1 000 t自升式風電安裝船“三航風華”號的研制

沈火群，汪崢，胡靈斌，盧益峰，黃超

1 000 t自升式風電安裝船“三航風華”號的研制

沈火群，汪崢，胡靈斌，盧益峰，黃超

（中交第三航務工程局有限公司，上海200032）

自升式風電安裝船是近海風電場施工的專用裝備，在充分研究分析了國內外現有自升式風電安裝船的基礎上，吸收該船型先進的設計理念和建造經驗，利用國內相關配套設備，設計和建造了國內最先進、具備最大起重能力1 000 t自升式風電安裝船“三航風華”號。介紹了該風電安裝船的總體布置方案，吊機的選擇及布置，抬升系統等的設計思想和方案。通過該船的實際工程運用，證明了上述一系列設計的科學和合理性。

自升式風電安裝船；總布置；可變載荷；繞樁吊；抬升系統

1 國內外風電安裝船現狀

自升式風電安裝船是進行海上風電場施工（安裝、打樁）的專用裝備，是一種特殊的海洋作業平臺。風電安裝船的發展根據功能可劃分為三個階段[1-2]，第一代沒有專門的風電工程船，由已有的起重船和工作駁船等聯合作業；第二代是具有自升功能的駁船或平臺，這類船舶比較簡單，船體就是一個簡單的駁船，工作時依靠錨機定位移船，調遣靠大型拖輪拖帶；第三代是具有自航、自升、起重功能的專用風電安裝船，這類船舶配置有功率較大的推進系統，具備有先進的動力定位功能，工作時依靠自身舵槳動力定位系統進行定位（不需拋錨），定位時間短、效率高，也更安全，依靠自身也可航行調遣。國外船東專門建造的第三代風電安裝船具有船體抬升、吊裝風機設備、打樁、作業人員居住、風機運輸、動力定位六大功能于一體，用于海上風電場的施工和維護。目前已建的第三代風電安裝船中，船東和設計公司均來自歐洲，如丹麥的A2SEA公司、英國的Seajacks公司、MPI公司、荷蘭的Jack-up barge公司等均擁有不少風電安裝船，其中的關鍵設備也是國外制造，而承擔建造任務的船廠不少都在亞洲[1]。中國風電安裝船設計建造起步較晚，國內已建造的風電安裝船基本屬于第二代，主要設備以國產為主[3]。

本文通過積極探索風機分體安裝技術，研制出具有國際先進水平、適合國內施工條件、主要裝備國內配套、且造價大幅下降的多功能自升式風電安裝船。該船主要的設計思考和具體方案如下。

2 船體及總布置

首先明確該船要達到的功能是：

1）該船具備頂升狀態分體安裝（單件安裝、兔耳式安裝和甲板上拼三葉后吊裝3種方式）單機6 MW風機的能力；并具備裝載和工地區域運輸2～3臺6 MW風機的能力；2）該船具備打樁功能，最大單樁重量1 000 t，直徑4.5～7.5 m，最大吊距約27 m，設計有抱樁器；3）浮態時可作起重船使用；4）帶有動力定位系統（DP1），具備工作區域航行、長途調遺助航能力。

對風電安裝船來說，重要的性能指標之一是可變荷載（Variable load），可變載荷就是指除船舶自身固定重量之外增加到船舶上的所有載荷，除甲板上增加的荷載外，還包括燃油、淡水、潤滑油、工作人員及生活用品等。在船舶主尺度已定的情況下，各部分（船體、吊機、抬升系統）的重量盡可能減少，則可變載荷就會相應增加。在船舶設計以及各主要設備方案選擇中，控制和減輕重量是目標和重點考慮的問題。綜合考慮最終確定船舶主尺度及主要性能參數：船長伊型寬伊型深：81.6 m伊40.8 m伊7.2 m；最大作業水深：40 m；甲板可用面積：2 000 m2；滿載吃水：4.9 m；可變載荷；3 763 t；居住人數：75人；入級符號：繹CSA Self-elevating Offshore Wind Turbine Service Unit，thruster，Lifting Appliance。船舶的側視圖和甲板布置圖如圖1和圖2所示。

圖1 安裝船側視圖Fig.1 Main view of installation vessel

圖2 甲板布置圖Fig.2Arrangement of the deck

目前國內外設計的風電安裝船一般都是把甲板生活樓布置在船首。為了保證安全，按照《國內航行海船建造規范》第2篇第1章1.8.3節規定，甲板生活樓必須布置于防撞艙壁以后的位置，這樣艏部前沿大約6 m的甲板空間必須空出，浪費了不少空間，也增加了船舶的重量。而傳統的打樁船、起重船都是將樁架、吊機布置在船首，甲板生活樓布置于船尾，這樣生活樓到艉部的距離就不需要很大，所以把甲板生活樓布置在艉部。

為了方便在船舶甲板上拼裝風機3個葉片，在拼裝時左右兩舷各伸出1片，另一片從艉部船中伸出，這樣把生活樓分為兩部分，左右舷布置，中間空出。

傳統的非自航工程船舶靠甲板絞車拋錨定位來完成移船，一般設置4～6臺甲板絞車。國外自航自升式風電安裝船都是采用DP2動力定位系統，靠螺旋槳驅動實現動態定位，只設1臺甲板絞車拋起錨。采取了DP1動力定位系統再加4臺40 t液壓甲板絞車的方案，一旦DP1動力定位系統失效就靠4臺甲板絞車來完成船舶定位和移船。船舶要具備動力定位的能力，必須設置合理的螺旋槳推進裝置，很多船舶采用艉部全回轉螺旋槳而艏部采用側推固定螺旋槳的方案。本文中采用的是艉部設置2臺1 470 kW全回轉螺旋槳，艏部也采用2臺800 kW全回轉螺旋槳。這個方案的好處：一是當2臺1 470 kW全回轉螺旋槳作推進不足時，2臺800 kW全回轉螺旋槳也可參與推進；二是船靠碼頭時艏、艉皆可作為船頭，動作方便；三是2臺800 kW全回轉螺旋槳相比側推固定槳維修方便。動力定位控制系統由挪威Kangsberg公司提供并由其進行動力定位能力的校核，滿足在浪高2.0 m、表面流速2 kn、風速21 kn情況下動力定位能力要求。

3 甲板吊機的選擇及布置

現有風電安裝船主吊機布置形式，有布置在前后兩樁腿之間的，如Sea Jack；有布置于一樁腿旁的，如JB118；有布置于左右兩樁腿之間的，如國內幾條風電安裝船；國外先進的風電安裝船多采用繞樁吊（Around pile crane），如Sea Installer、Zaranta，即把吊機布置在樁腿上，樁腿從吊機中心穿出，吊機工作時圍繞樁腿旋轉。這種方案有以下四點優勢：一是減少吊機占用甲板的面積，使甲板可用面積增加；二是吊機舷外有效伸距大大增加；三是減少工作時吊機與樁腿之間的干擾，如果不采用繞樁吊就面臨當插樁深度淺的時候，甲板以上樁腿伸出的長度很大，這樣必然影響吊機的工作；四是吊機的底座與樁腿固樁架作為一體，可減少結構重量。

本來船選用1 000 t@25 m主吊機和360 t@24 m輔吊機，均采用繞樁吊的布置。如圖3所示，當吊機位于兩樁腿（A、C）之間中點（B），在D點起吊重物P；另一種狀態采用繞樁吊，吊機位于C，同樣在D點起吊重物P。上述兩種受力狀態，由于重物P的作用點相對風電船是一樣的，如果把船體吊機視作剛體，則重物P引起平臺四條樁腿支反力的變化兩種狀態是一樣的。而吊機自重W引起的支腿反力是不同的，前一種狀態兩支腿（A、C）各受力W/2，后一種狀態繞樁吊機支腿C點受力W，而A點為0?？梢奀點由于吊機自重引起的支反力大了W/2（最大值）。經詳細計算[4-5]本船吊機幅度（BD）為25 m時，采用繞樁吊布置C點支反力要大415 t。

圖3 樁腿受力分析圖Fig.3Force analysis of pile leg

計算在空船抬升站立狀態主吊機在工作幅度25 m，吊重1 000 t吊機360毅全旋轉不同角度釆用繞樁吊時C樁腿的受力大小，也計算了把主吊機擺在前兩樁腿中間B時不同角度C樁腿的受力大小，具體見表1。

表1 樁腿受力計算Table 1Force calculation of pile leg t

由表中數據可以看出：主吊機位于C點和位于A、C樁腿中間B點計算C樁腿受力差最大為896 t，這時吊機的工作幅度要大很多。其實地基一旦達到砂質持力土層，這點差值根本就不是問題。所以釆用繞樁吊形式。

如果把主輔吊機都布置在船首，這樣左右舷易于平衡，且船舶縱向受力，比較合理。但這個方案最大的問題是，在海上如果風電安裝船順流停放，則配合的駁船肯定是吃橫流（潮流的方向與船長方向垂直），反之亦然。這樣潮流大的情況下必有一條船的定位相當困難，施工比較麻煩。

另一種方案是把輔吊機布置在主吊機同一側，如圖4，這個方案可以保證風電安裝船和運樁駁船同時順流，問題在于主輔吊機位于同側（都在右舷）會使船舶右傾嚴重。

圖4 兩吊機位于同側示意圖Fig.4Schematic drawing of two cranes to be located at starboard

對上述兩種方案計算了空船抬升，從駁船上剛開始起吊900 t單樁和翻樁時，三種狀態風電船四樁腿的受力如表2所示。

表2 起吊單樁時樁腿受力計算Table 2Force calculation of pile legs during lifting mono pile t

由表2中的數據可以看出主輔吊都位于右舷起吊900 t單樁由于垮距只有20 m，而2臺吊機同時位于艏起吊900 t單樁時則跨距要28 m，所以2吊機同時位于右舷起吊900 t單樁引起的支腿反力反而較小，最終選擇2臺吊機同時位于右舷。

4 抬升系統方案的選擇

目前國內設計建造的平臺液壓插銷式方案主要由固樁架（Jack house）、與固樁架連接的固定環梁、動環梁、固定環梁與動環梁之間聯接的油缸等組成（方案1），工作時依靠油缸作上下抬升運動，依靠固定環梁、動環梁上的插銷交替插拔進行換步，實現間斷式運動。

振華重工提供了另一個液壓插銷式的方案[6]，如圖5所示。

圖5 液壓插銷式抬升方案2Fig.5Programme 2 of hydraulic jacking system

根據兩個方案工作原理，主要差別分析如下：

1）方案2在支撐狀態是主輔油缸同時工作，因此其支撐能力（holding capacity）可達到抬升能力的2倍，即7 000 t。而方案1仍是一套油缸工作，支撐能力只能達到4 000 t，需要把各樁腿的插樁深度調整到差不多的高度，把上環梁上的插銷插入，這種狀態下，支撐能力才能進一步提高。

2）方案2可方便由抬升系統加載實現對角預壓，最大荷載約為一半的船自重（6 000 t左右），而方案1由抬升系統加載對角壓最大只能到油缸支撐能力（4 000 t），大于油缸支撐能力必須靠水艙壓載加載，實現起來不方便，最大壓載力可能會受到限制。

3）方案2船體重量直接由油缸傳遞到樁腿上，固樁架不受力，只起到扶持、船體固樁的作用；而方案1船體重量是由固樁架傳遞到油缸，再由油缸傳遞到樁腿上，也就是說方案1中的固樁架是受力的，這樣方案1固樁架要重很多；按照單樁腿3 500 t抬升能力設計計算，按方案1則1個固樁架（不包括吊機基座）重量要達到200 t，而方案2只有85 t。

4）方案2工作時，油缸是受拉力的；而方案1的油缸是受壓力的，油缸設計受到壓桿穩定性的制約。方案1樁腿上銷孔間距為1 500 mm；方案2為2 000 mm，還可以更大。因此方案2速度大于方案1，效率更高。

5）方案2最大的問題是支撐狀態下必須由油缸支撐，而方案1可實現機械鎖定支撐（上環梁插銷插上）。因此在油缸設計上要采取有效措施降低油缸內泄漏。1 000 t自升式風電安裝船于2016年1月5日完成插樁試驗，到2016年2月23日在支撐狀態下油缸行程變化值最大為11.7 mm，平臺支撐狀態下主輔油缸內泄露量較小，可滿足平臺液壓鎖緊功能。經實際使用仍然比較穩定。

最終選擇方案2，抬升系統主要性能如下：樁腿形式：圓柱形；樁腿數量伊外徑伊長度：4根伊準3 600 mm伊80 m；銷孔節距：2 000 mm；單樁提升力伊額定支持力（最大預壓力）：3 500 t伊7 000 t；樁腿下降速度：18 m/h；樁腿上升速度：13.1 m/h；平臺上升速度：9.92 m/h；平臺下降速度：5.88 m/h。

5 結語

本船由振華重工具體設計和建造，2014年8月開工，2015年9月29日船舶下水，2016年1月5日完成插樁將平臺抬升水面，2月3日完成吊機吊重試驗，3月16日竣工出廠。

由于前期設計方案考慮比較周全，建造過程中未出現大的方案變化和調整，進展非常順利。在整個設計建造過程中注重船舶總重量的控制，船舶空船總重量由設計時的11 411 t減少到10 548 t（傾斜試驗數據），減少了863 t。除去樁腿重量2 597 t，空船重量只有7 951 t，因此實際可變載荷為2 900（設計）+863=3 763 t，最大抬升重量為7 951+3 763=11 714 t<12 600 t（抬升最大允許載荷）。

本船取名“三航風華”號，自2016年4月初投入使用以來，先后在福建莆田平海灣50 MW海上風電項目，江蘇響水三峽200 MW近海風電項目，如東華能300 MW海上風電場安裝風機，實際使用效果十分理想，得到了業主的廣泛好評。

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Development of 1 000 t self-elevating wind turbine installation vessel "SAN HANG FENG HUA"

SHEN Huo-qun,WANG Zheng,HU Ling-bin,LU Yi-feng,HUANG Chao
（CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

Self-elevating wind turbine installation vessel is special equipment for offshore wind farm construction.Base on the research and analysis of the existing self-elevating wind installation vessels at home and abroad,absorbing the advanced concepts and experiences and using domestic equipments,our company has designed and built the most advanced selfelevating wind installation vessel"SAN HANG FENG HUA"with the largest lifting capacity of 1 000 t in domestic.We described the design idea and plan of the general arrangement of the vessel,the selection and arrangement of the crane,the jacking system,etc.The scientific and rationality of the above designs is proved through the actual projects.

self-elevating wind turbine installation vessel;general arrangement;variable load;around pile crane;jacking system

U655.32

A

2095-7874（2017）09-0090-05

10.7640/zggwjs201709020

2016-12-06

2017-02-28

沈火群（1962—），男，湖北大悟人，教授級高級工程師，從事船舶技術管理工作。E-mail：18217382838@139.com