0 引　言

党的十八大以来，海上风电产业得到了迅猛的发展，到2020年底为止我国的装机总容量累计已经超过900×10⁴ kW，随着我国的双碳战略目标实施，海上风场的规模不断扩大，在十四五期间我国预计沿海的风电新增装机总容量必将超过3200×10⁴ kW，同时预估到2030年全中国沿海的风电装机总容量将远超5000×10⁴ kW规模^{[1 − 3]}。随着大型风场的发展，运行维护母船（简称运维母船）作为海上运维基地的运维模式越来越凸显其优势，国外风场已经广泛推广，对于大工作量的风场巡检、运维等基本上实现了驻场完成而非频繁往返，极大地缩短了运维距离和时间，海上风电机组的停机时间显著的减少，风电场运维效率得到了极大的提高 ^{[4 − 5]}。

运维母船目前主要发展为船型和自升式平台2种型式，各有各自的优势：船型运维母船受风浪影响较大，对于长时间驻扎的运维人员居住舒适性较差；自升式运维平台可固定于海面上，舒适性好，但可移动性差，灵活性不够。半潜形式的运维母船可以兼顾船型及自升型式的运维母船优点，即可以在风浪条件下提供更加舒适的生活环境又可以灵活移位^[6]。

稳性对船舶和海洋结构物的安全有十分重要的影响，是船舶和海洋结构物的基本安全保障，也是船舶和海洋结构物设计、制造和运营领域中一个非常复杂的课题。许多国家和学术组织投入了大量科研经费和科研人员积极展开这一重要领域的研究，以推动船舶和海洋结构物稳性的研究进展。

为了更好地满足市场需求、积累更多的设计经验及增加技术储备，本文基于中国沿海为作业海域，运用NAPA商业软件进行数值分析模拟，主要开展风电场半潜式运维母船稳性的相关研究，最后将计算结果进行对比分析，提出了半潜式运维母船稳性设计的重点和难点，对我国今后风电场运维母船的开发和设计有着积极和重大的意义。

1 中国沿海风电场总述 1.1 沿海风场情况简介

我国沿海的风能储量十分丰富，总体储量估算大概7.5×10⁹ kW，开发的前景十分广阔，水深5～50 m、高度70 m的海上风电可开发资源共约5×10⁹ kW，占总体资源的2/3左右。在我国沿海省份的风场中，目前海上风电规模最大的当属江苏省，占据了全国的五成以上，山东、辽宁目前都是试点起步阶段。十四五期间各省仍将大力发展海上风电项目，广东和江苏仍是未来支持力度最大的区域，尤其是广东省，远景规划规模远远高于其他省份。我国东南沿海省份凭借地理优势及相应的技术、市场支撑，对海上风电的发展做了详细的规划和大力的支持，尤其是闽粤江浙区域发展潜力巨大，也是运维需求巨大的区域^[3,6]。

在中国东南沿海各主要风场省份中，广东、江苏在公布的海上风电十四五规划里，明确提出了新建的沿海风电场都必须满足“双十”条件，即原则上沿海风电场址需要布置在离岸边≥10 km、沿海滩涂宽度≥10 km时则对应海水深度≥10 m的区域。同时通过对各省份的统计信息进行综合比较分析，大致可以得出风场主要特点如下：

1）江苏省已建风场离岸最远，水深变化平缓；

2）浙江省风电场主要分布在离岸距离30 km以内，水深在30 m以下；

3）福建省风资源最丰富单机容量最大；

4）广东省海上风电场集中，单个风场总容量大；

5）广东与福建沿海水深变化大，同一风场基础形式种类多。

以上的四个主要沿海风场省份已经建成的风电场中，广东省阳江沙扒风场为国内首个百万千瓦级项的目；江苏大丰H8-2为国内离岸最远的风电场；福建福清兴化湾单机10 MW是国内已建风场最大机组，福建长乐外海39～42 m水深为目前已建风场的最深水域。

1.2 运维母船作业工况

海上风电机组设计寿命一般为25年左右，只有不断的对风机进行保养维护，才能保证其能够正常工作，因此风电场运行维护是海上风电场全生命周期中十分重要的一个环节，也是海上风电成本非常主要的组成部分，在每度电成本中，运维的费用占到大约30%～40%。根据海上风电机组维护的分类，主要可以分为以下3个方面的工况^[7]：

1）计划性的维护

计划性维护是根据海上风电机组部件维护要求而进行的定期性维护工作，其又主要包括日常的巡检、半年维护、年度维护三类。通过定期的维护和巡检、提供机组稳定性，保证机组正常运行。伴随着运维智能化的日益提供，对风机故障的预防所占的比重越来越大，通过前期的监测、维护、保养，使风机的问题能够早发现、早处理，尽可能地减少风机的停机时间，进一步来提升发电效率，降低发电成本。

2）非计划性的维护

非计划性的维护主要是针对机组突发的电气设备故障、机械设备故障等来进行处理，以及齿轮箱油的更换作业等。

3）技改和大部件的更换

对于技改和大部件更换来说，是风电机组发生的大型维护作业，需要依据特定的情况来确定使用具体类型维护作业的大型装备，运维母船仅进行辅助作业。

运维母船作为海上风电场的常规运维装备，需要长期驻守风电场中，主要进行日常维护和突发性的故障处理，因此运维母船需要满足计划性维护和非计划性维护等作业工况的基本要求。

1.3 运维母船作业环境

中国南海的海上风电场均位于南海北部，因此主要考虑南海北部区域的环境条件。南海北部海域是全球热带气旋活动最活跃的地区之一，也是海上油气田分布较集中的海域。热带气旋产生的极端风、浪、流条件一般是结构设计的控制因素；而季风条件通常是正常作业的环境标准。对于东海和黄海海域，则分别将二者划分为东海南部海域和东海北部及黄海海域两个区域，东海北部及黄海海域季风条件下的风速和波浪极值随纬度变化并不明显，可以参考东海南部海域条件。

半潜式运维母船海上作业明显会受到海洋环境的影响，根据海上风机作业的相关国家标准GB/T37424-2019的要求^[8]，当海上风速超过12 m/s时，风机机舱盖不允许被任何人打开，来进行轮毂内作业以及舱外作业；当海上风速到达18 m/s时，全部运维工作人员需要做好准备，提前不少于2倍海上航行回程的时间，按计划回撤到港口或安全的区域。

半潜式运维母船受风场吃水限制，主要服务于水深20 m以上区域。综合考虑海上作业的风浪等级的适应性，结合相似船型的作业能力限制，选取了作业环境限制条件为风况等级6级、海况等级为5级；考虑流速的不确定性，选择相对较大的流速2 kn；而对于总体强度分析，作业条件的有义波高选择为2.8 m。但是当遇到更为恶劣的作业环境条件时，运维母船将根据天气预报提前进港避风^[9]。

2 半潜式运维母船布置与分舱

通常来说，运维母船需要存储大量的运维需要的工具和备品备件，因此运维母船上需要提供大量的甲板面积和可变载荷，可用的甲板面积应不少于400 m²，并可通过自身的吊机进行转运。对于齿轮箱油的更换，母船上需要提供专门的撬块存储位置，用于专用换油设备的布置，并提供各种润滑油的存储区域和废油的储存舱室，具体视海上风电运维规模的大小而确定。不仅如此，运维母船还需要设置舱室来提供足够的燃油和淡水供运维工作艇以及运维工作人员日常所用。而对于突发性的较大零件更换，如电气、轮机等部件更换，通常零部件重量不会超过1000 kg，此时无法依靠人力进行转运，此种工况需要由母船配置的吊机吊运至风机的塔筒平台，由风机机组的起重机吊运至机舱。运维母船的甲板上需要储存大量的备品备件及各种临时设备、工具，还包括各种桶装齿轮箱油品等，作为自身补给，这种工况下需要运维母船依靠自身的吊机设备，将补给船上的物资转运到主甲板上，此类物资通常以集装箱的形式运输，因此运维母船满足标准集装箱的转运要求。

半潜式运维母船通常需要依据以上的功能要求来进行总体布置与分舱设计。

在运维母船浮体首尾设置4个推进器舱室及泵舱，航行中仅尾部推进器工作，因此尾部外底板设计线型，确保推进器不低于基线。为了减少航行吃水，首部推进器采用伸缩式，同时为了取得更好的定位效果，推进器尽可能向首部布置。推进器舱、泵舱外侧设置压载舱，起到保护作用，其余区域分隔为若干压载舱。从图1～图3可以看出，在浮体区域，优化推进器舱和泵舱布置，在这两类舱的侧面，分别分割出一部分作为压载舱。另外，泵舱底部也划出部分区域作为压载舱。

运维母船的立柱区域主要为管廊、通道，将淡水舱设置在首部2个立柱内，其余区域根据压载需求设置压载舱和空舱。具体来说，将立柱外侧和内侧分别分割出一部分作为压载舱使用，而将淡水舱从甲板箱体区域挪到立柱部分，这有效降低了母船装载状态时的重心。立柱在作业吃水附近，设置交通小艇的登乘和靠泊平台。

运维母船上船体主要分为机舱区和生活区（见图4），尾部为主要机械设备间，布置发电机、电气设备、机修设备等，机舱双层底设置污油舱、舱底水舱等。上船体首部布置生活区，包括空调机室、厨房、餐厅、冷库等。为了提供较大的甲板面积，运维母船主甲板区域（见图5）的各种空气头、排烟管等都尽可能集中、靠边布置，为甲板中间宽敞区域预留较大面积，用户可以灵活应用。首部生活居住区的左右舷各设置一个吊机，在平台右侧设置登乘装备。

本运维母船的布置与分舱有效增加全船的压载舱容积，总压载量达到约6800 m³，其中浮体区域就达到约4500 m³，有效提高了母船的稳性能力。另外，将淡水舱从甲板箱体区域挪到立柱区域，有效地降低了母船装载状态时的重心。优化后的母船中，淡水舱容积约500 m³，燃油舱容积约1000 m³。优化的分舱布置使运维母船完全满足规范中完整稳性和破舱稳性的要求。

3 适用于半潜式运维母船稳性分析的规范规则

基于作业海域是中国沿海，本文半潜式运维母船参考中国船级社发布的《海上移动平台入级规范》2023、中国海事局发布的《海上移动式平台技术规则》2023等规范规则进行完整稳性和破舱稳性分析。

3.1 完整稳性衡准

运用到半潜式运维母船完整稳性分析^[10-11]的相关具体衡准，具体可以参照以下几点：

1）对母船而言，其复原力矩曲线到进水角下方的面积，对应到同一个限定角下，参见图6，最少需要比风压倾侧力矩曲线下的对应面积大30%；

2）对母船而言，所有复原力矩都需要为正值，从0°到第2个交点所对应倾角整个范围内；

3）对母船而言，初稳性高度应大于等于0.15 m，在它整个吃水范围内，且经过自由液面修正之后。

3.2 破舱稳性衡准

半潜式运维母船破舱稳性分析包括碰撞破损分析和浸没破损分析^[10-11]，与之相关的衡准具体可以参照如下内容。

3.2.1 碰撞破损衡准

母船必须有充足的干舷，通过舱壁和水密甲板来进行物理分隔，确保提供充足的浮力、稳性，使母船在所有的迁移工况和作业工况下，受到规范设定的破损状态后，仍然可以承受来自所有方向的风速为25.8 m/s（50 kn）所产生的巨大风压倾侧力矩。同时，还必须符合以下规定：

1）母船的倾斜角应不大于17°；

2）母船位于最终平衡水线以上4 m范围内的所有开口应该为风雨密开口，最终平衡水线以下的所有开口都必须为水密；

3）在母船的上述破损发生之后，参见图7，从图上第1交点到第2交点或者所要求的风雨密完整性的范围（取以上小者）所覆盖的倾角范围应该≥7°；在这个倾角范围内，最少应该有一处倾角满足如下条件，即该倾角所对照的复原力矩数值两倍于该倾角所对照的风压倾侧力矩。

3.2.2 浸没破损衡准

在母船迁移作业或作业工况下，母船均必须具备足够的浮力、稳性，使母船可以在所考虑水线以下的布置有海水冷却系统的机舱、专用泵舱或与海水紧邻的舱室，任一部分或全部浸水时：

1）母船倾斜角应不大于25°；

2）母船位于最终平衡水线以下的所有开口需要为水密开口；

3）如图8所示，根据此类的情况，分析计算求得的倾斜角以外7°的范围之内都需要为正稳性。

4 稳性分析 4.1 风倾力矩计算

通常来说，风倾力矩的具体数值^{[10 − 11]}被认为是一个影响稳性分析最终结果的重要因素。对于本文半潜式运维母船的风倾力矩计算，主要是运用商业软件NAPA ^[4]来进行三维仿真建模的方法来确定，该模型主要包括甲板箱体、母船立柱、横称结构、双下浮体、人员生活楼、甲板吊车、直升机平台等组成部分。风倾力矩的基本原理计算式为：

$ F=0.5C_S\cdot C_h\cdot P\cdot V^2\cdot A。$

(1)

式中：F为海上风力，N；C_S为母船受风构件的形状系数，规范中选取；C_h为母船受风构件的高度系数，规范中选取；P为海上空气比重，1.222 kg/m³；V为海上风速，m/s；A为母船受风构件所产生的投影面积，对应于正浮或者倾斜状态时。

基于运维母船的整个作业周期，其风倾力矩数值计算采用了以下3种工况：

1）运维母船运营作业工况，吃水13 m；

2）运维母船风暴自存工况，吃水11 m；

3）运维母船航行迁徙工况，吃水6.8 m。

另外，母船三维风模型可以参考图9所示。

半潜式运维母船在进行稳性分析时稳性轴一般采用从0^o～360^o的范围，同理所有方位角对应的风倾力矩也都需要计算。总体来说，方位角从0^o～360^o时，采用15^o～30^o作为间距。而对于风压倾覆力矩的计算，应当从该母船水下壳体侧方向阻力中心量至总的受风表面的压力中心，采用垂直量计的方法。

4.2 稳性分析结果

本文半潜式运维母船的完整稳性和破舱稳性分析结果，组成了稳性分析的最终结果。该结果就是母船整个作业周期内所有工况下的许用重心高度曲线（又称为许用VCG曲线），许用VCG曲线应当给出作业、自存、迁徙等状态下（对应这些状态的吃水）的许用重心高度（又称为“许用VCG”），并将这些吃水下的许用VCG按顺序连接成一条平滑曲线。母船在海上的实际工况装载状态下，经过了规范要求的自由液面惯性矩修正之后，所有的实际工况重心高度（又称为“实际工况VCG”）全部在许用重心高度曲线之下，就可以说明该母船的稳性完全符合规范规则的要求。表1和表2分别为本文运维母船完整稳性、破舱稳性等分析结果，图10为母船的许用重心高度曲线。

由表1～表3以及图10，得出以下结论：

1）在作业、自存和航行工况下，这些实际工况VCG全部在许用VCG曲线之下，表明本运维母船的稳性完全符合规范规则要求；

2）随着吃水不断变大，母船许用VCG和实际工况VCG这二者的数值都呈现下降趋势；但是在自存工况吃水下母船许用VCG数值下降略大；

3）完整稳性计算中，母船不同工况吃水下的决定稳性轴不完全相同；破舱稳性计算中，母船不同工况吃水下的决定破损工况基本不同；在做计算分析时需要格外注意。

5 结　语

1）稳性对半潜式运维母船有着非常重要的影响，其总体设计方案必须以满足稳性分析要求为前提；

2）风倾力矩的具体数值被认为是一个影响稳性分析最终结果的重要因素，如果条件允许，母船的风洞试验在整个设计的初期就应当有序开展，以便获取准确的风倾力矩；

3）许用重心高度曲线可以作为半潜式运维母船稳性分析结果的最直接反映，在经过相应主管当局的审批后，必须写进母船的操作手册；其对母船的安全运营具有至关重要的指导意义。

通过以上分析可以看出：半潜式运维母船对于稳性的要求很严格，总体设计难度相对较大。对于今后我国承接的半潜式运维母船产品，必须仔细阅读说明书中关于稳性的规范规则（特别是某些地域性法律法规），并且慎重的研究；不然会带来稳性不满足要求的情况，甚至会出现设计颠覆性问题等严重情况。