如东400 MW海上风电（H3#）场风机施工通航安全性分析*

张 笛，金 晔，郑和辉，陈旭东，薛 驰，林 峰，蔡舒鹏

（1.武汉理工大学交通与物流工程学院，武汉 430070；2.中铁建港航局集团有限公司，广东珠海 519075；3.招商局重工（江苏）有限公司，江苏南通 226100；4.江苏中天科技股份有限公司，江苏南通 226000；5.广东工业大学机电工程学院，广州 510006）

0 引言

海装如东400 MW海上风电场（如东H3#）位于江苏省南通市如东县东侧的牛角沙海域，如东H1#风电场南侧。场区中心离岸距离39 km，海床面高程为-3.1～-23.5 m（1985国家高程基准），平面布置呈梯形，东西方向长约为18 km，南北方向平均宽约为6 km，规划面积约为90 km2。风电场总装机容量400 MW，安装80台单机容量5.0 MW变桨变速风力发电机组，包括55台海装H151-5.0 MW机型和25台海装H171-5.0 MW机型。海装如东海上风电场的地理位置如图1所示。

图1 海装如东400 MW海上风电场位置示意图

本文重点针对海上风电施工和运维作业对风机、航行环境等存在的影响进行深入分析[1]，并提出缓解措施。风电场风机施工期间，施工船舶进出作业水域以及现场风机安装改变了水域通航环境，对船舶通航的安全性造成危险。国内早期的研究主要关注风电场施工本身安全与可靠性保障技术，例如海上风机安装平台起重机结构可靠性[2]、吊臂优化设计[3-5]、风机桩腿焊接技术[6-7]、防腐蚀技术[8]等。对于风电场风机施工通航安全性的研究起步较晚，其成果相对薄弱，主要包括风电场施工风险、对策措施以及通航安全监管3个层次的内容，如：梁帅[9]、黄意财[10]、杨逸飞[11]等对海上风电场施工对通航环境的影响及风险进行分析，意图理出风电场施工安全风险源；陈传全[12]、严辉煌[13]等结合风电场施工安全现状，从不同方面提出了通航安全措施及体系；袁志涛[14]、张华伟[15]等从安全监管的角度保障海上风电场施工作业安全。本研究对海装如东400 MW海上风电（H3#）项目风机施工通航安全风险源分析及评估，用以保障风机施工作业安全，丰富海上风电场施工安全相关理论和实践。

1 海装如东400 MW海上风电（H3#）项目风机施工通航安全风险源分析

根据海装如东400 MW海上风电场（如东H3#）项目施工方案，风电场风机主体施工顺序为：钢管桩等钢结构制作→稳桩定位平台安装→沉桩（高应变检测）→稳桩定位平台拆除→基础防护→附属构件安装→风机安装及调试送电→单位工程验收。从风机施工的4个主要环节进行通航安全风险源分析，即：施工材料及人员运输、单桩基础沉桩施工、附属设备安装施工以及风机设备吊安装施工。

（1）施工材料及人员运输

风机、钢管桩、附属结构等大型构件材料均通过海上拖带方式运输至施工现场，风机叶片、轮毂等设备航行路线涉及我国长江航行及沿海航线，水深条件良好，满足本工程运输驳船航行所需水深要求，由于运输频次不高，运输船舶在遵守避碰规则的基础上，执行相关水上交通安全法规，对现有长江航线及沿海航线通航秩序和通航环境的影响较小；施工人员及小型机械设备由洋口港码头通过海上交通船经海运进场。施工材料及人员运输期间的风险源同一般海上运输及拖带作业较为类似，主要来自于风、波浪以及驳船稳性及操纵性。海上运输及拖带作业期间，运输需要注意风对拖带作业的影响（特别注意横风影响），降低风对船舶带来的影响，尤其是海上大件设施的拖带运输受风影响较为明显，极易因大风导致船舶摇晃，甚至翻沉。

（2）单桩基础沉桩施工

单桩基础沉桩施工采用“稳桩定位平台稳桩、起重船吊打沉桩”的工艺。单桩沉桩施工分两条线进行平行施工，一条线选择1 600 t起重船“稳强8”+稳平2（稳桩定位平台）；另一条线选择1 000 t起重船“秦航工65”+650 t全回转起重船“海洋52”。施工期间，现场沉桩施工安全性主要来自3个方面的威胁：一是外界船舶（如渔船等）误入施工水域，影响作业安全；二是沉桩施工位于外海，波浪掩护条件较差，受风浪影响较大，容易引起船舶摇晃、沉桩不到位等现象，甚至可能发生失控、走锚，同时受潮汐的影响风机桩基础的出水面可能会被海水淹没，不易被过往船舶识别；三是起重船吊装工艺及稳性若不符合要求，可能会引起船舶侧翻。

（3）附属设备安装施工

附属构件的安装包括防撞管、爬梯、内平台、外平台、电缆管、阴极保护系统等结构的安装。为避免防撞管、爬梯、内平台、外平台、牺牲阳极、电缆管等结构在打桩过程中损坏，均考虑沉桩后现场安装。内平台在沉桩之后立即安装，集成式附属构件在场内制作组拼，现场整体吊装。该阶段主要采用600 t级起重船进行附属构件的安装施工。这一安装施工阶段和单桩基础沉桩施工较为类似，危险主要来自起重船作业期间。因此，附属设备安装施工期间危险源主要为风、浪以及起重船操作安全。

（4）风机设备吊安装施工

海装5.0 MW风机采用“塔筒和机舱分体吊装、轮毂和叶片组装成叶轮后整体吊装”的安装工艺。风机机组安装施工期间，包括浮吊船定位、风机塔筒吊安装、风机机舱吊装、风机叶片甲板面组装、风机叶轮吊装等主要的现场作业环节。该施工阶段主要为吊装作业，吊装期间施工船舶定位后会在海面以上留下锚缆，过往船只由于船速过快，较难发现锚缆的位置，其螺旋桨容易和锚缆绞到一起，使施工船偏离原始点位，甚至发生碰撞事故；现场吊装作业受风影响较大，大风及风生浪容易导致施工作业船舶产生较大摇摆，甚至可能发生失控、走锚，同时风力过大也容易导致风机安装不到位或掉落海中，成为水中碍航物。

海装如东400 MW海上风电（H3#）场风机施工通航安全风险源如图2所示。

图2 海装如东400MW海上风电（H3#）场风机施工通航安全风险源

2 海装如东400 MW海上风电（H3#）场风机施工通航安全性评估

在海装如东400 MW海上风电（H3#）场风机施工通航安全分析的基础上，为了更为清晰地展示海装如东400 MW海上风电（H3#）场风机施工通航安全风险等级程度，采用模糊数学法判定海装如东400 MW海上风电（H3#）场风机施工通航安全风险等级。

为了较好地进行风险等级判别，邀请了10位具有海上风电施工经验的船长及现场管理者填写调查表，其中涉及的相关权重取值以及判断矩阵均通过专家调查表获取。

（1）风险评语集

将海装如东400 MW海上风电（H3#）场风机施工通航安全评判等级划分为以下5个等级：安全、相对安全、一般、相对危险、危险。不同评判级别所对应的范围如表1所示。

表1 不同评判级别所对应的数学表达范围

（2）确定权重

每位专家对每一层级的每项指标赋予一定权重值，权重值从0～1中选取，取值越大，所对应指标的重要性越大。

（3）判断矩阵

每位专家按照风险评语集中的5种等级对各项指标作出判断，据此每项指标的不同等级均有一个判断值，将不同等级判断值除以总的专家数量就获得了每项指标的判断矩阵。

根据调查表计算每项指标的权重值以及判断矩阵如表2所示。

表2 每项指标的权重值以及判断矩阵

（4）评判结果

二级指标施工材料及人员运输下的三级指标权重值W（0.3,0.32,0.38），其 所 对 应 的 判 断 矩 阵 为，则二级指标施工材料及人员运输风险等级值Q计算如下：

根据计算结果可知，施工材料及人员运输风险等级为一般安全。同理，单桩基础沉桩施工、附属设备安装施工、风机设备吊安装施工风险等级值分别为2.54、2.71和2.85。

则海装如东400 MW海上风电（H3#）场风机施工通航安全 风 险 等 级 值 为（2.844×0.24+2.54×0.23+2.711×0.25+2.852×0.28）=2.74，海装如东400 MW海上风电（H3#）场风机施工通航安全风险等级为一般。

3 海装如东400 MW海上风电（H3#）场风机施工通航安全保障措施

通过对海装如东400 MW海上风电（H3#）场风机施工作业风险分析及评估结果可知，虽然海装如东400 MW海上风电（H3#）场风机施工作业安全风险等级为一般安全，但在风机运输及安装期间仍易诱发水上交通事故，需采取针对性的预防控制措施。

3.1 针对施工材料及人员运输的防控措施

风机、钢管桩、附属结构等大型构件材料在拖带运输前，需要对拖带期间的船舶稳性以及涉及的相关通航要素（拖力、通航水深、通航宽度）进行核算，并做好系固，确保拖带作业期间的通航安全；风机等大型构件拖带运输受外界影响较大，需要根据气象以及海况预报资料，选择合适的时间作为构件运输的起拖日，当拖带作业条件不满足起拖条件时，禁止开展拖带作业。

拖带运输期间，施工材料及人员运输所经海域船舶交通密度较大，必须制定详细的航行计划，严格遵守相关规定，在航行过程中驾驶员要谨慎驾驶，注意瞭望，小心避让，加强安全值班，通过VHF等通讯设备加强船舶之间的交流，提前明确船舶动态，防止意外事故的发生。

3.2 针对单桩基础沉桩施工的防控措施

沉桩施工过程中，如遇到风浪较大侵袭时，船舶摇晃，落锤不稳，难以达到实际落锤效果，甚至溜锤乃至桩倾斜，影响施工作业效率及安全。施工作业期间，必须严格按照施工作业限制条件进行施工，并安排专人收集气象预报并将气象信息传输给施工船舶，提高施工作业效率及安全。

为了防止外界船舶进入作业水域，需要提前向海事申请发布航行通告，并在施工船舶外围设置警戒维护船，用以提醒船舶绕开作业水域。

风机基础沉桩施工完成，为了确保其在大潮淹没时能够被他船发现，须在钢管桩顶部设置醒目的警示带或警示灯，以提醒过往船舶注意。

3.3 针对附属设备安装施工的防控措施

附属设备安装期间，必须要在合适的风级条件下进行作业，降低因大风引起的船舶晃动，使得安装失败，设置设备掉落；起重施工现场作业期间严格限制浪高对施工作业的影响，当浪高大于1.5 m或者视当时海浪情况对施工作业安全造成影响的，立即停止作业。

附属设备起重期间需要认真验算各吊点承受力要满荷载要求，每班吊装起重前安全检查吊具完好上吊。起重吊装前做好必要的安全技术交底，坚持做到“十不吊”。作业时起重臂下设置作业半径范围警示标志，禁止无关人员入内。

3.4 针对风机设备吊安装施工的防控措施

风机设备安装在定位、水平校正方面要求精度较高，且风机安装高度很高，增加了施工的复杂性。因此要求施工在综合考虑风、浪、流的影响下，控制好船位、船舶的航向和船舶的摇摆，并且制定相应的管理措施，包括施工船舶之间的避让关系、行动规则、联系方式等，同时对施工人员进行培训，规范施工船舶之间的相互协调行动，保证安全和工程的顺利进行。

施工期间，加强抛锚作业船舶船艏和船尾的瞭望，在锚缆靠近锚的一端拴上有鲜艳颜色的漂浮物（锚标），避免过往船只绞缆，影响吊安装施工。

4 结束语

由于风电场风机施工的特殊性及危险性，风机构件的运输以及现场安装不可避免地对水域通航安全产生影响，本文分析了风机施工全过程涉及到的4个主要环节，即：施工材料及人员运输、单桩基础沉桩施工、附属设备安装施工以及风机设备吊安装施工进行通航安全风险源分析，在此基础上将专家经验和历史数据有效融合，利用模糊数学法进行计算得出海装如东400 MW海上风电（H3#）场风机施工通航安全风险等级为一般，最后针对风机施工的4个主要环节提出了针对性的安全防护措施，研究结论有助于为保障海装如东400 MW海上风电（H3#）场风机施工作业安全提供决策支持。