移動的海上工地

 
2017/12/11 郭玉樹 | 成功大學水利及海洋工程學系
許哲維 | 成功大學水利及海洋工程學系
鄭子煇 | 成功大學水利及海洋工程學系
許惠婷 | 成功大學水利及海洋工程學系
與離岸風場開發相關的海事工程 自昇式平台船裝載離岸風機接合元件 海氣象觀測塔施工前的繫固準備
  • 與離岸風場開發相關的海事工程
  • 自昇式平台船裝載離岸風機接合元件
  • 海氣象觀測塔施工前的繫固準備
 

近年來,環保意識抬頭,發展綠色能源成為政府主要推廣的政策。依照目前的規畫,將於2025年把再生能源的總發電量提高到845.0萬瓩,占全國總發電容量的15.1%,其中風力發電占5.3%。

 

台灣地狹人稠,且領土近三分之二是山坡地,可供建置陸域風場的平坦區域甚少。目前台灣西部沿海已經設置超過250座的陸域風機,陸域風場的開發已接近飽和。我國四面環海,海域風能穩定,風況較不受地形干擾,為達2025年再生能源的目標容量,政府積極推動離岸風場的開發,並已於2017年完成首座先導型示範風機建置。

 

由於我國缺乏離岸風場建置經驗,在離岸風場建置前期須面臨專責碼頭尚未建立、缺乏支撐結構製造工廠也缺乏海事工程施工船隊與操作人員等重大困難。對於攸關經濟成長的鋼鐵業、海洋工程及海事工程產業,應積極推動本土化,創造海洋工程產業就業機會。

 

海事工程雖然並非提供風力發電機、支撐結構、海底纜線等元件的製造產業,卻肩負運送離岸風機各部元件至預定施工場址,進行基礎打樁、風機吊裝等施工任務的離岸風場開發重要環節。由於海事工程施工費用高昂,若離岸風場施工工期控管不當,開發的融資利息將對開發商造成沉重的成本壓力。因此進行離岸風場開發時,選擇合適的海事施工船隊是必要的工程考量重點。

 

在離岸風場海事施工過程中,需要動員包括吊船、自昇式平台船、動力安裝船、重吊船等大型船隻。其中,自昇式平台船無疑扮演最重要的角色之一。由於我國尚未具備本土製造自昇式平台船的能力,因此本文說明自昇式平台船於離岸風場開發時執行的任務與可能面對的工程問題,供讀者初步了解離岸風場開發的工程流程與自昇式平台船的關聯性。

 

離岸風場開發需要多項海事工程支援,包括海域土壤地質調查、海床整平、風機元件載運、基樁打設、風機吊裝、防淘蝕工程鋪設、海纜布放等作業。其中,自昇式平台船經常參與的工程項目包括土壤地質調查、風機元件載運、基樁打設與風機吊裝。

 

自昇式平台船一般可分為兩種型式,一種是無動力的非自航式自昇式平台船,航行時需要藉由拖船領導;另一種是具有航行能力的自航式自昇式平台施工船,這種自昇式平台船具備動力,有較高的機動性。兩種自昇式平台船都可能搭配4~6支長約50~80米的支撐貫入腳。當自昇式平台船於碼頭裝卸貨物或到達預定施工位置時,會把支撐貫入腳貫入海床,並頂昇船身使工作平台脫離海面,形成一避免波浪衝擊工作平台。

 

穩定的工作平台如同海上移動的工地,逐一把載運自碼頭的風機元件在預定的風機設立點位組裝,以達到節省海上施工時數的目標。

 

自昇式平台船主要包含兩大核心操作系統,一是頂昇系統,另一是定位系統。頂昇式系統以其驅動機制可以分成齒條式、絞機式及洞銷式3種。齒條式頂昇系統在基腳的3個角擁有齒痕,且系統內有對應的齒輪,利用齒輪帶動基腳控制其升降。絞機式的自昇式系統是利用鋼纜及滑輪,如同電梯一般控制操作基腳。洞銷式系統則在基腳上布有一排孔洞,利用插梢方式有如爬樓梯般控制基腳的上升或下降。

 

在海域作業時,由於鄰近無明顯可辨識方位的目標可做為參考點,因此定位時需依靠動態定位系統。動態定位系統可以即時感測船舶所受海流的方向及流速,操控引擎反方向推進,抵銷船身所受的外力,類似宇宙中的太空船利用反方向的推進器進行船身減速,以達到停留定點的目標。

 

為了提供自昇式平台船在海上作業時足夠的穩定性,其支撐貫入腳必須提供足夠的承載力。當其抵達預定設置風機的位置,平台船在貫入腳試踩時,可使船艙充填海水達到預壓的效果,以確保海床土壤在自昇式平台船站立時有足夠的承載力。

 

若於預壓載重條件下,貫入腳在海床土壤中可支撐施工船(含貨物)與額外的壓艙海水重量,海床土壤承載力在實際施工時,應具有足夠的承載力安全餘裕,可增加施工安全性。待確保貫入腳得以穩固支撐船身重量時,再把船艙內的壓艙海水排出,繼續頂昇至預定的工作高度。

 

為了滿足自昇式平台船穩定頂昇作業需求,支撐貫入腳的穩定性分析是自昇式平台船施工前重要的評估項目。支撐基腳的形狀多是扁平圓錐形、錐尖角度約為120˚至150˚,其功能在於增加與海床土壤的接觸面積,以及增加自昇式平台船的抗傾覆能力。支撐基腳尺寸依照施工船用途不同,直徑可達16 m。部分自昇式平台船支撐基腳是可拆卸式。

 

自昇式施工平台船提供一個移動式的海上工作平台供離岸風機施工,支撐基腳的穩定性直接影響施工作業。由於自昇式平台船造價昂貴,且影響工期及工程進行順利甚鉅,因此施工前都需審慎進行海床土壤地質調查,並計算施工船貫入腳於不同貫入深度時的承載力與穩定性。

 

若支撐基腳在海床土壤中承載力不足,各基腳貫入海床的速度可能不一致,造成平台船身傾斜失穩,無法繼續後續施工作業,嚴重時支撐基腳可能無法順利提腿,最後僅能留在原地等待報廢。若發生這一狀況,一般自昇式平台船操作人員會儘速停止頂昇動作,並把船身重新降至海面,使得平台船的姿態由原先頂昇過程中的離水作業平台,轉回一般運行船隻浮體。這時由於浮力分擔了施工船自重,降低了支撐基腳的垂直作用力,將可減緩貫入速度,避免船身傾翻。

 

另一個可能造成施工平台船傾斜翻覆的條件,是施工過程中遭受颱風侵襲。若自昇式平台船來不及自工址撤收,颱風期間強勁風浪造成的極端側向作用力可能直接重擊平台船,這時支撐基腳將遭受突來的外力向下作用,可能導致基腳瞬間貫入海床,使得船身不均勻沉陷,造成施工船傾斜甚至翻覆。自昇式平台船支撐基腳常面臨的工程災害,包括上述的基腳於海床貫穿剪力破壞,造成船身傾斜提腿撤收困難;基腳貫入深度不足,或海床平整度不均,造成貫入腳滑移破壞。

 

評估自昇式平台船支撐基腳穩定性時,可參考Society of Naval Architects and Marine Engineers於2008年出版的設計手冊。其建議基腳貫入均勻海床土壤的承載力,可依循Terzaghi提出對條型淺基礎承載力計算概念與方法,並引用Hansen及Vesic的形狀、深度因數進行修正。

 

一般海床土壤都不是均質土壤,以彰濱外海台電公司的先導型離岸風場為例,海床土壤來源主要包括自濁水溪流出的土砂,受颱風豪雨影響,每年攜自上游破碎地質條件的土砂材料與粒徑都不相同,使得彰濱外海海床土壤多是砂土與黏土互層的複雜分布。當支撐基腳貫入分層土壤時,常發生的基礎破壞型式包括一般剪力破壞、擠壓破壞及貫穿剪力破壞。

 

當支撐基腳貫入各層剪力強度差異不大的分層土壤時,貫入腳破壞型式將以一般剪力破壞型式呈現。當支撐基腳貫入軟弱黏土覆蓋於剪力強度較大的土層時,則可能發生擠壓破壞。貫穿剪力破壞則常發生於兩種分層土壤條件,其一是剪力強度較高的黏土覆蓋在剪力強度較低的黏土上,另一種是砂土覆蓋在軟弱黏土層上。目前進行施工平台船施工前,必須透過海床土壤地質調查取得足夠的地工設計參數,配合不同深度的基腳承載力估算,才能評估支撐基腳在離岸風機安裝過程中是否足以提供施工平台足夠的穩定性。

 

當風機安裝完成後,自昇式平台船需要提腿把支撐貫入腳自海床中抽離,使自昇式平台船由海上工作平台姿態調整回浮體施工船型式,以方便移動至下一個施工點位或返回碼頭裝載貨物。若支撐基腳貫入於較厚的黏土層中,在施工船提腿時,由於黏土滲透性低且具有回復性,使得提腿過程黏土層會於基腳底部造成額外的吸力,必要時須以水柱切削方式配合,才能完成提腿動作。

 

提腿完成後,支撐基腳會在海床上留下足跡。足跡鄰近的土壤因為遭遇支撐基腳貫入的影響,土壤多已達剪力破壞,強度不如支撐基腳未貫入海床前的條件,且足跡處海床平整度也較不均。後續離岸風機運轉維護或重複施工時,若再度需要自昇式平台船支撐基腳貫入海床,應特別留意前期提腿造成的影響。提腿造成的海床地形變化,多依靠水下地形測量或數值模型分析評估。我國離岸風場建置在即,本土自昇式平台船的建造計畫仍在推動中。離岸風場建置並非僅單靠自昇式平台船便可獨力完成,仍需要不同功能的船隻與施工機具配合。同時,完整的海氣象與土壤地質環境調查報告也是保障自昇式平台船提供穩定海上作業平台的重要基本資料。相信不久的將來,一座座的離岸風機會在西部海域由自昇式平台船提供的平穩海上工地旁樹立起來,為我國帶來長遠發展的綠色能源產業。

 

致謝

 

感謝科技部研究計畫(MOST 106-3113-E-006-008-CC2)的支持,使本文得以順利完成。


 
瀏覽人次:152
 
 
 
熱門標籤