插销升降系统总体设计

王鑫磊，徐 兵，程文池，田崇兴

（武汉船用机械有限责任公司，武汉 430084）

0 引言

绿色能源是撬动能源结构调整乃至整个经济结构调整的重要支点，发展绿色能源以应对气候变化已是大势所趋。海上风能作为一种可再生、无污染且储量巨大的绿色能源，其未来的发展意义不言而喻。因此，国家对海上风电产业进行布局，将其作为推动能源转型、保障气候安全、发展低碳经济、打造新的经济增长点的重大改革措施。

伴随着海上风电市场的蓬勃发展，风电安装平台迎来了发展的良机，而插销升降系统因其自身的特性，被广泛配套于风电安装平台。插销升降系统作为风电安装平台的核心设备，它的安全性和可靠性直接关系到平台的安全。现有的插销升降系统设计主要遵循的是各个船级社的规范，但是每个船级社规范的要求又存在区别。因此，本文对ABS、CCS、DNV GL等不同船级社的规范进行研究，以期为插销升降系统的总体设计找到合理的解决思路。

1 插销升降系统的种类

目前，国内外主流的插销升降系统主要分为 3大类：步进式插销升降系统、半连续型插销升降系统及连续型插销升降系统[1-4]。步进式插销升降系统中，升降平台和桩腿均为步进动作，如图 1所示；半连续型插销升降系统中，升降平台为步进动作，升降桩腿为连续动作，如图 2所示；连续型插销升降系统中，升降平台和桩腿均为连续动作，如图3所示。

图1 步进式插销升降系统

图2 半连续型插销升降系统

图3 连续型插销升降系统

这 3种结构形式的插销升降系统虽然工作方式存在区别，但是其基本的工作原理基本一致。因此，其总体设计思路基本一致，只是在一些具体细节上存在区别。

2 插销升降系统的工况及结构强度校核基本原则

2.1 插销升降系统的工况

插销升降系统的主要工况在 CCS、ABS及 DNV GL规范中均有明确说明，其主要工况大致一样，但是也存在一些区别，详见表1所述。

表1 插销升降系统工况对比表

对于迁移工况，通常情况下，其载荷与其他支持工况的载荷相差很大，可以被其他工况所涵盖，但是平台的作业支持工况是插销升降系统总体设计必须考虑的，例如风电安装平台，其作业支持时，平台上吊机会进行风机塔筒、风机机组等大吨位吊装作业，该过程对插销升降系统的平台作业支持能力要求极高，可能远高于升降系统风暴工况所需求的支持能力。“港航平 9”风电安装平台配套的插销升降系统就存在此种情况：平台作业支持载荷为5 520 T，风暴支持载荷为4 000 T。

一般情况下，插销升降系统的预压载升降工况的载荷和预压载支持工况的载荷一致，但在某些特殊平台上，会存在预压载支持工况载荷大于预压载升降工况载荷的情况。该工况会直接影响插销升降系统的总体设计，是总体设计过程中必须了解的关键点。

插销升降系统的总体设计除了需要考虑表 1中列举的 7种正常工况，还需要考虑失效工况，该工况主要来源于插销升降系统的失效模式和影响分析（FMEA）。对于FMEA，CCS、ABS和DNV GL规范中并没有明确具体的故障。因此，不同的升降系统厂家对于故障的分析各不相同。但插销升降系统一般都会考虑 1种故障模式——单插销失效，因为该故障模式存在极多，其主要原因为：桩腿的插销孔主要加工方式为火焰切割后再打磨，其同一层插销孔中心存在不共面的情况，多个插销同时工作时，会有个别插销不承载。

2.2 强度校核基本原则

根据章节2.1所述，插销升降系统共有8种工况，但是强度校核时，并不需要对所有工况进行校核。通常情况下，主要校核以下几种工况：额定升降平台工况、平台作业支持工况、预压载升降工况、预压载支持工况、风暴支持工况和失效工况。

在CCS、ABS和DNV GL规范中，结构强度校核的基本原则一致，但也存在一些区别，详见表2所述。

表2 等效应力安全系数

不同规范对静载工况和组合工况的定义也不同：1）CCS和DNV GL规范中，不包含环境载荷的工况为静载工况，包含环境载荷的工况为组合工况，则额定升降平台工况、预压载升降工况应为静载工况，平台作业支持工况、预压载支持工况及风暴支持工况应为组合工况；2）ABS规范中，额定升降平台工况、预压载升降工况及平台作业支持工况为静载工况，预压载支持工况和风暴支持工况应为组合工况。3个船级社规范的主要差异点体现对平台作业支持工况的考虑上。但是，在平台作业支持时，平台所受环境载荷相对于作业支持载荷较小，既可忽略其影响，按静载工况1.43的安全系数进行校核；也可考虑其影响，按组合工况1.11的安全系数进行校核。根据对实际工程案例的分析，认为这 2种校核方式对结构件的强度计算影响不大，但是建议按组合工况1.11的安全系数进行校核，其更接近于真实情况，且受环境载荷影响造成的偏载会影响插销升降系统其他部件的受力情况。

对于失效工况，CCS和DNV GL规范中明确了安全系数为 1.0，但是 ABS规范中未给出明确的安全系数。在进行插销升降系统总体设计时，建议确定其安全系数为1.0。

3 材料选用原则

在CCS、ABS和DNV GL规范中，自升式平台的构件按其重要性的不同可分为 3类：次要构件、重要构件及特殊构件[5]。鉴于插销升降系统对平台安全的重要性，其主体结构属于重要构件。对于插销升降系统这类重要构件的材料选型，主要考虑钢板和锻件材料的选型。

一般情况下，插销升降系统的钢板多采用船级板，而对于船级板的具体选型，3个船级社的要求基本一致，都取决于插销升降系统的设计温度。

对于插销升降系统的锻件材料选型，CCS、ABS及DNV GL规范中的要求均不一样，特别是对锻件的2个重要性能指标的要求：冲击功（CVN）和延伸率。

在ABS规范中，要求插销升降系统锻件的延伸率不能低于 12%，而没有明确锻件冲击功的相关技术指标，因而只能参考其他钢材的技术要求，其中需要注意的事项：插销升降系统中，屈服强度为 235 MPa～420 MPa的锻件，锻件的试验温度要比设计温度低 10℃；屈服强度为460 MPa～690 MPa的锻件，锻件的试验温度要比设计温度低20℃[6]。

在DNV GL规范中，只明确了屈服强度小于450 MPa的锻件材料的性能要求，对于屈服强度大于 450 MPa的锻件材料，只能参考特殊高强度钢材的性能要求，其中需要注意的一点：对于屈服强度小于450 MPa的锻件，设计温度低于-10℃时，锻件试验温度要比设计温度低5℃[7]；而对于屈服强度大于450 MPa的锻件，试验温度无明确要求。同时，DNV GL规范也要求插销升降系统的锻件延伸率不能低于12%。

在CCS规范中，对锻件的性能指标有明确的要求，其试验温度要求和设计温度保持一致，且其冲击功要求较低，但是锻件延伸率要求较高。

总体而言，每个船级社对锻件性能关注的侧重点不一样，各有优劣。一般插销升降系统的设计温度均取该设备工作海域50年的最低温度，实际工作过程中，其环境温度均高于设计温度。如果插销升降系统不涉及到取证，那么出于经济性的考虑，锻件选型可按CCS规范中的要求执行，但可以适当提高锻件冲击功的数值。

4 主要安保功能

对于插销升降系统而言，除了需具备电机运行状态保护、油箱油位保护、电源故障保护、上下限位保护和滤器保护等常规安保功能外，还需要特别具备以下3种保护功能。

1）自动控制功能

插销升降系统属于升降系统里面控制逻辑最复杂的系统，其操作过程极其繁琐，即使是1名专业人员，也有可能会出现操作失误的情况。插销升降系统一旦出现操作失误，极有可能产生桩腿孔破坏等问题，其修复工作量大、成本高。因此，插销升降系统需具备自动控制功能，尽量减少人员手动操作的失误。

2）油缸过载保护和防爆保护

油缸的过载保护主要为防止出现因工作负载太大而导致油缸工作压力过高、油缸缸体变形的情况。

油缸的防爆保护主要为防止油缸的进油管路发生爆裂，导致平台失速下降。

3）插销状态显示及故障保护

插销作为升降系统工作过程中的主要承力件，其工作状态需要进行实时显示，确保操作人员知道其位置状态。另外，插销升降系统一般配备有2组插销，这2组插销需具备互锁功能，防止2组插销同时被拔出。

另外，插销升降系统的核心安保功能是插销的故障保护，其主要目的是：当发生插销插入或拔出故障时，提前报警，确保插销不破坏桩腿。

5 结论

1）介绍了插销升降系统的主要工况，并说明了插销升降系统强度校核的主要工况和强度校核的基本原则，对插销升降系统的总体设计具有重要意义。

2）说明了材料选择的原则和注意事项，对插销升降系统总体设计的材料确定具有重要参考意义。

3）说明了插销升降系统的重要安保功能，对总体设计具有重要工程借鉴意义。