黄超，刘璐，张成芹，王俊杰

(中交第三航务工程局有限公司，上海 200032)



超大型海上风机整机运输船的改造设计

黄超，刘璐，张成芹，王俊杰

(中交第三航务工程局有限公司，上海 200032)

为满足海上风机整体安装的需要，将原“新能源驳1号”改造为10 000 t多功能运输船，用有限元法对支持结构及船体强度进行计算，校核拖航稳性，结果表明，改造后运输船满足每航次运输2台整机风机至海上风场的工程需求，实现利用现有装备完成海上风机整体安装。

多功能运输船；整体安装；结构强度；稳性

目前海上风机安装方法主要有2种：整机吊装安装和现场分体安装[1-2]，整机安装技术特点适用于规模大的风场建设，具有施工安全、效率高的特点。整机吊装安装工艺需要在基地进行整机组装，然后通过大型的运输驳运至现场，再用大型起重船整机安装[3-4]。分析海上风机整体安装工艺，综合考虑三航局现有的船机设备、新船建造成本及周期等因素，确定专用多功能运输驳方案，以实现海上风机整体安装。

1 设计改造概述

1.1 改造目标

原船为三航“新能源1号”，钢质、单甲板、双底的非自航驳船，可作为甲板驳运载货物。为了满足单航程运载2台最大重量1 000 t、重心高度达60 m的海上风力发电机组，需要在原船上设置风机固定装置与吊装设备，并对船体结构局部进行加强，把原船改造为适合沿海装配和运输风机的专用运输船。

1.2 新增风机固定装置与起吊系统布置

1)4座井架。左右为1对、全船共2对。1台风机由2座井架固定，布置于风机左右2舷。

2)2座平衡梁。前后各布置1座。平衡梁与风机塔筒间采用4组抱箍器连接。平衡梁2端设有与井架连接的上座，上下座间采用锥形插销连接，并用千斤顶压紧装置压紧。

3)起吊系统。风机塔筒底部设起吊系统，起吊架与塔筒底部外法兰用螺栓固定。起吊架下设有支撑底座，在起吊架与塔筒螺栓固定前起临时支撑作用，当起吊架与塔筒底部外法兰用螺栓固定后，起吊架与其支撑底座完全脱离。

4)风机底座。根据风机、风机固定井架及上部起吊架情况，需在风机塔筒、井架及上部起吊架下设置底座。风机塔筒下设1个直径4 700 mm圆筒底座，在圆筒内侧设置肘板，面板上设置与风机塔筒对应螺栓孔，底座与塔筒间用螺栓固定。风机固定井架每个支腿下设墩座1个，用于船体与井架的固定连接。起吊架下设 8 个支撑底座，呈45°角布置于风起吊架底下的甲板上。

5)船体结构局部加强。对应风机支持结构与船体连接部分应作相应的加强。

1.3 功能

1)风机的整机组装。包括：塔架、风机舱、叶片等风机部件运送到码头，利用吊机吊到船上，并进行组装[5-6]。

2)运输2台3.6 MW风机。将组装好的风机可靠固定，本船将被拖航至海上风电机场。

3)风机海上安装配套。本船被拖航至预定位置，定位和抛锚，可靠地系泊在安装位置，用来安装风机的浮吊借助于吊具把整个风机从本船吊起，浮吊移位至风机与已建成的海上基础准确对齐处，将风机安装在已安装好的海上基础上[7-8]。

1.4 改造后船舶性能参数及总布置

改造后的船舶主尺度见表1。改造后船舶总布置图见图1、2。

表1 船舶主尺度及技术参数

图1 舯剖面

图2 主甲板布置示意

2 典型工况结构强度和稳性计算

为了实现本船一次可装配、运输和配套安装2台风机整机[9]的新功能，而且风机整机最大重量1 000 t、重心高度达60 m，需要解决运输安装过程中船舶结构强度及拖航稳性的问题，对原船增加拖航运输风电机组的固定措施和对船体对应部位作局部加强，通过有限元计算运输风机的支持结构和船体结构强度，并对拖航稳性进行校核。

2.1 支持结构拖航强度计算

针对拖航运输3.6 MW风机状态，利用有限元对支持结构强度进行计算。本次拖行运输的航线为浙江岱山基地至上海临港二期风电场。拖航海况限定在6级风、2 m波高、三级海况以下进行；最大横摇角控制在13°以下，横摇周期8 s左右。计算工况见表2，有限元模型见图3，强度校核各结构强度标准如表3,拖航工况强度校核结果见表4。

表2 计算工况

图3 支持结构有限元模型示意

通过MSC.Patran计算本船支持结构拖航强度计算。结果表明，所计算的井架、平衡梁及船体结构满足强度要求。

表3 结构强度标准

2.2 船体结构强度直接计算

对改造后运输船在拖航运输2台3.6 MW风机状态时的船体结构强度进行计算，根据CCS《国内航行海船建造规范》(2015)的要求，参照CCS《集装箱船结构强度直接计算指南》(2005)第二章的要求对本船船体结构强度进行直接计算。船体结构有限元模型见图4。

表4 井架、平衡梁和船体结构强度校核结果 MPa

图4 船体结构有限元模型示意

本计算中波浪频率为0.2～3.0 rad/s，间隔为0.1 rad/s；浪向位0°～180°，间隔为15°，共计13个浪向，其中180°为迎浪。沿船长方向选取21个剖面作为计算剖面，具体剖面位置见表5。

表5 21个参考横截面位置

风机装载到港工况及整船结构强度分析工况见表6。

将静水工况与设计波载荷工况结构强度分析结构进行应力合成，得出整船强度校核工况，汇总于表7，切应力计算结果汇总于表8，船体位移数据见表9。

表6 风机装载到港工况整船结构强度分析工况

表7 各工况船体构件最大合成应力汇总 MPa

表8 各工况船体构件最大切应力汇总 MPa

表9 各工况最大位移 m

许用弯曲应力[σ]=190 MPa，许用切应力[τ]=100 MPa，计算结果均小于许用值。

2.3 拖航稳性校核

本船为非自航驳船，根据中华人民共和国船舶检验局1999年《国际航行海船法定检验技术规则》对无限航区海驳的拖航稳性要求进行计算，各种装载情况稳性计算，见表10。

表10 各种装载情况稳性汇总表

3 成果应用

现场风机运输安装作业见图5，结果表明，设计改造的超大型海上风机整机运输船强度载荷及拖航稳性满足，成功完成风机整机运输安装。

图5 上海临港海上风电二期工程风机整机运输、安装

4 结论

通过对超大型海上风机整体安装工艺的分析，利用现有海洋装备进行改造，以满足工程上整体运输安装风机的需求。通过新增相应的风机固定装置及起吊系统，并对原船结构局部加强，对改造后的船舶结构强度和拖航稳性进行计算和校核，结果均满足规范的要求。改造后的运输船投产后完成上海临港海上风电二期工程整机运输安装任务，具备同时安装、运输2台整机风机功能，为超大型海上风机整机运输专业船舶的研制积累了宝贵的经验。

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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

上海市科学技术委员会科研计划项目(13dz1202202)

黄超(1987—)，男，硕士，工程师

研究方向：船舶技术管理

U662

A

1671-7953(2017)04-0165-04

修回日期：2016-01-11