半潜式坐底安装平台应力监测安全预警系统开发

张洁，沈栋，邱松，卢益峰

（1.中交上海三航科学研究院有限公司，上海 200032；2.中交三航（上海）新能源工程有限公司，上海 200137）

0 引言

海上风电半潜式坐底安装平台（船）由半潜驳发展而来，其通过主动坐底，即船舶通过调节自重使船体缓慢、稳定下沉与海底泥面接触，利用泥面的支撑力进行风机安装作业。它可以最大程度上满足吊机工作要求，降低天气和海况对吊机工作的影响，为缩短海上安装作业周期、降低建设风险、控制施工成本创造了先决条件，在建造成本上具有较大的竞争力。海上风电半潜式坐底安装平台由于其独特的船舶结构特点，能够满足3～20 m水深范围内的作业，以其优越的地质适应性弥补了这一施工盲区。

当平台坐底时，如果船底与泥面接触均匀，则船体受力也近似均匀，一般不会发生严重的船身断裂危险。但是，平台坐底后由于海洋环境因素改变，船底周围发生冲刷掏空现象，导致船体结构受力非常复杂，并且环境随机因素造成的结构损伤和破坏难以通过理论计算进行预测。因此，需要开发一套预警系统对船体结构受力状态进行实时监测和结构强度评估，同时还需根据实时监测情况，制定相应的技术措施，以弥补冲刷掏空造成的船底受力不均，使船体在事故发生之前脱离危险，解决困扰海上风电半潜式坐底安装平台安全施工的这一大难题。

国内外学者在船体应力监测系统[1-5]、传感器优化布置方案[6]，船体应力计算[7]、坐底船（平台）冲刷掏空机理[8]等方面进行了深入的研究。本文将针对三航“工5”坐底式风电安装船的船型特点及在坐底施工中受力情况的分析计算，提出和建立一套施工安全预警系统，为海上风机安装提供安全保障。

1 预警系统设计

由于船体坐底作业时底部泥面平整度难以判断，船体本身自重非均匀分布、工作荷载的大小和方向不断变化，因此船体受力复杂且不断发生变化。坐底施工时，船体纵线一般会尽量保证与水流方向平行，当冲刷引起艏、艉底部掏空时，掏空会逐渐向跨中延伸。当发生掏空后，未掏空部位的土压力发生变化，船体应力重新分布，因此可在船体结构关键部位布置应变计，监测作业时的应力变化，定性判断掏空的程度从而进行预警，也为船体结构分析提供参考。

坐底船应力监测安全预警系统采用模块化和智能化的理念设计，系统主要由结构应力监测单元和上位机软件组成，可实时监测船底主要结构应力情况。现场设置测控单元的监控参数，如采样频率、通讯间隔等。系统还包含安全预警管理和消息提醒系统，一旦有数据异常，系统会自动响应，发出报警信号。

对传感器设定不同的预警值，按照掏空程度的变化，以不同的预警级别评价危险程度，设定二级预警：

1）一级准备：报警后应暂停施工，仔细检查本预警系统和其他监控设备工作状况，初步判断淘空程度，如有条件可派潜水员下水探摸，如无明显危险可继续施工，并另外派人到压舱水调节工作台前，做好排水准备工作。

2）二级排水：报警后应立即通知起重机操作人员卸载，将起重机转向合适的方向，同时外排压舱水。

2 船体受力分析

船体长100 m，宽40 m，艏艉两端分别布置塔架和大型起重机，重力分布呈两端重、中间轻的状态，船体总体布置见图1。根据设计初步计算结果以及对船体强度的经验判断，应变传感器测点位置的布置分别按纵、横向考虑。船身长宽比约为2.5∶1，船体受弯以纵向为主，所有的应变计均测量纵向应变，但也应考虑到横向不均匀受力情况，因此沿纵向应布置多道平行的传感器。

图1 船体总体布置图Fig.1 General plan of hull layout

无论船体处于漂浮、坐底或掏空状态，船身中间段承受近似均匀的自重均布荷载，在艏艉还分别承受塔架及起重机荷载，近似以集中荷载表示。当船底坐在均匀泥面时，泥面提供的地基反力是不均匀的，在较大的集中荷载位置地基反力就大，如图2所示。

图2 掏空开始发展时船体沿纵向承受外荷载及船身弯矩示意图Fig.2 Loads and bending moment along the longitude direction when the sediment erosion starts

均匀坐底时，船体受弯最大值在集中荷载靠近跨中方向附近。如果两端发生掏空，船身弯矩在船端有2个峰值，随着掏空程度越来越大，这2个峰值向跨中移动，峰值也越来越大。

当掏空继续发展，地基反力作用面积进一步减小，船端悬臂长度越来越大，两个弯矩峰值在跨中合并，此时船身受弯达到非常危险的状况，最危险位置在跨中附近。

3 传感器测点分布

传感器测点位置设定按以下原则考虑：

1）如在船底大量布置测点，导线需要穿越多道横舱壁，开洞过多不符合船检要求，且施工难度和工作量很大，难以实现。

2）可能发生断裂的位置在船体纵向中部，本预警系统主要为了应对可能出现的掏空现象。在掏空发生的初期，沿船体纵向布置的传感器可以监测到这一现象。

3.1 测点纵向分布

测点纵向分布首先选取主要的关键点位置，按以下原则考虑：艏艉线型起点位置；起重机外轮廓位置，以及船舱端部位置；船身跨中位置。此外，为了实现对掏空过程的连续不间断监测，沿船纵向测点布置宜均匀分布，在以上危险点之间的大间距部分，近似均匀再插入若干个断面。综合以上考虑，在纵向总计14个断面位置布置传感器，根据图3所示，基本考虑到了船身强度和刚度突变、较大集中荷载作用等不利影响。并且测点沿船体纵向基本呈均匀分布，可较好地监测掏空过程，有利于形成多级危险预警机制和做出相应决策。

图3 船身纵向测试断面分布Fig.3 Longitudinal test section distribution along the hull

3.2 测点横向分布

根据船体横向构造，船体纵向弯矩主要由7道纵舱壁承担，其中有2道纵舱壁沿船长方向不连续，另2道纵舱壁在船侧不易实施传感器的安装和保护，因此可以主要监测中部3道纵舱壁的受力变化情况作为预警系统的根据。考虑到安装可行性，测点在每个断面分布在3道纵舱壁上。其中两侧连续纵舱壁上下分别布置2个测点，位置分别在甲板上表面和纵舱壁与肋板面板上方一定位置；中间纵舱壁在甲板上表面布置1个测点，如图4所示。

图4 测点横向分布示意图Fig.4 Horizontal distribution of test points

受安装可行性制约，第8号肋位甲板面、第44号肋位船舱内，以及第11号肋位甲板面中间纵舱壁难以安装传感器。综上所述，本预警系统甲板面布置38个传感器，船舱内布置26个，总计布置传感器数量为64个。

3.3 传感器安装及保护

考虑到船底坐底与泥面接触，以及泥面冲刷导致的船体受力情况，采用钢结构应力传感器。由于工作环境恶劣，传感器必须具备良好的耐久性，因此采用具有防水功能的振弦式应变计，可承受50 m水压。为提高传感器保护效果，安装传感器保护盒，导线接头也埋入盒内，在盒内灌满防水胶采用20号槽钢覆盖焊接保护电缆。焊点避开传感器位置，在预计焊点位置的导线包裹石棉，防止焊缝烫伤电缆。

4 预警值设定

本预警系统所采用的应力值均为“应力变化值”，而非构件实际的受力状态。构件在漂浮状态时的既有应力由有限元计算得到。只要传感器测试数据准确，船底掏空前后的构件应力变化值基本可以反映出掏空程度。在最有可能发生断裂的位置，估算出构件的强度余量，可以满足对于掏空安全性的监测。各级预警设定值如表1所示。

表1 预警设定值Table 1 Pre-warning set values

预警系统可进行人机交互，系统自动采集现场监测单元采集的传感器数据，根据预设的逻辑进行判断，当数据产生异常，可根据报警的等级进行声光报警，并在界面上提示报警的等级和发生报警的位置。

5 工况监测

以2017年6月于江苏如东风电场施工时的工况为例，只针对其中靠近起重机的左舷侧甲板应力为研究对象，进行应力监测分析。根据有限元计算，在正常漂浮状态时，静水压力对船体作用最均匀，布置点的既有应力为-5～6 MPa，每条纵线上布置点应力均值为-2～2 MPa，可在此状态下将传感器数值归零，只考虑漂浮至坐底施工后的应力变化。

图5为船体由漂浮状态至坐底稳定的应力变化，由于船体靠注入压载水下沉，中间格舱先打满水，待整体坐稳后再向艏艉两端格舱注水调平，故船体在下沉过程中呈舯垂状态。由图可见，由漂浮状态至基本触底过程中，船体甲板压应力增加，中部压应力最大，呈明显的舯垂状态，基本触底后由于现场落潮，故船体沉底量增加，继续下沉至稳定，压应力变化逐渐减小。应力变化最大位置为27肋位，漂浮至基本触底期间压应力增加了28.3 MPa，基本触底至完全稳定期间压应力增加了12.1 MPa。

图5 漂浮至坐底稳定期间左舷侧甲板应力Fig.5 Stress on port side deck while the hull is sinking to the bottom and becomes stable

图6为某日船体坐底冲刷期间的甲板应力变化，根据船底泥沙测深装置检测，在10∶30—12∶30时间段内发生涨潮，左舷侧的艏艉泥沙冲刷加剧，舯拱程度增强，可见甲板压应力明显减小，中部肋位压应力最大减小了11 MPa。在12∶30—13∶00时间段内，左舷船艏泥沙基本未动，船艉至船舯泥沙回淤，可见舯拱程度减弱，中部压应力略增加。

图6 冲刷时的左舷侧甲板应力Fig.6 Stress on port side deck when the sediment erosion is developing

6 结语

针对半潜式安装平台（船）在坐底施工中可能发生的掏空问题，开发了一套坐底施工结构安全预警系统。系统采用64个振弦式应力传感器，通过监测船体应力变化，结合有限元计算的船体构件初始应力，设定了船体结构受力预警值，在坐底施工过程中对船身受力进行安全监测，并编制系统软件根据危险程度进行相应级别的报警，在泥面冲刷严重影响安全施工、以及对船体结构带来安全风险前采取一定措施保证施工和船体安全。