0  引言

2020年我国海上风电新增装机3.1 GW，总装机规模达到10 GW。从规模和总量上看，截止2020年底我国海上风电总装机仅次于英国，位居世界第2。根据国际可再生能源署预测，为实现巴黎气候协定，到2050年全球海上风电装机总容量将接近1 000 GW。近年来随着海上风电产业总体装机容量增速不断提高，风电场选址逐步向开发潜力更大的深远海区域发展[1]。海上升压站在远海风电场电能远程传输和负载分配中起着重要作用，是海上风电场不可或缺的重要组成部分，也是发展海上风电必须攻克的技术关键[2]。目前升压站组块的安装均采用大型浮吊吊装安装，施工方式单一，费用高，在海上施工高峰期，存在施工资源选择困难的情况。本文提出一种利用自升式平台和轴线车滚装安装升压站组块的方案，该方案将升压站组块在码头滚装装船的方案移植到海上，可将风机安装船用于升压站组块安装，这种安装方法无需吊装作业，无需大型浮吊资源，可提高升压站施工资源选择的灵活性，降低海上施工费用，对海上升压站组块安装有着一定的推广意义。本文从该方案的施工流程设计，需要的施工用工具及特殊结构设计，对自升式平台的要求，海上施工关键环节及相关计算分析进行介绍。

1  施工流程设计

码头滚装装船是为了解决吊装船无法实现码头装船而产生的一种装船方式。一般情况下，海上结构物是采用吊装装船模式，但是此方法对于吊装设备的要求较高，当结构物重量较大时，在没有大型起重设备的情况下，吊装作业往往无法实施[3]。大型浮吊船不但数量稀少，费用高昂，且受码头水深和船舶吃水的限制，可能无法靠近码头，使得装船过程变得极为复杂，甚至可能延误工期，造成经济损失。为充分利用现有的设备和技术力量解决大型结构物装船问题，结构物滚装装船法应运而生。滚装装船是利用轴线车（Self-propelled Modular Transporter, SPMT）将被运输物从码头直接运输到船舶上，由于轴线车配车方案灵活，无需预先设置滑道，且可通过调整车的数量来降低对地承载力，因此其对码头承载力要求低，可适用更多的码头条件[4]。本文提出的利用自升式平台滚装安装升压站组块方案是利用自升式平台可升降的特点，将码头滚装装船技术应用到组块海上安装中，该方案的施工流程见图1。

图1  滚装安装升压站组块安装流程图

施工中为先利用自升式平台将升压站组块滚装装船到自升式平台上并运输至升压站导管架附近，然后通过轴线车将升压站组块从自升式平台滚装到升压站导管架上，最后将升压站组块与导管架进行组对焊接，从而实现升压站组块的安装。各关键施工步骤方案图见图2。

图2  自升式平台滚装安装升压站组块方案图

2  施工用工具及特殊结构设计

利用自升式平台滚装安装升压站组块时，主要需要轴线车，轴线车支撑梁，滚装轨道梁，导管架牛腿，轨道支撑结构，轨道拆除滑轮等工具及特殊结构。

轴线车是组块滚装的主要工具，主要根据组块的结构重量，组块尺寸及组块主梁布置来确定规格和数量，每台轴线车有固定的支撑重量，因此组块的重量就决定了轴线车的数量，轴线车的布置根据组块的外形尺寸和主梁的形式来选定布置四列，六列还是八列，每列轴线车均需配备液压单元。

轴线车支撑梁是轴线车运输组块时的工具，布置于轴线车与组块底部之间，用于弥补轴线车升降高度的不足，使轴线车可将组块顶升离开地面及将组块下放至导管架腿顶部，轴线车支撑结构的高度由轴线车的顶升高度及组块底部桩腿的伸出长度来确定，其截面需根据组块重量进行计算分析确定，轴线车支撑梁使用过程见图3。

图3  轴线车支撑梁使用过程图

滚装轨道梁是升压站组块在海上通过轴线车进行滚装时的轨道，该轨道梁支撑于自升式平台与导管架之间，为轴线车行走的轨道。轨道梁可设计为箱型结构，内部设置加强筋，轨道梁的长度需适应自升式平台安装后平台与导管架之间的距离，轨道梁的宽度需大于轴线车的宽度，以保证轴线车可正常行走。轨道梁的强度需满足升压站组块行驶到其上任何位置时均满足要求，轨道梁的两端需与导管架上支撑牛腿及自升式平台一侧支撑结构相匹配，轨道梁截面形式及安装后效果见图4。

图4  轨道梁截面形式及安装后效果图

导管架牛腿是导管架一侧滚装轨道梁的支撑结构，轨道梁安装后直接座在导管架牛腿上。该牛腿需在导管架建造期间预制在其腿柱上，牛腿标高需保证安装滚装轨道梁后，轴线车运输组块时组块的腿柱底部高于导管架腿柱顶部，且组块与导管架腿柱之间距离小于轴线车的升降行程，当轴线车下放组块并将组块腿柱支撑在导管架腿柱上后，轴线车仍可继续降低，使组块荷载从轴线车上转移到导管架上。导管架牛腿为梯形截面，在导管架腿柱上向两侧悬挑，每侧悬挑长度均需大于滚装轨道梁的宽度，在牛腿边缘需设置限位结构，防止滚装轨道梁安装后从牛腿两侧滑落。导管架牛腿结构形式见图5。

图5  导管架牛腿结构方案

轨道支撑结构是自升式平台一侧滚装轨道梁的支撑结构，该结构安装在自升式平台舷侧。此结构为空间L型结构，L型的2条边分别贴合在自升式平台的甲板面和舷侧面，并通过焊接或销轴固定在自升式平台上。该结构安装后，在自升式平台舷侧有2个槽型轨道梁支撑面，两个槽型区域的宽度大于滚装轨道梁的宽度，槽型区域的顶面用于支撑滚装轨道梁，槽型区域的高度需保证滚装轨道梁安装完成后其顶面需与自升式平台的甲板面平齐，以便于轴线车从自升式平台行驶到滚装轨道梁上。

图6  轨道支撑结构方案图

轨道拆除滑轮是组块滑移安装完成后用于滚装轨道梁拆除用的工具，该工具由耳板，卸扣及滑轮组成，其原理是通过将牵拉方向改变90度，利用平台上的吊机将滚装轨道梁从组块底部牵拉到自升式平台甲板上，从而实现滚装轨道梁的拆除。

图7  滚装轨道梁拆除方案图

3  自升式平台的要求

自升式平台是该施工方案的关键设备，方案实施对于自升式平台有特定的要求，这些要求主要包括平台甲板可利用区域、桩腿长度、甲板承载力、平台预压能力、升降装置能力、吊机能力和平台预压能力等七方面。

平台可利用甲板区域需保证在升压站组块高度范围内，平台甲板上没有任何结构或设备与升压站组块产生干涉，以保证升压站组块可从平台一侧滚装上平台，从另一侧滚装离开平台。平台的桩腿长度需保证当桩靴最大入泥后，平台仍可沿桩腿升至水面上预定高度，以保证组块可从自升式平台滚装到导管架上。自升式平台的甲板承载力需大于轴线车运输组块在平台甲板上行走期间的最大对地压力，以保证可以用甲板区域的任何位置均满足承载力要求。平台预压能力的要求为，平台的单桩预压能力需大于滑移安装升压站组块期间，各个桩腿上的最大对地压力，保证组块滑移安装期间平台的稳定性。升降装置能力的要求包括两方面，1）升降能力要求，2）锁桩能力要求，升降装置要具备将平台甲板、升压站组块及相关支撑固定结构沿桩腿上下升降，锁桩的能力要求是单个桩腿的锁桩能力需大于组块滑移期间任何桩腿上平台传递到桩腿上的压力。吊机能力的要求包括吊重及吊装半径，吊机在吊装导管架上滚装轨道时，吊装半径满足要求的同时，吊机的吊重也需满足。以某双吊机自升式平台为例吊机吊重及半径能力核算见图8。

图8  自升式平台吊机能力核算图

4  海上施工关键环节及相关计算

利用自升式平台进行升压站组块安装，包括自升式平台的安装，自升式平台甲板承载力，海上滚装过程中自升式平台的稳定性，滚装过程中轨道梁及轨道梁支撑结构的强度分析，组块与导管架对位方案，轨道梁回收方案等几个关键环节。

自升式平台的基础一般为桩靴，平台安装后桩靴会深入泥面以下一定深度，由于安装过程中自升式平台距升压站导管架距离较近，因此需核算自升式平台压桩和拔桩过程中桩靴的影响范围，以导管架的钢桩在桩靴影响范围以外为标准，确定自升式平台与升压站导管架的间距[5]。桩靴影响范围可采用有限元进行桩靴及土层建模，通过桩土分析得到桩靴影响范围，图9为以某自升式平台为例计算桩靴影响深度的结果。

图9  自升式平台桩靴影响范围计算结果

自升式平台甲板承载力是核算滚装过程中自升式平台甲板上轴线车行走区域的承载能力。在码头滚装装船及海上滚装安装期间，轴线车均要运输着升压站组块从自升式平台的一侧行驶的另一侧，整个过程中自升式平台甲板上会受到不同的压力。轴线车在满载工作时，各轮子要求地面承载力不小于10吨每平米，因此在进行自升式平台核算时，需保证平台的甲板承载力不小于10吨每平米，一般自升式平台的操船手册中均会给出平台的甲板承载力值，只要满足此要求，即可保证滚装过程中的甲板强度满足要求。

海上滚装过程中自升式平台的稳定性是核算组块及轴线车从自升式平台中心位置滚装到导管架顶部过程中自升式平台的抗倾覆能力。该核算需根据组块及轴线车的重心距自升式平台中心不同位置时产生的倾覆力矩，并将此倾覆力矩与自升式平台本身的抗倾覆力矩进行对比，如在此过程中自升式平台的抗倾覆力矩始终大于组块滚装产生的倾覆力矩，则滚装过程的稳定性满足要求。表1为以本文第三节中的双吊机自升式平台及3000 t组块为例核算滚装过程中自升式平台所受到的倾覆力矩情况，自升式平台所受的倾覆力矩包括组块及轴线车沿滚装轨道梁行驶到不同位置时自重产生的倾覆力矩和自升式平台两台吊机自重引起的倾覆力矩。

表1  滚装过程中自升式平台所受倾覆力矩表

自升式平台的抗倾覆能力为平台安装后的水中自重乘以平台重心距滚装安装方向桩腿重心的距离，以表1中自升式平台为例，该平台的水中自重为15248.1吨，平台重心距滚装安装方向桩腿重心的距离为17.1m，则平台的抗倾覆力矩为2558271.1吨米，根据以上计算可得到组块滚装至不同位置时自升式平台抗倾覆安全系数情况，具体计算结果详见图10。从计算结果可知组块移动到导管架与自升式平台中间位置时抗倾覆安全系数最低，此状态是抗倾覆的控制工况，需重点关注。

图10 组块离开自升式平台不同距离抗倾覆安全系数

轨道梁是海上滚装过程的关键结构，需保证其有足够的结构强度。滚装过程中轨道梁上轴线车数量及位置的不同，会造成轨道梁的受力不同，因此在进行轨道梁强度分析时，需根据轴线车的布置，按照滚装过程中轴线车在轨道梁上的不同位置及车轮数量分多种工况分别核算，找到滚装过程中轨道梁的最不利受力工况，从而进行轨道梁强度核算。轨道梁两端的支撑结构承受轨道梁及升压站组块的全部荷载，需核算两端支撑结构的强度。轨道梁在计算中利用SACS软件将整根梁进行建模，轨道梁两端的支撑结构也与轨道梁一同建模，轨道梁上荷载按照轴线车的轮子进行加载，根据组块重量及轴线车重量推算出轴线车每个轮子的竖向力，然后按照轴线车在轨道梁上轮子数量的不同，分工况分别进行计算。利用SACS进行各工况边界条件及荷载施加情况见图11，轨道梁及两端支撑结构强度计算结果见图12。

图11  SACS模型中滚装过程轨道梁边界条件及荷载施加图

图12  滚装过程轨道梁及两端支撑结构强度SACS计算结果

组块在通过轨道梁滚装前，需对组块在自升式平台上的位置进行调整，以保证组块通过轨道梁滚装后可顺利与导管架腿对位连接。组块海绑在自升式平台上后，两侧需预留一定的空间，滚装前，组块的位置调整通过移动轴线车来实现向左右移动或旋转，位置调整按照组块位置偏差小于轨道梁允许偏差的原则来控制。组块位置调整思路见图13。

图13  组块位置调整方案图

完成组块海上滚装及组块与导管架腿焊接后，需将组块与导管架之间的轨道梁进行回收，轨道梁的回收通过水平牵拉法实现。轨道梁回收前先将自升式平台下降到甲板面与轨道梁底面平齐，然后将轨道梁回收耳板及滑轮安装在自升式平台甲板上，将牵拉钢丝绳的一端穿过滑轮并连接到吊机上，将牵拉钢丝绳的另一端连接到轨道梁上，然后通过吊机回收钢丝绳，轨道梁随着钢丝绳一起牵拉到自升式平台甲板上。轨道梁牵拉过程见图14。

图14  轨道梁边界条件及荷载施加图

5  结论

通过以上描述可知，如自升式平台能力满足要求，通过轴线车和轨道梁等设备即可完成升压站组块的海上安装，无需使用大型浮吊资源。由于无需吊装作业，升压站组块无需核算吊装工况，无需设计吊点，可降低升压站组块的结构重量，没有吊点也便于甲板上的设备布置。随着10 MW以上级别风机的逐渐普及，目前风机安装自升式平台的能力越来越大，更多的自升式平台具备了通过滚装安装升压站组块的能力，采用此种方法进行升压站组块安装，可与风机安装公用施工船舶，便于项目的资源安排，并节省海上施工的费用，此施工方法在未来的海上风电安装中有一定的推广意义。

参考文献

[1]魏兴麟, 彭亚, 柯逸思.海上风电深水导管架基础的应力响应研究[J]. 2021, 35(2): 29-34.

[2]刘金全, 吴永祥, 李红有, 等. 海上升压站总体布置方案及设计原则[J]. 船舶工程, 2019, 41(S1): 406-410.

[3]鲁焕浩, 邓诗龙, 朱杰儿, 等. 海上变电站上部组块滚装技术研究及应用[J]. 2021, 34(3): 56-61.

[4]翁耿贤, 邹福顺, 林阳峰, 等. 海上风电导管架滚装装船运输技术研究[J]. 2020, 29(10): 46-49.

[5]王庆功, 王建华, 范怡飞. 桩靴贯入黏土层时邻近群桩相互作用分析[J]. 2021, 39(2): 32-43.

作者简介：崔文涛（1982-），性别：男，职称：高级工程师，研究方向：海洋工程结构物设计及安装。