从一起事故谈海上风电风险与防控

（一）事故概况

2020年7月8日，国内某新能源装备公司旗下的海工平台在作业过程中发生海水漫浸事故。据悉该作业平台2019年12月刚刚完成交付，其中不少新颖设计皆为国内首创。根据该平台的设备配置，其应该具备良好的操控性能，能在特殊、恶劣的安装环境展现高效的作业能力。此次事故是该作业平台接获的首个项目，而距其成功完成 “首秀” 也才三个月。本次事故造成直接损失数亿元，且多个项目后续的施工安排均受到不同程度的影响。截止目前为止该平台仍未完全脱困。

为什么这样一艘设计先进，装备良好的海工作业平台在海况并不十分恶劣的情况下出现如此惨重的事故呢？本文试图从自升式平台设计和操作原理、典型事故及诱因、以及防控手段等几个方面给非专业的读者做一个深入浅出的讲解。

（一）什么是自升式作业平台（Jack-up Unit）：

自升式海工作业平台，本质上是一种配备可伸缩“支腿”的浮式驳船，海工界习惯上称这种船为“Jack-up Rig” 或“Jack-up Vessel”。自升式平台的主要组成部分包含船体（也叫上浮体或Hull），支腿（legs, 通常为三个或四个，最多有六个），桩靴或沉垫（Spudcan或Mat）以及船体与支腿间提供上下移动及锁紧功能的提升系统（Jacking House），见图 1。根据平台使用功能的需要，船体通常被设计成三角形、长方形或多边异形。船体甲板通常用来摆放钻井架，吊机，其他设备以及生活居住空间。平台支腿有开放式桁架和圆柱型两种类型，而桁架腿的截面形状也包含三角形和四边形两种。根据作业水深的不同，支腿的设计长度一般从几十米到超过100米不等，目前已知的最大作业水深可达120米。

图 1 自升式平台示意图

自升式平台的独特之处在于它是一种混合结构，其船体允许漂浮因此当它入水时能提供足够的浮力支撑全船的重量（某些平台自重超过万吨）。因此平台可以自航或在拖轮的辅助下，通过短距离的移动实现转场或重新定位。当到达作业位置时，支腿延伸至海底并插入海床深处。此时桩腿加桩靴可作为平台的临时基础，提供垂直支撑和水平力及力矩约束，以抵抗风和波浪荷载。升降系统完成插桩后另一项功能是将船体抬出水面消除波浪力对船体的影响。随着天气或水文条件的变化，升降系统还可以继续升高或降低船体高度，保留足够的气隙以便继续作业。因此在作业状态下，自升式海工平台几乎等同于固定式平台。

自升式作业平台是一种源自于海上石油天然气开发的装置，首次于1954年被作为钻井作业平台使用。因此自升式钻井平台是一种最常见的自升式平台类型，负责大多数海上钻井。据统计目前该类型平台的全球保量超过800台。除此之外，自升式平台还包括生产平台、海洋地勘平台、生活居住平台以及最近比较多出现的海上风电施工平台（OWIV）。

（二）自升式平台作业方式：

按照国际ISO组织的定义，自升式海工平台海上作业和操作模式确定为以下四种：

§  短途运输，即自升式平台从一个位置移动到另一个位置，可自航或通过拖船湿拖。转运过程中桩腿处于回收状态。

§  插桩作业，即自升式平台通过将支腿定位在海床上并将船体安全地抬离波浪区使船体达到安装作业高度。在这一阶段，需进行预压作业，以确保海床有足够的承载力。

§  正常作业模式，此时自升式平台船体位于波浪区上方，能够执行其他任务如勘探钻井、风力发电机组吊装等。见图 2

§  拔桩，即自升式平台将支腿从海床上回收，准备移动到新位置。

图 2 海上风电机组吊装

上述作业模式的定义并不包含远距离运输。尽管某些类型的平台具备自航能力，但是长距离特别是跨洋的运输绝大多数仍依赖于半潜运输船。此时平台被当作货物而无需启动任何自身的设备，因此长途运输不被看作是作业模式的一种。实际的移动操作，自升式平台以浮动模式由拖船拖至现场或自行推进。

自升式平台最重要的两个作业模式是插/拔桩腿。平台就位后，支腿在升降系统的驱动下下降直至桩靴深入海床一定的深度。此时插桩的深度取决于升降系统的机械驱动力以及平台本身的重量（包含船上所有的配载但减去浮力），而此时的压载有可能小于预期的操作负荷且插深尚未达到固定平台所需的设计深度。为了给平台的运行提供足够的安全系数，需要逐渐减少浮力并在船体内的水舱中加入海水提供额外的压载增加地基预压力。通常基础预加载需达到预期操作负荷的1.5倍左右，经过计算的典型的单腿预压载通常在4000~6000吨。相应的桩腿及桩靴只有插入更深的土层才能获得足够的承载力。图 3展示了地基承载力与土层深度的对应关系。

图 3插桩示意图

预压载完成后，下一步将是利用升降系统将船体顶出水面，直到达到安全作业所需的气隙。在进行这项操作时，必须仔细观察船体和升降系统的荷载和特性并注意将这些数字保持在设计限值内。当船体达到其工作气隙或作业标高时，顶升系统将停止工作，同时启动制动器和支腿锁止系统。一旦这一过程完成，整个作业平台就可以正常运行了。自升式平台拔桩回收的过程即为插桩的逆向过程，但考虑到淤泥吸附或回淤的情况可能需要启动冲泥装置才能回收桩腿或沉垫。

平台进行正常操作时，除了遵守操作和设备的设计限制外，没有任何需要采取的特殊措施。在作业过程中，必须不断监测天气。如果预测到任何超过预设操作条件的海况，则必须停止操作，并将自升平台切换到风暴生存模式。在这种模式下，所有设备和仓房必须完全系固锁紧，并且要格外小心确保所有水密门窗关闭。如果预测到台风天气，则应采取额外的预防措施，疏散船员和施工人员。

（三）自升式平台典型事故：

自升式平台独特设计和作业模式使其在安全移动和安全操作方面面临挑。一般来说，平台移动期间发生的事故比平台在现场升降船时发生的事件更为频繁。平台移动事故对平台所有者和运营商来说代价高昂，不仅是因为直接的抢救和维修成本，还因为相关的非生产时间延长。虽然平台升降期间的事故更为罕见，但类似事故会产生更严重的后果，例如平台全损、导致人员死亡和严重的环境污染问题等。

图 4 渤海二号事故现场

湿拖过程的安全问题一直以来都被业界所关注，特别是在有大浪或恶劣天气的情况下。1979年11月25日，石油部海洋石油勘探局"渤海2号"钻井船在渤海湾迁移井位拖航作业途中翻沉，遇难72人，直接经济损失达3700多万元。这是天津市、石油系统建国以来最重大的死亡事故，也是世界海洋石油勘探历史上少见的事故（见图 4）。据统计平台运输过程中发生的事故接近全部自升式平台事故数量的50%左右。

自升式钻井的最大危险之一是平台的一个或多个支腿迅速贯穿桩靴下方的地层而发生穿刺。穿刺将导致支撑腿部受损，平台失去平衡，并可能对人的生命造成危害。无论是更高的环境荷载还是更大的水深，这都会增加自升式平台的需求并显著提升平台自身的重量，其结果导致桩腿穿刺的可能性也显著增加。

由图 3可知随着土层深度的增加，典型土壤的承载力也会增加。但当某个土层下面存在一个强度较弱土层时，该软弱下卧层的土壤承载力不足以支撑桩尖压力。在土壤破坏或支腿移位的情况下，受影响的支腿将失去部分承载能力，并迅速开始向下移动而顶升系统无法应付支腿向下移动的速度。受影响的腿所承受的一些载荷将转移到其他腿上，这也可能使它们过载。失效的支腿将继续深入土壤中，直到土壤提供足够的支撑或直到船体入水靠船体浮力来阻止穿透。当船体离开水平面时，支腿都将经历增加的横向荷载和弯矩并通过导向装置转移到船体上。随着导向荷载的增加，一些支撑将开始承受较大的压缩荷载。所有设计的自升式平台在插桩过程中都可能发生穿刺事故，事故最终可能导致顶升装置、支撑和弦杆发生剪切、支屈曲、冲切剪切和接头损坏等永久性结构破坏。

根据行业内的统计分析，此类意外事故表现形式还包括：

•桩腿初始贯入深度超过最终预期值；

•达到承载力时的最终贯入度超过预期

•各腿贯入深度不均匀

•溜桩

•穿刺

•侧向失稳

•不均匀的海底地貌、先前的插桩足迹导致的承载力不均匀

•自升式平台退场过程中出现拔桩困难。

总体上海上作业安全性以可观的速度提高，但在海事作业过程中，自升式平台的可预测性和相应的安全性方面尚未取得明显的提升。在插拔桩过程中，不可预知的地基表现经常导致平台损坏、生产时间损失和工程延误、严重的成本影响、最坏的情况可能危及人员生命。据统计，绝大多数事故都是由于不重视甚至不开展前期的技术准备工作，缺失切实可行的应急管理程序所致。省小钱赔大钱，未免得不偿失，因此，从科学合理的技术方法中要安全、要效益便成为智慧之选和解决之道。

海洋工程的地基基础设计非常关键。地基基础作为整个自升式平台的最终且唯一“落脚点”，其成败直接关乎整个平台的安全性与可靠性，须工程各方加以高度重视和技术保障。行业公认的做法是依照特定的指南（如SNAME，2008年）进行详细的岩土工程勘察和预测分析，即特定场址评估（Site-specific Assessment, 简称“SSA”）。通过识别影响自升式平台在特定场址作业的关键因素，并对其进行分析以评估该平台能否完全满足该场址作业的要求。分析的内容一般包括：

§  定位桩贯入度和穿孔或快速贯入的可能性。

§  几何结构。

§  倾覆稳定性。

§  地基强度。

§  结构强度。

开展特定场址评估的原因主要是由于现场参数与设计假设不同，或者有些方面在设计阶段没有充分考虑。由于海事作业的特定性、临时性等特征，作业活动本身的技术工艺细节不在船级社或海事监管机构的监管、审查范围。因此船级社或监管机构一般对此不做具体要求和规定。然而，由于移动式平台难免经常发生移位并再就位，这就涉及到降船、拔桩、拖航、插桩和升船等一系列操作，每一步海事操作都充满着更高的风险。尤其是到了一个新的场址，海床地貌平整性、地勘数据的准确性、可用性及数据的解读等又进一步加大了风险，于是形成了一个高风险的“真空地带”。委托专业的咨询公司进行特定场址的评估并出具SSA评估报告，通过这样技术手段和过程做到事前预判，从而减轻风险，减少事故的发生，才能填补所谓的 “真空地带” 。

除了从海工岩土分析这个角度预判作业安全性以外，严格执行船舶操作作业流程也十分重要。随着大量施工作业船舶在短期内集中投放进市场，有经验的船员特别是特种岗位的船员的供需矛盾日益突出且短期内难以解决。船员经验的缺失导致其不能正确的操控设备，无法判断现场出现问题的原因、没有相应的应对手段甚至采取错误的做法导致船机的损坏。图 5 为某平台升降系统齿轮箱报废的情况，报废的原因就是由于操作人员发现桩腿不能顺畅的升降时仍然强制升降系统工作，最终导致齿轮箱报废。事实上，无论是自升式平台的移动还是插拔桩的操作业界都有相应的指南（见参考文献a和b），且每座平台都有针对专门操作的手册。严格执行船舶操作流程才能从根本上保障人、船、货物的安全。

图 5 升降系统齿轮箱报废

参考文献：

a) Guidelines for the Selection and Operation of Jack-ups in the Marine Renewable Energy Industry

b) Joint Rig Committee Rig Move Code of Practice (COP) and Rig Move Warranty Survey Scope of Work (SOW)

本期作者:谭海阳博士  

就职于挪威船级社（中国）有限公司（DNVGL）油气集团，海工咨询保障部门的技术经理，在东南亚及澳洲海洋工程领域有15年以上的工作经验。他的经验来自于海工结构的计算分析及安装工程。他曾在包括LOC, Hallin Marine, McDermott 和 ARUP等多家的咨询及EPCI公司担任技术工作，于2012年加入德国劳氏工业服务有限公司并于2014年与公司一起并入DNV GL集团。

他拥有新加坡南洋理工大学结构工程博士学位，并具有英国及澳大利亚特许工程师资格。

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