液压插销自升式海上风电作业平台设计浅谈

2021-12-01

科学与信息化 2021年4期

南通润邦海洋工程装备有限公司江苏启东 226255

引言

海上风电作业平台是一种全新的海洋工程船舶，主要用于海上风力发电机的运输和吊装，它将运输船、作业船、起重船以及生活供给船的多项功能完美地融为一体，另外还装有先进的动力定位系统和自动控制系统，操作灵活自如，可以独立完成上述运输和安装，全过程无须其他船舶协助。目前海上风电作业平台的主流趋势是：动力定位、自升式、大吨位吊机、自航式、大可变载荷。

1 总布置图设计

先拟定能反映总布置大概轮廓布局的草图，划出各种不用用途的舱室，初步确定作业设备及其他设备的布置。根据初步布置的草图，初步校核平台的完整稳性和破舱稳性等主要性能，并根据分析结果对布置进行适当调整。确定总体大致布局后，根据规范和标准进行船用设备的选型及布置，并对生活区舱室细致的进行布置。完成此总布置图后，再结合其他各专业反馈的特殊要求等，绘出正式的总布置图并初步估算空船的重量重心位置，若重心位置不在桩腿对角线交点的附近，继续优化总图，直至调整重心到合适的位置[1]。

2 主船体结构设计

结构根据 CCS《海上移动平台入级与建造规范》及修改通报，并参考 CCS《钢质海船入级规范》及修改通报的有关要求进行设计。平台结构构件（包括舷侧板、甲板板、底板、舱壁板、桁材和骨材）通过规范计算与有限元分析相结合的方法来确定，力求具有合理的结构形式和最佳的材料使用率。主船体结构设计一般采用纵骨架式，使用H36级高强度钢。

海上风电作业平台工况复杂，有拖航、作业、举升、待命、自存等不同工况，各工况下承受的环境载荷和设计载荷均不同。通常的规范计算设计方法不能满足优化设计的要求，平台结构件通过规范计算与有限元分析相结合的方法来确定，即先通过规范计算确定结构大致规格，再用有限元计算的方式，计算各工况的结构受力，在保证结构总纵强度和局部强度的情况下，降低非强受力区域的构件规格，并根据有限元计算结果，优化结构形式。在结构优化设计中，合理使用高强度钢，对高受力区域采用高强度钢，这样亦可降低船体重量。

（1）船体主桁架结构。主桁结构是连接桩腿围阱，传递载荷的强力结构，是自升式风电作业平台主体部分的主要构件，直接承受升降系统传递到平台主体的巨大载荷。纵向主桁由舷侧板、纵舱壁及其之间的甲板和底板组成，横向主桁由连接桩腿围阱的横舱壁及其之间的甲板和底板组成，此部分的构件计算按照笔者经验，桩井四周的甲板、底板、舷侧板、纵舱壁及横舱壁在第一次进行规范计算时，取值一般应达到其他部分要求计算值的2倍，再用有限元计算的方式，校核并优化结构。

（2）上层建筑结构设计。上层建筑结构设计一般采用横骨架式，使用船用低碳钢，在上建构件端部设计时，需特别注意节点处理，保证有足够的空间以便内舾装设计，另外，自升式海上风电平台设有大型海上吊机，一般起重能力不小于600吨，起重机搁臂架一般布置在上建位置，需特别注意搁臂架位置的加强结构设计。由于上建一般使用材料较薄，大约7～8mm左右，而搁臂架加强结构较大，一般至少20mm以上，设计时应注意板厚的均匀过渡，避免应力集中或者应力突变[2]。

3 桩腿桩靴设计

海上风电作业平台是由一个驳船型船体和4个能够升降的桩腿所组成的海上自升式平台。这些可升降的桩腿能将船体上升到海面以上一定高度，支撑整个平台的海上作业。桩腿的作用主要在平台升起后支撑平台的全部重量，并把载荷传至海底。为适应海底地貌和土质的不同情况，桩腿下端结构一般设计成单独带桩腿箱，亦称桩靴，或设计整体沉垫的形式。

（1）桩靴设计。带桩靴的桩腿一般可兼顾软硬地基的要求。对较硬的海底，桩靴设计成具有较小的支撑面，甚至略带锥形；对较软的海底，桩靴的平面形状有圆形、方形和多边形。桩靴是自升式海洋平台重要的组成部分，起着支撑平台的作用。桩靴结构的可靠性对于保证平台稳定具有决定性的作用。海上风电作业平台主要是沿海施工，国内潮间带滩涂海域的海底淤泥都很深，一般桩靴无法满足支撑及拔桩要求。我们采取新型的桩靴设计，加大了桩靴的接触面积，以获得更大的承载力，安全可靠，增加了平台的稳定性，且能避免插桩深度超过平台限制。为了拔桩的方便，桩靴设计成略带锥形。笔者参与设计的自升式海上作业平台在东海大桥风电维修施工过程中，桩腿入泥20m，东海大桥风电维修项目的成功实施，充分说明了本桩靴的可靠实用性。

（2）桩腿设计。桩腿的主要功能是为船体作业甲板提供支撑，并将平台所受的载荷传递到海底。桩腿的结构安全直接关系到整个平台的安全。桩腿的形式可分为壳体式和桁架式，壳体式桩腿一般用于工作水深不大于70m的浅海，桁架式一般多用于深海。在保证桩腿结构安全的前提下，不断优化桩腿结构形式使其受力更加合理并且经济性更加。桩腿的结构优化采用有限元分析的方式，应用PATRAN/NASTRAN建立桩腿结构的有限元模型，并根据规范要求给桩腿施加风浪流等载荷，选取典型工况，对桩腿和桩靴的结构强度进行计算。在满足结构强度的条件下，优化桩腿直径与厚度的比值，让桩腿的重量最轻[3]。