浅析自升式海上风电施工平台站拔桩风险及防控措施

谢文峰

（中铁福船海洋工程有限责任公司，福建 福州 350000）

0 前言

自升式海上风电施工平台站拔桩涉及多方面因素，如风场海底地质、地形、地貌以及洋流海浪，机械设备运转情况，操作人员能力水平等，自升式海上风电施工平台站拔桩成功与否，不但影响风机吊装效率，还影响船机设备和人员安全，对自升式海上风电施工平台站拔桩风险管控，显得尤为重要；该文针对风电施工平台站拔桩存在的一些风险进行分析，并提出了一些相应的对策和预防措施，以及对日常运行管理提出了一些切实可行的建议，希望借此对提高风电安装平台站拔桩方面安全管理有所帮助。

1 自升式海上风电施工平台介绍

自升式海上风电施工平台配备起重机和4～8 个桩腿，在到达风场指定机位后桩腿插入海底支撑并固定平台，通过液压升降装置将平台完全或者部分露出水面，形成不受波浪影响的稳定平台，再通过平台上配备的起重机完成风机吊装。

2 升降系统原理

2.1 升降装置组成部分介绍

2.1.1 桩腿、桩靴

桩腿为不等厚高强度钢板焊接而成的圆柱型钢结构，内部设有加强筋板、检修梯道、冲水管路、桩腿下端与桩靴焊接，桩腿四周设有四条导向板用于桩腿导向及插销孔加强。每块导向板区域上设有插销孔500mm×500mm，销孔节距1500mm。

桩靴为不等厚高强度钢板焊接而成的方锥型钢结构，内设加强筋板。桩靴底面设有高压冲水喷头，桩靴顶面设有冲水喷头及检修人孔。

2.1.2 固桩架

固桩架为高强度钢板焊接而成的强力钢结构。顶部为方箱型构件，下部为桁架型构件。顶部设有桩腿上导向装置，固桩架底部与船体主甲板焊接。

2.1.3 上环梁（固定环梁）

固定环梁为高强度钢板焊接而成的圆形钢结构，上端设有8 套耳板用于连接拉杆弹簧组件，下端设有8 套耳板用于连接升降油缸，四周铸钢件用于安装插销装置。

2.1.4 下环梁（动环梁）

动环梁为高强度钢板焊接而成的圆形钢结构，上端设有8 套耳板用于连接升降油缸，四周铸钢件用于安装插销装置。

2.1.5 悬挂杆

每套桩腿设有8 套拉杆弹簧组件，安装与固桩架顶部，使固桩架与拉杆弹性连接。

2.1.6 平衡器

每套桩腿设有8 套弹簧组件，安装于固定环梁和固桩架之间，用于承载压力。

2.1.7 插销装置

每套环梁上装有4 套插销装置，使用一个双作用油缸推动。

2.1.8 升降油缸

每套固桩架内设8 只升降油缸，用于升降作用。

2.1.9 固桩块

用于平台调迁时固定桩腿。升降装置中的升降油缸，上下环梁与插销装置的关系如图1 所示。

图1 升降装置组成示意图

2.2 升降装置动作原理

平台升降或桩腿升降是依靠升降油缸活塞杆的伸缩带动上环梁上下运动。上环梁内的插销装置是通过一只插销油缸的伸缩，推拉插销插入或拔出动作，使插销与桩腿插销孔插入或脱开以达到平台升降的目的。

下环梁内亦设有插销装置，与上环梁相同。其作用是承接上环梁负荷的转换，起到上、下环梁轮番受力，达到使平台或桩腿不断升降。

为了使环梁插销与桩腿插销孔在平台倾斜的工况下仍然均匀受力，在固桩架与上环梁之间设置有8 套碟形弹簧组（平衡器），如图2 所示。

图2 升降装置结构示意图

3 自升式海上风电施工平台风险点分析

施工平台主要风险有设备故障、平台穿刺、倾覆、浸水淹没、拔桩失败及桩腿损坏等。当上述一种或者一种以上风险同时发生时，都将不同程度地造成一定损失或者重大损失。

3.1 设备故障原因分析

正常情况下，设备运转过程应无异常振动、噪声，无异常升温、漏油漏水等现象，但由于设备维护保养不到位，或者操作失误，导致设备出现故障，进而影响平台操作；如设备本身制造精度及质量问题；平时未按要求进行维护保养，或者有进行维护保养，但维护保养不到位，对出现的异常现象未及时发现，如缸体外部有无有害的伤痕、龟裂、锈蚀等，油缸运行中是否平稳有无爬行、前冲及渗漏现象，升降机构有无明显异动、卡死现象等；施工环境超出设计条件许可或者人为操作失误的原因导致设备出现故障。

3.2 平台穿刺、倾覆原因分析

3.2.1 地质原因

插桩前未对目标海域地基进行调研，不清楚作业区域水深、海底地貌及地质情况等，未探测清楚作业区域内海底的有关设施（例如海底管线、海底电缆、锚链等装置）和障碍物，未避开海底有关设施并清除不利于作业的海底障碍物；

3.2.2 操作原因

插桩前已对作业区域进行探测，但未进行插拔桩计算，进行压桩时，未穿透非承重地质层，未将桩腿进行压实；除此，压桩结束后，未将平台进行调平，或者未将主吊作业桩腿处压力适当减少，在吊装作业过程中，吊重再加力矩效果，使吊机处桩腿承重超出压桩重量，导致平台倾斜或者出现穿刺现象[1]。

3.2.3 潮流因素

在不同地质层，桩腿入泥深度不一样，个别地质层如地质表面为石英砂层，其承重及摩擦力较大，桩腿入泥深度较浅，可能当入泥深度仅覆盖桩靴表面时就已达到预压的压力，但在施工作业过程中，由于水流较急，桩靴底部出现冲刷现象，将桩腿底部掏空，出现平台倾斜现象[2]。

3.3 平台浸水淹没原因分析

3.3.1 环境因素

升降平台作业前，未随时接听气象预报，未了解清楚作业期间在作业区域内的气象情况，如风向及风力、海浪、海流方向及流水等详细信息，环境条件超出升降船作业条件许可，给升降平台作业带来风险。

3.3.2 操作原因

升降平台作业前，已对作业期间在作业区域内的气象情况如风向及风力、海浪、海流方向及流水等详细信息进行了解，但深水作业时，部分地质承载力较差而入泥深度较深，桩腿长度不能完全满足要求，存在一定风险；而部分施工海域，由于潮差较大，操作人员不熟悉潮差，在进行拔桩操作时，选择在低潮位，利用平台浮力进行拔桩操作，因预留干舷高度较小，导致平台浮力过大，出现升降系统插销无法拔出，导致平台无法爬升，导致甲板面浸水淹没风险。

3.4 拔桩失败原因分析

3.4.1 设备原因

平台通过预压及长时间站立，桩靴底部跟海底已紧密接触，而桩靴周边及上部形成的空档，在潮流作用下，将进行回填，在进行拔桩作业前，需用冲桩泵将桩靴周边及顶部淤泥冲开，朝桩靴底部充水，破坏因桩靴底部真空形成的吸附力；若冲桩设备无法正常运转，不能破坏桩靴底部真空，将影响平台拔桩[4]。

3.4.2 环境因素

每个机位所处位置不同，潮差影响较大，个别机位可能属潮间带，对平台施工影响也较大，尤其对平台进出机位；因潮差时间有限，要在有限时间内，将平台降至水面，利用浮力进行拔桩，存在拔桩失败的情况。

3.5 桩腿损坏原因分析

3.5.1 环境因素

在下桩过程中，4 条桩腿应同时下放，以同尺标进行，在海底平坦时，4 条桩腿可基本同时达到海底，但由于海底地形及存在障碍物等原因，下桩过程中，可能单条桩腿先触及海底，如未能稳住船舶，平台可能拖着触底的桩腿进行移动，因受外力影响，该桩腿可能造成损坏。

3.5.2 操作原因

桩腿拔松后，桩腿未触底待命，提前进行桩腿提升，受潮流及DP 定位影响，将导致平台绕未拔松桩腿回转，损坏升降装置，产生重大事故；另外桩腿提升时，未注意观察各桩腿伸出平台底的长度，四桩腿未同长度提升，当海底不平、插桩深度不同的情况下，未作第一步超前提升，个别桩腿因涌浪作用的冲击蹲撞海底造成故障。

4 自升式海上风电施工平台风险点预防措施

4.1 危险源分析预防措施

在站拔桩前，通过风险识别对风险进行调查、信息分析、专家咨询以及实验论证等方式，查找出平台站拔桩存在的危险源及潜在发风险因素，并针对危险源制定相应措施或者应急预案进行风险控制和防范。

4.2 设备故障预防措施

4.2.1 加强设备维护保养

平时应加强设备维护保养，对发现的问题及时解决处理；平台升降前应认真检查和准备：1）对平台船体部分进行检查和准备进行压载调整，无明显纵倾和横倾，并调整甲板上负荷分布，对可移动负荷进行加固。2）升降装置检查检查蝶形弹簧组情况，上下环梁倒环圈与桩腿齿块黏合情况，检查各部件润滑点情况，检查各接近开关，传感器情况，是否正常。3）液压站的检查和准备检查液压油泵电机电源，各密封部分有无漏油现象，管接头是否固定良好，个电磁阀阀芯活动是否良好，不得有卡住现象，蓄压器压力（冲N2压力10bar），检查油量及油温，检查滤油器有无堵塞及油泵相关限位开关等状态。4）检查管路各部分有无漏油，软管有无破损及各接头、管卡紧固情况。5）除此以外，还应对电源装置，控制、监视系统进行检查和准备。

4.2.2 备品备件储存

做好备品备件申报，采购计划，做到合理储备，尤其对于易损件，影响设备运转操作的备品备件或者采购周期较长的备件，应提前做好相关储备；对设备中采用国外进口备件，做好国产化备用方案，避免设备突发故障，因备品备件原因，导致平台无法正常运转。

4.2.3 操作方面预防措施

穿刺会对平台结构造成巨大的损害，为尽量减少穿刺事故带来的损失，平台操作者在进行高质量的地质调查后，可以考虑采取以下措施进行风险规避：

4.2.3.1 减小气隙进行单桩预压载

分析表明穿刺时船体会向穿刺腿倾斜，如果此时气隙较小，平台可以很快倾斜入水。平台获得的浮力将有助于减缓穿刺速度，降低穿刺停止时的入泥深度，从而减少平台结构的损伤。

如果需要，可以在水中进行压载，即漂浮压载，以便减小因贯入软土层而产生的桩腿载荷，减轻穿刺发生时对平台船体和桩腿及插销的影响和损坏。

在硬土层中使用喷冲的方法，使桩靴在最小载荷的情况下贯入软土层。

在条件允许的情况下，例如在海况比较温和，机位作业时间相对短，且作业期间风力、波高和海流速度相对较小的情况下，通过降低预压载量可以减少平台桩脚的入泥深度，降低穿刺风险，提高平台作业的安全性[3]。

4.3 平台穿刺、倾覆预防措施

4.3.1 地质方面预防措施

4.3.1.1 插桩

插桩前需要对目标海域地基进行调研，确保地基承载力和地层结构满足插桩要求，地基调研工作须专业地址勘察设计院进行计算，计算结构满足插桩要求后方可插桩。

4.3.1.2 地基承载力影响因素

影响地基承载力的因素较多，主要包括土层重度、土的内摩擦角、桩靴的断面直径、面积、深度等。对于黏性土，土壤凝聚力对入泥深度影响较大，应注意剪切强度与入泥深度的关系。

4.3.1.3 入泥深度

自升式平台桩靴的典型形状为长方形，长度和宽度较大，高度较小。桩靴对地比压一般不超过50t/m2。插桩完成后，入泥深度需要大于桩靴本体高度，但入泥深度不宜太大，入泥过深，拔桩困难，平台的机动性不好甚至会有危险。另外，深水作业时，若地质承载力较差而计算的入泥深度较深时，需考虑桩腿长度是否满足，或气隙高度是否满足要求。

4.3.2 操作方面预防措施

插桩前对作业区域进行探测，根据机位附件地质钻探情况进行插拔桩计算，计算出平台插桩深度，进行压桩时，穿透非承重地质层，将桩腿进行压实，相较于被动穿刺，应考虑采用主动穿刺方法，将桩腿穿刺风险予以消除；除此，压桩结束后，将平台进行调平，将主吊作业桩腿处压力适当减小，避免在吊装作业过程中，吊重再加力矩效果，使吊机处桩腿承重超出压桩重量，导致平台倾斜或者出现穿刺现象[4]。

4.3.3 潮流因素

对于个别站位，因入泥较浅，受水流影响，桩靴底部出现冲刷，将底部掏空，出现平台倾斜的现象，值班人员应加强平台观测，重点关注平衡度，根据倾斜的情况，及时对冲刷较严重的桩腿进行压桩，将平台调平，确保平台安全。

4.4 平台浸水淹没预防措施

4.4.1 环境因素方面预防

升降船作业前，提前接听气象预报，了解清楚作业期间在作业区域内的气象情况，如风向及风力、海浪、海流方向及流水等详细信息，环境条件超出升降船作业条件许可，停止作业。

4.4.2 操作原因

升降平台作业前，对作业期间在作业区域内的气象情况如风向及风力、海浪、海流方向及流水等详细信息进行了解；对部分施工海域，由于潮差较大，操作人员尤其决策人员应熟悉潮差，在进行拔桩操作时，不得在低潮位进行拔桩，应提前计算好降平台时间，在涨潮到达最高潮位前一段时间开始进行拔桩，在拔桩过程中，要预留足够干舷高度，避免甲板面上水，如在最高潮位后一段时间内拔桩未成功，则应等下一个潮位，确保平台拔桩安全。

4.5 拔桩失败预防措施

加强冲桩设备维护保养，做好相关备品备件存储，对于发现的问题，及时进行处理，避免设备带病作业，同时避免平台利用浮力进行强行拔桩；对潮间带机位，应严密计算好潮差，确保施工结束后，有足够潮水，满足平台拔桩需求，尽量利用大潮差时机进出机位进行施工作业，在拔桩作业前，应充分喷冲之后进行拔桩。

4.6 桩腿损坏预防措施

首先，就位时尽量选择天气及海况条件较好，在平流时，通过定位锚进行定位，防止定位过程尤其桩腿快触底时，平台出现大的漂移，造成桩腿损坏；在下桩过程中，四条桩腿应同时下放，以同尺标进行，在海底平坦时，四桩腿可基本同时达到海底，当海底不平坦时，可在桩腿接近海底时，应沉着采用单桩操作，使四桩腿到达海底[5]。

桩腿拔松后，桩腿触底待命，不得进行桩腿提升，待四条桩腿确认都已拔松后，一起进行提升；桩腿提升时，应注意观察各桩腿伸出平台底的长度，力求四桩腿基本同长度提升，当海底不平、插桩深度不同的情况下，应根据情况，作第一步超前提升，避免个别桩腿因涌浪作用的冲击蹲撞海底造成故障。

5 结语

综上所述，自升式海上风电施工平台站拔桩过程风险是多方面的，必须综合分析。预防措施必须对相关风险进行评估，规范各种操作制度，制定相关应急预案，提高管理人员技术和经验水平。

自升式海上风电施工平台站拔桩过程是施工过程中重要环节，站拔桩是否正常，不但影响施工效率，而且影响船机及人员安全，随着目前船机设备配备、地质勘探技术、天气预报系统方面的完善及准确度提高，对自升式海上风电施工平台站拔桩风险控制提供有利的帮助，但作为施工管理人员，更重要的是提高自身技术本领，提高风险防范意识，才能在工作中将风险降到最低。