风电安装平台坐底冲刷结构强度分析评估

周炳焕

（中集船舶海洋工程设计研究院有限公司，上海201203）

0 引 言

近年来，随着经济的不断发展和社会的不断进步，人们对生活质量的追求日益提高，对能源的需求日益增多，全球可用化石能源（如煤炭和石油等生物能源）的储存量日益减少，在此背景下，世界能源署进行了结构调整和能源转型。2016 年10 月，联合国《巴黎协定》关于气候变化达成的协议生效，再次证明了国际社会就气候变化对绿色地球采取行动的紧迫性。由此，推进新型可再生清洁能源的开发和利用迫在眉睫。在以太阳能、风能和潮汐能为主的可再生能源中，风能具有储量大、分布广泛的特点，是能有效减少温室气体排放的能源，在可再生能源中占据着重要地位［1］。

2020年9 月，挪威船级社（Det Norske Veritas，DNV）发布了《能源转型前景展望》［2］，指出当前能源转型的节奏正在加快，可再生能源与化石能源在能源结构中所占份额将相差无几，目前分别约为20%和80%，到世纪中叶，电力在终端能源结构中的占比有望翻倍，其中风力发电和太阳能光伏发电将各占31%，浮式海上风电的比例将迅速增长。DNV 预测，到2050 年，浮式海上风电将成为新的大型产业，装机容量将达到250 GW。

海上风电是我国能源战略中的重要一环，国家能源局“十三五”规划要求大力发展新能源，优化调整开发布局，按“集中开发与分散开发并举，就近消纳为主”的原则优化风电布局，使海上风电项目开工规模达到10 GW，市场前景广阔。同时，国内海上风电安装设备短缺，严重制约着海上风电建设发展的速度。为此，很多企业都在尝试采取旧船改造与现有船舶转级等各项措施并举的方式［3］，适应国内海上风电发展的市场需求。

在众多风电安装海洋装备中，坐底式风电安装平台具有能降低环境载荷对施工作业的影响、降低作业风险、缩短海上作业周期、最大程度地满足吊机的作业需求和控制施工成本等优势，具有良好的市场应用前景。坐底式风电安装平台通过打压载水调节自重，使船体缓慢下沉至海底与泥面接触［4］，利用海底支撑力保持船体平稳，实现风机安装的功能。

然而，坐底式风电安装平台的坐底工况不同于漂浮作业工况，由于坐底处的浅层地基不稳定，平台底部接触区域的泥沙会随海流的冲刷被带走，导致平台底部的部分支撑区域被掏空，使平台处于中拱、中垂或悬臂梁状态，进而使平台中部结构失效，严重时会发生断裂失效。文献［5］介绍了风电安装平台的冲刷模型及其在不同配载工况下的冲刷结构强度；文献［6］阐述了坐底式海洋平台结构强度评估的流程和注意事项；文献［7］说明了平台坐底冲刷结构失效之前对稳性的要求。这些研究均未涉及结构发生破坏时的极限承载面积，为避免结构发生破坏，本文以“泓邦号”风电安装平台为例，对其在不同吃水和不同冲刷位置情况下的坐底冲刷结构强度进行分析评估，并给出不同冲刷工况下的极限冲刷面积，为平台实际作业的开展提供参考。

1 总体概述

“泓邦号”风电安装平台是具有800 t全回转起吊能力的钢制、单体、单底、平甲板风机安装平台。为适应复杂海况下的作业需要，沿原船船长方向，在61 ～152 号肋位设置上下贯通的总纵舱壁，保证平台结构的纵向连续性和平台总纵强度的安全性。

1.1 风电安装平台主尺度

该风电安装平台主要参数见表1。

表1 “泓邦号”风电安装平台主要参数

1.2 风电安装平台工作环境载荷参数

该风电安装平台工作环境载荷参数见表2。

表2 工作环境载荷参数

2 平台坐底时的抗倾稳性和抗滑移稳性

该风电安装平台在坐底作业工况下遭受由环境载荷（风、浪、流）耦合产生的水平力和力矩，评估平台坐底冲刷强度的前提是避免平台发生倾覆和滑移，因此平台的坐底稳性需先满足规范的要求。根据中国船级社（China Classification Society，CCS）《海上移动平台入级规范》［8］第三篇第2 章第5 节的要求计算平台坐底时的抗倾稳性和抗滑移稳性，选取平台坐底时舷外4 种典型吃水（分别为5.5 m、7.5 m、9.5 m和6.0 m（风暴自存））进行分析，计算配载见表3 和表4。

表4 坐底工况下平台抗滑移稳性计算配载

3 风电安装平台坐底工况下的结构分析

3.1 结构建模

根据结构各构件的形式和受力特点，采用FEMAP 软件建立有限元分析模型。该模型采用板壳单元、梁单元和杆单元等进行适当组合，将平台主体结构模拟为空间板壳与梁的组合结构。由于重点关注平台在坐底冲刷工况下的主体结构，以此除了平台主体结构之外，直升机平台、生活楼和吊机等结构采用多点约束单元等效模拟。

在该计算模型中，以平台艉封板为0 号肋位，以中纵剖面与艉封板相交于平台平底龙骨平面的点为坐标原点，指向平台艏部为x 轴正向，指向左舷为y 轴正向，向上为z 轴正向。模型共包含90 573个节点，96 760 个板壳单元、32 622 个梁单元和46 344 个偏心梁单元。该风电安装平台整体有限元模型见图1。

图1 风电安装平台整体有限元模型

3.2 边界约束

3.2.1 边界约束

在坐底工况下，平台底部接触地基土体的垂向位移约束为弹性约束，弹性基础的刚度系数k按海底的地基条件确定，FEMAP程序中的弹簧接地单元可对地基进行模拟处理。根据规范的规定，坐底遭受冲刷的面积丧失率可按20%计算。在本文的分析中，以面积丧失20%为起点，搜索各种工况下导致结构失效的临界面积丧失率。

3.2.2 平台底部冲刷面积丧失率

根据定性分析和背景约定，在对该平台的结构强度进行力学模拟时，需考虑的基本工况（起重吊的回转角度耦合环境载荷方向）较多。本文首先设定起重机起吊重物的质量为800 t，吊重方向与环境载荷方向一致的极端工况，以及平台艏部底部被掏空、平台中部底部被掏空、平台艉部底部被掏空、平台两侧底部被掏空、平台左舷底部被掏空和平台艏部来流方向30°底部被掏空等工况（图2 ～图4 仅展示平台艏部、中部和两侧被掏空的位置），分析评估该平台的结构强度。

图2 平台艏部被掏空示意图

图3 平台中部被掏空示意图

图4 平台两侧被掏空示意图

3.3 载荷施加

风电安装平台在坐底工况下承受的载荷主要包括固定载荷、可变载荷和环境（风、浪、流）载荷。

1）固定载荷：主要包含平台自身重量、设备载荷和全回转吊自身重量。

2）可变载荷：工况不同，可变载荷也不相同，主要包括甲板可变载荷、吊物重量和压载水等。

3）环境载荷：包括浪流载荷，其作用方向为纵向（0°／180°）和横向（90°）。

4 风电平台坐底工况下的结构分析结果

4.1 面积丧失率规范要求

设定4 种典型配载和平台底部冲刷掏空的组合工况，首先根据规范的要求，假定平台坐底时底部被掏空20%的承载面积，在吊机回转角度与浪流方向一致的工况下，平台主体结构应力计算结果见表5。

由表5可知：在本文设定的计算工况和输入条件下，平台主体区域普通钢结构构件的应力极值符合规范要求的强度衡准；通过比较4种吃水、两侧掏空工况下的应力计算结果发现，由于艉部吊机和吊物的重心位置靠近中纵剖面，平台艏部重心位置也靠近中纵剖面，故假定平台底部两侧同时发生冲刷掏空时的结构强度校核结果并不能客观地反映结构在极限状态下的承载能力，因此在该工况下分析评估平台的结构强度意义并不是很大。

表5 坐底工况下底部掏空20%承载面积时的平台主体结构应力计算结果

4.2 面积丧失率极限值

由上述4 种底部冲刷配载工况下的计算结果可知，平台两侧同时发生冲刷情况下的结构强度评估可暂时不考虑，在不同吃水工况下，可增加左侧掏空、右侧支撑平台主体和艏部环境载荷30°的倾斜掏空工况，平台主体结构在达到极限掏空面积时的结构强度见表6。

4.3 结构应力云图

不同吃水工况下的风电安装平台结构应力分布云图见图5 ～图7，其他作业工况下的风电安装平台结构应力云图不在此赘述。

图5 吃水7.5 m、艉部面积掏空36%工况下的平台结构应力分布云图

图6 吃水9.5 m、舷侧面积掏空40%工况下的平台结构应力分布云图

图7 吃水6 m、艏部面积掏空25%工况下的平台结构应力分布云图

4.4 结果比较

由表6 可知：当该风电安装平台遭遇表4所示的环境载荷时，在吃水为5.5 m、7.5 m 和9.5 m 的情况下，艏部极限掏空面积可达到32%，中部极限掏空面积可达到50%，左侧掏空极限面积可达到40%左右，艏部风浪流作用30°方向的极限掏空面积可达25%；在吃水为6 m（风暴自存）的情况下，艏部极限掏空面积可达底部总承载面积的25%和艉部极限掏空面积的21%，二者均小于正常工作环境载荷下的极限掏空面积。风电安装平台坐底承载极限掏空面积率汇总见表7。由此可推断，随着风浪流等环境因素的改变，当平台底部被掏空到一定程度造成其主体因无法承受自重和配载而弯曲时，平台很快达到损伤和破坏状态。

表7 风电安装平台坐底承载极限掏空面积率汇总

5 结 语

坐底式风电安装平台因具有操作简便和成本低的优点而备受市场欢迎，但其在坐底工况下对配载和土质的要求很高。本文根据CCS规范的要求，在冲刷面积丧失为20%的情况下对不同吃水、不同掏空位置工况下的平台主体结构强度进行了评估分析，结果均满足规范的要求。此外，通过定性和定量分析获得了不同冲刷掏空位置的极限面积丧失率，从而能保证平台安全作业，为实际操船作业的开展提供参考。