自升式海上風(fēng)電安裝平臺(tái)的基本原理和特點(diǎn)

 

當(dāng)前國內(nèi)海上風(fēng)電安裝平臺(tái)主要為自升式海上風(fēng)電安裝平臺(tái)，其具有作業(yè)穩(wěn)定，適應(yīng)于各類海底土壤條件和較大的水深范圍，移位靈活方便，便于建造等優(yōu)點(diǎn)。平臺(tái)主要由樁腿、平臺(tái)主體、升降系統(tǒng)、生活樓和起重機(jī)等組成。平臺(tái)常規(guī)采用四條樁腿站立固定，近年來，由于海上風(fēng)電安裝裝備需求缺口較大，風(fēng)電安裝平臺(tái)建造周期長(zhǎng)，部分企業(yè)將三條腿自升式鉆井平臺(tái)改造為海上風(fēng)電安裝平臺(tái)，三條腿平臺(tái)與四條腿平臺(tái)相比，穩(wěn)定性相對(duì)比較弱。升降系統(tǒng)一般采用插銷式。平臺(tái)工作時(shí)樁腿下放插入海底，平臺(tái)主體被抬起到離開海面的安全工作高度，對(duì)樁腿進(jìn)行預(yù)壓，確保平臺(tái)遇到風(fēng)暴時(shí)樁腿不致下陷。作業(yè)完成后，平臺(tái)主體下降至海面，拔出樁腿并全部提起，整個(gè)平臺(tái)浮于海面，通過拖輪拖到新的風(fēng)電作業(yè)位置進(jìn)行作業(yè)。

 

平臺(tái)上安裝了大型起重機(jī)，主要用于海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)、塔筒、機(jī)艙的吊裝，平臺(tái)起重能力從600噸至3000噸不等，起重高度最高達(dá)100多米；平臺(tái)結(jié)構(gòu)一般應(yīng)考慮風(fēng)機(jī)的裝載、存放，要求工作甲板面積大、載荷大；另外海上安裝環(huán)境惡劣，安裝時(shí)間窗口受限，要求安裝效率高，尤其風(fēng)機(jī)葉片、塔筒超長(zhǎng)，安裝重心高，這就要求風(fēng)電安裝平臺(tái)具有足夠的起吊高度和起吊能力以及安全性。因此在進(jìn)行海上風(fēng)電平臺(tái)作業(yè)時(shí)，首先要保證作業(yè)安全、可靠。

 

 

自升式海上風(fēng)電安裝平臺(tái)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)分析

 

自升式海上風(fēng)電安裝平臺(tái)主要通過樁腿和升降系統(tǒng)配合將平臺(tái)抬升到一定高度，以便適應(yīng)不同水深和作業(yè)高度，不需要考慮船舶橫搖縱傾，作業(yè)狀態(tài)非常穩(wěn)定。但由于海上未知因素比較多，平臺(tái)在航行調(diào)遣、就位、預(yù)壓、舉升、下降、拔樁、作業(yè)和風(fēng)暴自存等操作過程中碰到許多突發(fā)情況，出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)概率較大，結(jié)合海上作業(yè)過程情況，有必要對(duì)不同作業(yè)階段風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，提出控制措施，以保證平臺(tái)作業(yè)安全。

 

1、海上拖航作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)

 

自升式海上風(fēng)電安裝平臺(tái)海上拖航主要為遠(yuǎn)距離拖航和風(fēng)場(chǎng)區(qū)內(nèi)短距離遷移，一般采用濕拖。拖航時(shí)樁腿全部升起，平臺(tái)處于漂浮狀態(tài)，平臺(tái)受風(fēng)面積大，重心高，搖擺慣性巨大，對(duì)平臺(tái)的穩(wěn)性和樁腿強(qiáng)度要求較高，一些平臺(tái)還安裝了大型風(fēng)機(jī)安裝輔助設(shè)備，在拖航過程中遭遇強(qiáng)風(fēng)浪，有可能出現(xiàn)拖纜斷裂失去航向控制，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受損、艙室進(jìn)水致使穩(wěn)性不足最終傾覆的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)相關(guān)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在全球已發(fā)生的海工裝備事故中，自升式平臺(tái)傾覆事故占據(jù)了很大的比例。

 

海上風(fēng)電安裝平臺(tái)與傳統(tǒng)油氣鉆井平臺(tái)相比，平臺(tái)遷移頻率高，周期短。在全壽命周期過程中需要重點(diǎn)關(guān)注拖航存在的風(fēng)險(xiǎn)。首先在平臺(tái)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)進(jìn)行拖航穩(wěn)性分析和拖航狀態(tài)下平臺(tái)、樁腿的強(qiáng)度分析，注意平臺(tái)上安裝的大型風(fēng)機(jī)安裝輔助設(shè)備和裝載風(fēng)機(jī)對(duì)平臺(tái)的影響。日常拖航作業(yè)時(shí)，首先從源頭上杜絕不安全因素，做好拖航前期安全檢驗(yàn)和準(zhǔn)備工作，尤其關(guān)注平臺(tái)上大型設(shè)備的綁扎、固定，充分分析海上拖航期間的海洋氣候和海況，選擇無臺(tái)風(fēng)時(shí)間段作為拖航時(shí)間，做好風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，編制《拖航計(jì)劃》和《拖航應(yīng)急預(yù)案》。拖航前三天，還需要申請(qǐng)船級(jí)社進(jìn)行拖航檢驗(yàn)，取得驗(yàn)船師簽發(fā)的《適拖證書》，發(fā)布航行警告。在拖航過程中，應(yīng)密切注意航線上的氣象、海況變化，做好應(yīng)急措施，確保拖航作業(yè)的安全。

 

2、海上插樁作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)

 

由于風(fēng)場(chǎng)區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，自升式風(fēng)海上電安裝平臺(tái)在進(jìn)行海上插樁作業(yè)時(shí)存在刺穿、滑移、沖刷掏空等風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重影響平臺(tái)的作業(yè)安全。刺穿主要由于樁靴基礎(chǔ)位于上硬下軟的層狀地層時(shí)，基礎(chǔ)發(fā)生未預(yù)料的沉降，樁腿刺穿地層；滑移一般由于平臺(tái)要求在以前插過的位置及周圍重新插樁，由于初次就位對(duì)土層的擾動(dòng)和舊樁穴的存在，對(duì)重復(fù)就位樁基礎(chǔ)的影響，導(dǎo)致樁靴偏心受阻，受力不平衡，樁靴受水平力作業(yè)產(chǎn)生了滑移；沖刷掏空一般由于樁靴入泥較淺或者不完全入泥時(shí)，樁靴處水流發(fā)生局部變化帶動(dòng)泥沙運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致了樁腿插樁處泥沙發(fā)生沖刷。

 

如何防止平臺(tái)插樁時(shí)出現(xiàn)穿刺、滑移、沖刷掏空問題，尤其穿刺問題一直是業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)，目前通用做法是海上風(fēng)電安裝平臺(tái)一般在插樁前對(duì)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行地質(zhì)勘察，查明海底以下一定深度范圍內(nèi)土層分部、土質(zhì)類型、強(qiáng)度以及工程物理力學(xué)特性，并對(duì)平臺(tái)的插樁深度進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)樁腿穿刺可能性，插樁深度分析主要便于平臺(tái)操作者確定平臺(tái)樁腿是否有足夠長(zhǎng)度來支撐平臺(tái)安全作業(yè)，硬土層進(jìn)入軟土層引起的單樁突然貫入的可能性；對(duì)于存在穿刺風(fēng)險(xiǎn)較大的區(qū)域，作業(yè)人員應(yīng)提前做好預(yù)案，及時(shí)調(diào)整壓載程序，逐步進(jìn)行壓載，保證插樁過程中平穩(wěn)安全。若發(fā)生穿刺情況，注意及時(shí)評(píng)估現(xiàn)場(chǎng)情況，啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案。對(duì)于防滑移風(fēng)險(xiǎn)，首先在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能規(guī)避重復(fù)就位，樁靴入泥考慮一定余量，插樁作業(yè)過程中注意對(duì)角插樁，樁腿每入泥0.5米時(shí)，靜載觀察一段時(shí)間，直至平臺(tái)插樁完畢。對(duì)于沖刷掏空，還需注意進(jìn)行海底探摸，若有可能，增加水下監(jiān)控系統(tǒng)。

 

3、平臺(tái)拔樁作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)

 

平臺(tái)在完成吊裝作業(yè)后離開前，需要拔樁、回收樁腿。平臺(tái)在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)平臺(tái)的入泥深度進(jìn)行了分析并在操作手冊(cè)中明確最大入泥深度，但由于作業(yè)地點(diǎn)的海基特性不同，甚至差距很大，尤其國內(nèi)海上風(fēng)場(chǎng)一般在近海，如江蘇區(qū)域，海底淤泥層很厚，地質(zhì)疏松，可能造成入泥過深而導(dǎo)致拔樁困難，歷史上曾經(jīng)因?yàn)榘螛独щy導(dǎo)致平臺(tái)浸水，或者不得不用挖泥船過來協(xié)助。當(dāng)然，導(dǎo)致拔樁困難可能原因也包括樁靴阻力大，平臺(tái)安全浮力不足以把樁靴拔起；沖樁泵壓力和排量能力不夠，沖樁時(shí)間長(zhǎng)；樁靴噴嘴數(shù)量及分布不合理，在淤泥中容易阻塞，不易把樁靴吸附層吹松。保證平臺(tái)拔樁作業(yè)安全應(yīng)先分析、評(píng)價(jià)平臺(tái)在特定地質(zhì)條件及入泥深度的拔樁能力，拔樁操作前，應(yīng)根據(jù)作業(yè)海區(qū)的具體情況制定拔樁方案，拔樁前先用沖樁管路對(duì)角兩樁噴沖，拔樁操作時(shí)采用對(duì)角拔樁成對(duì)交替進(jìn)行。

 

4、吊裝作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)

 

海上吊裝作業(yè)覆蓋海上風(fēng)電安裝的全部環(huán)節(jié)，主要包括風(fēng)筒、風(fēng)機(jī)、基座等的吊裝，吊物尺寸大，重量大，作業(yè)過程危險(xiǎn)性較大。自升式海上風(fēng)電安裝平臺(tái)首先在設(shè)計(jì)階段應(yīng)考慮吊裝工況下的穩(wěn)定性、可靠性和安全性。實(shí)際海上吊裝作業(yè)前，首先起重設(shè)備應(yīng)經(jīng)過檢驗(yàn)，取得產(chǎn)品證書，平臺(tái)上應(yīng)配備起重機(jī)械操作人員、指揮人員和平臺(tái)操作人員；其次應(yīng)編制專項(xiàng)吊裝方案和建立應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制。氣候環(huán)境對(duì)海上風(fēng)電吊裝影響最大，尤其風(fēng)是風(fēng)機(jī)吊裝最敏感的因素。平臺(tái)上起重機(jī)應(yīng)有防風(fēng)的措施，應(yīng)設(shè)置測(cè)風(fēng)儀，時(shí)刻關(guān)注氣象變化，注意起重機(jī)對(duì)風(fēng)速要求限制，目前一般要求10分鐘平均風(fēng)速必須小于等于10米/秒。若碰到大風(fēng)大浪時(shí)，應(yīng)立即停止作業(yè)，起重機(jī)上載荷卸載，起重臂下放到安全固定位置。

 

當(dāng)前一些平臺(tái)配置了陸用履帶式起重機(jī)進(jìn)行海上吊裝或者輔助吊裝作業(yè)。海上風(fēng)電吊裝對(duì)起重機(jī)要求非常高，履帶式起重機(jī)進(jìn)行吊裝作業(yè)存在許多不確定因素，如起重作業(yè)水平度難以控制，履帶式起重機(jī)吊裝時(shí)由于自升重量加上設(shè)備重量較大，對(duì)平臺(tái)承載力和穩(wěn)性的要求較高，目前主要做法是對(duì)平臺(tái)進(jìn)行強(qiáng)度、穩(wěn)性核算，根據(jù)核算結(jié)果對(duì)平臺(tái)進(jìn)行加固，保證平臺(tái)承載力滿足吊裝要求。履帶式起重機(jī)相對(duì)船用吊機(jī)缺乏相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，存在較大的風(fēng)險(xiǎn)因素，對(duì)平臺(tái)安全也存在隱患，因此風(fēng)電安裝平臺(tái)上使用履帶式起重機(jī)應(yīng)做好風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，不建議使用起吊能力大的陸用履帶式起重機(jī)作為平臺(tái)主吊。

 

海上作業(yè)安全管理建議

 

自升式海上風(fēng)電安裝平臺(tái)相對(duì)于其他類型平臺(tái)在安裝作業(yè)中存在著很大的優(yōu)勢(shì)，尤其在起重作業(yè)吊裝穩(wěn)定性方面。隨著海上風(fēng)電行業(yè)不斷發(fā)展，特別是我國提出“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，海上風(fēng)電前景依然非常樂觀。但是當(dāng)前業(yè)界主要存在主管機(jī)關(guān)制定的法規(guī)和業(yè)內(nèi)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重于傳統(tǒng)油氣平臺(tái)安全技術(shù)要求和作業(yè)技術(shù)要求，缺乏針對(duì)海上風(fēng)電安裝平臺(tái)作業(yè)的規(guī)定；受“搶裝”潮的影響，海上作業(yè)不規(guī)范、有經(jīng)驗(yàn)人員不足；完整的海上風(fēng)電管理體系尚未形成等主要問題應(yīng)足夠重視。基于以上主要風(fēng)險(xiǎn)分析，提出如下建議：

 

1、平臺(tái)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮全壽命周期工況和安全裕度

 

自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)由于受海上環(huán)境的影響，特別是隨著風(fēng)電安裝作業(yè)水深增加，吊重能力加大，吊高加長(zhǎng)，對(duì)自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)總體性能提出很大挑戰(zhàn)。首先，要重點(diǎn)關(guān)注平臺(tái)拖航時(shí)完整穩(wěn)性和運(yùn)動(dòng)性能、站立穩(wěn)性等等。其次，應(yīng)考慮平臺(tái)對(duì)風(fēng)、浪、流環(huán)境條件的適應(yīng)性，風(fēng)電安裝平臺(tái)對(duì)工程地質(zhì)條件的適應(yīng)性，平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)、樁腿應(yīng)考慮各種工況下的平臺(tái)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，注意平臺(tái)在組合載荷的作用下，材料能否滿足強(qiáng)度要求，保證不至發(fā)生屈曲和疲勞破壞的危險(xiǎn)，特別是對(duì)總強(qiáng)度需考慮總的功能載荷和可變載荷、設(shè)計(jì)環(huán)境載荷、慣性力和P-Delta效應(yīng)，分作業(yè)工況和風(fēng)暴自存工況，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全裕度不低于法規(guī)和船級(jí)社規(guī)范的要求。

 

2、建立健全風(fēng)電作業(yè)安全分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

 

海上風(fēng)電行業(yè)為新興行業(yè)，作業(yè)過程中存在的風(fēng)險(xiǎn)不容忽視，海上風(fēng)電安裝作業(yè)遠(yuǎn)離陸地，各種設(shè)備和人員生活、工作集中在有限的平臺(tái)空間，海上作業(yè)面臨海況、氣象和地理等復(fù)雜情況，極易導(dǎo)致一系列風(fēng)險(xiǎn)，包括：風(fēng)電作業(yè)難度大；海上環(huán)境對(duì)海上風(fēng)電作業(yè)設(shè)施影響極大，稍有不慎極有可能造成重大事故；海上風(fēng)電作業(yè)離陸地較遠(yuǎn)，發(fā)生事故及時(shí)救援相對(duì)比較困難等。因此，建立健全海上風(fēng)電管控措施非常必要，應(yīng)根據(jù)海上風(fēng)電每一步作業(yè)情況進(jìn)行安全分析，做好風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

 

3、建立完善的監(jiān)督和管理體系

 

隨著海上風(fēng)電的發(fā)展，國內(nèi)已經(jīng)形成了一系列安全風(fēng)險(xiǎn)管理制度和管理措施，并不斷隨著發(fā)展形勢(shì)進(jìn)行調(diào)整和完善，但由于我們國家海上設(shè)施安全管理制度偏重于海上油氣方面，不適應(yīng)海上風(fēng)電發(fā)展的要求，缺乏針對(duì)海上風(fēng)電自身特點(diǎn)的規(guī)定，因此需要在工作標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)監(jiān)督管理、危險(xiǎn)評(píng)估、應(yīng)急響應(yīng)、技術(shù)支持等方面進(jìn)行研究，制定適應(yīng)海上風(fēng)電作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)監(jiān)管，不斷完善海上風(fēng)電安全管理體系。

 

自升式海上風(fēng)電安裝平臺(tái)在海上作業(yè)時(shí)面臨著復(fù)雜的環(huán)境條件，屬于高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)。在當(dāng)前海上風(fēng)電發(fā)展的高速期，海上風(fēng)電作業(yè)頻繁，加強(qiáng)海上風(fēng)電作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)分析，做好風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，完善風(fēng)險(xiǎn)控制措施，建立完整的管理體系，可以確保海上風(fēng)電作業(yè)安全，降低風(fēng)險(xiǎn)。