海上風電項目施工的全方位主要注意事項

張顯雄，余立志，陳亞雄

（保利長大工程有限公司，廣州510620）

1 引言

近20年來，在全球氣候變化推動新能源事業(yè)發(fā)展的背景下，風能從一系列新能源中脫穎而出，成為目前技術最成熟的可再生能源[1]。風力發(fā)電從“十二五”規(guī)劃起，就成為國家重點發(fā)展內(nèi)容之一[2，3]。根據(jù)國家統(tǒng)計局的公布數(shù)據(jù)可知：我國在2020年并網(wǎng)風電裝機容量2.815 3×108kW，較2019年增長34.6%[4]。其中，2020年我國海上風電新增裝機3.06×106kW，占全國海上風電累計裝機總量的34%，是我國發(fā)展最迅猛的電力產(chǎn)業(yè)。海上風電雖然具有容量大、發(fā)電效率高、對環(huán)境影響小等優(yōu)點[5]，但開發(fā)成本高、運行場址離岸運、作業(yè)環(huán)境受氣候影響程度大、風機安裝難度高等不利因素綜合作用使海上風電項目的施工建設相對陸上風電要復雜得多。

海上風電項目按結構形式分為：固定基礎式海上風電與漂浮基礎式海上風電。固定基礎式海上風電項目因具備技術成熟、離岸距離近、運維簡單等優(yōu)勢占據(jù)目前絕大部分市場份額，但近岸海域也具有空氣熱穩(wěn)定性低、流動的湍流度大、風速不平穩(wěn)、風能利用率低等缺陷[6]。從長遠發(fā)展角度來看，單機功率大、結構形式簡單、處于平坦風速、海風切應變相對較低的深遠海漂浮基礎式海上風電項目將成為未來海上風電項目的趨勢。在目前，我國海上風電項目已開始朝漂浮基礎式風電發(fā)展。

本文將結合海上風電項目，從前期基礎施工到后期風機安裝的特點，對施工的全方位注意事項進行梳理和分析，總結出各類海上風電項目的共性條件，并在此基礎上對當前海上風電項目施工建設存在的問題與發(fā)展趨勢進行綜述與展望，為后續(xù)深入開展研究工作奠定基礎。

2 社會環(huán)境共性與注意事項

2.1 鋼結構加工廠

鋼管樁、導管架、吸力桶、浮式平臺等海上風電項目所涉及的大型鋼構件的制造離不開上游鋼結構加工廠。上游鋼結構加工廠將直接影響海上風電項目大型鋼構件的生產(chǎn)能力、加工質(zhì)量、制造效率、施工效率與施工周期。

選擇一家鋼結構加工廠作為海上風電項目施工的合作單位時，重點考慮的內(nèi)容包括：鋼結構加工廠是否具備制造本工程主要大型鋼結構的加工能力以及及時準備原材料的能力；加工質(zhì)量能否滿足工程的設計要求；制造效率是否滿足本工程現(xiàn)場工程進度的需求；是否具備足夠的存儲空間用于儲存海上現(xiàn)場銜接不順利導致的大型鋼構件的堆積；作業(yè)流程是否標準；鋼構件交接時能否將配件安裝齊全。

此外，鋼結構加工廠所處位置應具備運輸大型鋼結構的條件，應選擇鋼構件加工地點與海上施工現(xiàn)場之間具備適宜運輸航線的鋼結構加工廠。

2.2 船機設備

大型船機設備是開展海上風電項目的必備條件。性能優(yōu)良、適應性強的大型船機設備既可顯著地提升海上風電項目的施工效率，又可加強安全保障。除了作為施工工具以外，對于深遠域的海上風電項目，大型船舶還同時充當生活平臺。

根據(jù)設備類型，海上風電項目需要用到的船舶類型主要包括：運輸船舶、起重船舶、風機安裝船、拖輪、錨艇、交通船、補給船等主要船舶類型；在機械方面主要包括：振動錘、液壓錘、履帶式起重機、水下機器人、旋挖鉆機、灌漿設備。其中，固定基礎式海上風電施工對船機設備的需求量明顯大于漂浮基礎式海上風電施工對船機設備的需求量。

當選用運輸船舶時，應重點考慮船舶的載重量、甲板空間、甲板最大承載力、排水量以及航速，并盡量選擇駕駛室布置在船尾的運輸駁；當選用起重船舶時，應重點考慮船舶的最大起重能力、最大起重高度、最大水平起重距離、吃水深度以及船舶的吊鉤形式；當選用風機安裝船時，應重點考慮風機安裝船的支腿形式、最大作業(yè)高度和起重能力以及平臺的作業(yè)面積。當選用振動錘時，應重點考慮振動錘所能提供的最大震動能量、最大夾吊能力以及聯(lián)動形式；當選用液壓錘時，應重點考慮液壓錘所能提供的最大液壓能量、結構尺寸規(guī)格以及入水作業(yè)性能。當選用履帶式起重機時，應重點考慮履帶式起重機的起重能力、起重高度、水平起重距離以及與之相匹配的配重形式。

2.3 碼頭資源

大噸位碼頭泊位對常規(guī)海上風電項目施工起著材料、設備周轉(zhuǎn)與交通運輸?shù)淖饔?。面積大、水深足、承載力高、陸地交通便利的碼頭泊位可極大地改善應對突發(fā)意外情況的能力與對海上風電項目現(xiàn)場的物資補給能力。對漂浮基礎式海上風電項目施工，大噸位碼頭泊位還作為浮式風機的拼裝場地。

選擇適當?shù)拇a頭泊位作為海上風電項目施工的周轉(zhuǎn)場地時，應重點考慮碼頭的地理位置、吞吐量、港口水域規(guī)格以及碼頭泊位的配套設備。

考慮碼頭的地理位置時，應包括陸地交通與海上交通的便利性，應具備與海上施工現(xiàn)場之間的適于運輸大型構件與設備的航線；考慮碼頭的吞吐量時，應包括泊位長度、泊位堆載面積、水深以及最大靠泊噸位。泊位越長，大型構件的周轉(zhuǎn)效率越高；考慮港口水域規(guī)格時，應包括回旋水域面積、調(diào)頭區(qū)水深、航道寬度以及錨地可提供的作業(yè)面積；考慮碼頭泊位配套設備時，應包括碼頭是否具有吊運大型海上風電構件的起重、運輸設備以及用于處理港內(nèi)突發(fā)事故的應急設備。

2.4 人力資源

經(jīng)驗豐富的專業(yè)人員對海上風電項目各個環(huán)節(jié)的質(zhì)量與安全均起著重要的保障作用。融合經(jīng)驗豐富的專業(yè)隊伍、組織合理高效的進度計劃以及形成科學可行的管理制度是海上風電項目順利推進的根本因素。

在選擇鋼結構加工廠、船機設備、風機供應商、碼頭時除了考慮以上論述因素之外，還應重點考慮是否具備與其相對應的專業(yè)人員組織機構。

在選擇鋼結構加工廠時，還應考慮企業(yè)的管理制度、人員是否齊全以及不同工種之間的配合熟練程度；在選擇船機設備時，還應考慮管理人員與操作人員是否具備與之相對應的工作經(jīng)驗；在選擇風機供應商時，還應考慮風機生產(chǎn)線是否有著成熟的生產(chǎn)技術以及風機安裝人員是否具備與電氣設備相對應的完整成員組織；在選擇碼頭泊位時，還應考慮碼頭各工種配合的熟練程度以及管理機構是否完善。

此外，選擇潛水作業(yè)隊伍時，應考慮隊伍是否配備了足夠數(shù)量的水下作業(yè)人員與水上指揮人員；完整的潛水組織機構與經(jīng)驗豐富的作業(yè)人員是順利開展海上風電項目各種水下作業(yè)的前提。

3 自然環(huán)境共性與注意事項

3.1 氣象環(huán)境

海洋氣象是海上風電項目施工的決定性因素之一。海洋的風速、風向、能見度等對海上風電項目施工的安全、質(zhì)量以及施工進度有直接影響。選擇在良好海洋氣象的窗口期進行施工作業(yè)能夠顯著提高施工的安全、質(zhì)量以及施工效率。

選擇窗口期進行施工時，主要考慮海面風速、風向情況是否滿足海上風電項目施工要求以及在后續(xù)氣象條件發(fā)生變化時，是否具備連續(xù)施工作業(yè)的條件；海上的天氣情況包括溫度、濕度、能見度、日照等是否會影響施工作業(yè)的進行。

此外，海洋氣象的預測亦是海上風電項目施工中不可或缺的一部分。在海上風電項目的施工過程中，應考慮海洋氣象條件的后續(xù)變化情況，此時需對海洋氣象預測的結果進行分析，通過分析判斷是否具備施工條件并安排后續(xù)工作內(nèi)容。

3.2 洋流與涌浪

涌浪作為海洋環(huán)境的重要組成部分，是海上風電項目施工必須考慮的因素。波高高，周期長，流速快的涌浪嚴重影響施工作業(yè)時的安全與質(zhì)量。施工前應結合船舶性能對涌浪條件進行分析，有助于提高施工安全、質(zhì)量以及施工效率。

施工過程中對涌浪作用進行分析時，需考慮的因素包括：涌浪的波高是否達到吊裝作業(yè)、人員過駁等施工作業(yè)安全進行的基本條件；涌浪的周期是否在海上風電項目施工所使用的船舶能承受的周期范圍以內(nèi)；涌浪的流速是否滿足水下作業(yè)的基本要求；通過涌浪的方向?qū)κ┕ご暗耐？课恢眠M行設計。此外，還需預測海洋氣象，根據(jù)水下涌浪后續(xù)變化的分析結果，選擇合理的施工窗口期進行施工作業(yè)。

3.3 海床地貌

海上風電項目施工前，應進行側(cè)掃聲吶障礙物探測，及時處理沉船、大礁石、管道等障礙。施工區(qū)域應無海底構筑物、電纜或管道等有價值的構筑物，施工船舶拋錨時應不存在破壞這些有價值構筑物的風險。

對于固定基礎式海上風電項目，海上作業(yè)平臺安放的水平度與樁基礎沉樁質(zhì)量均受海床地貌的影響。海床地貌起伏過大增加了調(diào)整海上作業(yè)平臺水平度的難度，施工窗口期較短時，不利于快速完成施工作業(yè)，從而影響后續(xù)工期。

對于漂浮基礎式海上風電項目的水下錨固系統(tǒng)預施工，海床地貌起伏過大將影響錨碇下放的穩(wěn)定性以及錨鏈敷設的水平投影長度。

3.4 海洋地質(zhì)

海洋地質(zhì)條件對海上風電項目施工的影響主要體現(xiàn)在兩方面，分別是鋼管樁施工與水下錨鏈敷設。其中，鋼管樁施工主要與固定基礎式海上風電項目密切相關，水下錨鏈敷設主要與漂浮基礎式海上風電項目密切相關。

鋼管樁施工包括打樁和拔樁。在密實海床上打入鋼管樁時，樁基的豎向承載力容易達到要求，側(cè)向水平荷載承載力起控制作用，宜采用重錘密擊法；在松軟地層打入鋼管樁時，通常需要打入海底很長一段深度才能使樁基的豎向承載力與側(cè)向水平承載力滿足設計標準，此時鋼管樁的長度與外徑均需增大，對運輸船舶與起重船的需求也更高，從而在松軟地層施工海上風電項目的鋼管樁較在密實海床上打入鋼管樁的難度更大。對于拔樁而言，鋼管樁的抗拔力主要來自樁壁與土體之間的吸附力，應先通過振錘使樁體發(fā)生振動，使鋼管樁周邊土體松散，從而降低樁壁與土體之間的吸附力。

對于漂浮基礎式海上風電項目的水下錨鏈敷設，海洋地質(zhì)的影響主要是預敷設的錨鏈是否陷入淤泥中，從而導致錨鏈回接難度增大。相對于海底淤泥地質(zhì)，沙土地質(zhì)與水下預敷設錨鏈之間的黏結力比較小，后期錨鏈與漂浮式平臺的回接難度相對較低。一種比較好的減小水下預敷設錨鏈黏結力的方法是設置大型浮鼓，減短錨鏈與海底表層土體的接觸長度。

4 技術共性與注意事項

4.1 作業(yè)平臺設計

海上作業(yè)平臺是固定基礎式海上風電項目施工必不可少的設施。海上作業(yè)平臺屬于臨時大型鋼結構，多采用剛架形式，在實際應用中具有制造成本高、制造周期長、體積大、周轉(zhuǎn)次數(shù)多等特點。海上作業(yè)平臺的設計形式具有較為明顯的個體差異性，在復雜海洋環(huán)境中需要承受的荷載包括：平臺自重、平臺上表的設備壓載、風荷載、波浪荷載、洋流荷載以及海上風電基礎傳統(tǒng)的荷載。除平臺自重與平臺上表的設備壓載外，其余荷載形式以水平側(cè)向作用為主。不論作業(yè)平臺承受何種形式的荷載作用，最終均由平臺的樁基礎傳遞至海床。

設計海上作業(yè)平臺時，主要涉及的技術內(nèi)容包括：空氣動力力學、波浪力學、結構力學、材料力學、鋼結構設計、土力學以及有限元方法等方面。

空氣動力學與波浪力學主要用于計算海上作業(yè)平臺所承受的風荷載與水荷載；結構力學用于計算海上作業(yè)平臺的整體力學特性，為鋼結構節(jié)點的細部分析提供荷載參照；材料力學與鋼結構設計主要用于鋼結構節(jié)點的細部分析，包括桿件的斷面選型以及局部焊縫的應力狀態(tài)分析；土力學則用于計算海上作業(yè)平臺所在位置的地基承載力，分析平臺所采用鋼管樁基礎的合理性；有限元方法則用于當大型復雜空間結構無法獲得解析解時，作為一種離散的數(shù)學方法求解復雜方程。

4.2 樁土耦合效應分析

對于固定基礎式海上風電項目施工，鋼管樁與海底土體之間的吸附力隨鋼管樁打入深度變化，是影響鋼管樁施工質(zhì)量的主要因素。當鋼管樁打入或穿透海底土層，吸附力急劇降低時，極易發(fā)生“溜樁”現(xiàn)象（即鋼管樁在過大的錘擊能量作用下，鋼管樁的貫入量遠遠超出預計量，情況嚴重者可達到30 m），不僅使施工質(zhì)量難以得到控制，還容易導致安全問題。

分析鋼管樁沉樁過程中的樁土耦合效應較為準確的方法是利用顯式有限元進行非線性瞬態(tài)動力學分析。技術層面的難點主要有2項：一是海底地質(zhì)勘探的準確性。海上風電項目施工覆蓋的海域面積大，進行海洋地質(zhì)勘探時，勘探點位的疏密直接影響海底地質(zhì)勘探結果。對于海床地貌復雜、海洋地質(zhì)存在松軟夾層的海域應適當增加地質(zhì)勘探點位的數(shù)量，有助于提高對海底地質(zhì)分布的準確把握。二是通過三軸試驗獲得施工海域不同深度的土體本構關系，為準確掌握樁土耦合效應提供地質(zhì)材料參數(shù)。在獲得海底地質(zhì)分布以及土體的本構關系后，可以提前對固定基礎式海上風電項目的鋼管樁沉樁進行分析，預判樁體在不同入土深度所需要的錘擊能量，從而可以有效避免鋼管樁在沉樁過程中發(fā)生“溜樁”現(xiàn)象。

4.3 吊裝方案分析

海上風電項目施工涉及大量的吊裝作業(yè)，包括海上作業(yè)平臺轉(zhuǎn)移、鋼管樁轉(zhuǎn)體操作、導管架下放、工程錘安裝、升壓站安放、風機拼裝、混凝土錨碇預施工等工序類型。吊裝方案包括3個方面的內(nèi)容：吊索具選型、吊點設計與吊裝工藝。

吊索具選型包括選擇鋼絲繩或者合成纖維吊裝帶、吊梁尺寸與受力點布置、掛索與解索方式以及卸扣型號與數(shù)量，用于解決實際吊裝過程中大噸位、小吊裝空間的吊裝難題。

吊點設計要點包括吊耳形式、吊點位置與數(shù)量。吊耳形式可分為管式吊耳與板式吊耳，吊點位置可分為內(nèi)吊點與外吊點，吊點數(shù)量可分為單點吊與多點吊。海上風電項目施工吊裝多采用多點管式吊耳，對于海上作業(yè)平臺、導管架、升壓站等大型空間復雜結構多采用外吊點的形式，而對于鋼管樁、工程錘等簡單重型構件，即可以內(nèi)吊點形式也可以采用外吊點形式。

吊裝工藝包括起吊順序與荷載分配。對于有轉(zhuǎn)體吊裝需求的吊裝作業(yè)，起吊順序是否合理是影響吊裝成功的一個關鍵因素。通常，當構件平臥時，各吊點外側(cè)的重量呈不平衡分布，轉(zhuǎn)體吊裝時宜先起吊重量較輕的一側(cè)。由于受起重設備吊鉤形式與吊鉤數(shù)量的影響，吊裝工藝在分配荷載時可分為一級分配與多級分配。對于具有多個吊鉤的起重設備，通常只需要對荷載分配一次就可以滿足起吊要求。對于吊鉤數(shù)量少、吊點較多的吊裝作業(yè)，通常需要通過吊梁對荷載進行多次分配才能滿足起吊要求。

4.4 穩(wěn)性與耐波性分析

海上風電項目施工所用到的各類船舶通常需要在不利海況環(huán)境中進行作業(yè)，在風、浪、流的聯(lián)合作用下，船體的穩(wěn)性能否使船體在搖晃中離開了垂線后自動回正對于海上風電項目施工的安全至為重要，船舶的靜穩(wěn)性曲線和重力穩(wěn)性曲線是了解并分析船舶穩(wěn)定性最基本的資料。船舶穩(wěn)定性分析的內(nèi)容較多，按船舶的傾斜可分為橫向穩(wěn)定性與縱向穩(wěn)定性；按傾角大小可分為初始穩(wěn)定性與大傾角穩(wěn)定性；按荷載的作用性質(zhì)可分為不考慮角加速度和慣性矩的靜穩(wěn)定性與考慮角加速度和慣性矩的動穩(wěn)定性；按船舶是否破艙進水分為破艙穩(wěn)定性和完整穩(wěn)定性。

在船舶的耐波性滿足要求后，需要對船舶在不利海況條件下進行施工作業(yè)的可行性進行分析。當船舶具有較好的耐波性時，不會發(fā)生嚴重的船體抨擊和上浪現(xiàn)象，可以有效提高施工作業(yè)的效率。然而，耐波性分析是一個比較復雜的問題，通常不能僅僅用一個指標來進行衡量，而且目前對于衡量船舶耐波性的指標也沒有形成共識。其中，改善船舶的縱搖、橫搖與垂蕩性能是提高船舶耐波性的主要任務。對于海上風電項目施工所使用到的船舶而言，般體越大，其耐波性越強。具體表現(xiàn)為：船體越長，其縱搖的耐波性能越好；船體越寬，其橫搖的耐波性能越好。此外，船體是否有外飄的干舷和是否設有減搖鰭，對于船體的橫搖耐波性有明顯的提升作用。而對于船舶的垂蕩性能，則主要通過船體的錨泊系統(tǒng)進行控制。

5 結語

風力發(fā)電作為一種可再生清潔能源，是從碳達峰走向碳中和的重要助力部分之一。海上風電項目建設的快速發(fā)展既是深入貫徹落實習近平生態(tài)文明思想的有力舉措，也是推動行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的關鍵保障與內(nèi)在支撐。固定基礎式海上風電項目與漂浮基礎式海上風電項目雖然存在較大的差異，但在施工層面有較多的共性可以參考和遵循。施工過程中，在結合具體項目的實際條件下，可以借鑒已有的總結和經(jīng)驗編制有針對性的施工方案。在共性中尋求特性，力求在技術可行、經(jīng)濟合理前提下，充分利用現(xiàn)有資源，全方位實現(xiàn)海上風電項目重安全、高效率、低成本的施工目標。