張永康，吳建新，吳鳳民

（ 1. 廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東廣州 510006；2. 啟東中遠海運海洋工程有限公司，江蘇啟東 226200 ）

1 海上風電安裝平臺概述

隨著能源需求的持續(xù)增長，人類終將耗盡有限的化石能源，并導致日益嚴重的環(huán)境污染與全球氣候變暖問題。2020 年12 月，國家主席習近平在氣候雄心峰會上宣布：到2030 年，中國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放將比2005 年下降65%以上， 非化石能源占一次能源消費比重將達到25%，森林蓄積量將比2005 年增加60 億立方米，風電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達12 億千瓦以上[1]。 可持續(xù)能源政策促進我國綠色低碳發(fā)展已成為必然之勢。

海上風電作為可再生清潔能源之一，具有風資源大、風能密度高、風湍流小、發(fā)電量大、環(huán)境影響小、輸送距離短、電網(wǎng)消納能力強等優(yōu)點，受到世界各國的高度重視與大力發(fā)展。 我國已將海上風電提升至解決能源危機、減緩氣候變化、調(diào)整能源結構的國家戰(zhàn)略高度。 我國東部沿海地區(qū)是工業(yè)高度集中區(qū)域，但能源相對匱乏，對電力的需求極大，然而東部沿海擁有非常豐富的風能資源，海上可開發(fā)和利用的風能儲量約75 萬兆瓦， 因此迫切需要在東部沿海興建大型海上風電場。 國內(nèi)的海上風電場建設剛剛起步，風電安裝平臺不足是海上風電場無法如期建成投產(chǎn)的主要障礙。

歐洲海上風電裝備技術總體處于領先地位，丹麥和英國分別建成了世界上第一個與世界上最大的海上風電場，使歐洲的海上風電成本整體大幅下降。 2019 年12 月，國際可再生能源署發(fā)布了《風電的未來——開發(fā)、投資、技術、并網(wǎng)及社會經(jīng)濟效益》報告：全球累計風電裝機將從2018 年的23 GW加速發(fā)展到2050 年1000 GW， 成為萬億美元級新興產(chǎn)業(yè)群[2]。 與所有化石燃料發(fā)電電源相比，海上風電發(fā)電的競爭力不斷增強，到2030 年，海上風電的平準化度電成本將從2018 年的0.13 美元／度降至0.05～0.09 美元 ／度， 到 2050 年將降至 0.03～0.07 美元／度。

為降低海上風力發(fā)電成本，海上風電發(fā)展呈兩大趨勢：一是風機大型化，風電機組的單機容量由小風機發(fā)展到當今世界上商業(yè)化運行最大的8 MW大型風機，其機艙重390 t、葉片重35 t、葉片長80 m、風機塔高140～220 m、風輪直徑164 m，風輪掃掠面積超過21 000 m2， 現(xiàn)在英國、 美國正分別建設9.5、12 MW 超大型風機，滿足超十萬戶家庭的用電需求；二是風電場深水遠岸化，淺水區(qū)受環(huán)保生態(tài)、航道、風能資源等制約，發(fā)展空間受限，而深水遠岸區(qū)范圍廣、風能資源豐富、風速穩(wěn)定，國家規(guī)劃中明確鼓勵深水遠岸布局海上風電，未來全球新增裝機的主戰(zhàn)場在深水遠岸區(qū)。

在風大、浪高、水急的深水區(qū)，運輸和安裝大型風機是世界級難題，海上風電場建設技術領先者是西北歐國家，核心技術也被歐洲國家所壟斷。 由于缺乏專業(yè)海上風電安裝裝備，我國海上已完成的風電場主要在潮間帶淺水區(qū)，具有更佳風能的深水區(qū)未得到有效開發(fā)。 目前，運輸駁、浮吊、輔助船舶的聯(lián)合作業(yè)模式已不適合深水區(qū)大型風機的安裝，而受風浪影響小、安全性高、效率高的自航自升式超大型安裝平臺受到各國的高度關注，其具有裝載運輸、自航自升、重型起重、動力定位、海上作業(yè)等多功能于一身，是海上風電建設的關鍵裝備。

2 海上風電安裝平臺高端裝備制造關鍵技術

2.1 自航自升式海上風電安裝平臺

自航自升式海上風電安裝平臺是一種巨重巨型的高端海工裝備。 以圖1 所示的8 MW 安裝平臺為例，平臺尺寸為133.15 m×39 m×9 m，其頻繁地自航到海上風電場作業(yè)地點，自升至海面上形成一個穩(wěn)定的作業(yè)平臺，提升重量近2 萬噸。 然而，深水遠岸區(qū)環(huán)境惡劣，受平臺超萬噸自重、超20 m/s 風速、超5 m 高浪載、超50 m 水深海床地質(zhì)、超千噸吊裝等極端工況的影響，大型風機海上安裝存在亟待解決的三大世界技術難題：樁腿站立作業(yè)易“失穩(wěn)”、大平臺大跨距大傾覆力矩自升易“失控”、高空吊裝巨型葉片逾百螺栓精準定位易“失準”。 如此苛刻的服役要求，對安裝平臺的設計制造提出了巨大的挑戰(zhàn)。

圖1 自航自升式海上風電安裝平臺

2.2 巨型樁腿的關鍵設計制造

樁腿是支撐整個安裝平臺重量和運動的核心部件，長度近百米的樁腿由100 mm 厚超強度E690海工鋼多段拼裝焊接而成， 樁腿上有兩組共80 多個對穿通的 φ550±0.5 mm 銷孔， 兩組呈 90°角垂直分布，重達2 萬噸的平臺通過樁腿上的定位銷孔上下運動。 樁腿分段焊接質(zhì)量直接決定了樁腿的強度和變形，從而影響了定位銷孔的圓度、同軸度、直線度與位置精度，進而直接影響平臺上下運動的平穩(wěn)性，尤其是多條腿上下運動的同步控制，錯誤安裝甚至導致整體平臺報廢。

為了滿足深水區(qū)風大浪高水域的作業(yè)要求，需要設計出全新的高穩(wěn)性結構樁腿和防滑樁靴。 長度近百米、重千噸的巨型樁腿制造難度極大，例如作業(yè)水深80 m 的樁腿長度達118 m，而允許的最大扭轉公差僅為0.00006 rad/m，使得焊接變形控制難度成倍增加，成為全球的共性技術瓶頸，其中的制造難點包括：

（1）尺寸大、重量重，焊接易變形。 樁腿有圓形、八邊形等結構，圓形樁腿外徑5 m、重量達1200 t；八邊形樁腿尺寸4.8 m×4.8 m、重量達800 t，在焊接過程中難以調(diào)整其姿態(tài)以適應最佳焊接工位，容易產(chǎn)生變形。

（2）材料敏感性大，易產(chǎn)生焊接裂紋。 超強度E690 海工鋼碳含量高，焊縫和熱影響區(qū)的淬硬性和冷裂敏感性大，樁腿壁厚大，冷卻速度快，內(nèi)外溫度冷卻速度不一致，極易產(chǎn)生殘余應力和裂紋。

（3）樁腿結構復雜、焊接預熱溫度一致性控制難。 巨型樁腿結構復雜，在焊接預熱保溫的過程中難以形成均勻的預熱溫度場。

從2007 年起，通過產(chǎn)學研合作研究，根據(jù)樁腿風浪流耦合力學模型，獲得了海洋極端環(huán)境載荷對樁腿應力、剛度、變形、疲勞性能等的影響規(guī)律及數(shù)據(jù)；根據(jù)樁靴力學模型，獲得了樁靴強度、變形和拔樁阻力隨入泥深度變化的規(guī)律及數(shù)據(jù)；自主設計了具有高穩(wěn)性結構的全地形樁腿被，有圓形、八角形等多種結構，能滿足 35、45、50、80 m 水深的作業(yè)需求；提出了選區(qū)電磁感應模塊式的精確加熱，建立了巨樁腿預熱數(shù)學模型，發(fā)明了可控連續(xù)預熱焊接方法，獲得了焊接坡口兩側預熱溫度、保溫時間和冷卻速度的最佳范圍，減少了焊接應力，解決了巨型樁腿多段拼接焊接的變形難題，提高了抗疲勞性能；制定了基于選區(qū)電磁感應模塊式均布加熱和保溫控制的多層多道定位焊工藝，形成了焊接材料選擇、焊口打底、填充、蓋面、坡口制備、背部清根、消氫處理、去應力等成套焊接工藝規(guī)范，實現(xiàn)了長度近百米巨型拼焊樁腿的直線度小于5 mm（圖2）[3-9]。

圖2 全地形高穩(wěn)性巨型樁腿

樁腿開孔精度、兩孔的同軸度和直線度直接影響平臺的上下運動。 在超高強度厚達100 mm、外徑2～5 m 的樁腿上加工出多個對穿通的φ550±0.5 mm銷孔，超強度鋼E690 抗拉強度大，切削性能差，用傳統(tǒng)的鏜孔工藝在效率和成本上很難滿足。 因此，發(fā)明了預熱溫控的高效率火焰切割方法和半自動裝置，解決了大尺寸厚板曲面銷孔切割中產(chǎn)生的溫度差對尺寸精度和形狀精度的影響，實現(xiàn)了φ550±0.5 mm 銷孔的精密切割成形， 孔垂直度誤差小于0.5 mm；還發(fā)明了具有4 自由度自動打磨機，通過一種碰壁方法和自動裝置的智能計算功能，實現(xiàn)了板厚方向的內(nèi)外側全方位打磨，消除了等離子切割形成的氧化物，確保銷孔的圓度和粗糙度[10-12]。

2.3 液壓升降系統(tǒng)設計制造技術

與傳統(tǒng)鉆井平臺和小型安裝平臺相比，超大型安裝平臺是個龐然大物， 重量相當于一艘輕型航母，超過2 萬噸，其靠4 根圓形樁腿頻繁地自升降，樁腿間的跨距超過100 米，平臺自升時傾覆力矩更大、保持穩(wěn)定更難。 加之極端復雜的海況環(huán)境，原有設計制造方法已經(jīng)不適用。

針對平臺慣性大、海底地形復雜、自身及環(huán)境載荷多變的問題，建立了液壓升降系統(tǒng)精細非線性分析模型，優(yōu)化了升降合力作用線的偏移距離和固樁高度，研發(fā)了新型連續(xù)樁腿液壓升降裝置。 通過同步隨動、多樁腿、多軸套交替升降裝置與控制方法（圖3），插銷座在隨動過程中找準定位，實現(xiàn)了平臺在復雜海底連續(xù)無停頓可靠升降，始終保證每個樁腿與平臺間有一對插銷固定，解決了巨型平臺大跨距大傾覆力矩自升易“失控”卡死傾覆的行業(yè)關鍵難題，實現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定快速提升（圖4）[10-11]。

圖3 連續(xù)液壓升降系統(tǒng)

圖4 安裝平臺連續(xù)穩(wěn)定自升

針對大質(zhì)量平臺大跨距同步升降時傾覆力矩大易“失控”卡死的難題，建立了基于重心平衡設計的安裝平臺三維模型，獲得了運載風機重量、風載荷、波浪載荷及流載荷、平臺重量、壓載水載荷及甲板載荷對平臺重心和結構強度的影響規(guī)律，優(yōu)化了應力分布及位移變形；提出了大型模塊化高效高精度平地建造，提高了建造精度和安裝精度。 樁腿與升降導軌的配合間隙不大于0.5 mm，實現(xiàn)了2 萬噸重載平臺提升速度從18 m/h 提高至30 m/h 的高速穩(wěn)定自升[12]。

2.4 高空大風下葉片快速精準安裝

隨著風機容量的增大，風機葉片的長度也越來越大，8 MW 風機的葉片長度超過80 m， 重量超過30 t，葉片法蘭盤直徑達4 m，其端面均勻分布著超過100 根的安裝螺栓。 葉片巨頭LM Wind Power 為GE Haliade-X 12/13MW 海上風電機組設計的葉片長度達107 m，2020 年9 月在美國波士頓的風力技術 測 試 中 心 （the wind technology testing center，WTTC） 完成了測試； 另一支葉片通過了英國ORE Catapult 的全面測試，包括靜態(tài)測試、疲勞測試和疲勞后測試。據(jù)悉，該葉片即將獲得TüV Nord（德國技術監(jiān)督協(xié)會）頒發(fā)的部件認證證書。

在高空大風隨動載荷下，巨型葉片逾百螺栓同時精準定位、 動態(tài)插入葉輪安裝孔的難度極大，周長累積安裝誤差僅3 mm，極易“失準”（圖5）。 針對百米高空大風隨動載荷下巨型葉片逾百螺栓同時精準定位易“失準”的難題，發(fā)明了兩根繩索保持恒水平、恒張力、恒角度不變的姿態(tài)隨動控制方法；研制了角度可調(diào)式穩(wěn)貨機構， 由恒張力穩(wěn)貨絞車、鋼絲繩、固定導向滑輪、行走小車、導軌、行走牽引絞車等組成。 如圖6 所示，鋼絲繩從穩(wěn)貨絞車上引出后， 通過吊臂根部和頭部的固定導向滑輪組換向后、 再通過導向小車滑輪組連接到被吊巨型葉片上，穩(wěn)貨絞車出繩位置隨葉片位置與吊臂角度變化而動態(tài)匹配調(diào)整。 此外，提出了新型的緊湊型回轉支承裝置、旋轉平臺、大噸位雙變幅機構、輕型副臂和大容量起重絞車，并開發(fā)了一系列大型全回轉起重設備，提升能力為 900、1200、3200 t[13]。

2.5 激光鍛造修復再制造

圖5 高空精準定位要求高

圖6 角度可調(diào)式穩(wěn)貨系統(tǒng)

巨型海上風電安裝平臺結構復雜，一些結構件在彎曲成形過程中易產(chǎn)生應力集中而導致裂紋，如圖7 所示。 焊接是平臺建造最重要的工藝，焊縫也容易產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷，如圖8 所示。 這些損傷和焊接缺陷是常規(guī)熱修復存在的問題：①內(nèi)應力難消除、變形難控制；② 焊補修復的強度低、塑性差、疲勞壽命短，不能滿足等強度修復原則。 激光鍛造修復再制造提供了一種低應力、高抗疲勞、長壽命的新方法。

圖7 結構件彎曲裂紋

圖8 焊縫裂紋

激光鍛造修復再制造采用復合增材制造的原理，將兩束不同功能的激光束同時且相互協(xié)同制造金屬零件。如圖9 所示，第一束連續(xù)激光熔覆3D 成形零件，與此同時第二束短脈沖激光（脈沖能量5～10 J，脈沖寬度10～30 ns）直接作用在高溫激光熔覆金屬表面，金屬表層吸收激光束能量后氣化電離形成沖擊波，利用脈沖激光誘導的沖擊波（沖擊波峰值壓力為GPa 量級）對處于鍛造溫度區(qū)的金屬進行沖擊鍛打。 熔覆成形激光參數(shù)與沖擊鍛打參數(shù)相互約束與協(xié)同，首先通過溫度測量確定激光熔覆層溫度場，然后根據(jù)溫度場確定激光沖擊鍛打的最佳鍛造溫度區(qū)域、尺寸范圍及沖擊鍛打參數(shù)，激光沖擊鍛打頻率與壓力參數(shù)的選擇又約束著激光熔覆速度與送粉參數(shù)的選擇。 最終，激光沖擊鍛打使熔覆層發(fā)生塑性形變，消除了熔覆層的氣孔等內(nèi)部缺陷和熱應力，提高了金屬零件的內(nèi)部質(zhì)量和機械力學綜合性能，并有效控制宏觀變形與開裂問題[14-18]。

圖9 激光鍛造原理

激光鍛造具有如下優(yōu)點：

（1）細化晶粒與鍛造態(tài)。 鍛打使晶粒細化和均勻化，減少了激光3D 打印金屬零件的內(nèi)部缺陷，如縮孔、氣孔等，實現(xiàn)了原位修復“鍛造態(tài)”組織，大幅提高機械性能。

（2）消除應力與長壽命。 消除了殘余拉應力，形成了殘余壓應力， 解決了薄壁金屬3D 變形與開裂問題，大幅提高疲勞壽命。

（3）適應性強與復雜性。 由于光束直徑與形狀、脈沖寬度、脈沖能量、重復頻率等參數(shù)可以精確調(diào)控， 適應于各種材料和復雜結構件的高質(zhì)量成形，尤其是大型結構。

（4）工序減少與低成本。 無需消除內(nèi)應力、變形并提高機械力學性能的后處理工藝，節(jié)約了大量時間，大幅降低生產(chǎn)成本。

3 工程應用

從2008 年起至今， 研制了自升自航式安裝平臺的系列高端裝備，安裝速度為1 臺/天，比歐洲最快效率（1 臺/2 天）提高 1 倍。

（1）作業(yè)水深 55 m，4 樁腿型 8 MW 海上風機自航自升式超大型安裝平臺（圖10）。主要技術參數(shù)為：航速 13 節(jié)，可載運4 套8 MW 風電機組；四根圓形樁腿，單腿提升能力4500 t；采用繞樁吊設計，起吊高度達到135 m。 滿足了在4.8 m 浪高、14 m/s風速、 工作水深達55 m 的惡劣工作環(huán)境下8 MW風電機組高效吊裝的苛刻要求，完成了世界首批32臺8 MW 風機的安裝，產(chǎn)生了巨大的行業(yè)影響力。

（2）作業(yè)水深 45 m，6 樁腿型 6 MW 海上風機自航自升式超大型安裝平臺（圖11）。主要技術參數(shù)為：首型平臺航速 12 節(jié)，可載運10 套 6 MW 風電機組；艏艉各3 臺推進器實現(xiàn)DP-2 動力定位，可保證高精度海上定位；六根八邊形樁腿，單腿提升能力3750 t，工作水深 45 m，最大提升高度50 m，可連續(xù)快速提升船體使其離開海面，形成安全平穩(wěn)的作業(yè)平臺；配備1000 t 主吊和50 t 輔吊，最大起吊高度120 m。

圖10 8 MW 安裝平臺

圖11 6 MW 安裝平臺

（3）作業(yè)水深 50 m，鐵建風電01，是國內(nèi)首艘1300 t 自升自航式風電安裝船，4 根圓形樁腿，作業(yè)水深 50 米， 能安裝 8 WM 風機，1300 t 繞樁吊機為國內(nèi)最大（圖12）。

圖12 鐵建風電01 號

研制的不同規(guī)格的系列裝備已廣泛應用于中國、英國、丹麥、德國等國家的著名海上風電場建設 ， 如 ：London Array OWF、Anholt OWF、Gunflet Sands Extension OWF、West Duddon Sands OWF、Burbo Bank Ext、Race Bank OWF、Horns Rev ⅢOWF 等。不斷創(chuàng)新了海上風機安裝的世界記錄，如：2013 年在 Gunfleet Sands Extension OWF 首次成功安裝 6 MW 風機，2016 年在英國 Burbo Bank 海上風場完成世界首批32 臺8 MW 風機安裝，等等。

在國內(nèi)外的應用產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，形成了巨大的國際影響力，中國央視和英國BBC 聯(lián)合攝制紀錄片《改變地球的一代人》，其內(nèi)容包括本研究之一“發(fā)現(xiàn)號”為暴風肆虐、環(huán)境惡劣的世界最大海上風電場——英國“倫敦陣列”的建設提供解決方案，展示了中國制造的強大能力。 該紀錄片在央視一套（CCTV1）、英國廣播公司（BBC）、德國ZDFneo、香港電臺（RTHK）等知名媒體連續(xù)播放。 此外，被國際權威評估機構《海上支持雜志》授予“海洋可再生能源獎”，全球海上風電安裝平臺首次獲得該獎項。

4 結束語

海上風電作為可再生清潔能源之一，受到世界各國的高度重視和大力發(fā)展。 海上風電場正從淺水區(qū)走向具有更佳風能資源的深水區(qū)，在風大浪高水深的惡劣環(huán)境中， 安裝超大型風機具有極大的難度。 本研究解決了腿站立作業(yè)易“失穩(wěn)”、大平臺大跨距大傾覆力矩自升易“失控”、高空吊裝巨型葉片逾百螺栓精準定位易“失準”的三大技術難題，自主研發(fā)了不同規(guī)格的系列裝備，在中國、英國、丹麥、德國等國家的著名海上風電場建設中獲得了廣泛的應用，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，形成了巨大的國際影響力。