海上风电安装平台插拔桩作业潜在风险分析

许结芳，刘会涛，徐天殷，刘 伟，吴平平，蔡舒鹏，金 晔，张永康

（1.广东精铟海洋工程股份有限公司，广东佛山 528244；2.广东工业大学机电工程学院，广州 510006；3.中铁建港航局集团有限公司，广东珠海 519075）

0 引言

随着“双碳目标”的加速落实和“十四五”的规划下，海上风电这一可再生的清洁能源受到了极大关注。由于我国东南沿海海上风电资源丰富，且靠近我国的用电负荷中心，消纳方便，这就导致了海上风电安装平台的数量越来越多，进行海上风电安装作业的次数越来越多，而海上风电安装平台出现事故也日益增多。本文主要分析自升式海上风电安装平台在进行插拔桩作业时，有哪些潜在风险。

自升式海上风电安装平台在进行插拔桩作业时都会受到许多因素的影响，比如海床的地质、地形和地貌，海上天气因素，潮水的涨退，以及操作人员的能力水平等。插拔桩作业的成功是自升式海上风电安装平台是否能够进行风电安装的关键性步骤，所以为了提高插拔桩作业的成功率，分析插拔桩作业中的潜在风险并提出相应的解决对策和预防措施是非常有必要的。

本文以某液压插销式海上风电安装平台为例，对插拔桩作业中可能出现的一些潜在风险进行原因分析，并采取针对性措施来预防风险的出现。该海上风电安装平台有4根圆柱形桩腿，采用的是液压插销式双动环梁连续升降系统，单桩举升能力5 600 t，单桩拔升能力6 000 t。船体横倾和纵倾报警角度为0.5°，船体横倾和纵倾停机角度为1°。该自升式海上风电安装平台的升降系统可以以连续方式使桩腿升降、压桩和插拔桩腿。

1 升降系统的组成

1.1 升降装置组成部分

升降装置是用于实现船体平台的升降、支持的动作机构，采用油缸倒挂式，主要包含高位环梁、低位环梁、升降油缸、插销装置等部件。整船配置4个独立液压站作为动力源，由电控系统对升降系统与液压站进行控制。其升降装置组成示意图如图1所示。

图1 液压插销式海上风电安装平台的升降设备

（1）高、低位环梁

高位环梁内置于固桩室内，钢板焊接而成的环型钢结构。环梁通过销轴与升降油缸铰接，环梁侧边均布4个插销孔套，用以装配桩腿插销，对于圆形桩腿平台，环梁设防转导向结构，与固桩室配合导向。

低位环梁内置于固桩室内，钢板焊接而成的环型钢结构。环梁通过销轴与升降油缸铰接，环梁侧边均布4个插销孔套，用以装配桩腿插销，对于圆形桩腿平台，环梁设防转导向结构，与固桩室配合导向。

（2）升降插销

根据升降系统的插销形式布置有等距圆形销孔，销孔直径约670 mm，销轴采用扁销，高度约590 mm。上下接触面曲率半径与销孔一致。

（3）高、低位环梁升降油缸

升降油缸用于船体及桩腿的升降动作。由于油缸活塞杆会长时间裸露于海洋环境中，升降油缸活塞杆必须采用防海水腐蚀的材料在表面覆盖。升降油缸双端有耳板连接，带关节轴承。每2件升降油缸均应设置1套与活塞杆配套的行程检测传感器，可实现全行程范围内任意位置定位和检测位置的唯一性。行程检测不受断电影响，不受电源信号干扰的影响。

（4）插销油缸

每套桩腿有8套插销装置，每个插销装置通过一个双作用油缸推动，用于插销的插入和拔出。

（5）液压系统

液压系统主要由液压泵站、主控制阀组、油缸控制阀组以及相应的管路组成。其中每套泵站包含了电机、液压泵组、泵出口阀组、蓄能器、油箱、冷却器和附件组成。其中，附件包含液位传感器、加热器、温度传感器、过滤器等。全船共有4台液压泵站，分别布置在船艏和船艉的舱室内。

1.2 升降控制系统组成和功能

电气控制系统由集中控制系统、机旁控制系统、主泵起动系统和CCTV系统等组成。系统默认预留1路常闭无源综合报警信号给船舶自动化监控系统，还应与平台升桩辅助计算系统进行通讯，提供桩压、平台姿态等参数。该系统除了有正常的控制4条桩腿在自动、半自动和手动3种模式下的升降功能外，最主要的是船体倾斜保护功能。当船体倾斜角度超过报警预设定值后，进行自动报警，并提示人工干预调整；超过停机预定值后，停止升、降工作。在船体升降过程中，如需要进行超过规定倾斜角度的操作或电子测斜仪失灵时，可使用倾斜保护忽略功能，此时船体倾斜角度超过报警预设定值后，升降系统不会停机。

2 升降系统的工作原理

作业船航行到达工作地点后，升降系统带动桩腿下放至海底，进行插桩；插桩后，继续升降直至船体离开海面，进行对角线压桩；对角线压桩完成后，继续升船达到工作气隙后即可进行工作。工作完成后，通过升降系统进行降船、拔桩等一系列动作后，可恢复到航行状态。液压插销式升降系统的升降原理由3个动作组成，分别是桩腿下降、插桩及压桩和拔桩。

桩腿下降动作是利用高低位环梁的升降油缸伸出动作依次带动桩腿运动。在高位环梁插销插入销孔后，低位环梁插销从销孔中拔出。然后，高位环梁带动桩腿移动，直到下一个销孔位置。此时，低位环梁也移动了一个销孔节距并插入销孔。然后，高位环梁插销拔出，低位环梁带动桩腿移动，直到下一个销孔位置。重复以上步骤，直到桩腿接触到海底为止，完成桩腿下降动作。

当4条桩腿全部接触海底且船体处于水平位置时，开始插桩动作。升降油缸同时伸出，油缸压力升高，桩腿压入海底淤泥需要一段行程。直到压实后，桩腿不会继续下降，由于桩腿对船体的反作用力，船体平台就开始上升，直到船体平台离开海面，此时开始压桩动作。压桩动作是采用对角线两个桩腿同时进行压桩，然后换为另外两个桩腿压桩。压桩结束后，需要将作业船升至所需的工作气隙位置后，高、低位插销全部插入销孔中，固桩后作业船就开始作业。

拔桩动作分为3步，一是船体平台下放至海面，即船体下降；二是船体平台浮于水面后，进行拔桩；三是当桩腿从海底拔出后，升降油缸收缩移动，进行收桩。拔桩功能主要是利用船体的浮力将桩腿拔松，完成桩腿上升动作。此动作与桩腿下降流程正好相反。以上动作就是整个液压插销式海上风电安装平台的升降原理。

3 风险识别

本文是针对某液压插销式海上风电安装平台插拔桩作业中的潜在风险进行分析，在作业过程中，主要潜在风险有插桩穿刺、插桩滑移、冲刷掏空、拔桩失败以及升降过程中倾斜角过大的风险。这5种风险一旦出现或同时出现都将导致事故的发生。

3.1 插桩穿刺

3.1.1 原因分析

自升式海上风电安装平台准备作业时，插桩是第一步。海底土壤情况复杂，经常涉及多种土层交叠的层状地层，其中一种层状地基就是“鸡蛋壳”地质现象[1]，即上层土壤的表现为硬黏土层，而下表层表现为软黏土层，在这种地基上进行插桩作业极易发生穿刺现象。一旦穿刺现象发生，可能对平台的桩腿及其结构造成损伤，更甚者会导致平台倾覆泡水，出现人员伤亡。

海上平台出现插桩穿刺现象，大多数是发生在“鸡蛋壳”地层上[2]。而插桩穿刺事故还会发生在另一种层状地基上：上面是“铁板砂”，下面是黏土的层状地基。上层“铁板砂”主要是由粉砂和粉土构成[3]，其强度很大，当桩腿接触到上层“铁板砂”地质时，受到的阻力逐渐增大，此时桩腿的载荷上升，桩腿开始插入上层“铁板砂”层。而“铁板砂”地层厚度在2～6 m，桩腿在高载荷下极易穿透到达软黏土层。此时桩腿由于阻力突然减小，就会不受控制地快速下沉，造成穿刺事故。

由于平台作业前，人为计算海底土层的承载能力时判断失误或对地质的勘探没有做足工作，盲目作业，就会带来穿刺风险。所以除了地质问题，人为原因也是导致穿刺现象发生的另一个主要原因。插桩动作完成后，在压桩过程中，也会发生穿刺危险。压桩时，桩腿未能穿透非承重层，即未压桩压实，在此情况下会导致未压实的桩腿承重超出其能力，导致平台倾覆。

3.1.2 事故案例分析

2015年5月5日，墨西哥国家石油公司Pemax的Troll Solution自升式海上平台在墨西哥东南部沿岸近海海域倾斜。事故现场如图2所示。

图2 Troll Solution事故现场

Troll Solution自升式海上平台在就位插桩完成之后，开始平台上的设备维护保养时，其中一条桩腿发生了穿刺现象，导致平台严重倾斜，造成了2人死亡，10人受伤，101人紧急撤离。平台不仅仅是发生了倾斜，由于桩腿的损坏，平台在不断倾斜，最终坍塌沉没在水深30 m的海床。通过对这一事故的分析发现，桩腿穿刺发生后，会导致平台倾斜，桩腿结构损坏。而且还会发生继续倾斜现象，最终导致平台沉没。

3.2 插桩滑移

插桩滑移是自升式海上风电安装平台作业时的潜在风险之一。由于我国对海洋资源的开发，除了以往的海上钻井平台留下的桩坑，现在海上风电发展迅速，其海上风电安装船的作业次数增加，会有越来越多的桩坑留下[4]。一旦新平台在上一个平台邻近、甚至同样的位置进行作业时，就会发生桩腿在上一个作业平台留下的桩坑附近插入海床。这种现象叫做“踩脚印”[5]，如图3所示。

图3 插桩时“踩脚印”

“踩脚印”现象发生时，由于之前留下的桩坑已经破坏了土层结构，新的桩靴接触海床时，由于海底土层的倾斜，会导致其承载力不均匀，就会使桩靴滑向旧桩坑的中心，这样就会导致桩腿结构受损，失去桩腿的承载作用，严重的会导致整个平台倾斜，最终倾覆。

3.3 冲刷掏空

冲刷掏空现象是指海床上的泥沙在水流作用下，被水流带走，渐渐在原地会形成一个冲刷坑。当自升式海上风电装平台进行插桩时，桩腿下放到海床上的时候会改变该区域稳定的浅海流场和波浪场[6]，波浪会因桩腿产生受阻影响，并产生一个水平方向的冲击载荷，这样就会带动泥沙，形成了波浪松动泥沙，而海水就作为泥沙的载体，掏空桩靴插入附近的泥沙，如图4所示。

图4 冲刷掏空过程

海床表面的地质性质也决定了平台是否会发生冲刷掏空危险。如果海床表面以粉砂和淤泥为主，这种地质最容易被海浪侵蚀和海水转运。季风气候的影响，会导致持续的大风和大浪，平台受到的水平载荷非常大[7]。插桩位置的地形因素过于复杂，存在一些倾斜地貌，坡度大，或者凹凸不平，插桩作业完成后，平台可能短时间不会受影响，而在水流的冲刷下，会渐渐掏空桩靴附近的泥沙，最终导致滑移事故发生。

3.4 拔桩失败

海上风电安装平台在结束安装作业后，需要拔桩后前往下一个作业点，平台拔桩过程中，会在涨潮时将作业平台下降至海平面，利用自身浮力协助拔桩，此时，存在拔桩失败的风险。拔桩过程的阻碍由3部分构成：桩靴底部与海底形成真空层后的吸附力，桩靴侧面与泥土之间的摩擦力，桩靴上部回填的泥土砂石的重力。拔桩过程中，任一个或几个阻碍没有克服，都会导致拔桩失败。

平台在长时间的站立以及压桩时过度压桩后，桩靴下表面与海底接触面形成真空环境难以破坏。在桩腿插入海底土壤后，海水会携带大量泥沙从桩靴上方回填，导致淤泥覆盖[8]，淤泥层的厚度也影响拔桩的成功与否。

冲桩设备设计的不合理，也是拔桩失败的影响因素之一。在插桩时，由于桩靴底部的喷嘴设计的不合理，比如数量少，分布集中，就容易导致喷嘴口堵塞。高压水泵的压力过小，排量不够，无法破坏真空环境。

3.5 倾斜角过大

3.5.1 原因分析

海上风电安装平台在新的作业区域进行插拔桩作业前，要检查监视平台倾斜度设备是否正常运行，然后对四根桩腿的载荷进行重新分布，保证平台是水平状态，防止平台进水和倾覆，也便于桩腿的下放[9]。插桩和压桩过程中，要时刻监视平台的倾斜度，及时的调整载荷的分布。除了自身的升降过程中载荷分布不均匀，气象因素也是另一个重要原因。台风天气，洋流的变化以及地质问题，都将导致平台的倾斜角过大，损坏桩腿结构，继而发生平台倾覆危险事故。

3.5.2 事故案例分析

2021年4月13日，Seacor Power工程船从路易斯安那州福尔雄港出发，在路易斯安那州附近的墨西哥湾水域倾覆。Seacor Power倾 覆 现 场 如 图5所示。Seacorpower全长129 ft，共载有19人，只有6人被救出，该事故共造成6人死亡，7人失踪。

图5 Seacor Power事故现场

根据美国国家运输安全委员会公布的调查结果，Seacor Power出港穿过海湾的开阔区域时，突然气候变化恶劣，一场暴雨伴随着大风席卷了船只。此时风速达到70～80 mile/h，波浪也变得非常汹涌。为了应对当前的恶劣天气，船员决定下放Seacor Power的桩腿，进行插桩作业，使船体固定在适当位置。然而在桩腿下放过程中，受恶劣天气影响，整个船向右舷倾斜，直到其倾覆。

SeacorPower的事故的发生，其中很重要的因素是天气的恶劣情况。气象因素对于海上平台的安全性和稳定性有很大程度危害性。

4 风险防控措施

4.1 平台插桩穿刺预防措施

在平台转移到下一个作业区域的时候，应及时对作业区域进行充分的地质考察，计算海底的承重能力，确保避开“鸡蛋壳”地质，避开上层“铁板砂”[10]，下层软黏土的层状地基。对于站桩区域应确保桩靴底部无大的碎石、障碍物和大斜坡。

为了防止被动穿刺现象，应该选择主动穿刺方法，消除桩腿穿刺现象[11]。在插桩后开始压桩，将桩腿压实，避免桩腿在插桩时未穿透非承重地质层，导致被动穿刺现象发生。

也可以减小平台与海面的距离，进行单桩压载。一般穿刺事故发生后，平台通常由于自身重力原因往发生事故的桩腿方向倾斜，距离海面越近，平台会很快接触水面，利用自身浮力减缓穿刺效果，防止平台继续下沉和桩腿结构的损坏。除此之外，也可以在插桩后不利用自身重力进行压载，此时自升式平台漂浮于海平面上，减小插入软土层的桩腿载荷[12]。当发生穿刺事故时，可以大大减少平台的损害。

最后，应提前制定安全应急预案，包括发生穿刺风险后如何应对和人员的安全保障及撤离方案。

4.2 平台插桩滑移预防措施

提前做好作业区域的地质勘验，探明海床上属于之前海上平台留下来的旧桩坑，避免插桩作业过程中在旧桩坑附近作业[13]，也要避免重复在一个桩坑二次作业或者多次作业。在桩靴插入海床时，应该留有一定的余量，不要完全入泥，入泥过深一是拔桩困难，二是一旦发生滑移穿刺现象，无法控制桩腿。压桩时采用对角压桩，循环交替，每入泥0.5 m深时，就静载观测，是否有滑移风险，重复以上步骤直到压桩完毕。

4.3 冲刷掏空预防措施

冲刷掏空会严重影响平台作业和人员安全。为了减小冲刷影响，在设计桩靴时应减少桩靴直径，这样的桩靴对水流场的破坏影响降低。或者在建造平台时增加水下监控系统，时刻注意桩靴附近泥沙的冲刷情况。

在实际作业过程中应提高工作效率，连续施工，缩短每个风机的安装时间，这样就会缩短冲刷时间[14]。没有水下监控系统，应派潜水员进行海底探摸，确保冲刷没有掏空桩靴附近的泥土。也可通过平台上的倾斜监控系统实时监测平台是否倾斜，并调整桩腿的载荷分布，防止平台倾斜。

最后是在插桩完成后，对海床表面进行固定，用沙袋或可回收盖板覆盖桩腿周围，防止泥沙起动。

4.4 平台拔桩失败预防措施

平台进行插桩作业前，应对作业区域进行地质探测，确保穿刺风险降低后，计算入泥深度，评价入泥深度的拔桩能力。入泥深度不宜过深，入泥过深会导致拔桩困难。

在拔桩过程中，桩靴都装有冲桩设备，平时应加强冲桩设备的维护保养，避免拔桩时设备失效。要准确掌握作业区域的涨落潮时间，自升式平台应充分利用潮水，用自身的浮力进行拔桩[15]。应在冲桩设备充分破坏桩靴和海底之间的真空环境后，利用最大潮差时，开始拔桩，这样会加大拔桩成功率，避免直接利用自身浮力进行拔桩，可能会出现自身浮力不够，导致平台倾斜。

4.5 平台倾斜角过大预防措施

充分了解作业区域的气象情况，如风向、风力和潮流等详细信息，避免在恶劣天气情况下进行插拔桩，导致倾角过大，平台有进水甚至倾覆的危险。对监视平台倾斜的设备定期保养维护。该型液压插销式海上风电安装平台具备横倾和纵倾角度达到0.5°报警，船体横倾和纵倾角度为1°时，升降系统停机的功能。最重要的是提高操作人员的应变能力和根据最大倾斜角能够调节载荷的能力。

5 结束语

本文以某液压插销式海上风电安装平台为例，主要分析了其插拔桩作业过程的潜在风险，并通过历史上发生的相关事故总结出经验和相应的预防和应对措施。通过上述分析，插拔桩风险是多样化的，必须综合考虑，提前制定应急方案。

在新的作业区域作业之前，要进行充分的地质勘探，对存在潜在风险的作业场址进行充分评估，做好预案，对平台上的设备应定期检查，规避天气因素和掌握好涨落潮的时间。最重要的是提高操作人员的操作水平和管理人员的应急处理经验。平台研发时，各种设备的寿命周期和安全裕度都要考虑周全，重点关注平台的稳定性、安全性以及对恶劣天气的适应性，以免出现极端情况后无法解决。平台建造的材料强度，应充分考虑各种环境下载荷的大小，结构设计安全裕度不能低于法律法规和船级社的各项规定。平台投入使用之前，要进行各种风险评估，建立一个完整的风险评估机制，制定规范的监督和管理制度，才能将插拔桩的工作风险降到最低。