海上风电风机安装坐底船下潜过程中稳性分析

吴春林，杜宇

（1.中交三航局宁波分公司，浙江 宁波 315200；2.中交第三航务工程局有限公司，上海 200332）

某海上风电项目基础采用高桩高承台结构型式，风机安装采用分体吊装工艺，其中，一种风机吊装型式为坐底式分体吊装。坐底式船舶顾名思义是将船体坐在海床上达到船体稳性的要求，在坐底过程中，船需从浮态通过加水压舱逐步下潜，最终下潜至海床上，经压舱到一定压力值，从而满足船体坐底要求。在坐底逐步下潜过程中，船体因受海流面积逐渐增大，船体受水流荷载也逐步增加，影响船体整体稳性。下潜是风机坐底安装船实现成功坐底至关重要的程序，也具有一定技术难度，现以风电坐底船 三航工 下潜稳性进行分析，从而保证坐底船的施工安全。

1 半潜稳性

坐底船性能：

“三航工5”船体照片见图1，船舶主要参数见表1。

图1 “三航工5”

表1 “三航工5” 半潜驳参数表

表2 “三航工5”半潜驳作业条件

采用三航工5起重船进行风电机组的坐底安装作业（如表2）。当地海浪条件较缓和但海流较为强劲，冬夏两季各测点的最大流速均大于半潜作业的限制海流流速（1.5m/s）。因此，需要对大流速下 三航工5”下潜操作进行分析。

2 船舶稳性

2.1 海流对稳性的影响

当海流作用在船舶结构上时，由于流体的黏性作用，船体迎流面和背流面将产生压差，从而形成海流力（实质是拖曳力）。当船舶运动速度低于海流流速时，将始终存在一个不为零的拖曳力，使得船舶加速，直至船舶速度与海流速度相同时，海流力为零。此时，船舶将不再继续加速，而将与海流同速运动，这种现象被称为漂移。在这一过程中船舶相对于空气也在运动，与空气的相对运动则会产生一个风荷载。但由于相对速度较小，且空气的密度只有海水密度的千分之一，因此，由船舶运动引起的风荷载相对于海流力是非常微弱的，因而风荷载与海流力无法形成一个足够大的力偶使得船舶出现明显倾斜。因此，可以得到这样一个结论：当海流单独作用给船舶时，船舶的主要运动是漂移，进而可以认为单独作用的海流力不会引起船舶稳性问题。这也是船舶稳性规范不考虑海流作用的原因。

2.2 海流与系泊同时作用对稳性的影响

在 三航工 实际下潜过程中，船舶将始终锚泊定位，以避免船舶的漂移。严格来说，海流力将与系泊力形成一对力偶，这个力偶是可以引起船舶明显倾斜的。然而， 三航工 采用八字形系泊，这样海流力形成的倾覆弯矩是通过迎流面和背流面两侧的系泊力形成的复原力矩来抵消。由于系泊缆的刚度很大，微小的船舶倾斜就可以产生较大的系泊力复原力矩。在八字形系泊条件下，海流力引起的船舶倾斜将非常微小，可以忽略不计，因此，可认为在八字系泊条件下，海流亦不对 三航工 的稳性造成影响。

2.3 “三航工5”半潜稳性校核与海流限制条件

基于海流对稳性影响极小的原因，国际上一般采用的稳性约束条件及相应衡准均未对海流进行限制。在 三航工的操作手册上对半潜作业时的海流流速进行了限定（流速不大于1.5m/s），其主要的考虑是为避免船舶在下潜过程中走锚。

3 半潜作业锚固定位

三航工 半潜作业所需要的窗口期较短，通常可以在1.5小时内完成下潜或起浮操作。通常会选择海上涌浪微小的时刻进行相关作业。由于 三航工 曾经在下潜过程中出现过走锚现象，因此将结合现场走锚的现场还原，反向推算 三航工 在底质条件下的锚抓地力，并以此为依据，推荐下潜作业过程中的海流流速限制条件。 三航工 的艏锚设计采用CCS《钢制海船入级规范》临时系泊有关规定进行设计，锚的设计依据是通过舾装数进行确定。基于舾装数设计的锚及相关设备主要是为了满足在港口或遮蔽海域等待临时靠泊条件下的临时系泊。对于阻止船舶运动或漂移，基于舾装数的设计方法可能无法满足要求。

基于舾装数的锚设计所考虑的船舶工况和环境条件是：（1）船艏抛锚，呈类似单点系泊状态；（2）此时，风与海流同向的环境条件最为苛刻；（3）设计风速为25m/s，海流流速2.5m/s；（4）海底具有较好地地质条件，能够提供给锚较大的抓地力；同时， 三航工5”的舾装数计算考虑的是航行吃水而非半潜吃水。在半潜作业条件下，面对复杂海况条件是存在走锚风险的。根据风场环境条件和实际施工作业操作，以下三个主要因素可能会造成“三航工5”的走锚：①下潜过程中，受流面积增大；②对于锚的抓地力来说，岱山风场海底底质条件较差；③八字形系泊方式对锚泊力有折减效应。

可能引起走锚的因素：

（1）下潜过程中，受流面积增大。基于舾装数方法进行锚泊设计时，考虑的海流流速是2.5m/s，风速是25m/s。随着 三航工 的下潜，一部分原本受到风荷载作用的区域将浸没至海平面以下，从受风荷载变为受流荷载作用。而由于海水的密度是空气密度的一千倍，这部分受到海流作用的伯努利型压力（F=0.5ρAV2）为其受到风作用的伯努利型压力的10倍（考虑风速25m/s，流速2.5m/s），这样船舶所需要的锚泊力就大大的增加了，若原船基于舾装数设计的锚泊力无法满足增大的荷载，则会出现走锚的现象。

（2）海底底质条件。基于舾装数方法进行锚泊设计时，所考虑的临时系泊假设海底底质条件较好，这样可以提供给锚较为充足的抓地力。然而，根据风场的地勘资料，风场场址表层为淤泥层，其厚度高达十余至数十米。目前，从多份资料调研结果来看，淤泥底质的海床提供给锚的抓地力较差，在淤泥底质条件下， 三航工5”所采用的海军无杆锚的抓地力只有锚重的3倍左右。

（3）八字系泊。基于舾装数方法进行的锚泊设计默认采用艏抛锚方式进行锚泊定位。当船艏的两或三支锚沉入海床之后，船舶的整体系泊将类似于单点系泊的型式，此时，多根锚链的方向基本一致并拉住船舶。当船舶受到环境荷载作用时，锚链的方向将与环境荷载的合力方向相反，相互平衡抵消。这种系泊状态，充分利用了船舶自身的运动，减小了锚泊力。而采用八字系泊时，两根锚成90度夹角，此时，平衡外界环境荷载的锚泊力仅是锚链拉力的分力。若锚链缆绳的出缆角度是船艏偏向45度，则有效平衡外界环境荷载的锚链拉力大概只有全部锚链拉力的70%。当然需要说明的是 三航工 采用八字系泊下潜是正确的做法，因为 三航工 必须考虑坐底后的船舶姿态以及保证下潜/上浮过程中与施工结构物之间的相对位置。虽然八字系泊在受力角度上并非最佳，但从控制和限制船舶方位姿态的角度来说，是唯一的选择。

4 结语

综上所述，海上风电项目风机坐底船在下潜过程中主要受船体本身的受流面积、海床的地质土层性能和船锚位系统下潜过程中高差等因素影响，从而影响船体下潜时的稳性，因此，为保证坐底船在下潜过程中稳性，需从主观能够改变的因素进行优化，船体受流可控制船体坐底方向顺流下潜；选择潮流相对小的时机进行下潜；下潜时间尽量加快，减少船体下潜浮态时间；通过以上几种措施，有针对性地保证海上风电坐底船在下潜过程中的稳性，为项目的安全推进奠定基础。