CCS對海上風(fēng)電安裝船入級的技術(shù)要求

海上風(fēng)力發(fā)電作為無污染的可再生能源開發(fā)，因其具有更好的風(fēng)能條件，不涉及土地征用問題，不會造成大氣污染, 環(huán)保價值可觀等優(yōu)點，受到世界各國的普遍高度重視，近年來發(fā)展非常迅速。

那么當(dāng)前海上風(fēng)電安裝船現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢如何?中國船級社對海上風(fēng)電安裝船有哪些入級的相關(guān)技術(shù)要求?中國海上安裝船產(chǎn)業(yè)發(fā)展還需從哪些方面補(bǔ)強(qiáng)?

1 海上風(fēng)電安裝船的入級規(guī)范體系及法定要求

目前海上風(fēng)電安裝船主要為自升式，船級社對此類設(shè)施入級劃歸到海上結(jié)構(gòu)物入級范疇，因此要遵循海洋工程的相關(guān)規(guī)范體系。中國船級社(CCS)要求海上風(fēng)電安裝船入級應(yīng)滿足CCS船級社自己的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)體系，主要包括《海上移動平臺入級規(guī)范》、《材料及焊接規(guī)范》、《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》及《海上風(fēng)機(jī)作業(yè)平臺指南》等;中國籍的海上風(fēng)電安裝船還應(yīng)滿足公約、法規(guī)要求，主要包括IMO頒布的《海上移動式鉆井平臺構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則》、《國際海上人命安全公約》、《國際防止船舶造成污染公約》、《國際載重線公約》等以及中國海事局頒布的《海上移動平臺安全規(guī)則》、《船舶與海上設(shè)施法定檢驗技術(shù)規(guī)則》等。海上風(fēng)電安裝船的設(shè)計、建造過程經(jīng)檢驗滿足上述入級規(guī)范后，中國船級社簽發(fā)《海上移動平臺入級證書》;同樣，海上風(fēng)電安裝船的設(shè)計、建造過程經(jīng)檢驗滿足上述公約、法規(guī)后，中國船級社代表海事局簽發(fā)《海上移動平臺安全證書》、《國際噸位證書》、《國際載重線證書》、《國際防油污證書》、《國際防生活污水證書》、《國際防空氣污染證書》、《防止船舶垃圾污染檢驗證明》、《國際防污底系統(tǒng)符合證明》等法定證書。

2 海上風(fēng)電安裝船的入級符號說明

入級符號是平臺主要用途、功能及特性的表述，具有強(qiáng)制性。平臺的主體(包括設(shè)備)和機(jī)械(包括電氣設(shè)備)符合船級社規(guī)范或等效規(guī)定，船級社將授予相應(yīng)的入級符號與附加標(biāo)志。中國船級社對入級符號和附件標(biāo)志規(guī)定如下：

(1)入級符號：★ CSA或★ CSA

★ CSA表示平臺的結(jié)構(gòu)與設(shè)備由中國船級社審圖和建造中檢驗，并符合規(guī)范的要求;

★ CSA表示平臺在建造時不是由中國船級社按照其規(guī)范進(jìn)行檢驗，其后經(jīng)中國船級社進(jìn)行檢驗認(rèn)為其符合規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，此一般指建造后轉(zhuǎn)級平臺。

(2)附加標(biāo)志是指描述平臺類型、用途、特殊特征、航區(qū)限制以及其他含義的1個或1組標(biāo)志。附加標(biāo)志中除表示平臺類型和用途的符號外，其他附加標(biāo)志均為業(yè)主根據(jù)需求自愿進(jìn)行申請，并經(jīng)中國船級社檢驗確認(rèn)后授予。相關(guān)的附加標(biāo)志及說明見下表所示。

上表中所列入級符號附加標(biāo)志為目前海上風(fēng)電安裝船的常用符號，詳細(xì)的附加標(biāo)志及說明可見參考《海上移動平臺入級規(guī)范》中第1篇第2章中的表 2.3.2.5。

海上風(fēng)力安裝船的入級符號和附加標(biāo)志應(yīng)按上述次序填入入級證書。例如：由CCS按其規(guī)范檢驗的自升式風(fēng)電安裝平臺，設(shè)計用于近海航區(qū)的海上風(fēng)機(jī)安裝、維修，帶有DP系統(tǒng)，設(shè)有直升機(jī)甲板，起重設(shè)備滿足CCS規(guī)范要求，其入級符號和附加標(biāo)志表示如下：

★CSA Self-elevating Offshore Wind Turbine Service Unit, DP-1，HELDK，Lifting Appliance，Service Area Restricted(Greater Coastal Service In China)。

3 海上風(fēng)電安裝船的技術(shù)要點

本節(jié)主要以目前常見的自升式風(fēng)力安裝船為例，論述中國船級社入級規(guī)范對其設(shè)計的技術(shù)要求要點。區(qū)別于傳統(tǒng)的自升式鉆井平臺，自升式風(fēng)力安裝船重量較輕，插拔樁頻繁，升降速度較快，船尾設(shè)置大功率的起重機(jī)，對平臺的站立穩(wěn)性要求較高，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計、設(shè)備布置等方面具有自身特點，詳細(xì)分析如下：

(1)樁腿設(shè)計

樁腿數(shù)量及結(jié)構(gòu)形式的選擇要綜合考慮作業(yè)水深、作業(yè)能力、船體結(jié)構(gòu)形式、船體尺寸等因素，需平衡各種因素，通過最終的結(jié)構(gòu)分析確定。一般對于海上風(fēng)電安裝船，樁腿數(shù)量為4根到6根，一般都為圓柱形結(jié)構(gòu)形式樁腿。樁腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計需考慮如下工況：①拖航/自航工況。CCS《海上移動平臺入級規(guī)范》中規(guī)定，自升式平臺遠(yuǎn)洋或油田內(nèi)遷移時，應(yīng)考慮由于船體運動產(chǎn)生的搖擺慣性力及傾斜角度，并校核上固樁楔塊處的樁腿強(qiáng)度;②站立工況。規(guī)范中規(guī)定，在正常作業(yè)和風(fēng)暴自存工況下，考慮平臺重量、風(fēng)浪流外載荷作用下的樁腿強(qiáng)度，尤其是位于下固樁楔塊處的樁腿強(qiáng)度;③預(yù)壓、升船及拔樁工況。此工況一般不是控制工況，但在極端不利條件下也應(yīng)進(jìn)行考慮。

(2)樁靴設(shè)計

樁靴的大小、形式選擇對海上風(fēng)電安裝船的設(shè)計至關(guān)重要，因為對于此類施工裝備，要求作業(yè)效率高，插拔樁迅速，因此插樁不易過深，設(shè)計時要根據(jù)實際作業(yè)海底地質(zhì)條件確定樁底壓強(qiáng)，并綜合考慮各種因素確定樁靴形狀、大小。依據(jù)規(guī)范要求，樁靴的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計應(yīng)滿足如下工況：① 預(yù)壓工況：預(yù)壓載荷同心分布最初接觸到完全灌入一系列可能的接觸面積上;② 作業(yè)和自存工況：最大樁腿反力、樁腿下導(dǎo)向處彎矩的50%和水平載荷疊加作用于樁靴;③ 特殊工況：樁腿最大垂直反力作用于50%的樁靴底部面積。

(3)船體設(shè)計

海上風(fēng)電安裝船的船體類似平板駁船，長寬比值較大，但在船體上設(shè)置有穿過樁腿的圍阱結(jié)構(gòu)區(qū)域，站立作業(yè)狀態(tài)防止有過度的中垂。一般設(shè)計時首先確定甲板載荷分布圖，根據(jù)規(guī)范公式初步確定船體各部分結(jié)構(gòu)尺寸(板厚、型材大小等)，然后通過有限元直接計算確定船體整體強(qiáng)度是否滿足規(guī)范要求。依據(jù)規(guī)范要求，船體總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析主要工況包括：① 拖航/自航工況：分析船體在漂浮狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，尤其是固樁區(qū)域在樁腿搖擺作用下的強(qiáng)度;② 站立工況：分析船體在正常作業(yè)和風(fēng)暴自存工況下的強(qiáng)度，此工況一般為控制工況;③ 預(yù)壓、升船及拔樁工況：預(yù)壓和拔樁工況有時也較為危險，應(yīng)根據(jù)實際預(yù)壓和拔樁設(shè)計進(jìn)行船體強(qiáng)度分析。

除上述的船體整體強(qiáng)度設(shè)計外，還應(yīng)考慮船體局部強(qiáng)度，主要包括大型設(shè)備底座，如吊機(jī)底座、主機(jī)基座等，升降圍阱區(qū)域，直升機(jī)甲板等。此外，船體設(shè)計還應(yīng)滿足規(guī)范中的拖航穩(wěn)性、站立穩(wěn)性等相關(guān)要求。

(4)升降系統(tǒng)設(shè)計

升降系統(tǒng)的安全可靠是海上風(fēng)電安裝船安全作業(yè)的保證。目前自升式平臺的升降裝置有多種形式，包括電動齒輪齒條式、液壓油缸頂升式、鋼絲繩式等，都各自有相應(yīng)的優(yōu)缺點。電動齒輪齒條式升降系統(tǒng)技術(shù)成熟，升降速度快，效率高，但由于頻繁升降，齒輪、齒條的疲勞壽命會影響到平臺的使用年限;鋼絲繩式升降系統(tǒng)也有實際工程案例，但在安全性、可靠性及使用效率上尚存有疑慮，因此并不能被廣泛采用。因此目前在海上風(fēng)電安裝平臺上使用較多的是液壓油缸頂升式升降系統(tǒng)。

依據(jù)規(guī)范，液壓油缸頂升式升降系統(tǒng)應(yīng)考慮插銷設(shè)計、環(huán)梁設(shè)計、液壓系統(tǒng)設(shè)計等;電動齒輪齒條式升降系統(tǒng)應(yīng)考慮齒輪、齒條強(qiáng)度設(shè)計，傳動系統(tǒng)設(shè)計、軸承強(qiáng)度、升降室結(jié)構(gòu)設(shè)計等。此外，還應(yīng)考慮升降裝置公差設(shè)計、升降系統(tǒng)在船體上的基礎(chǔ)設(shè)計、升降裝置與圍阱裝配公差等。

(5)吊機(jī)底座設(shè)計

用于海上風(fēng)電安裝船上的起重機(jī)吊重較大，一般應(yīng)根據(jù)吊重能力確定吊機(jī)底座位置、形式、與船體的連接形式等，并著重考慮吊機(jī)底座的焊接設(shè)計、吊機(jī)底座的屈服、屈曲強(qiáng)度設(shè)計以及吊機(jī)底座支撐肘板的疲勞設(shè)計等，具體設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和要求可參照CCS《船舶和海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》中關(guān)于起重機(jī)底座及支撐結(jié)構(gòu)部分。

(6)穩(wěn)性設(shè)計

海上風(fēng)電安裝船的穩(wěn)性要求可分為漂浮穩(wěn)性和站立穩(wěn)性。此類海上風(fēng)電安裝船一般干舷較小，且艙室布置較為集中，穩(wěn)性分析時尤其要注意滿足規(guī)范對平臺的完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性要求。站立穩(wěn)性分析時要考慮舷外起吊和環(huán)境載荷方向一致時對其最不利的影響，且傾覆力矩應(yīng)計及動力放大效應(yīng)和P-Delta效應(yīng)。具體設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和要求可參照CCS《海上風(fēng)機(jī)作業(yè)平臺指南》中的關(guān)于穩(wěn)性部分。

(7)其他部分設(shè)計要求

其他部分的設(shè)計要求，包括機(jī)電設(shè)備、防火、消防、救生、信號等，和常規(guī)自升式平臺并無區(qū)別，在此不再贅述，具體可參考CCS相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

表2為最近幾年入級CCS的海上風(fēng)電安裝船的技術(shù)參數(shù)，隨著國內(nèi)海上風(fēng)電的不斷發(fā)展，海上風(fēng)電安裝船的能力也在不斷提升。(作者：CCS海工技術(shù)中心 李紅濤 劉 圓 李 曄 曲健冰)