王鑫磊，徐 兵，程文池，田崇興

（武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，武漢 430084）

0 引言

綠色能源是撬動(dòng)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整乃至整個(gè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要支點(diǎn)，發(fā)展綠色能源以應(yīng)對(duì)氣候變化已是大勢(shì)所趨。海上風(fēng)能作為一種可再生、無污染且儲(chǔ)量巨大的綠色能源，其未來的發(fā)展意義不言而喻。因此，國家對(duì)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)進(jìn)行布局，將其作為推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型、保障氣候安全、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、打造新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)的重大改革措施。

伴隨著海上風(fēng)電市場的蓬勃發(fā)展，風(fēng)電安裝平臺(tái)迎來了發(fā)展的良機(jī)，而插銷升降系統(tǒng)因其自身的特性，被廣泛配套于風(fēng)電安裝平臺(tái)。插銷升降系統(tǒng)作為風(fēng)電安裝平臺(tái)的核心設(shè)備，它的安全性和可靠性直接關(guān)系到平臺(tái)的安全?，F(xiàn)有的插銷升降系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要遵循的是各個(gè)船級(jí)社的規(guī)范，但是每個(gè)船級(jí)社規(guī)范的要求又存在區(qū)別。因此，本文對(duì)ABS、CCS、DNV GL等不同船級(jí)社的規(guī)范進(jìn)行研究，以期為插銷升降系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)找到合理的解決思路。

1 插銷升降系統(tǒng)的種類

目前，國內(nèi)外主流的插銷升降系統(tǒng)主要分為 3大類：步進(jìn)式插銷升降系統(tǒng)、半連續(xù)型插銷升降系統(tǒng)及連續(xù)型插銷升降系統(tǒng)[1-4]。步進(jìn)式插銷升降系統(tǒng)中，升降平臺(tái)和樁腿均為步進(jìn)動(dòng)作，如圖 1所示；半連續(xù)型插銷升降系統(tǒng)中，升降平臺(tái)為步進(jìn)動(dòng)作，升降樁腿為連續(xù)動(dòng)作，如圖 2所示；連續(xù)型插銷升降系統(tǒng)中，升降平臺(tái)和樁腿均為連續(xù)動(dòng)作，如圖3所示。

圖1 步進(jìn)式插銷升降系統(tǒng)

圖2 半連續(xù)型插銷升降系統(tǒng)

圖3 連續(xù)型插銷升降系統(tǒng)

這 3種結(jié)構(gòu)形式的插銷升降系統(tǒng)雖然工作方式存在區(qū)別，但是其基本的工作原理基本一致。因此，其總體設(shè)計(jì)思路基本一致，只是在一些具體細(xì)節(jié)上存在區(qū)別。

2 插銷升降系統(tǒng)的工況及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核基本原則

2.1 插銷升降系統(tǒng)的工況

插銷升降系統(tǒng)的主要工況在 CCS、ABS及 DNV GL規(guī)范中均有明確說明，其主要工況大致一樣，但是也存在一些區(qū)別，詳見表1所述。

表1 插銷升降系統(tǒng)工況對(duì)比表

對(duì)于遷移工況，通常情況下，其載荷與其他支持工況的載荷相差很大，可以被其他工況所涵蓋，但是平臺(tái)的作業(yè)支持工況是插銷升降系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)必須考慮的，例如風(fēng)電安裝平臺(tái)，其作業(yè)支持時(shí)，平臺(tái)上吊機(jī)會(huì)進(jìn)行風(fēng)機(jī)塔筒、風(fēng)機(jī)機(jī)組等大噸位吊裝作業(yè)，該過程對(duì)插銷升降系統(tǒng)的平臺(tái)作業(yè)支持能力要求極高，可能遠(yuǎn)高于升降系統(tǒng)風(fēng)暴工況所需求的支持能力?！案酆狡?9”風(fēng)電安裝平臺(tái)配套的插銷升降系統(tǒng)就存在此種情況：平臺(tái)作業(yè)支持載荷為5 520 T，風(fēng)暴支持載荷為4 000 T。

一般情況下，插銷升降系統(tǒng)的預(yù)壓載升降工況的載荷和預(yù)壓載支持工況的載荷一致，但在某些特殊平臺(tái)上，會(huì)存在預(yù)壓載支持工況載荷大于預(yù)壓載升降工況載荷的情況。該工況會(huì)直接影響插銷升降系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，是總體設(shè)計(jì)過程中必須了解的關(guān)鍵點(diǎn)。

插銷升降系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)除了需要考慮表 1中列舉的 7種正常工況，還需要考慮失效工況，該工況主要來源于插銷升降系統(tǒng)的失效模式和影響分析（FMEA）。對(duì)于FMEA，CCS、ABS和DNV GL規(guī)范中并沒有明確具體的故障。因此，不同的升降系統(tǒng)廠家對(duì)于故障的分析各不相同。但插銷升降系統(tǒng)一般都會(huì)考慮 1種故障模式——單插銷失效，因?yàn)樵摴收夏Ｊ酱嬖跇O多，其主要原因?yàn)椋簶锻鹊牟邃N孔主要加工方式為火焰切割后再打磨，其同一層插銷孔中心存在不共面的情況，多個(gè)插銷同時(shí)工作時(shí)，會(huì)有個(gè)別插銷不承載。

2.2 強(qiáng)度校核基本原則

根據(jù)章節(jié)2.1所述，插銷升降系統(tǒng)共有8種工況，但是強(qiáng)度校核時(shí)，并不需要對(duì)所有工況進(jìn)行校核。通常情況下，主要校核以下幾種工況：額定升降平臺(tái)工況、平臺(tái)作業(yè)支持工況、預(yù)壓載升降工況、預(yù)壓載支持工況、風(fēng)暴支持工況和失效工況。

在CCS、ABS和DNV GL規(guī)范中，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核的基本原則一致，但也存在一些區(qū)別，詳見表2所述。

表2 等效應(yīng)力安全系數(shù)

不同規(guī)范對(duì)靜載工況和組合工況的定義也不同：1）CCS和DNV GL規(guī)范中，不包含環(huán)境載荷的工況為靜載工況，包含環(huán)境載荷的工況為組合工況，則額定升降平臺(tái)工況、預(yù)壓載升降工況應(yīng)為靜載工況，平臺(tái)作業(yè)支持工況、預(yù)壓載支持工況及風(fēng)暴支持工況應(yīng)為組合工況；2）ABS規(guī)范中，額定升降平臺(tái)工況、預(yù)壓載升降工況及平臺(tái)作業(yè)支持工況為靜載工況，預(yù)壓載支持工況和風(fēng)暴支持工況應(yīng)為組合工況。3個(gè)船級(jí)社規(guī)范的主要差異點(diǎn)體現(xiàn)對(duì)平臺(tái)作業(yè)支持工況的考慮上。但是，在平臺(tái)作業(yè)支持時(shí)，平臺(tái)所受環(huán)境載荷相對(duì)于作業(yè)支持載荷較小，既可忽略其影響，按靜載工況1.43的安全系數(shù)進(jìn)行校核；也可考慮其影響，按組合工況1.11的安全系數(shù)進(jìn)行校核。根據(jù)對(duì)實(shí)際工程案例的分析，認(rèn)為這 2種校核方式對(duì)結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算影響不大，但是建議按組合工況1.11的安全系數(shù)進(jìn)行校核，其更接近于真實(shí)情況，且受環(huán)境載荷影響造成的偏載會(huì)影響插銷升降系統(tǒng)其他部件的受力情況。

對(duì)于失效工況，CCS和DNV GL規(guī)范中明確了安全系數(shù)為 1.0，但是 ABS規(guī)范中未給出明確的安全系數(shù)。在進(jìn)行插銷升降系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)時(shí)，建議確定其安全系數(shù)為1.0。

3 材料選用原則

在CCS、ABS和DNV GL規(guī)范中，自升式平臺(tái)的構(gòu)件按其重要性的不同可分為 3類：次要構(gòu)件、重要構(gòu)件及特殊構(gòu)件[5]。鑒于插銷升降系統(tǒng)對(duì)平臺(tái)安全的重要性，其主體結(jié)構(gòu)屬于重要構(gòu)件。對(duì)于插銷升降系統(tǒng)這類重要構(gòu)件的材料選型，主要考慮鋼板和鍛件材料的選型。

一般情況下，插銷升降系統(tǒng)的鋼板多采用船級(jí)板，而對(duì)于船級(jí)板的具體選型，3個(gè)船級(jí)社的要求基本一致，都取決于插銷升降系統(tǒng)的設(shè)計(jì)溫度。

對(duì)于插銷升降系統(tǒng)的鍛件材料選型，CCS、ABS及DNV GL規(guī)范中的要求均不一樣，特別是對(duì)鍛件的2個(gè)重要性能指標(biāo)的要求：沖擊功（CVN）和延伸率。

在ABS規(guī)范中，要求插銷升降系統(tǒng)鍛件的延伸率不能低于 12%，而沒有明確鍛件沖擊功的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，因而只能參考其他鋼材的技術(shù)要求，其中需要注意的事項(xiàng)：插銷升降系統(tǒng)中，屈服強(qiáng)度為 235 MPa～420 MPa的鍛件，鍛件的試驗(yàn)溫度要比設(shè)計(jì)溫度低 10℃；屈服強(qiáng)度為460 MPa～690 MPa的鍛件，鍛件的試驗(yàn)溫度要比設(shè)計(jì)溫度低20℃[6]。

在DNV GL規(guī)范中，只明確了屈服強(qiáng)度小于450 MPa的鍛件材料的性能要求，對(duì)于屈服強(qiáng)度大于 450 MPa的鍛件材料，只能參考特殊高強(qiáng)度鋼材的性能要求，其中需要注意的一點(diǎn)：對(duì)于屈服強(qiáng)度小于450 MPa的鍛件，設(shè)計(jì)溫度低于-10℃時(shí)，鍛件試驗(yàn)溫度要比設(shè)計(jì)溫度低5℃[7]；而對(duì)于屈服強(qiáng)度大于450 MPa的鍛件，試驗(yàn)溫度無明確要求。同時(shí)，DNV GL規(guī)范也要求插銷升降系統(tǒng)的鍛件延伸率不能低于12%。

在CCS規(guī)范中，對(duì)鍛件的性能指標(biāo)有明確的要求，其試驗(yàn)溫度要求和設(shè)計(jì)溫度保持一致，且其沖擊功要求較低，但是鍛件延伸率要求較高。

總體而言，每個(gè)船級(jí)社對(duì)鍛件性能關(guān)注的側(cè)重點(diǎn)不一樣，各有優(yōu)劣。一般插銷升降系統(tǒng)的設(shè)計(jì)溫度均取該設(shè)備工作海域50年的最低溫度，實(shí)際工作過程中，其環(huán)境溫度均高于設(shè)計(jì)溫度。如果插銷升降系統(tǒng)不涉及到取證，那么出于經(jīng)濟(jì)性的考慮，鍛件選型可按CCS規(guī)范中的要求執(zhí)行，但可以適當(dāng)提高鍛件沖擊功的數(shù)值。

4 主要安保功能

對(duì)于插銷升降系統(tǒng)而言，除了需具備電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)保護(hù)、油箱油位保護(hù)、電源故障保護(hù)、上下限位保護(hù)和濾器保護(hù)等常規(guī)安保功能外，還需要特別具備以下3種保護(hù)功能。

1）自動(dòng)控制功能

插銷升降系統(tǒng)屬于升降系統(tǒng)里面控制邏輯最復(fù)雜的系統(tǒng)，其操作過程極其繁瑣，即使是1名專業(yè)人員，也有可能會(huì)出現(xiàn)操作失誤的情況。插銷升降系統(tǒng)一旦出現(xiàn)操作失誤，極有可能產(chǎn)生樁腿孔破壞等問題，其修復(fù)工作量大、成本高。因此，插銷升降系統(tǒng)需具備自動(dòng)控制功能，盡量減少人員手動(dòng)操作的失誤。

2）油缸過載保護(hù)和防爆保護(hù)

油缸的過載保護(hù)主要為防止出現(xiàn)因工作負(fù)載太大而導(dǎo)致油缸工作壓力過高、油缸缸體變形的情況。

油缸的防爆保護(hù)主要為防止油缸的進(jìn)油管路發(fā)生爆裂，導(dǎo)致平臺(tái)失速下降。

3）插銷狀態(tài)顯示及故障保護(hù)

插銷作為升降系統(tǒng)工作過程中的主要承力件，其工作狀態(tài)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，確保操作人員知道其位置狀態(tài)。另外，插銷升降系統(tǒng)一般配備有2組插銷，這2組插銷需具備互鎖功能，防止2組插銷同時(shí)被拔出。

另外，插銷升降系統(tǒng)的核心安保功能是插銷的故障保護(hù)，其主要目的是：當(dāng)發(fā)生插銷插入或拔出故障時(shí)，提前報(bào)警，確保插銷不破壞樁腿。

5 結(jié)論

1）介紹了插銷升降系統(tǒng)的主要工況，并說明了插銷升降系統(tǒng)強(qiáng)度校核的主要工況和強(qiáng)度校核的基本原則，對(duì)插銷升降系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)具有重要意義。

2）說明了材料選擇的原則和注意事項(xiàng)，對(duì)插銷升降系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的材料確定具有重要參考意義。

3）說明了插銷升降系統(tǒng)的重要安保功能，對(duì)總體設(shè)計(jì)具有重要工程借鑒意義。