超大型自航自升式海上风电安装船关键设计与建造技术

1、超大型自航自升式海上风电安装船关键设计与建造技术（一）项目名称： 超大型自航自升式海上风电安装船关键设计与建造技术（二）推荐单位： 中国航海学会（三）项目简介：本成果属于交通运输行业中的船舶、舰船工程和机械制造工艺与设备交叉学科领域。我国经济运行成本较高， GDP能耗是世界上最高的国家之一，加上日益突出的生态环境问题，风力发电等清洁能源开发刻不容缓，国家已将“绿色 GDP”和海洋开发、新能源开发提升至国家发展战略高度。但由于海上风电场建设的专用装备还基本处于空白，导致我国风电资源开发仍主要集中在陆地及沿海滩涂， 10-45 米水深区域风电开发能力尚未获得有效突破， 其根本原因是： 没有掌握海上

2、风电安装重大装备的先进设计与制造技术。本成果的完成单位从 2007 年开始，依托国家重点新产品计划、江苏省重大科技成果转化项目基金、 江苏省科技支撑计划项目基金和企业自筹研发等项目， 深入系统地研究了超大型自航自升式海上风电安装船研制的成套关键技术。主要技术创新如下：创新点 1：突破陆上风机安装和海上浮吊起重传统设计思路，结合应用海况条件，通过海上风电安装船总体和结构性能研究， 研发了八边形 6 根桩腿和圆形 4 根桩腿两种新船型，该船型集装载运输、自航自升、重型起重、动态定位、海上作业等多种功能于一身，是世界上最先进的海上风电安装和运输作业的高效专业装备，可以适应任何海域的近海风电场建设。创

3、新点 2：采用了大型模块化建造、液压传动控制、提升自锁限位等全功能制造综合集成技术，首次实现了超大型海上风电安装船平地高效建造，攻克了海上风电专用装备整体建造关键技术，比同类国际产品建造周期缩短了3 个月。创新点 3：首创桩腿变形控制和总成建造技术，发明了一整套超高超厚强度钢焊接工艺，解决了 100mm厚的 E690 超厚超强板焊接工艺及变形控制，创造性的设计了自转式吊柱、超大吨位吊梁、自锁限位装置等工装，实现桩腿一次性切割无修正工艺、一次成型并安装到位，完成了桩腿总成建造。桩腿直线度公差控制在± 5mm范围内，桩腿对角导轨板平行度控制在± 2mm范围内，整条桩腿制作精度完

4、全达到设计和使用要求。创新点 4：突破了自升式风电安装船提升控制核心技术，独立研发的液压桩腿升降系统为每根方型壳式桩腿提供世界最强的7500KN（千牛）预压载力，可提升船体重量20000 吨。提升控制系统通过直观的操作界面，可实现整船的提升控制。整船插桩试验方法、桩靴设计及冲桩系统研究，验证了桩腿及其系统设计及建造的创新。该项目获得多项自主知识产权，共申请发明专利41 件，已获授权 22 件；申请并已获授权实用新型专利 4 件。编写企业标准 20 个，发表论文 14 篇， 2012 年本装备获得国家科技部重点新产品及江苏省首台套重大装备认定。 。本项目从近海风电能源开发的国家能源发展战略出发，

5、 针对海上风电安装专用装备的瓶颈问题，通过对总体和结构性能、建造技术的大量研究工作，在载荷、结构设计、制造技术与工艺、桩腿总成建造、 动力定位系统设计等方面获得了创新性成果。成功制造出国际首台具有自主知识产权的超大型自航自升式海上风电安装船，该船集装载运输、自航自升、重型起重、动态定位、海上作业等多种功能于一身，是一种全新的海洋工程船舶。该船最大载重量 6000 吨，每次可载运 10 套海上风电机组；艏部安装 3 台侧向推进器，艉部安装 3 台全向电力 / 液压推进器，设计航速 12 节；采用 DP-2 动力定位系统，系统集成测量、控制、全向推进等功能，可保证船舶高精度定位；全船有六根液压式自

6、升桩腿，单根桩腿总长 70 米，提升能力 3750 吨，船体最大提升高度 50 米，可保证 45 米水深条件下的安全作业，可快速平稳提升船体离开（风浪海面） ，成为安装作业平台；配备一台 1000 吨主吊和一台 50 吨辅吊，海面以上最大提升高度超过 120m，具备 7MW海上风电机组整体吊装功能，可在4.8 米浪高和 14 m/s 的风速下完成海上风电机组的高精度高效吊装。进行了系列化研发及产业话，填补了国内该类船型空白， 整体达国际领先水平。申报单位新增产值 332428 万元，新增利税 36521 万元（其中缴税总额 5958 万元，净利润 30563 万元），出口创汇 51858 万美

7、元； MPI船东出租 E.ON公司新增效益 2.4 亿美元（ 3 年合同金额），社会效益显著，具有广阔的应用前景（四）主要完成单位及创新推广贡献：主要完成单位创新推广贡献在船体结构设计与自重控制技术、 桩腿变形控制和总成建造技术、提升控制技术、整船插桩试验技术等方面进行深入研究（创新点 1，3）。在大型海上风电作业船船型研究、全船结构有限元分析、重量控制和建造、吊机安装南通中远船务工程有限调试、桩腿应力分析和总成建造、全船电液系统调试、控制与动力定位系统集成和调试等方面取得了突破（创新点公司2， 4）。相关成果获授权发明专利 21 件，通过实审发明及新申请发明专利 18 件。成功设计建造 4

8、座海上风电作业船项目，研发成果得到了完善和推广，经过系列化和产业化实施，取得了良好的经济效益和社会效益。配合南通中远船务在船体结构设计与自重控制技术、桩腿变形控制和总成建造技术、提升控制技术、整船插桩试验技术等方面进行深入研究（创新点1、 3），相关研究中远船务 ( 启东 ) 海洋工成果在生产实践中全面应用，取得良好的经济效益。程有限公司配合南通中远船务成功进行 4 座海上风电作业船项目的安装调试，研发成果得到了完善和推广，经过系列化和产业化实施，取得了良好的经济效益和社会效益（创新点2、4）。作为主要完成单位之一，在项目实施过程中，申请发明专利 15 项授权 14 项，表论文 4 篇，开展了

9、自升式风电安装船工程力学研究和优化（创新点1、2），风车安装船东南大学的站立稳定性数值分析、超大型风电作业船桩腿稳定性的理论研究和数值分发析、船用厚板焊接温度场演变规律 （创新点 3）、自升式风电安装船升降系统强度非线性分析（创新点 4）等核心问题研究。对创新点的提出与完成做出突出贡献。配合南通中远船务，根据江苏省科技支撑计划项目“海上风电吊装和运输专用工作船研发” （BE2009118）要求，开展了风电吊装船基础和共性技术研究，完成风电吊装船航行性能研究和结构强度分析和优化的工作，吊机构设计和力学性能分析，进行了专用工作船船体平台自升装江苏科技大学置研发和设计工作，完成一中型海上风电吊装和运

10、输专用工作船设计方案。配合南通中远船务工程有限公司，参与江苏省重大科技成果转化项目“超大型海上风电安装的作业平台”（BA2011005），完成了超大型海上风电平台的性能计算、水动力性能分析和结构强度分析等相关工作（创新点1）。主要承担了该风电安装作业船的舷外海水提升装置研制及水动力试验研究（创新点 4）。在该风车安装船上首次提出了舷外海水提升装置的设上海船舶运输科学研究计理念，组织科研人员进行该装置在风浪流自然荷载组合作用下的物理模型试验，验证了该装置的可行性，提出了所优化设计方案。经实船在各种海况中的营运， 该装置经受了各种海况条件的考验，为类似船舶的设计提供了成功先例及宝贵经验，产生了良好

11、的经济效益及社会效益。在项目实施过程中，申报发明专利 21 项，授权发明专利 8 项。江苏大学充分发挥学科和人才优势，积极开展风江苏大学电安装船桩腿的板料切割工艺 （创新点 3）、安装精度控制、桩腿液压控制单元、桩靴形式及桩腿与桩靴连接方式研究，提高风电安装船桩腿板料切割和安装精度，改善了桩腿液压控制方式（创新点 4）。项目实施过程中，申请发明专利 6 项（已受理，公示中），江苏理工学院发表论文 1 篇，开展了大型风电安装装置的桩腿结构设计、装配方法（创新点 3），以及高精度液压桩腿升降同步提升控制方法（创新点4）等核心问题研究，提出了改进与提高大型风电设备海底稳定、精确安装作业的新方法。（五

12、）推广应用情况：（1）应用情况本项目组从 2007 年开始了相关基础技术的研究与开发、关键技术的攻关，并取得了重大突破。 随之实现了 “决心系列” 超大型自航自升式海上风电安装船建造并交付 MPI ADVENTURE(探险者 ) 、MPI DISCOVERY(开拓者 ) 共 2 台，现已交付荷兰 VROON公司，该平台已出租给 E.ON公司 , 船东新增效益 2.4 亿美元 (3 年合同金额 ) 。装备可操作好，运行状况良好，满足各种规程和标准，在技术和功能上都超越了原定的设计参数。（ 2）推广情况为丹麦 A2SEAA/S 公司设计建造的 “东安吉系列” -SEAINSTALLER（海上安装者

13、）、SEACHALLENGER（海上挑战者）并不是“决心系列”项目的简单复制，而在结构布局、吊车布置、提升系统、桩腿设计及形式等方面有了较大幅度的优化、完善与升级。实现了系列化的研发与推广应用。项目的整体应用技术已经用到特种深水铺管船、自升式海上生活平台和自升式钻井平台。项目相关的优化设计、总装建造和模块集成技术应用到了近年来承建产品的各种海工产品中。主要应用单位情况表应用单位名称应用技术应用的起止时间联系人经济、社会效益船东荷兰整体技术2009.01 Niek Spiljard2.4 亿美元 (3 年VROON公司2014.12合同金额 )船东丹麦整体技术2010.1 Keld1.5 亿美元

14、 (3 年A2SEA A/S公2014.12Rasmussen合同金额 )司中远自动化海水提升技2013-2015黄建军销售收入约 900术（局部技万人民币术）南通迪施液压提升技 2012-2015 葛文华术（局部技术）（六）曾获科技奖励情况：获奖项目获奖时间奖项名称奖励等级主要获奖人名称超大型顾翔 仇明 李群姚震球王振刚自升式海中国航海屠海洋庄建军上风电安2015年科学技术一等奖葛文华高家镛装船研制奖王思铭孙博文与工程应石磊王晓光张用甫杰 颜建军实现核心技术国产化样机装置授奖单位南通中远船务工程有限公司 中远船务（启东）海洋工程有限公司 上海船舶运输科学研究所 江苏科技大学 南通中远自动化有

15、限公司 南通迪施有限公司 江苏大学（七）主要知识产权证明目录：知识知识产权具国家授权号 / 登授权日期证书权利人发明人产权体名称（地记号编号类别区）发明一种八边形中国2012102302014.12.南通中远船务徐秀龙， 李杨，桩腿合拢限489.210工程有限公庄建军，许桢英，位定位方法司; 江苏大学 ;顾永玉，张永康，东南大学 ;王匀，徐昊，唐盛弢 ，闻武发明干坞插桩实中国2012102302014.11.南通中远船务庄建军，钱保义，验装置及实488.826工程有限公屠艳，李应杰，倪验方法司; 江苏大学 ;涛，王匀，张朝阳，东南大学 ;张永康，唐盛弢，王振刚发明一种风车安中国20121023

16、02014.11.南通中远船务顾翔，唐盛弢，张装船桩腿和486.926工程有限公永康，庄建军，李桩靴的连接司; 江苏大学 ;应杰，蒋家坤，顾方法东南大学 ;永玉，王振刚，管春松，张朝阳，王飞发明自升式风电中国2012102302014.12.南通中远船务倪涛，庄建军，欧安装船圆柱479.910工程有限公阳占欢，陈永明，形桩腿圆度司; 江苏大学 ;王匀，许桢英，蒋校正与保持东南大学 ;家坤， 屠艳，王器振刚，张永康发明风电安装船中国201210230南通中远船务张永康，屠艳，姚圆形桩腿预478.42015.9.1工程有限公辉学，李应杰，庄热焊接装置6司; 江苏大学 ;建军，许桢英，王及其预热焊东

17、南大学 ;飞，陈永明，徐昊，接方法王匀发明一种自升自中国2012102302014.12.南通中远船务倪涛，朱之红，李航式船的固476.524工程有限公应杰，庄建军，徐桩装置及方司; 江苏大学 ;秀龙，钱保义，郭法东南大学 ;晓东， 许桢英，王匀发明一种自升式中国2012102302014.11.南通中远船务顾永玉，庄建军，海工平台活474.626工程有限公王匀，朱之红，屠动桩靴司; 江苏大学 ;艳，李炳男，张朝东南大学 ;阳，张永康，唐盛弢，许桢英发明自升式风电中国2012102302014.7.2南通中远船务倪涛，沈翰，王飞，安装船桩腿473.1工程有限公屠艳，张永康，王翻身吊装方司; 江

18、苏大学 ;振刚，郭晓东，张法东南大学 ;朝阳，顾永玉，徐昊发明具有多类型中国2012102302014.7.2南通中远船务顾翔，唐盛弢，欧桩腿的超大472.7工程有限公阳占欢，倪涛，王型自升式风司; 江苏大学 ;飞，徐秀龙，庄建电安装船及东南大学 ;军，张永康， 许其设计方法桢英，蒋家坤，宋杰发明风车安装船中国2012102302014.9.1南通中远船务顾翔，唐盛弢，张桩腿和桩靴471.27工程有限公永康，庄建军，李的连接方法司; 江苏大学 ;应杰，蒋家坤，顾东南大学 ;永玉，王振刚，管春松，张朝阳，王飞发明海洋风电安中国2012102302014.9.1南通中远船务许桢英，朱之红，装船超大

19、吨470.87工程有限公徐秀龙，闻武，倪位塔头平台司; 江苏大学 ;涛，张永康，蒋家吊装方法东南大学 ;坤，李杨，庄建军，王匀（八）主要完成人情况表：技姓排术工作单完成单名名职位位称对本项目技术创造性贡献获得国家科技奖励情况主持了企业项目立项论证、设计及制造方案、安全建造分析，提出了整体设计及建造方法，提出高了一种自升自航式船的固桩装置及方法、海洋风南通中南通中1朱级电安装船超大吨位塔头平台吊装方法（创新点远船务远船务之1工和创新点 2）；解决了桩腿桩靴结构的不利于站桩无工程有工程有红程和拔桩的技术难题（创新点 3）；通过控制设计、限公司 限公司师采购、制造、质量和调试工艺等措施，实现了项目的

20、顺利交付。授权发明专利 3 件，授权实用新型专利 1 件，进入实审发明专利 3 件。高南通中 南通中 主持船体结技构设计和自重控制技术研究及提级顾远船务 远船务 升控制术的研究，授权 3 项核心发明专利，进入2工无翔程工程有 工程有 实审发明专利 9 件。对创新点 1、2、3、4 做出限公司 限公司 了突出贡献师中远船 中远船工务( 启务 ( 启 作为风车船项目建造负责人 , 对全船的总体优化仇东) 海东 ) 海 方法进行了深入研究，授权 实用新型专利 2 件，3程无明师洋工程 洋工程 进入实审 发明专利 5 项，对创新点 1、2、3 做出有限公 有限公 突出贡献。司司主持江苏省科技支撑计划项

21、目“海上风电吊装和运输专用工作船研发” （BE2009118)，参与江苏姚省重大科技成果转化项目“超大型海上风电安装教 江苏科 江苏科 的作业平台”（ BA2011005）项目。负责完成环境4震授 技大学 技大学 载荷与运动特性分析、风暴自存状态下桩腿部位无球动力响应等水动力性能研究。 对本项目发明点1、3 做出创造性贡献，发表论文5 篇（ EI 收录 2篇），研究报告 2 份。顾5 副 江苏大 江苏大 项目实施过程中，对“海上风电安装作业船”制无永教学学造过程中有关技术、工艺等方面的进行分析和研玉授究，重点开展桩腿液压控制单元、桩靴形式及桩腿与桩靴连接方式研究，发明专利 3 项。对创新点 3

22、， 4 做出突出贡献工南通中 南通中主持了优化 DP2动态定位和电力设计方案及绿色李远船务 远船务6程节能设计、驾驶室整体操作布局优化方案， 进入无群工程有 工程有师实审发明专利 5 项，对创新点 4 做出突出贡献。限公司 限公司项目实施过程中，对“超大型海上风电安装作业雷船”关键制造技术进行分析研究，重点开展装配教 江苏理 江苏理 过程的空间尺寸链优化设计以及桩腿高精度液卫7有授 工学院 工学院 压同步提升控制方法的研究，对创新点3和 4做宁出了积极贡献， 进入实审 发明专利 2 件，发表学术论文 1 篇。中远船 中远船对全船的总体建造方法进行了深入研究，为本项务（启 务（启颜工目建造进度制定作了关键