朱俊峰，周 鋒，李 飛，施興華

(1.江蘇亨通藍(lán)德海洋工程有限公司，江蘇 南通 226000;2.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

隨著海上風(fēng)電的不斷發(fā)展，我國規(guī)劃的海上風(fēng)場覆蓋北方的大連沿海海域至南方廣東沿海，海底地質(zhì)條件變化較大[1]，同時風(fēng)場海域的水深從幾米到三十多米，變化很大。現(xiàn)有的海上風(fēng)機(jī)設(shè)備的安裝必須采用自升式風(fēng)電安裝平臺進(jìn)行施工，但目前的平臺無法覆蓋所有現(xiàn)有的海域進(jìn)行作業(yè)，主要原因如下：

(1)在平臺設(shè)計時，水深為30～45 m，但樁腿設(shè)計入泥深度較淺，一般在3 m左右，導(dǎo)致作業(yè)時樁腿的有效長度較短。

(2)我國沿海地質(zhì)條件變化較大，很多海域淤泥層較厚，如上海東海大橋風(fēng)場淤泥層厚度超過20 m，廣東珠海金灣風(fēng)場淤泥層厚度超過15 m，致使平臺樁腿的入泥深度很大，可能超過25～30 m，此時需要的樁腿有效長度超過48 m，因此，大部分平臺無法正常進(jìn)行風(fēng)機(jī)設(shè)備的吊裝。

覆蓋我國目前規(guī)劃風(fēng)場海域作業(yè)的自升式海上風(fēng)電安裝平臺奇缺，但風(fēng)場建設(shè)任務(wù)重。為解決此問題，提出一種自升式風(fēng)電安裝平臺半浮態(tài)作業(yè)方案，并開展其安全性評估。

1 半浮態(tài)方案

考慮到某些區(qū)域的地質(zhì)和水深對插樁深度要求較高，并考慮平臺實(shí)際插深能力和施工情況，可能機(jī)位插深不夠，擬采用半浮態(tài)吊裝作業(yè)方式進(jìn)行施工，如圖1所示。采用海底地基承載力和船體本身的浮力同時承擔(dān)船體自重、裝載貨物重量和吊裝時的附加力矩。此時必須考慮風(fēng)浪流等橫向載荷對船體和樁腿底部的影響，且需分析不同吃水對樁腿的影響：

圖1 半浮作業(yè)狀態(tài)平臺受力示例

(1)如果吃水太淺，可能因海底地基承載力不夠而出現(xiàn)突然沉降，產(chǎn)生危險。

(2)如果吃水太深，可能出現(xiàn)2個后果：一是吊裝船穩(wěn)性不夠，甲板上浪，影響作業(yè)；二是船體浮力與總重力平衡，樁腿出現(xiàn)上拉，類似于拔樁過程，如果后面吃水降低，樁腿再次下沉，擾動土體，會出現(xiàn)地基承載力急劇下降的情況，產(chǎn)生危險。

(3)如果出現(xiàn)潮差，則應(yīng)改變吃水而使吊裝作業(yè)處于安全狀態(tài)：漲潮時需升高平臺，降低吃水；落潮時需降低平臺，保證船體有足夠的吃水提供吊裝作業(yè)浮力。

因此，需對該過程風(fēng)浪流作用下平臺的動力響應(yīng)及相關(guān)參數(shù)開展深入研究，才可為施工提供參考。

2 環(huán)境載荷

2.1 波浪作用

波浪的作用力可根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸及其所遭遇波浪的波長和高度采用不同的分析方法進(jìn)行計算。通常根據(jù)直徑與波長之比(D/L)選用波浪力計算方法：

(1)當(dāng)D/L<0.2時，假設(shè)結(jié)構(gòu)物的存在不影響波浪特性，可采用Morison方程[2]進(jìn)行求解；

(2)當(dāng)D/L>0.2時，結(jié)構(gòu)物的存在對流場的影響不能忽視，采用繞射理論進(jìn)行求解。

目標(biāo)平臺樁腿直徑為3.3 m，波長為75 m，D/L<0.2，則樁腿的波浪力計算采用Morison方程進(jìn)行。

采用Sesam軟件進(jìn)行波浪載荷計算[3]。根據(jù)型線圖建立如圖2所示的水動力模型，并依據(jù)各站位的質(zhì)量重心位置建立質(zhì)量模型，平臺計算模型如圖3所示。

圖2 水動力模型

圖3 平臺計算模型

采用Sesam的Wadam模塊進(jìn)行波浪載荷預(yù)報，可計算得到不同吃水下的波浪載荷。目標(biāo)平臺在0.5 m吃水下波浪載荷計算結(jié)果如表1所示。

表1 0.5 m吃水下波浪載荷預(yù)報

2.2 波浪載荷校核

為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用二維簡單理論對波浪載荷進(jìn)行校核，具體方法見文獻(xiàn)[4]，給出固定于水面的方箱波浪力理論解。

取水深為12 m、波周期為7 s，計算得波數(shù)k為0.095；取半寬度B為20 m，計算得波浪水平力為 3.96×106N。將該方箱模型采用Sesam軟件進(jìn)行計算，得到其波浪載荷為3.87×106N。理論計算值大于軟件計算值，原因如下：

(1)沒有考慮目標(biāo)平臺的尺度效應(yīng)，理論計算過于簡化，加入很多假設(shè)。在一般情況下，理論值較為保守，需要涵蓋可能的所有情況，因此，計算結(jié)果偏大。

(2)采用二維理論值直接推廣為三維理論解，由于船長為90 m，尺度加大，其近似程度有待驗(yàn)證。

(3)船體首尾部都有很大的型線(向上收起)，這樣波浪受力面積將減少，軟件所得的波浪力會小于理論值。

2.3 風(fēng)流載荷

風(fēng)和流對于細(xì)長桿的作用力F為

(1)

式中：Cd為細(xì)長結(jié)構(gòu)物阻力因數(shù)，由經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)得到，對于船體、上層建筑等大片受力面，Cd取1.0，對于圓柱形構(gòu)件，Cd取0.5；ρ為密度；A為面積；u為速度。

風(fēng)速取13.8 m/s，風(fēng)載荷為54.4 t；流速取1.6 m/s，流載荷為40.3 t。

3 安全性校核

3.1 浮力計算

船體吃水所提供的浮力Ff為

Ff=ρgVs

(2)

式中：Vs為船體在水下的體積。

采用Sesam軟件中Genie的自動計算功能，得到浮力如表2所示。

表2 不同吃水的浮力計算

3.2 樁底反力計算

目標(biāo)平臺在船寬方向上的穩(wěn)定性較差，因此考慮如圖4所示的危險工況，其中1、2、3、4分別表示1號、2號、3號、4號樁腿。起重機(jī)吊臂垂直于船長方向，同時風(fēng)浪流同向，且沿船寬方向，此時吊重和風(fēng)浪流產(chǎn)生同向的傾覆力矩使平臺處于危險狀態(tài)。

圖4 危險工況

平臺計算模型如圖3所示。在保證船體質(zhì)量分布的基礎(chǔ)上，加載600 t@20 m(吊重為600 t，吊距為20 m)的起重機(jī)載荷，同時加載風(fēng)浪流載荷，其中風(fēng)速為25 m/s，流速為3 kn，最大波高為3 m，周期為7 s。采用有限元計算平臺樁底支座反力，計算結(jié)果如表3所示。

表3 樁底支座反力(壓力為正，拉力為負(fù))

續(xù)表3 樁底支座反力(壓力為正，拉力為負(fù))

3.3 安裝平臺半浮狀態(tài)下抗傾覆性能校核

抗傾穩(wěn)性是指平臺在重量、浮力和海床對平臺的聯(lián)合作用下，抵抗環(huán)境載荷作用引起平臺傾覆的能力，此指標(biāo)是考核平臺站立安全性的重要性能之一。按中國船級社(CCS)《海上移動平臺入級規(guī)范》[5]規(guī)定：在作業(yè)條件下，自升式安裝平臺抗傾覆安全因數(shù)應(yīng)不低于1.5；在自存條件下，自升式安裝平臺抗傾覆安全因數(shù)應(yīng)不低于1.3。

在坐底狀態(tài)下，平臺在相應(yīng)工況的環(huán)境載荷作用下應(yīng)具有足夠的抗傾覆能力，平臺的抗傾穩(wěn)性滿足如下要求：

(3)

式中：Mk為平臺坐底時的抗傾覆力矩，由平臺的總重量和重心相對于傾覆軸的水平距離計算得到；Mq為平臺坐底時的傾覆力矩，即各環(huán)境外載荷組合下所引起的傾覆力矩；kq為抗傾覆安全因數(shù)。

Mk=MD+ML

(4)

Mq=ME+p

(5)

式(4)和式(5)中：MD為平臺船體自重產(chǎn)生的恢復(fù)力矩；ML為樁腿自重產(chǎn)生的恢復(fù)力矩；ME為風(fēng)浪流載荷產(chǎn)生的傾覆力矩；p為船體P-Delta效應(yīng)產(chǎn)生的傾覆力矩。

3.4 結(jié)果分析

抗傾覆性能分析主要針對1號和4號樁腿的外側(cè)進(jìn)行?？箖A覆安全因數(shù)如表4所示。

表4 抗傾覆安全因數(shù)

借鑒CCS規(guī)范，在作業(yè)狀態(tài)下抗傾覆安全因數(shù)應(yīng)大于1.5，結(jié)合表4可知，船體吃水最大值應(yīng)取1.5 m。這是由于雖然船體吃水增加可加大浮力從而減小樁靴底部的支座反力，但是過多的浮力會使船體的傾覆力矩增大而無法保證作業(yè)安全。

4 結(jié) 論

實(shí)際風(fēng)電場工程地質(zhì)條件較差，采用半浮狀態(tài)進(jìn)行安裝作業(yè)能夠增加安裝船適宜作業(yè)的水深，提高作業(yè)效率；與大插深、船體抬離水面作業(yè)相比，半浮狀態(tài)安裝作業(yè)可減少移船時間。但考慮波浪、潮差等影響，得出如下結(jié)論：

(1)當(dāng)船體吃水由0.5 m變化至3.0 m時，4號樁腿底部支座反力從2 312.851 t減小至506.152 t，表明半浮狀態(tài)可提供較大的浮力。當(dāng)船體吃水為1.5 m時，樁底支座反力變化較為平緩。當(dāng)吃水由1.5 m變化至2.5 m時，支座反力由1 806.014 t減小至807.851 t?？紤]到海底土質(zhì)較差(其他樁腿出現(xiàn)拉力)以及波浪的影響(該區(qū)域最大波高為3 m，可能發(fā)生甲板上浪等不利情況)：當(dāng)吃水大于2.0 m時，較為危險；當(dāng)吃水小于1.0 m時，波浪可能對船底產(chǎn)生較大的沖擊力，可能出現(xiàn)危險。

(2)該風(fēng)電安裝平臺在東海大橋風(fēng)場進(jìn)行半浮態(tài)作業(yè)時，船體吃水范圍應(yīng)在1.0～1.5 m。如果吃水超過1.5 m，在小于2.0 m的情況下，由于考慮安全因素，傾覆力矩估算偏大(出現(xiàn)橫風(fēng)、橫浪的情況概率較低)，平臺處于安全狀態(tài)。