管的阻力和慣性系數(shù)分別為0.65和2.0。在此基礎(chǔ)上，樁腿的系數(shù)根據(jù)樁腿直徑、粗糙度等進(jìn)行修正，其數(shù)值分別取0.94、2.02。流速的分布形狀通過海底泥線和水線2處的流速來表示，水線及泥線處的流速分別為1.5、1.0 kn。

(1)動態(tài)放大效應(yīng)

為了考慮到動態(tài)的放大效應(yīng)，需要在模型中加載額外的水平力和傾覆力矩。動態(tài)放大因子為

(1)

式中：為平臺的固有周期；為波浪周期；為阻尼比，≤7%。

慣性力的計算公式如下：

(2)

式中：、分別為樁腿底部的最大剪力和最小剪力。

(2)船體橫向位移的影響

垂直載荷和船體的側(cè)向位移會形成一個二級彎矩(-彎矩)。-效應(yīng)是由船體的線性一階位移決定的，計算公式如下：

(3)

式中：為-效應(yīng)引起的變形；為船體的線性一階位移；為樁腿支反力；為樁腿歐拉力。

-彎矩將引起樁腿的垂向支反力增加，船體的水平偏移也會引起下導(dǎo)板處彎矩增加。

根據(jù)主鉤負(fù)載曲線，由起重機(jī)操作引起的最大載荷見表1。吊機(jī)可以在水平360°范圍內(nèi)動作。為了和環(huán)境負(fù)荷進(jìn)行疊加，在每一個環(huán)境載荷方向，吊機(jī)在最大負(fù)荷下圍繞固定柱360°旋轉(zhuǎn)。

表1 吊機(jī)支座反力

2.2 樁腿強(qiáng)度校核

計入空船重量、可變載荷、樁腿樁靴重量和樁腿浮力，各工況下樁腿支反力結(jié)果見圖3?？紤]風(fēng)浪流環(huán)境載荷同向，由于目標(biāo)平臺沿寬度方向的對稱性，因此環(huán)境載荷的角度僅在0°～180°范圍之內(nèi)，同時，每一風(fēng)浪流條件下，吊機(jī)角度旋轉(zhuǎn)180°，因此計算工況共計81個。

圖3 支反力計算結(jié)果

樁腿的最大支座力為32 100 kN，可取樁靴底部反力為32 500 kN，其最小預(yù)壓載及單腿支持能力為29 580 kN。樁腿材料采用EH36，屈服應(yīng)力為355 MPa，正常作業(yè)樁腿的組合工況安全系數(shù)取1.25，許用應(yīng)力為284 MPa。

經(jīng)過計算，在操作工況下，平臺的設(shè)計滿足CCS的相關(guān)要求。根據(jù)上述的輸入條件，樁腿軸向應(yīng)力最大實際應(yīng)力與許用應(yīng)力的比值(UC值)為0.534，彎曲應(yīng)力最大UC值為0.494，結(jié)果顯示平臺的樁腿整體能力滿足要求。

2.3 平臺船體強(qiáng)度校核

正常作業(yè)工況下，平臺的船體設(shè)計滿足CCS的相關(guān)要求。根據(jù)上述的輸入條件，平臺的各主要結(jié)構(gòu)計算結(jié)果和應(yīng)力云圖見圖4。結(jié)果顯示，平臺的關(guān)鍵能力滿足要求。船體部分鋼材為AH32，屈服強(qiáng)度為315 MPa，安全系數(shù)取1.25，許用應(yīng)力為252 MPa。

圖4 平臺各主要結(jié)構(gòu)Von-mises應(yīng)力云圖(單位：Pa)

3 2臺吊機(jī)同時作業(yè)

將平臺2臺吊機(jī)同時作業(yè)組合工況分為Z01、Z02、Z03、Z04，環(huán)境載荷的方向與主吊機(jī)方向一致，見表2。

表2 2臺吊機(jī)同時作業(yè)組合工況 單位：(°)

3.1 樁腿強(qiáng)度計算結(jié)果

考慮繞樁吊與主吊機(jī)同時施工對于平臺的樁腿支撐能力及強(qiáng)度的影響，經(jīng)過計算，在正常作業(yè)工況下，根據(jù)上述的輸入條件，繞樁吊和主吊機(jī)同時作業(yè)，輸出各樁腿的支座反力，計算結(jié)果見表3。

表3 支反力計算結(jié)果 單位：kN

計入空船重量、可變載荷、樁腿樁靴重量和樁腿浮力，支反力合計為99 891.3 kN，大于總重量。這是由于吊機(jī)載荷以支座處反力施加，其中在吊機(jī)設(shè)計時加入了安全系數(shù)。

樁腿的最大支座力為32 100 kN，可取樁靴底部反力為32 500 kN，其最小預(yù)壓載及單腿支持能力為29 850 kN。樁腿材料采用EH36，屈服應(yīng)力為355 MPa，正常作業(yè)樁腿的組合工況安全系數(shù)取1.25，許用應(yīng)力為284 MPa。

在操作工況下，平臺的設(shè)計滿足CCS的相關(guān)要求。根據(jù)上述的輸入條件，繞樁吊全回轉(zhuǎn)時，樁腿軸向應(yīng)力最大UC值為0.511，彎曲應(yīng)力最大UC值為0.224。結(jié)果顯示，平臺的樁腿整體能力滿足要求。

3.2 船體有限元計算結(jié)果

在繞樁吊和主吊機(jī)同時作業(yè)工況下，平臺的船體設(shè)計滿足CCS的相關(guān)要求，有限元強(qiáng)度結(jié)果見表4。結(jié)果顯示，平臺的關(guān)鍵能力滿足要求。

表4 船體有限元計算結(jié)果單位：MPa

4 結(jié)論

(1)相比繞樁吊主吊+海工吊輔吊，海工吊主吊+繞樁吊輔吊的吊機(jī)組合不僅成本較低，而且吊距大、吊重能力強(qiáng)。

(2)海工吊主吊+繞樁吊輔吊的吊機(jī)組合形式下，自升式風(fēng)電安裝平臺進(jìn)行吊機(jī)作業(yè)時的樁腿及船體強(qiáng)度均滿足CCS規(guī)范要求。

(3)2臺吊機(jī)同時作用時，在限定組合工況下，自升式風(fēng)電安裝平臺的樁腿及船體強(qiáng)度均滿足CCS規(guī)范要求。