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化学工程与装备 2023 年 第 1 期 202 Chemical Engineering&Equipment 2023 年 1 月 海上风电插桩船倾覆风险分析及应对措施海上风电插桩船倾覆风险分析及应对措施 许士茂（国家电力投资集团有限公司山东分公司，山东 济南 250101）摘摘 要要：在国家对新能源领域投资和政策扶持的双重利好因素影响下，海上风电得到长足的发展，目前海上风电施工船舶主要有浮吊船和插桩船两种形式，随着海上风电在东海、南海、黄海等海域的发展，海上风电行业安全事故亦呈上升趋势。本文结合近两年海上风电行业两起插桩船事故对倾覆风险进行分析并提出预控措施，为海上风电施工安全管控提供借鉴。关键词：关键词：海上风电；自升式平台；插桩船；倾覆 引引 言言 根据相关数据统计，截至 2019 年底，国内已建成投入使用的自升式风电安装平台 25 艘，在建约 10 艘。随着 2021年海上风电国家补贴到期，出现抢装潮，有不少钻井平台和国外的自升式平台进入到国内进行改造成海上风电安装船舶，有的改造安装吊杆、有的搭配履带吊，插桩船有的是三条桩腿有的是四条桩腿还有的是多条桩腿，多样化的船舶为施工安全增加了管控难度。1 1 海上风电行业两起插桩船事故案例海上风电行业两起插桩船事故案例 2020 年 07 月 04 日 21 点左右，“振江”号在江苏如东海域作业过程中因桩腿未成功拔出，船体无法抬升，水密门关闸失败，造成机舱海水倒灌发生海水漫浸事故。2021 年 07 月 25 日 11 点左右，在广东惠州海域，海上施工平台“升平 001”发生倾斜侧翻事故，事发时平台共有65 人，事故造成部分人员落水和 4 人失联。2 2 插桩船倾覆风险分析插桩船倾覆风险分析 2.1 海上风电插桩船与钻井自升式平台区别分析 从使用范围看，目前在中国海域内钻井平台主要在渤海和南海海域，以南海海域居多且离岸距离较远水深较深。海上风电插桩船目前在东海、南海、黄海等海域均有使用，相较来说水深较浅，最主要的特点是移动频繁、插拔频率高。从结构上来说，海上风电的插桩船和石油行业自升式平台桩腿结构一样，钻井系统和吊装系统区别较大。而且目前国内还有的是履带吊搭配自升式平台使用。从管理要求看，钻井平台的公司和人员相对稳定，有成套相对固定的管理标准；但是海上风电每个项目周期较短，业主、总包和施工单位的管理方基本是每年更换，在不同的公司要求下和人员管理上，要接受磨合不同的管理标准，这无疑是为平台的安全管理增加了难度。2.2 海上风电插桩船结构 海上风电插桩船主要由船体、桩腿和升降传动装置组成。桩腿主要有液压顶升式和齿轮齿条式两种。目前四腿桩腿结构或多腿桩腿结构插桩船大部分采用的是液压顶升式桩腿，而大部分三条腿桁架式结构插桩船采用的是齿轮齿条式。这两种升降系统相比较而言：液压顶升式升降系统的升降动作是通过液压系统驱动和控制的，这种控制方式的优势在于可以吸收振动、工作平稳、安全可靠；而齿轮齿条式升降系统的最大优点是升降速度快、操作简单和易对机位。但是现在新建的液压式插桩船有的是采用对角齐压方式，桩腿的升降速度可以几个小时就完成。目前大部分新建自升式平台上都安装有独立支撑式桩靴，桩靴基础主要起到支撑桩腿和平台的作用，独立支撑式桩靴相互独立，在略微倾斜或不平的海底均适用。3 3 插桩船倾覆常见风险插桩船倾覆常见风险 3.1 发生船舶碰撞 海上风电来往船只较多，且平台位移频繁，在拖航、就位、插拔桩过程中发生船舶碰撞都有可能造成桩腿损坏，从而导致船舶倾覆事故。3.2 发生滑移 由于海洋地底地貌不可见且我国对海洋地质勘测数据较少，海上平台和插桩船进行插桩时，经常会由于不均匀地层发生滑移现象，从而引起平台安全事故，严重时可发生倾覆。发生滑移三个主要影响因素：旧脚印、断层、斜坡海床。旧脚印对滑移现象的影响最大，统计数据显示，旧脚印是发生自升式平台事故的第二大原因，自 1996 年-2006 年此十年间，有记载的由于“旧脚印”引起的自升式平台事故数量比前十年增加了四倍，且随着海底旧脚印的不断增多，事故风险将会指数型上升。断层两侧的地壳厚度及密度有较大的差异，根据相关研究表明，断层条件下土体不排水剪切强度比例系数临界值为 0.4；根据相关试验表明，斜坡的粘土不排水剪切强度为 30KPa 时，大于 7时就可能发生滑移现象。3.3 发生穿刺 自升式平台桩腿穿刺，指的是插桩位置上层是硬壳层下DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.01.037 许士茂：海上风电插桩船倾覆风险分析及应对措施 203 层为软土层或者黏土层，插桩船或平台在插桩过程中，桩靴施加的压载力高于层状地基承载力时，地基土发生冲剪性破坏，平台的桩腿短时间内进入软土层大幅下降。平台穿刺现象发生时，由于平台大幅度下降可能引起桩腿损坏、船舶倾斜或者倾覆。据相关公司统计，插桩船发生的安全事故中穿刺事故占总事故比例的 50%以上，且事故损失较大难以救援。在不同的地质地层中，发生穿刺现象的可能性也存在较大差异，下层软土层的承载强度是决定地基土的最终承载力的最主要因素。如上层土的相对厚度、加载速率、砂土摩擦角、软黏土不排水抗剪强度、不同的土层组合都会影响穿刺事故发生的可能性。根据相关研究表明，插桩船在黏土层中插桩时发生穿刺的可能性随着加载速率越快穿刺风险越高；上层土相对厚度越大承载力随插入深度下降更快，穿刺事故的可能性越大；软黏土不排水抗剪强度的增加导致地基承载力增大，到达峰值后快速下降，穿刺事故发生的可能性增大。当下层黏土强度不发生变化时，砂土摩擦角的增加导致地基承载力提高，穿刺事故发生的可能性也随之增大；当承载力曲线达到峰值后，下降的速度随砂土摩擦角的增加而减缓，发生穿刺的风险继而变小。上层砂土层、下层黏土层发生穿刺的可能性要小于上层硬土层、下层软黏土层。3.4 升降锁紧机构损坏 升降系统是自升式平台的重要装备之一，现阶段海上插桩船的升降系统主要有两种，分别为齿轮齿条升降系统和液压插销式升降系统。当锁紧机构出现损坏时，插桩船就容易发生上不去、下不来的现象，甚至有可能会发生船舶倾斜、倾覆事故，但是由于锁紧机构的设计和位置分布，发生较大事故的可能性较小。锁紧机构主要构成部分有齿轮齿条、传动总成、侧向拉力油缸、销轴袖缸、复位装置等，具有自动调整和复位的功能。齿轮齿条式升降系统每根主弦杆的两侧都是对称的爬升齿轮系统，以此来平衡系统的负载，它的优点是每个齿轮承载的负荷都能够平均分布在每一根齿条上。以三条桩腿桁架式插桩船为例，每条桩腿都是三角形状，有3 支齿条支腿，每条支腿上有对锁紧机构，整个平台有 54台锁紧机构。这样当平台 54 台锁紧机构全部锁紧后，所有负荷就锁在平台桩腿齿条上。液压插销式爬升系统在近海海域内比较常见，它应用的是液压原理将平台整体提升，使主船体起升到指定节距离散的桩腿齿条上。4 4 插桩船倾覆风险应对插桩船倾覆风险应对 4.1 注重平台设计，实现本质安全。对于陆上履带吊改造安装在平台上，要经过精密的计算及推演，尤其是台风等极限情况下的安全状况分析；对于桩靴改造加大，要从平台抗风暴能力分析、插桩阻力及穿刺风险分析、拔桩阻力分析、冲桩系统改造计算分析等几方面进行计算，并请专业机构进行审核。另外为了降低平台穿刺风险，可以考虑加装裙板，可以有效地降低峰值贯入阻力，在裙板长度约等于桩靴半径时，是最具经济高效的选择。4.2 加强滑桩监控。平台多次插桩时，会导致同一作业区域的旧脚印相对增加，或作业区域海底的地质结构相对复杂，船舶平台在插桩时随桩靴载荷的增加会有滑桩风险。出现滑桩倾向时，平台就要多次收放桩腿尝试压桩，如果滑桩倾向仍不能避免，就要重新在机位附近选择合适的插桩位置。作业过程中桩腿的就位辅助系统会对桩腿的压力和位置进行连续监控和跟踪，当出现位移变化或载荷偏差较大时就会主动进行预警，操船人员应多观察插桩数据采取应对措施加强滑桩监控。4.3 加强地质勘测，进行地基极限承载力计算。目前海上风电大部分是对风机安装机位进行取芯勘测，建议增大勘测点，采用专项调查和漂浮取芯结合的手段。目前常用计算地基土层承载力的方法一般是基于单层土进行的，但是实际硬土层下层的软土层对地基承载力实际影响很大，而且海底硬壳层的承载能力受到软土层的影响，一般会有不同程度的降低。目前使用的具体计算方法有几十种，所以在平台插桩穿刺风险分析过程中，需要根据实际情况选择匹配的计算公式，计算出桩靴与地层比压。对平台插桩穿刺问题进行分析时，受到诸多不确定性因素的影响，通常以一个合适的穿刺安全系数 Fs，即层状地基极限承载力与桩腿最大预压载荷的比值，来表征发生穿刺的可能性。理论上，Fs 1.0 即可进行插桩作业，保守起见，工程应用时通常认为穿刺安全系数 Fs 1.5 时，该机位作业时不会发生穿刺现象。4.4 降低加载速度。加载速度较快时桩靴底部土体的固结速率较高，工作时上部快速形成的硬土层阻碍了下部软土层的进一步排水，硬土层较薄抗剪强度较低，穿刺风险更大。所以为了降低穿刺的风险，可以选择降低加载速率。4.5 预压载时进行冲桩。在插桩时同时进行冲桩操作，可以有效地降低地基承载204 许士茂：海上风电插桩船倾覆风险分析及应对措施 力，数据显示最高可以达到 42%，有效降低了穿刺的风险。原因主要是两方面，一是冲桩操作在桩靴底部覆盖一层“水膜”；二是当冲桩压力较大时，喷冲作用会破坏底部土体的整体性，阻断硬土层的形成。这两种作用的原理都是有效阻碍了桩靴底部土体的固结和局部硬层的形成，排除了相应的穿刺风险。如果作业时遇到穿刺风险较高的黏土区域，可考虑在冲桩处理的初期增大泵压直到桩靴底部孔都冲开，然后降低至保证能正常冲桩的压力即可，维持冲桩状态至插桩作业结束，可有效地降低穿刺风险。4.6 减小气隙进行单桩预压载。分析表明穿刺时船体的倾斜方向为穿刺腿方向，如果此时气隙较小，平台会快速倾斜进而入水。平台在水中获得的浮力可以有效地减缓穿刺速度，降低穿刺停止时的入泥深度，从而减少因碰撞造成的插桩船平台结构损伤。4.7 漂浮压载。漂浮压载，指借助平台的浮力在水中进行压载来减小桩腿载荷，减轻穿刺发生时对平台船体和桩腿桁架、齿轮的影响和损坏。4.8 降低预压载量。在条件允许的情况下，比如海况比较温和，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，可以通过降低预压载量可以减小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。4.9 主动穿刺。穿刺发生时，桩腿弦管齿条与齿轮耦合处和弦管齿条与上导向的耦合处最容易发生损坏，为减少穿刺对结构的影响，严格控制穿刺深度的前提下，可以考虑采用主动刺穿方式进行单桩预压载。5 5 结结 论论 插桩船在海上风电行业作业中有较大的优势，虽然钻井平台使用相对较为成熟，但随着海上风电行业的发展，对于插桩船的安全管理也提出了更高的要求。本文论述了自升式平台在钻井行业和海上风电行业的不同处，并列出了发生倾覆的几种原因，提出了风险应对的一些具体方法，为海上风电行业工程施工提供参考。参考文献参考文献 1 赵良美.不均匀地层中自升式钻井平台滑移风险研究D.2016.2 徐文祥.自升式平台在黏土中插桩风险的研究D.湖南大学,2019.3 黎文奇 桩靴在黏土中不连续加载穿刺现象的实验研究J.湖南大学学报,2019.4 桩靴在黏土中不连续加载穿刺现象的实验研究EB/OL.2019.5 王小华.自升式钻井平台桩靴加大改造工艺J.广东造船,2021(1).6 林一.层状地基中自升式钻井平台插桩穿刺风险分析J.哈尔滨工程大学学报,2016.（上接第（上接第 198198 页）页）_ 通过此次凝结水改造，可以回收 0.1MPa 的闪蒸汽1.5t/h。这里闪蒸汽的价格按 150 元/吨来计算（此价格是根据北方供暖的市场热量价格），年运行时间按 8000 小时计算，散热损失按 80考虑，则年节能效益如下：W=闪蒸汽量闪蒸汽价格年运行时间8010000=1.515080008010000=144（万元/年）凝结水改造总的节能效益=除盐水效益+闪蒸汽效益=115（万元/年）+144（