坐底式起重船成套装备研究

[摘 要]2016年有多艘坐底式起重船在浅滩施工作业时由于海底冲刷掏空等各方面原因发生船体破损以及断裂海损事故，导致目前绝大部分起重船无法满足此类型风场风机安装施工，也导致工程工期受严重影响。风电施工企业面临两方面的情况：一方面是普通起重船无法满足施工条件，一方面是全国近海风电场增多，起重船坐底施工情况明显增加。这两个背景条件下，普通起重船如何改造成为能安全坐底施工的起重船这个课题就变得急需研究。本文就是对坐底式起重船成套装备进行研究来确保坐底式起重船安全施工。

[关键词]坐底式，起重船，浅滩，自涌刂葡低常PLC，结构应力片，手动测深装置

中图分类号：TE85 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）04-0182-02

我国海上风能资源丰富，具备大规模发展海上风电的风资源条件，在节能减排、应对气候变化、能源短缺、能源供应安全形势日趋严峻的大形势下，海上风电作为典型清洁能源越来越受到重视。而在浅水海区的风电场施工中，由于地形、水深等特点，陆上风电常规施工机械、运输设备一般难于直接进入，近海风电常见的自升式安装平台无法进点，浮态安装船舶容易受潮水影响而搁浅，因此建设该区域海上风电场面临的巨大难题。

海上风电半潜式坐底安装平台由半潜驳发展而来，其通过主动坐底，即船舶通过调节自重使船体缓慢、稳定下沉与海底泥面接触，利用泥面的支撑力进行风机安装作业。它可以最大程度上满足吊机工作要求，降低天气和海况对吊机工作的影响，为缩短海上安装作业周期、降低建设风险、控制施工成本创造了先决条件。对于浅水区域，主动式坐底作业方式无需桩腿、桩靴及升降锁紧装置，降低建造技术上的难点，建造成本同浮式起重船类似，一次性投资小，在建造成本上具有较大的竞争力。海上风电半潜式坐底安装平台由于其独特的船舶结构特点，能够满足3-20m水深范围内的作业，以其优越的地质适应性弥补了这一施工盲区。

当海上风电半潜式坐底安装平台坐底时，如果船底与泥面接触均匀，则船体受力也近似均匀，一般不会发生严重的船身断裂危险。但是，当船底接触到不均匀泥面、孤立岩礁时、或泥面被冲刷淘空时，船底受力不均匀。此时如果船身强度无法承受船的自重造成的弯矩时，就会导致断裂破坏。因此，需要开发一套预警系统对船体结构受力状态进行实时监测和结构强度评估，同时还需根据实时监测情况，制定相应的技术措施，以弥补冲刷与淘空所造成的造成船底受力不均匀，使船体在事故发生之前脱离危险，解决困扰海上风电半潜式坐底安装平台安全施工的这一大难题。

一、坐底重量自动控制系统

1.1、控制系统

本系统在原来液位遥测基础上，在中控台内通过通讯将26个压载舱数据和4个吃水的数据进行采集，在中控室通过权限模式切换，通过PLC控制压载系统50个阀门的开关，以及1个阀门液压泵站、4个压载泵的启停控制。通过在船舶座底过程中，实时测深仪数据与GPS数据，控制排出目标压载水重量来保证船舶与海地面的接触不会导致船底变形（图1）。

1.2、系统构成

系统共配置1只阀控箱、1套计算机工作站、1套UPS、1套通讯模块，1套多串口通讯模块，1套控制软件。

1.3、系统工作原理及技术特点

（1）阀控箱：

技术参数：

测控箱供电：AC220V；

防护等级：IP22；

安装形式：落地式；

颜色：RAL7032；

板厚：2mm；

（2）计算机工作站功能：

与测深仪通讯，显示测深仪数据，并根据测深仪数据提醒控制压载水。

与GPS通讯功能，根据GPS数据与四角吃水数据，显示当前潮位。

与液位遥测系统通讯，显示所有压载舱液位与四角吃水功能。

控制和显示50个压载阀功能，并能控制液压泵站与4个压载排水泵

排水量设置功能。

根据预配载方案自动进行平衡控制功能。

（3）PLC（西门子S7-300）：

主要监控反馈数据以及电脑指令的发出，已到控制系统的操作功能（图2）。

坐底式起重船在每次坐底施工前，详细调研施工现场地质情况。通过计算得到坐底式起重船需与海平面接触多少重量，再将此重量输入计算机中。通过计算计计算得到实时需要调载的压载水量，以及考虑吊运过程中船体姿态的平衡，左右前后平衡舱各需要调载多少压载水量。通过PLC模块进行自动控制，已达到船舶施工安全的状态。

二、船体主体结构应力预警系统

2.1 预警系统

船体主体结构的应力测点应根据计算结果确定，目前计算结果尚未出来，根据对船体结构受力及坐底施工的作业工况分析，初步考虑布置80个应力监测点，采用防水应变器。

2.2 结构应力片布置

传感器优化布置：以船体，建立有限元计算模型，研究分析基于淘空率的船身受力变化趋势及主要构件应力变化值，提出传感器测点分布方案。

2.3 监控系统

根据有限元计算结果，并结合施工经验，对传感器设定不同的预警值，按照淘空程度的变化，以不同的预警级别评价危险程度，并采取相应的处理措施，既保障安全，又不至于影响正常生产。80个应力监测点通过放水电缆将实时压力数据传输到一套32通道测控单元以及一套16通道测控单元，再通过串口转以太网模块将数据传输到工业级交换机，最后传输工控机上显示。

2.4 预警系统软件开发

通过采集船体应力监测数据，采用模块化和智能化的设计理念，系统主要由船底结构应力监测单元和上位机软件组成。系统可实时监测船身主要结构应力变化情况，当应力超过一定的限值（即预警值）时，系统会自动响应发出声光报警信息。

三、手动测深装置

3.1 手动测深装置布置

在左右舷各均匀布置4个贯穿船体的测深孔，测深孔管由直径114的无缝钢管与船体连接。上部导向管也采用直径114的无缝管与测深孔管焊接成一整体。测深装置由直径76的无缝管做主体结构，下部焊接一块20mm厚钢板（防止测深板陷入泥面导致无法准备测量）。上下移动装置则通过手摇式绞车进行手动控制（图3，图4）。

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