风电安装平台海水提升塔强度分析
2019-12-10刘铭王正锐张迪卢园园
刘铭 王正锐 张迪 卢园园
摘 要：借鉴自升式平台桩腿结构计算方法，运用SESAM软件对某风电安装平台的海水提升塔进行结构建模分析。本文仅对风暴自存工况进行结构强度校核及评估，对工作工况以及拖航工况可参照进行。本文的方法和结论，可为类似的海水提升塔的结构设计、强度分析及校核提供参考。
关键词：海水塔;桩腿;结构强度;SESAM
中图分类号：U676 文献标识码：A
Strength Analysis of Seawater Lifting Pump Tower
LIU Ming1， WANG Zhengrui2， ZHANG Di1， LU Yuanyuan1
（ 1. CSSC Huangpu Wenchong Shipbuiding Company Limited， Guangzhou 510715;
2. Guangzhou Interstellar Offshore Engineering Company Limited，Guangzhou 511458）
Abstract： By referring to the calculation method of jack-up unit leg structure， the seawater lifting pump tower of a wind power installation jack-up platform is modeled and analyzed by using the SESAM software. This paper only checks and evaluates the structural strength for the storm self-storage working condition. The working condition and towing condition can be analyzed by reference. The method and conclusion of this paper can provide reference for the design， strength analysis and check of similar seawater lifting pump tower or similar structure.
Key words： Seawater lifting pump tower; Leg; Structural strength; SESAM
1 前言
目前，全球可再生能源开发和利用的规模不断扩大，应用成本也在快速下降，可再生能源，已成为推进能源转型的核心内容和应对气候变化的重要途径。
海上风电具有资源丰富、可再生、环境效益好、发电利用小时数相对较高的特点，是新能源发展的前沿领域，属于可再生能源中经济性最好的能源，也是我国可再生能源中最具规模化发展潜力的领域，目前年增长速率达到30%左右。
海上风电场的风力资源十分丰富，但海况条件相对较差，作业窗口期短，一般需要采用专业的自升式风电平台进行风机的安装作业。这种平台一般带有3～4条桩腿，采用升降系统将桩腿桩靴插入海底，并将平台主体升离水面，形成一个不受风浪影响的固定作业平台。
风电安装平台海水提升塔系统的主要作用：在平台抬升至水面以上进行作业时，将海水抽送到平台主体，供消防、冷却和冲洗等使用。目前自升式平台主要有独立海水塔式、桩腿海水塔式和绞车式海水塔提升系统这几种形式[1]。
自升式风电安装平台作业水深较浅，一般采用圆柱形桩腿，其海水提升系统多采用独立海水塔或绞车式海水提升系统，而桩腿海水塔则多用于桁架式桩腿平台。
独立的海水塔其实就是一个小型的独立的桁架结构，其组成与桁架式桩腿类似，包括：自身的桁架结构、升降及锁紧系统;主船体靠近船底附近装有导向块、潜水泵及海水管安装在桁架结构上面，如图1所示。该系统需要根据平台的设计环境载荷进行特殊设计，并得到船级社的认可[1]。
目前，对于这种独立形式的海水塔结构强度计算方法很少。根据其组成及受力分析，本文借鉴自升式平台桩腿强度有限元分析方法，利用SESAM GENIE软件对海水塔结构进行有限元建模分析。SESAM 软件是DNV（挪威船级社）开发的一款分析软件，GeniE是其中的强度分析模块。
2 海水提升塔有限元模型
采用GeniE软件对海水提升塔结构进行建模：采用梁单元模拟主管和支管。主管主要采用直径273 mm、壁厚12 mm的圆管;导向块与锁紧系统之间的主管采用直径325 mm、壁厚16 mm的圆管;支管采用直径168 mm、壁厚7 mm圆管。
模型坐标系沿用船的坐标系统：X坐标为纵向方向，从船尾指向船首为正;Y坐标为横向方向，从右舷指向左舷为正;Z坐标为竖向方向，从下指向上为正。
3 边界条件
采用有限元方法对结构进行分析时，边界条件的施加极为重要，不同的边界条件会产生不一样的计算结果。因此，边界条件施加的正确与否严重影响计算结果的准确性。
与桩腿分析一样，船体/海水塔桁架结构连接的模拟对分析非常重要，因为它控制着导向结构、锁紧系统之间弯矩及剪力的分布。对于锁紧系统而言，其仅传递垂直方向的力，模型中仅需要约束垂直方向，而水平方向不需要約束;对于导向块而言，其仅承受水平方向的力，需要对水平方向约束，垂直方向释放;另外，无论是锁紧系统还是导向块，均不会传递弯矩，也就是说三个转动自由度都不需要约束。
因此，模型边界条件为：在导向位置施加Ux、Uy水平位移约束;在锁紧位置施加Uz垂向位移约束。边界条件模型如图4所示，图中1表示约束，0表示释放。
4 载荷
海水塔提升系统承受的载荷，主要有自重和环境载荷。其中，环境载荷包括波浪载荷、海流载荷以及风载荷。计算按风浪流同向考虑。
4.1 波浪、海流载荷计算
波浪和海流载荷，利用SESAM/WAJAC模块用MORISON方程计算;对于D /L 0.2（D 为构件截面的特征尺度;L 为波长）的小尺度孤立桩柱，波浪载荷可用莫里逊公式计算[2]。
本平台工作海域主要为近海浅海海域，自存工况下的环境参数如表1所示。
波形取决于所采用的波浪理论，如果没有特别的考虑，可以按照中国船级社（CCS）《海上移动平台入级规范》选定适用的波浪理论（見图5）。可以看到，将选用5阶流函数作为计算的波浪理论：波周期（s）按照环境参数，选取9.5、10.0、10.5、11.0、11.5、12.0、12.5、13.0;浪向角仅考虑0o，45o，90o三个浪向;相位角从0o～360o，步长按10o考虑。相位角步长的选取，可根据实际项目情况，额外考虑是否需要在最大值范围内进一步减小步长，以便更加准确的确定相位角的大小;本文考虑到海水塔会定期维护，不考虑海生物对波浪载荷计算的影响，阻力系数Cd取0.65、惯性力系数Cm取2.0。
H/gT2无因次波陡 h/gT2无因次相对水深 h平均水深 T波浪周期
H波高 Hb破碎波高 L波长 g重力加速度
4.2 风载荷计算
按照CCS规范要求，自存工况的最小设计风速v取为51.5 m/s，风压P按下式计算：
P=0.613x10-3 V2 kPa （1）
式中：V——设计风速，m/s.
作用在构件上的风力F，按下式计算：
F=ChCsSP kN （2）
式中：S ——平台在正浮或倾斜状态时，受风构件的正投影面积，m2;
Ch——受风构件的高度系数，m;
CS ——受风构件形状系数。
5 载荷工况及工况组合
5.1 基本载荷工况
分析中所包含的载荷主要有系统自重和环境载荷（风载荷、水动力波流载荷）。其中，风载荷按照浪向定义3种工况：LC2_0，LC2_45，LC2_90;水动力波流载荷按照不同周期定义24种工况：WLC1-24、WLC25定义为浮力工况，各种基本载荷工况，如表6所示。
5.2 载荷工况组合
工况组合根据不同的周期分为8种组合工况，每种组合工况根据浪向角不同包含3个组合工况，如表7所示：
考虑到模型的简化，基本工况系数均取为1.1。
6 计算结果
计算参照API标准，安全系数静载工况取1.67、组合工况取1.25，海水塔结构强度在风暴自存工况下满足要求。软件中直接采用UC（Unity Check）对梁单元进行结构校核，计算结果如表9所示，UC<1表示满足规范要求。
7 结语
本文提出了借鉴自升式平台桩腿分析方法来进行独立海水塔结构的有限元分析及强度校核，并以某型风电安装平台上的独立海水塔为例进行有限元分析，得出如下的主要结论：
（1）边界约束及水动力系数的选取对分析结果的影响较大：边界条件选取的正确与否直接影响计算结果的准确性;水动力系数的选取影响环境载荷的大小。因此在模拟计算分析时，如何选取边界条件和动力系数甚为关键;
（2）本文考虑到海水塔结构会定期检修，故没有考虑海生物的影响。但具体的项目要以实际情况为准，海生物对水动力的计算会有影响，考虑海生物影响会使计算结果偏大;
（3）计算结果显示导向块和锁紧系统之间的结构受力较大，导向块的布置要特殊考虑，以避免不必要的结构加强;
（4）海水提升塔的计算可以为后续局部主船体的结构强度校核提供依据。
参考文献
[1]韩传杰，赖蕾. 海水塔结构强度分析[J].中国水运，2018，Vol.18.
[2] CCS.海上移动平台入级规范[S].2016.
[3] SNAME T&R 5-5A.GUIDELINEFOR SITE SPECIFIC ASSESSMENTOF MOBILE JACK-UP UNITS，2007.
[4]API RP 2A-WSD，2014.
