鐘 蕾，羅 勇，王慶豐，徐 驍

(1.蘇州地方海事局，江蘇 蘇州 215007；2.南通潤邦海洋裝備有限公司，江蘇 南通 226000；3.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

近年來各國對于清潔能源的呼聲越來越高漲，并且不斷在清潔能源的開發(fā)和利用方面投入了大量的人力物力[1]。風(fēng)能在眾多清潔能源中脫穎而出，尤其是海上風(fēng)能的資源更為豐富。為此，人們對風(fēng)能的開發(fā)與利用已延伸至廣闊的海洋[2-3]。建立海上風(fēng)電場的優(yōu)勢在于更加節(jié)省陸地空間、噪聲污染更小，并且政府對于相關(guān)產(chǎn)業(yè)有政策扶持[4-5]，因此海上風(fēng)電在世界范圍內(nèi)的發(fā)電量和裝機量每年保持很高的增長率。

由于海上風(fēng)電機組安裝設(shè)備的需求量越來越大，自升平臺作為廣泛部署在不同海域的工作平臺技術(shù)已經(jīng)相對成熟[6]，在已部署的海洋平臺中超過半數(shù)的平臺為改型平臺，總數(shù)量已超過500座[7]。在風(fēng)電機組安裝設(shè)備中最常使用的是自升式安裝船，該型船舶在滿足運輸功能的同時可以實現(xiàn)船體平臺的升降，可在各種既定海況下為安裝風(fēng)電設(shè)施提供作業(yè)平臺。但是，此類平臺在用于風(fēng)電安裝時還有相關(guān)的技術(shù)亟待解決，因此對于該型船舶有必要進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的探究和開發(fā)。

本文采用MSC.Patran和MSC.Nastran有限元計算軟件，以某四樁腿的非自航式海上風(fēng)電安裝作業(yè)平臺的升降裝置為研究對象，在滿足各種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對該部位進(jìn)行強度校核、載荷檢驗。

1 自升式安裝平臺工作原理及特點

海洋平臺發(fā)展的初期為坐底式平臺，后來隨著人們對于海洋開發(fā)的不斷深入，海況條件、水深、工作要求的不斷復(fù)雜化，坐底式平臺已無法滿足人們的使用要求。之后便出現(xiàn)了由多個可升降樁腿和駁船或平臺形船體共同組成的自升式海洋平臺。自升式海洋平臺主要在近海區(qū)域工作，可以開展石油勘探開采、風(fēng)電設(shè)備的安裝等工作，同時還為工作人員提供生活區(qū)域。平臺主體結(jié)構(gòu)一般由一個單層或雙層底箱型結(jié)構(gòu)組成，根據(jù)不同工作條件和實際工程的需求設(shè)計橫、縱艙壁。需要特別說明的是，在樁腿附近為滿足設(shè)計要求需要設(shè)計強力艙壁。

本文的研究主體是四樁腿的非自航式海上風(fēng)電安裝作業(yè)平臺。該船的樁腿作為平臺的主要承重構(gòu)件，承載平臺升舉后的全部載荷重量，并且將其承受的載荷傳遞到作業(yè)海底位置。該平臺設(shè)計最大吊高為主甲板上120 m，配置1臺最大起重重量7 000 kN的液壓全回轉(zhuǎn)起重機，完成入樁、起吊等作業(yè)。平臺艏部配置2臺450 kW全回轉(zhuǎn)舵槳，艉部配置2臺710 kW全回轉(zhuǎn)舵槳，由4臺1 100 kW的柴油發(fā)電機為平臺供電。該海上平臺在風(fēng)電設(shè)備安裝作業(yè)時可完成安裝塔架、吊裝風(fēng)電機組及葉片、安裝設(shè)備基座等作業(yè)。

2 關(guān)鍵部位規(guī)范計算校核

在進(jìn)行樁腿提升系統(tǒng)設(shè)計的過程中，為確保樁腿設(shè)計的合理性必須對關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行強度分析。通過相關(guān)部位的強度分析，可更加合理地設(shè)計樁腿吊裝系統(tǒng)，并在滿足各項規(guī)范的基礎(chǔ)上，增加平臺耐久度[8]。在正常工況下對樁腿進(jìn)行強度分析，然后選擇最危險的工況進(jìn)行相應(yīng)檢查。換句話說，風(fēng)、浪和洋流的作用方向是相同的?？紤]的具體荷載有：重力作用下的載荷、作用在船體和風(fēng)機系統(tǒng)的風(fēng)載荷、樁腿流動和波浪載荷等。在分析風(fēng)載荷、波載荷和流載荷時采用的方法為耦合力分析。

在預(yù)加載條件下，環(huán)境載荷不是應(yīng)考慮的主要載荷。為保證環(huán)境載荷對于結(jié)果的影響最小化，須在良好的氣候條件下進(jìn)行預(yù)加載工作。預(yù)加載工況是利用平臺自重將2支斜樁腿插入海床，此時的主要載荷是船體及風(fēng)機系統(tǒng)重力，平臺的單樁腿承擔(dān)平臺重力的一半。

3 有限元仿真校核

對于新船或超出標(biāo)準(zhǔn)的船只，通常情況下需要對整船結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析計算?，F(xiàn)階段一般采用有限元法和計算機技術(shù)相結(jié)合的計算方法，使得復(fù)雜的船舶結(jié)構(gòu)相互作用，創(chuàng)造一個三維全尺寸模型和有限的元素，并在航行過程中相對準(zhǔn)確地描述船舶的載荷作用[9]。本文采用的有限元計算軟件是MSC.Patran、MSC.Nastran，具體步驟如下：

(1)用流體動力計算程序進(jìn)行波浪隨機載荷的預(yù)報，按照線性微幅波理論及莫里森(Morrison)公式計算出各個樁腿的波浪海流力。

(2)根據(jù)《海上移動平臺入級及建造規(guī)范》(2020)中風(fēng)載荷計算要求，計算出船體外部構(gòu)件的風(fēng)載壓力。

(3)根據(jù)起重機設(shè)備商提供的起重機工作極限載荷(傾覆力矩、扭轉(zhuǎn)力矩、垂向力等)計算出起重機在各個角度的工作載荷。

(4)將以上計算得到的風(fēng)浪流及工作載荷施加在船體上，計算其變形和應(yīng)力，并進(jìn)行主要結(jié)構(gòu)的強度評估。

3.1 全船有限元模型

有限元模型包括船體首尾、上甲板、機艙在內(nèi)全部船體結(jié)構(gòu)部件和相關(guān)受力結(jié)構(gòu)，以及橫向主要受力結(jié)構(gòu)如橫艙壁、強框架等。樁腿的插銷處開孔尺寸為439 mm×430 mm×220 mm。坐標(biāo)系采用笛卡爾坐標(biāo)系：X為船長方向，Y為船寬方向，Z為型深方向。有限元模型及板厚分布分別見圖1、圖2。

根據(jù)本船的工作特點，在起重機正常作業(yè)之前4個樁腿已經(jīng)插入海泥中。按照相關(guān)規(guī)范要求，需要將樁腿泥面位置之下3 m部位進(jìn)行絞支約束操作。邊界條件見圖1全船有限元模型示意圖。

圖1 全船有限元模型示意圖

圖2 全船板厚示意圖

3.2 載荷工況

海洋平臺在進(jìn)行相關(guān)作業(yè)時，各種條件下的環(huán)境載荷作用會影響平臺的工作性能。固定載荷與可變載荷構(gòu)成了工作載荷，波浪載荷與風(fēng)載荷構(gòu)成了環(huán)境載荷。最后，環(huán)境載荷與固定載荷共同構(gòu)成了平臺所受的主要載荷。本船在半浮工況時，波高為1.5 m，周期為7 s，水深為10 m，流速為1.5 m/s，風(fēng)速為13.8 m/s，入泥深度為22 m。

3.2.1 可變載荷

可變載荷是由該船的裝載重量及主要結(jié)構(gòu)、舾裝、電氣部分的重量與裝載質(zhì)量組成。為計算方便并減少計算量，油水等其他對船體的壓力和質(zhì)量大的設(shè)備載荷在建模中以添加質(zhì)量點的方法施加，船體的結(jié)構(gòu)質(zhì)量用慣性質(zhì)量的形式施加。該船在半浮狀態(tài)下空船和可變載荷的數(shù)據(jù)見表1。

3.2.2 波流載荷的確定

結(jié)合實際情況和計算要求來設(shè)計載荷工況，樁腿處的波流載荷采用STOKES 5階波理論。該方法為：設(shè)定一豎直柱體豎立在水深為d的海底，入射波波高為H，沿著X軸正方向入射。

單柱的受力計算結(jié)果如下：整個柱體上的水平波浪力FH為335 kN，總水平力對海底的彎矩MH為3 013 kN·m。主船體所受的波流載荷見表2。

表1 空船及可變載荷數(shù)據(jù)匯總

3.2.3 起重設(shè)備工作載荷

在起重機頂部端面施加扭轉(zhuǎn)、傾覆等力矩并且還要考慮最大徑向力和垂向力的作用。2 000 kN旋轉(zhuǎn)工況下起重設(shè)備數(shù)據(jù)如下：最大垂向力為16 800 kN，最大傾覆力矩為174 595 kN·m，最大回轉(zhuǎn)扭矩為9 046.25 kN·m，最大徑向力為926 kN。吊機作業(yè)角度見圖3。

3.2.4 風(fēng)載荷計算

本船半浮狀態(tài)的設(shè)計風(fēng)速為13.8 m/s，根據(jù)《海上移動平臺入級及建造規(guī)范》(2020)第2章第2節(jié)要求，計算得到的風(fēng)壓P為0.116 74 kPa。由于起重機的吊臂受風(fēng)的載荷在工作載荷中已考慮，故在風(fēng)載荷計算過程中不再重復(fù)敘述計算過程。風(fēng)載荷匯總表見表3。

3.2.5 計算工況

根據(jù)樁腿插入海泥深度及水深情況，分別計算主船體處于0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 m吃水下的工況。考慮的載荷條件參考上文，本計算中環(huán)境載荷(風(fēng)浪流載荷)取值與吊機作業(yè)角度取值相同，參考圖3。

表2 波流載荷匯總表

圖3 吊機作業(yè)角度示意圖

表3 風(fēng)載荷匯總表

3.3 計算結(jié)果

根據(jù)《海上移動平臺入級及建造規(guī)范》(2020)強度校核要求，平臺主體框架的結(jié)構(gòu)構(gòu)件分析需要按照下式規(guī)定確定其許用應(yīng)力值[σ]：

[σ]=[σs]/S

式中：[σs]為材料屈服強度；S為安全系數(shù)。

普通強度鋼的屈服強度為235 MPa，高強度鋼的屈服強度為355 MPa，計算結(jié)果見表4。

表4 各工況匯總表

全部工況下船體結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值見表5。

表5 各工況下校核結(jié)果匯總表

各工況下樁腿最大對地壓力數(shù)據(jù)見表6。在平臺吊裝作業(yè)或風(fēng)暴自存狀態(tài)下，受環(huán)境載荷影響，樁靴對地壓力可能暫時超過設(shè)定的對地壓力值，或樁靴地基因處于偏心受荷狀態(tài)而導(dǎo)致地基承載力有所下降。此時若堅實土層提供的極限承載力不足，樁靴地基可能會發(fā)生穿刺破壞。

表6 各工況下樁腿最大對地壓力匯總表

計算結(jié)果表明所有結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值均小于許用值，結(jié)構(gòu)的強度滿足船級社規(guī)范要求。

4 結(jié)語

本文以非自航式海上風(fēng)電安裝作業(yè)平臺為研究對象，對其關(guān)鍵部位即平臺的升降裝置的工作原理、特點和主要類型進(jìn)行分析。然后在該平臺的相關(guān)設(shè)計滿足各種技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，對關(guān)鍵部位進(jìn)行耦合力分析，并結(jié)合計算機模擬技術(shù)進(jìn)行有限元仿真計算，完成校核檢驗工作。通過對計算結(jié)果的分析從而驗證了該升降系統(tǒng)的合理性與可靠性并且在多種工況下都滿足相關(guān)規(guī)范要求，為此類非自航式海上風(fēng)電安裝作業(yè)平臺的平臺升降裝置的設(shè)計提供一種校核檢驗的方法，可以提高平臺的安全性和耐久度，同時計算方法相對簡單，計算結(jié)果較為準(zhǔn)確。