淺析自升式海上風(fēng)電施工平臺站拔樁風(fēng)險(xiǎn)及防控措施

謝文峰

（中鐵福船海洋工程有限責(zé)任公司，福建 福州 350000）

0 前言

自升式海上風(fēng)電施工平臺站拔樁涉及多方面因素，如風(fēng)場海底地質(zhì)、地形、地貌以及洋流海浪，機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況，操作人員能力水平等，自升式海上風(fēng)電施工平臺站拔樁成功與否，不但影響風(fēng)機(jī)吊裝效率，還影響船機(jī)設(shè)備和人員安全，對自升式海上風(fēng)電施工平臺站拔樁風(fēng)險(xiǎn)管控，顯得尤為重要；該文針對風(fēng)電施工平臺站拔樁存在的一些風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，并提出了一些相應(yīng)的對策和預(yù)防措施，以及對日常運(yùn)行管理提出了一些切實(shí)可行的建議，希望借此對提高風(fēng)電安裝平臺站拔樁方面安全管理有所幫助。

1 自升式海上風(fēng)電施工平臺介紹

自升式海上風(fēng)電施工平臺配備起重機(jī)和4～8 個(gè)樁腿，在到達(dá)風(fēng)場指定機(jī)位后樁腿插入海底支撐并固定平臺，通過液壓升降裝置將平臺完全或者部分露出水面，形成不受波浪影響的穩(wěn)定平臺，再通過平臺上配備的起重機(jī)完成風(fēng)機(jī)吊裝。

2 升降系統(tǒng)原理

2.1 升降裝置組成部分介紹

2.1.1 樁腿、樁靴

樁腿為不等厚高強(qiáng)度鋼板焊接而成的圓柱型鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)有加強(qiáng)筋板、檢修梯道、沖水管路、樁腿下端與樁靴焊接，樁腿四周設(shè)有四條導(dǎo)向板用于樁腿導(dǎo)向及插銷孔加強(qiáng)。每塊導(dǎo)向板區(qū)域上設(shè)有插銷孔500mm×500mm，銷孔節(jié)距1500mm。

樁靴為不等厚高強(qiáng)度鋼板焊接而成的方錐型鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)加強(qiáng)筋板。樁靴底面設(shè)有高壓沖水噴頭，樁靴頂面設(shè)有沖水噴頭及檢修人孔。

2.1.2 固樁架

固樁架為高強(qiáng)度鋼板焊接而成的強(qiáng)力鋼結(jié)構(gòu)。頂部為方箱型構(gòu)件，下部為桁架型構(gòu)件。頂部設(shè)有樁腿上導(dǎo)向裝置，固樁架底部與船體主甲板焊接。

2.1.3 上環(huán)梁（固定環(huán)梁）

固定環(huán)梁為高強(qiáng)度鋼板焊接而成的圓形鋼結(jié)構(gòu)，上端設(shè)有8 套耳板用于連接拉桿彈簧組件，下端設(shè)有8 套耳板用于連接升降油缸，四周鑄鋼件用于安裝插銷裝置。

2.1.4 下環(huán)梁（動環(huán)梁）

動環(huán)梁為高強(qiáng)度鋼板焊接而成的圓形鋼結(jié)構(gòu)，上端設(shè)有8 套耳板用于連接升降油缸，四周鑄鋼件用于安裝插銷裝置。

2.1.5 懸掛桿

每套樁腿設(shè)有8 套拉桿彈簧組件，安裝與固樁架頂部，使固樁架與拉桿彈性連接。

2.1.6 平衡器

每套樁腿設(shè)有8 套彈簧組件，安裝于固定環(huán)梁和固樁架之間，用于承載壓力。

2.1.7 插銷裝置

每套環(huán)梁上裝有4 套插銷裝置，使用一個(gè)雙作用油缸推動。

2.1.8 升降油缸

每套固樁架內(nèi)設(shè)8 只升降油缸，用于升降作用。

2.1.9 固樁塊

用于平臺調(diào)遷時(shí)固定樁腿。升降裝置中的升降油缸，上下環(huán)梁與插銷裝置的關(guān)系如圖1 所示。

圖1 升降裝置組成示意圖

2.2 升降裝置動作原理

平臺升降或樁腿升降是依靠升降油缸活塞桿的伸縮帶動上環(huán)梁上下運(yùn)動。上環(huán)梁內(nèi)的插銷裝置是通過一只插銷油缸的伸縮，推拉插銷插入或拔出動作，使插銷與樁腿插銷孔插入或脫開以達(dá)到平臺升降的目的。

下環(huán)梁內(nèi)亦設(shè)有插銷裝置，與上環(huán)梁相同。其作用是承接上環(huán)梁負(fù)荷的轉(zhuǎn)換，起到上、下環(huán)梁輪番受力，達(dá)到使平臺或樁腿不斷升降。

為了使環(huán)梁插銷與樁腿插銷孔在平臺傾斜的工況下仍然均勻受力，在固樁架與上環(huán)梁之間設(shè)置有8 套碟形彈簧組（平衡器），如圖2 所示。

圖2 升降裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3 自升式海上風(fēng)電施工平臺風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分析

施工平臺主要風(fēng)險(xiǎn)有設(shè)備故障、平臺穿刺、傾覆、浸水淹沒、拔樁失敗及樁腿損壞等。當(dāng)上述一種或者一種以上風(fēng)險(xiǎn)同時(shí)發(fā)生時(shí)，都將不同程度地造成一定損失或者重大損失。

3.1 設(shè)備故障原因分析

正常情況下，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程應(yīng)無異常振動、噪聲，無異常升溫、漏油漏水等現(xiàn)象，但由于設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)不到位，或者操作失誤，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障，進(jìn)而影響平臺操作；如設(shè)備本身制造精度及質(zhì)量問題；平時(shí)未按要求進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，或者有進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，但維護(hù)保養(yǎng)不到位，對出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象未及時(shí)發(fā)現(xiàn)，如缸體外部有無有害的傷痕、龜裂、銹蝕等，油缸運(yùn)行中是否平穩(wěn)有無爬行、前沖及滲漏現(xiàn)象，升降機(jī)構(gòu)有無明顯異動、卡死現(xiàn)象等；施工環(huán)境超出設(shè)計(jì)條件許可或者人為操作失誤的原因?qū)е略O(shè)備出現(xiàn)故障。

3.2 平臺穿刺、傾覆原因分析

3.2.1 地質(zhì)原因

插樁前未對目標(biāo)海域地基進(jìn)行調(diào)研，不清楚作業(yè)區(qū)域水深、海底地貌及地質(zhì)情況等，未探測清楚作業(yè)區(qū)域內(nèi)海底的有關(guān)設(shè)施（例如海底管線、海底電纜、錨鏈等裝置）和障礙物，未避開海底有關(guān)設(shè)施并清除不利于作業(yè)的海底障礙物；

3.2.2 操作原因

插樁前已對作業(yè)區(qū)域進(jìn)行探測，但未進(jìn)行插拔樁計(jì)算，進(jìn)行壓樁時(shí)，未穿透非承重地質(zhì)層，未將樁腿進(jìn)行壓實(shí)；除此，壓樁結(jié)束后，未將平臺進(jìn)行調(diào)平，或者未將主吊作業(yè)樁腿處壓力適當(dāng)減少，在吊裝作業(yè)過程中，吊重再加力矩效果，使吊機(jī)處樁腿承重超出壓樁重量，導(dǎo)致平臺傾斜或者出現(xiàn)穿刺現(xiàn)象[1]。

3.2.3 潮流因素

在不同地質(zhì)層，樁腿入泥深度不一樣，個(gè)別地質(zhì)層如地質(zhì)表面為石英砂層，其承重及摩擦力較大，樁腿入泥深度較淺，可能當(dāng)入泥深度僅覆蓋樁靴表面時(shí)就已達(dá)到預(yù)壓的壓力，但在施工作業(yè)過程中，由于水流較急，樁靴底部出現(xiàn)沖刷現(xiàn)象，將樁腿底部掏空，出現(xiàn)平臺傾斜現(xiàn)象[2]。

3.3 平臺浸水淹沒原因分析

3.3.1 環(huán)境因素

升降平臺作業(yè)前，未隨時(shí)接聽氣象預(yù)報(bào)，未了解清楚作業(yè)期間在作業(yè)區(qū)域內(nèi)的氣象情況，如風(fēng)向及風(fēng)力、海浪、海流方向及流水等詳細(xì)信息，環(huán)境條件超出升降船作業(yè)條件許可，給升降平臺作業(yè)帶來風(fēng)險(xiǎn)。

3.3.2 操作原因

升降平臺作業(yè)前，已對作業(yè)期間在作業(yè)區(qū)域內(nèi)的氣象情況如風(fēng)向及風(fēng)力、海浪、海流方向及流水等詳細(xì)信息進(jìn)行了解，但深水作業(yè)時(shí)，部分地質(zhì)承載力較差而入泥深度較深，樁腿長度不能完全滿足要求，存在一定風(fēng)險(xiǎn)；而部分施工海域，由于潮差較大，操作人員不熟悉潮差，在進(jìn)行拔樁操作時(shí)，選擇在低潮位，利用平臺浮力進(jìn)行拔樁操作，因預(yù)留干舷高度較小，導(dǎo)致平臺浮力過大，出現(xiàn)升降系統(tǒng)插銷無法拔出，導(dǎo)致平臺無法爬升，導(dǎo)致甲板面浸水淹沒風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 拔樁失敗原因分析

3.4.1 設(shè)備原因

平臺通過預(yù)壓及長時(shí)間站立，樁靴底部跟海底已緊密接觸，而樁靴周邊及上部形成的空檔，在潮流作用下，將進(jìn)行回填，在進(jìn)行拔樁作業(yè)前，需用沖樁泵將樁靴周邊及頂部淤泥沖開，朝樁靴底部充水，破壞因樁靴底部真空形成的吸附力；若沖樁設(shè)備無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，不能破壞樁靴底部真空，將影響平臺拔樁[4]。

3.4.2 環(huán)境因素

每個(gè)機(jī)位所處位置不同，潮差影響較大，個(gè)別機(jī)位可能屬潮間帶，對平臺施工影響也較大，尤其對平臺進(jìn)出機(jī)位；因潮差時(shí)間有限，要在有限時(shí)間內(nèi)，將平臺降至水面，利用浮力進(jìn)行拔樁，存在拔樁失敗的情況。

3.5 樁腿損壞原因分析

3.5.1 環(huán)境因素

在下樁過程中，4 條樁腿應(yīng)同時(shí)下放，以同尺標(biāo)進(jìn)行，在海底平坦時(shí)，4 條樁腿可基本同時(shí)達(dá)到海底，但由于海底地形及存在障礙物等原因，下樁過程中，可能單條樁腿先觸及海底，如未能穩(wěn)住船舶，平臺可能拖著觸底的樁腿進(jìn)行移動，因受外力影響，該樁腿可能造成損壞。

3.5.2 操作原因

樁腿拔松后，樁腿未觸底待命，提前進(jìn)行樁腿提升，受潮流及DP 定位影響，將導(dǎo)致平臺繞未拔松樁腿回轉(zhuǎn)，損壞升降裝置，產(chǎn)生重大事故；另外樁腿提升時(shí)，未注意觀察各樁腿伸出平臺底的長度，四樁腿未同長度提升，當(dāng)海底不平、插樁深度不同的情況下，未作第一步超前提升，個(gè)別樁腿因涌浪作用的沖擊蹲撞海底造成故障。

4 自升式海上風(fēng)電施工平臺風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)預(yù)防措施

4.1 危險(xiǎn)源分析預(yù)防措施

在站拔樁前，通過風(fēng)險(xiǎn)識別對風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行調(diào)查、信息分析、專家咨詢以及實(shí)驗(yàn)論證等方式，查找出平臺站拔樁存在的危險(xiǎn)源及潛在發(fā)風(fēng)險(xiǎn)因素，并針對危險(xiǎn)源制定相應(yīng)措施或者應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制和防范。

4.2 設(shè)備故障預(yù)防措施

4.2.1 加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)

平時(shí)應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)，對發(fā)現(xiàn)的問題及時(shí)解決處理；平臺升降前應(yīng)認(rèn)真檢查和準(zhǔn)備：1）對平臺船體部分進(jìn)行檢查和準(zhǔn)備進(jìn)行壓載調(diào)整，無明顯縱傾和橫傾，并調(diào)整甲板上負(fù)荷分布，對可移動負(fù)荷進(jìn)行加固。2）升降裝置檢查檢查蝶形彈簧組情況，上下環(huán)梁倒環(huán)圈與樁腿齒塊黏合情況，檢查各部件潤滑點(diǎn)情況，檢查各接近開關(guān)，傳感器情況，是否正常。3）液壓站的檢查和準(zhǔn)備檢查液壓油泵電機(jī)電源，各密封部分有無漏油現(xiàn)象，管接頭是否固定良好，個(gè)電磁閥閥芯活動是否良好，不得有卡住現(xiàn)象，蓄壓器壓力（沖N2壓力10bar），檢查油量及油溫，檢查濾油器有無堵塞及油泵相關(guān)限位開關(guān)等狀態(tài)。4）檢查管路各部分有無漏油，軟管有無破損及各接頭、管卡緊固情況。5）除此以外，還應(yīng)對電源裝置，控制、監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行檢查和準(zhǔn)備。

4.2.2 備品備件儲存

做好備品備件申報(bào)，采購計(jì)劃，做到合理儲備，尤其對于易損件，影響設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)操作的備品備件或者采購周期較長的備件，應(yīng)提前做好相關(guān)儲備；對設(shè)備中采用國外進(jìn)口備件，做好國產(chǎn)化備用方案，避免設(shè)備突發(fā)故障，因備品備件原因，導(dǎo)致平臺無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.2.3 操作方面預(yù)防措施

穿刺會對平臺結(jié)構(gòu)造成巨大的損害，為盡量減少穿刺事故帶來的損失，平臺操作者在進(jìn)行高質(zhì)量的地質(zhì)調(diào)查后，可以考慮采取以下措施進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避：

4.2.3.1 減小氣隙進(jìn)行單樁預(yù)壓載

分析表明穿刺時(shí)船體會向穿刺腿傾斜，如果此時(shí)氣隙較小，平臺可以很快傾斜入水。平臺獲得的浮力將有助于減緩穿刺速度，降低穿刺停止時(shí)的入泥深度，從而減少平臺結(jié)構(gòu)的損傷。

如果需要，可以在水中進(jìn)行壓載，即漂浮壓載，以便減小因貫入軟土層而產(chǎn)生的樁腿載荷，減輕穿刺發(fā)生時(shí)對平臺船體和樁腿及插銷的影響和損壞。

在硬土層中使用噴沖的方法，使樁靴在最小載荷的情況下貫入軟土層。

在條件允許的情況下，例如在海況比較溫和，機(jī)位作業(yè)時(shí)間相對短，且作業(yè)期間風(fēng)力、波高和海流速度相對較小的情況下，通過降低預(yù)壓載量可以減少平臺樁腳的入泥深度，降低穿刺風(fēng)險(xiǎn)，提高平臺作業(yè)的安全性[3]。

4.3 平臺穿刺、傾覆預(yù)防措施

4.3.1 地質(zhì)方面預(yù)防措施

4.3.1.1 插樁

插樁前需要對目標(biāo)海域地基進(jìn)行調(diào)研，確保地基承載力和地層結(jié)構(gòu)滿足插樁要求，地基調(diào)研工作須專業(yè)地址勘察設(shè)計(jì)院進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)構(gòu)滿足插樁要求后方可插樁。

4.3.1.2 地基承載力影響因素

影響地基承載力的因素較多，主要包括土層重度、土的內(nèi)摩擦角、樁靴的斷面直徑、面積、深度等。對于黏性土，土壤凝聚力對入泥深度影響較大，應(yīng)注意剪切強(qiáng)度與入泥深度的關(guān)系。

4.3.1.3 入泥深度

自升式平臺樁靴的典型形狀為長方形，長度和寬度較大，高度較小。樁靴對地比壓一般不超過50t/m2。插樁完成后，入泥深度需要大于樁靴本體高度，但入泥深度不宜太大，入泥過深，拔樁困難，平臺的機(jī)動性不好甚至?xí)形ｋU(xiǎn)。另外，深水作業(yè)時(shí)，若地質(zhì)承載力較差而計(jì)算的入泥深度較深時(shí)，需考慮樁腿長度是否滿足，或氣隙高度是否滿足要求。

4.3.2 操作方面預(yù)防措施

插樁前對作業(yè)區(qū)域進(jìn)行探測，根據(jù)機(jī)位附件地質(zhì)鉆探情況進(jìn)行插拔樁計(jì)算，計(jì)算出平臺插樁深度，進(jìn)行壓樁時(shí)，穿透非承重地質(zhì)層，將樁腿進(jìn)行壓實(shí)，相較于被動穿刺，應(yīng)考慮采用主動穿刺方法，將樁腿穿刺風(fēng)險(xiǎn)予以消除；除此，壓樁結(jié)束后，將平臺進(jìn)行調(diào)平，將主吊作業(yè)樁腿處壓力適當(dāng)減小，避免在吊裝作業(yè)過程中，吊重再加力矩效果，使吊機(jī)處樁腿承重超出壓樁重量，導(dǎo)致平臺傾斜或者出現(xiàn)穿刺現(xiàn)象[4]。

4.3.3 潮流因素

對于個(gè)別站位，因入泥較淺，受水流影響，樁靴底部出現(xiàn)沖刷，將底部掏空，出現(xiàn)平臺傾斜的現(xiàn)象，值班人員應(yīng)加強(qiáng)平臺觀測，重點(diǎn)關(guān)注平衡度，根據(jù)傾斜的情況，及時(shí)對沖刷較嚴(yán)重的樁腿進(jìn)行壓樁，將平臺調(diào)平，確保平臺安全。

4.4 平臺浸水淹沒預(yù)防措施

4.4.1 環(huán)境因素方面預(yù)防

升降船作業(yè)前，提前接聽氣象預(yù)報(bào)，了解清楚作業(yè)期間在作業(yè)區(qū)域內(nèi)的氣象情況，如風(fēng)向及風(fēng)力、海浪、海流方向及流水等詳細(xì)信息，環(huán)境條件超出升降船作業(yè)條件許可，停止作業(yè)。

4.4.2 操作原因

升降平臺作業(yè)前，對作業(yè)期間在作業(yè)區(qū)域內(nèi)的氣象情況如風(fēng)向及風(fēng)力、海浪、海流方向及流水等詳細(xì)信息進(jìn)行了解；對部分施工海域，由于潮差較大，操作人員尤其決策人員應(yīng)熟悉潮差，在進(jìn)行拔樁操作時(shí)，不得在低潮位進(jìn)行拔樁，應(yīng)提前計(jì)算好降平臺時(shí)間，在漲潮到達(dá)最高潮位前一段時(shí)間開始進(jìn)行拔樁，在拔樁過程中，要預(yù)留足夠干舷高度，避免甲板面上水，如在最高潮位后一段時(shí)間內(nèi)拔樁未成功，則應(yīng)等下一個(gè)潮位，確保平臺拔樁安全。

4.5 拔樁失敗預(yù)防措施

加強(qiáng)沖樁設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)，做好相關(guān)備品備件存儲，對于發(fā)現(xiàn)的問題，及時(shí)進(jìn)行處理，避免設(shè)備帶病作業(yè)，同時(shí)避免平臺利用浮力進(jìn)行強(qiáng)行拔樁；對潮間帶機(jī)位，應(yīng)嚴(yán)密計(jì)算好潮差，確保施工結(jié)束后，有足夠潮水，滿足平臺拔樁需求，盡量利用大潮差時(shí)機(jī)進(jìn)出機(jī)位進(jìn)行施工作業(yè)，在拔樁作業(yè)前，應(yīng)充分噴沖之后進(jìn)行拔樁。

4.6 樁腿損壞預(yù)防措施

首先，就位時(shí)盡量選擇天氣及海況條件較好，在平流時(shí)，通過定位錨進(jìn)行定位，防止定位過程尤其樁腿快觸底時(shí)，平臺出現(xiàn)大的漂移，造成樁腿損壞；在下樁過程中，四條樁腿應(yīng)同時(shí)下放，以同尺標(biāo)進(jìn)行，在海底平坦時(shí)，四樁腿可基本同時(shí)達(dá)到海底，當(dāng)海底不平坦時(shí)，可在樁腿接近海底時(shí)，應(yīng)沉著采用單樁操作，使四樁腿到達(dá)海底[5]。

樁腿拔松后，樁腿觸底待命，不得進(jìn)行樁腿提升，待四條樁腿確認(rèn)都已拔松后，一起進(jìn)行提升；樁腿提升時(shí)，應(yīng)注意觀察各樁腿伸出平臺底的長度，力求四樁腿基本同長度提升，當(dāng)海底不平、插樁深度不同的情況下，應(yīng)根據(jù)情況，作第一步超前提升，避免個(gè)別樁腿因涌浪作用的沖擊蹲撞海底造成故障。

5 結(jié)語

綜上所述，自升式海上風(fēng)電施工平臺站拔樁過程風(fēng)險(xiǎn)是多方面的，必須綜合分析。預(yù)防措施必須對相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估，規(guī)范各種操作制度，制定相關(guān)應(yīng)急預(yù)案，提高管理人員技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)水平。

自升式海上風(fēng)電施工平臺站拔樁過程是施工過程中重要環(huán)節(jié)，站拔樁是否正常，不但影響施工效率，而且影響船機(jī)及人員安全，隨著目前船機(jī)設(shè)備配備、地質(zhì)勘探技術(shù)、天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)方面的完善及準(zhǔn)確度提高，對自升式海上風(fēng)電施工平臺站拔樁風(fēng)險(xiǎn)控制提供有利的幫助，但作為施工管理人員，更重要的是提高自身技術(shù)本領(lǐng)，提高風(fēng)險(xiǎn)防范意識，才能在工作中將風(fēng)險(xiǎn)降到最低。