自升式海上风电安装平台的基本原理和特点

 

当前国内海上风电安装平台主要为自升式海上风电安装平台，其具有作业稳定，适应于各类海底土壤条件和较大的水深范围，移位灵活方便，便于建造等优点。平台主要由桩腿、平台主体、升降系统、生活楼和起重机等组成。平台常规采用四条桩腿站立固定，近年来，由于海上风电安装装备需求缺口较大，风电安装平台建造周期长，部分企业将三条腿自升式钻井平台改造为海上风电安装平台，三条腿平台与四条腿平台相比，稳定性相对比较弱。升降系统一般采用插销式。平台工作时桩腿下放插入海底，平台主体被抬起到离开海面的安全工作高度，对桩腿进行预压，确保平台遇到风暴时桩腿不致下陷。作业完成后，平台主体下降至海面，拔出桩腿并全部提起，整个平台浮于海面，通过拖轮拖到新的风电作业位置进行作业。

 

平台上安装了大型起重机，主要用于海上风机基础、塔筒、机舱的吊装，平台起重能力从600吨至3000吨不等，起重高度最高达100多米；平台结构一般应考虑风机的装载、存放，要求工作甲板面积大、载荷大；另外海上安装环境恶劣，安装时间窗口受限，要求安装效率高，尤其风机叶片、塔筒超长，安装重心高，这就要求风电安装平台具有足够的起吊高度和起吊能力以及安全性。因此在进行海上风电平台作业时，首先要保证作业安全、可靠。

 

 

自升式海上风电安装平台作业风险分析

 

自升式海上风电安装平台主要通过桩腿和升降系统配合将平台抬升到一定高度，以便适应不同水深和作业高度，不需要考虑船舶横摇纵倾，作业状态非常稳定。但由于海上未知因素比较多，平台在航行调遣、就位、预压、举升、下降、拔桩、作业和风暴自存等操作过程中碰到许多突发情况，出现风险概率较大，结合海上作业过程情况，有必要对不同作业阶段风险进行分析，提出控制措施，以保证平台作业安全。

 

1、海上拖航作业风险

 

自升式海上风电安装平台海上拖航主要为远距离拖航和风场区内短距离迁移，一般采用湿拖。拖航时桩腿全部升起，平台处于漂浮状态，平台受风面积大，重心高，摇摆惯性巨大，对平台的稳性和桩腿强度要求较高，一些平台还安装了大型风机安装辅助设备，在拖航过程中遭遇强风浪，有可能出现拖缆断裂失去航向控制，导致结构受损、舱室进水致使稳性不足最终倾覆的风险。根据相关历史数据统计，在全球已发生的海工装备事故中，自升式平台倾覆事故占据了很大的比例。

 

海上风电安装平台与传统油气钻井平台相比，平台迁移频率高，周期短。在全寿命周期过程中需要重点关注拖航存在的风险。首先在平台设计阶段，应进行拖航稳性分析和拖航状态下平台、桩腿的强度分析，注意平台上安装的大型风机安装辅助设备和装载风机对平台的影响。日常拖航作业时，首先从源头上杜绝不安全因素，做好拖航前期安全检验和准备工作，尤其关注平台上大型设备的绑扎、固定，充分分析海上拖航期间的海洋气候和海况，选择无台风时间段作为拖航时间，做好风险评估，编制《拖航计划》和《拖航应急预案》。拖航前三天，还需要申请船级社进行拖航检验，取得验船师签发的《适拖证书》，发布航行警告。在拖航过程中，应密切注意航线上的气象、?？霰浠?，做好应急措施，确保拖航作业的安全。

 

2、海上插桩作业风险

 

由于风场区域地质条件复杂，自升式风海上电安装平台在进行海上插桩作业时存在刺穿、滑移、冲刷掏空等风险，严重影响平台的作业安全。刺穿主要由于桩靴基础位于上硬下软的层状地层时，基础发生未预料的沉降，桩腿刺穿地层；滑移一般由于平台要求在以前插过的位置及周围重新插桩，由于初次就位对土层的扰动和旧桩穴的存在，对重复就位桩基础的影响，导致桩靴偏心受阻，受力不平衡，桩靴受水平力作业产生了滑移；冲刷掏空一般由于桩靴入泥较浅或者不完全入泥时，桩靴处水流发生局部变化带动泥沙运动，导致了桩腿插桩处泥沙发生冲刷。

 

如何防止平台插桩时出现穿刺、滑移、冲刷掏空问题，尤其穿刺问题一直是业界关注的热点，目前通用做法是海上风电安装平台一般在插桩前对风场进行地质勘察，查明海底以下一定深度范围内土层分部、土质类型、强度以及工程物理力学特性，并对平台的插桩深度进行分析，评价桩腿穿刺可能性，插桩深度分析主要便于平台操作者确定平台桩腿是否有足够长度来支撑平台安全作业，硬土层进入软土层引起的单桩突然贯入的可能性；对于存在穿刺风险较大的区域，作业人员应提前做好预案，及时调整压载程序，逐步进行压载，保证插桩过程中平稳安全。若发生穿刺情况，注意及时评估现场情况，启动应急预案。对于防滑移风险，首先在设计时应尽可能规避重复就位，桩靴入泥考虑一定余量，插桩作业过程中注意对角插桩，桩腿每入泥0.5米时，静载观察一段时间，直至平台插桩完毕。对于冲刷掏空，还需注意进行海底探摸，若有可能，增加水下监控系统。

 

3、平台拔桩作业风险

 

平台在完成吊装作业后离开前，需要拔桩、回收桩腿。平台在设计时对平台的入泥深度进行了分析并在操作手册中明确最大入泥深度，但由于作业地点的?；匦圆煌?，甚至差距很大，尤其国内海上风场一般在近海，如江苏区域，海底淤泥层很厚，地质疏松，可能造成入泥过深而导致拔桩困难，历史上曾经因为拔桩困难导致平台浸水，或者不得不用挖泥船过来协助。当然，导致拔桩困难可能原因也包括桩靴阻力大，平台安全浮力不足以把桩靴拔起；冲桩泵压力和排量能力不够，冲桩时间长；桩靴喷嘴数量及分布不合理，在淤泥中容易阻塞，不易把桩靴吸附层吹松。保证平台拔桩作业安全应先分析、评价平台在特定地质条件及入泥深度的拔桩能力，拔桩操作前，应根据作业海区的具体情况制定拔桩方案，拔桩前先用冲桩管路对角两桩喷冲，拔桩操作时采用对角拔桩成对交替进行。

 

4、吊装作业风险

 

海上吊装作业覆盖海上风电安装的全部环节，主要包括风筒、风机、基座等的吊装，吊物尺寸大，重量大，作业过程危险性较大。自升式海上风电安装平台首先在设计阶段应考虑吊装工况下的稳定性、可靠性和安全性。实际海上吊装作业前，首先起重设备应经过检验，取得产品证书，平台上应配备起重机械操作人员、指挥人员和平台操作人员；其次应编制专项吊装方案和建立应急响应机制。气候环境对海上风电吊装影响最大，尤其风是风机吊装最敏感的因素。平台上起重机应有防风的措施，应设置测风仪，时刻关注气象变化，注意起重机对风速要求限制，目前一般要求10分钟平均风速必须小于等于10米/秒。若碰到大风大浪时，应立即停止作业，起重机上载荷卸载，起重臂下放到安全固定位置。

 

当前一些平台配置了陆用履带式起重机进行海上吊装或者辅助吊装作业。海上风电吊装对起重机要求非常高，履带式起重机进行吊装作业存在许多不确定因素，如起重作业水平度难以控制，履带式起重机吊装时由于自升重量加上设备重量较大，对平台承载力和稳性的要求较高，目前主要做法是对平台进行强度、稳性核算，根据核算结果对平台进行加固，保证平台承载力满足吊装要求。履带式起重机相对船用吊机缺乏相应的规范标准，存在较大的风险因素，对平台安全也存在隐患，因此风电安装平台上使用履带式起重机应做好风险评估，不建议使用起吊能力大的陆用履带式起重机作为平台主吊。

 

海上作业安全管理建议

 

自升式海上风电安装平台相对于其他类型平台在安装作业中存在着很大的优势，尤其在起重作业吊装稳定性方面。随着海上风电行业不断发展，特别是我国提出“碳达峰、碳中和”目标，海上风电前景依然非常乐观。但是当前业界主要存在主管机关制定的法规和业内相关规范标准侧重于传统油气平台安全技术要求和作业技术要求，缺乏针对海上风电安装平台作业的规定；受“抢装”潮的影响，海上作业不规范、有经验人员不足；完整的海上风电管理体系尚未形成等主要问题应足够重视。基于以上主要风险分析，提出如下建议：

 

1、平台设计应考虑全寿命周期工况和安全裕度

 

自升式风电安装平台由于受海上环境的影响，特别是随着风电安装作业水深增加，吊重能力加大，吊高加长，对自升式风电安装平台总体性能提出很大挑战。首先，要重点关注平台拖航时完整稳性和运动性能、站立稳性等等。其次，应考虑平台对风、浪、流环境条件的适应性，风电安装平台对工程地质条件的适应性，平台主体结构、桩腿应考虑各种工况下的平台强度、刚度和稳定性，注意平台在组合载荷的作用下，材料能否满足强度要求，保证不至发生屈曲和疲劳破坏的危险，特别是对总强度需考虑总的功能载荷和可变载荷、设计环境载荷、惯性力和P-Delta效应，分作业工况和风暴自存工况，结构设计安全裕度不低于法规和船级社规范的要求。

 

2、建立健全风电作业安全分析和风险评估

 

海上风电行业为新兴行业，作业过程中存在的风险不容忽视，海上风电安装作业远离陆地，各种设备和人员生活、工作集中在有限的平台空间，海上作业面临?？觥⑵蠛偷乩淼雀丛忧榭觯椎贾乱幌盗蟹缦眨ǎ悍绲缱饕的讯却?；海上环境对海上风电作业设施影响极大，稍有不慎极有可能造成重大事故；海上风电作业离陆地较远，发生事故及时救援相对比较困难等。因此，建立健全海上风电管控措施非常必要，应根据海上风电每一步作业情况进行安全分析，做好风险评估。

 

3、建立完善的监督和管理体系

 

随着海上风电的发展，国内已经形成了一系列安全风险管理制度和管理措施，并不断随着发展形势进行调整和完善，但由于我们国家海上设施安全管理制度偏重于海上油气方面，不适应海上风电发展的要求，缺乏针对海上风电自身特点的规定，因此需要在工作标准、技术监督管理、危险评估、应急响应、技术支持等方面进行研究，制定适应海上风电作业标准，加强监管，不断完善海上风电安全管理体系。

 

自升式海上风电安装平台在海上作业时面临着复杂的环境条件，属于高风险作业。在当前海上风电发展的高速期，海上风电作业频繁，加强海上风电作业风险分析，做好风险评估，完善风险控制措施，建立完整的管理体系，可以确保海上风电作业安全，降低风险。