漂浮狀態(tài)下自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)樁腿對(duì)接建造技術(shù)

王 宏

(廈門船舶重工股份有限公司， 福建 廈門 361026)

0 引 言

海上風(fēng)電由于資源豐富、發(fā)電利用小時(shí)數(shù)高以及不占用土地資源等多種優(yōu)勢(shì)，目前在國(guó)內(nèi)正被大面積地開(kāi)發(fā)利用，各船企都在爭(zhēng)相建造海上風(fēng)電安裝平臺(tái)[1-3]。海上風(fēng)電安裝平臺(tái)在作業(yè)時(shí)，將樁腿插入海底，使平臺(tái)主船體脫離海面，減少潮汐、風(fēng)浪對(duì)作業(yè)平臺(tái)的干擾來(lái)保證其安全性。樁腿是海上風(fēng)電安裝平臺(tái)最重要的結(jié)構(gòu)之一，其質(zhì)量大、高度高，建造難度大。

現(xiàn)在的自升式風(fēng)電安裝船均在現(xiàn)有船廠進(jìn)行建造，在船塢中進(jìn)行船體和樁腿建造安裝，且由于樁腿長(zhǎng)度較長(zhǎng)，需分段安裝。由于很多水域建有的大橋會(huì)大幅限制平臺(tái)總高度，如海滄大橋等幾座大橋限制了廈門船舶重工股份有限公司所建造平臺(tái)的總高度，因此，需在別處另找碼頭進(jìn)行樁腿拼接。國(guó)內(nèi)某船廠目前建造的一艘自升式海上風(fēng)電安裝平臺(tái)受大橋限高影響，必須在船廠外的碼頭進(jìn)行樁腿對(duì)接，但該碼頭前沿海域地基承載力不足以支撐平臺(tái)，該平臺(tái)不能站立后再進(jìn)行樁腿對(duì)接，勢(shì)必會(huì)受到風(fēng)浪、平臺(tái)搖晃和潮汐水位上下變化的影響。本文針對(duì)該情況，創(chuàng)新性地提出漂浮狀態(tài)下樁腿對(duì)接建造技術(shù)與設(shè)計(jì)整體布置方案，給出一系列保障措施和建造工藝技術(shù)，為自升式平臺(tái)的建造提供一種新思路。

1 總體思路

風(fēng)電船側(cè)向停靠船廠外的碼頭進(jìn)行樁腿接樁工作。首先使用系纜繩對(duì)船體進(jìn)行靠岸帶纜。再采用大型履帶吊與汽車吊的配合，將短駁至碼頭現(xiàn)場(chǎng)的樁腿分段進(jìn)行卸車、翻身工作。啟動(dòng)樁腿控制系統(tǒng)，使樁靴沉底。然后利用大型履帶吊單獨(dú)吊裝船舷一側(cè)的2 個(gè)樁腿分段，與已完成部分的樁腿進(jìn)行對(duì)接。將風(fēng)電船船體轉(zhuǎn)向180°，使船舷另一側(cè)停靠碼頭，同樣利用系纜繩進(jìn)行帶纜。最后利用大型履帶吊單獨(dú)吊裝對(duì)應(yīng)的樁腿分段，與已完成的樁腿分段進(jìn)行對(duì)接，完成全部吊裝工作。

2 平臺(tái)碼頭整體布置方案

2.1 平臺(tái)固定方案

在進(jìn)行浮態(tài)自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)樁腿對(duì)接時(shí)，進(jìn)行平臺(tái)在碼頭的整體布置方案研究，如圖1所示，風(fēng)電安裝平臺(tái)側(cè)靠碼頭，即平臺(tái)船長(zhǎng)方向與碼頭平行，這樣只有0°和180°的風(fēng)浪流環(huán)境對(duì)自升式平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)有影響。采用系纜繩分別對(duì)自升式平臺(tái)船首和船尾進(jìn)行帶纜保險(xiǎn)，將其系泊于碼頭。為了防止船體(樁靴)與碼頭發(fā)生碰撞，在船舷與碼頭側(cè)的中間放置多處浮球或其他緩沖保險(xiǎn)裝置。以廈門船舶重工股份有限公司所建的某自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)為例，進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研究。

圖1 平臺(tái)在碼頭的整體布置方案

該平臺(tái)配備4根樁腿，每根樁腿高85 m，出塢前安裝60 m，需要浮態(tài)對(duì)接安裝最上節(jié)25 m。 風(fēng)電船船體外形尺寸：40 m×90 m×7.8 m，樁靴總長(zhǎng)為85 m，分為3段(20 m+40 m+25 m)，在船塢內(nèi)安裝完成高度為60 m(20 m+40 m)，剩余頂部段25 m分段考慮到受海灣內(nèi)的海滄大橋通航高度限制，該分段需在場(chǎng)外進(jìn)行安裝。吊裝高度為82 m，該分段重約175 t。

2.2 碼頭承載力驗(yàn)算及路面加強(qiáng)方案

所選履帶吊總成長(zhǎng)度為12 m，在履帶吊底部鋪設(shè)長(zhǎng)為12 m、寬為2.2 m的路基板對(duì)地面載荷進(jìn)行分散，實(shí)際吊裝作業(yè)時(shí)地面承載力計(jì)算：履帶吊+樁靴自重=650 t+179 t=829 t。路基箱設(shè)計(jì)鋪設(shè)面積考慮2種加強(qiáng)方案，如圖2所示。

圖2 碼頭路基箱布置方案

鋪設(shè)6塊路基箱對(duì)地正壓力F1=829 t/(12 m×2.2 m×6)=5.2 t/m2。

鋪設(shè)12塊路基箱對(duì)地正壓力F1=829 t/(12 m×2.2 m×12)=2.6 t/m2。

3 樁腿吊裝工藝

3.1 樁腿翻身和吊裝

樁腿翻身、吊裝使用650 t履帶吊和300 t汽車吊。樁腿分段短駁至碼頭后，采用650 t履帶吊與300 t汽車吊的配合，進(jìn)行翻身工作。

QUY650履帶吊工況：選取主臂102 m+超起配重(200 t)，當(dāng)作業(yè)半徑為28 m時(shí)，可吊重199.7 t>175.0 t(風(fēng)電船樁腿自重)。300 t汽車吊工況：選取主臂15.4 m+配重(98.2 t)，當(dāng)作業(yè)半徑為9 m時(shí)，可吊重95.0 t>87.5 t(翻身時(shí)最大載荷)。翻身示例如圖3所示。

圖3 樁腿翻身示例

3.2 吊索具選取

QUY650履帶吊鋼絲繩：

吊梁上部選用鋼絲繩型號(hào)為Φ110 mm×4 m的繩圈。查表得知Pcr=833 t，風(fēng)電船樁腿自重為175.0 t，則K=9.1>5.0，滿足安全要求。

吊梁下部選用鋼絲繩型號(hào)為Φ72 mm×2 m。查表得知Pcr=290 t，風(fēng)電船樁腿自重為175.0 t，則K=6.6>5.0，滿足安全要求。

300 t汽車吊鋼絲繩選取：

選用鋼絲繩型號(hào)為Φ90 mm×12 m。查表得知Pcr=503.9 t，按翻身時(shí)最大載荷為87.5 t計(jì)算，則K=11.4>5.0，滿足安全要求。鋼絲繩連接方式如圖4所示。

圖4 風(fēng)電船樁腿吊裝鋼絲繩連接形式

3.3 平臺(tái)浮態(tài)調(diào)整

平臺(tái)預(yù)先進(jìn)行四角平均壓載，壓載至滿載后進(jìn)行平臺(tái)調(diào)平。當(dāng)?shù)跹b某根樁腿上段時(shí)，該角進(jìn)行排載，在該樁腿吊完后，裝配定位前，再次調(diào)平平臺(tái)。

考慮浮態(tài)對(duì)接，為更好地確保船體與樁腿的穩(wěn)性，將風(fēng)浪對(duì)作業(yè)影響降至最低，在高平潮期降樁腿(各樁靴下平面距海床距離略小于海水高低落差，假定海水高低落差為6 m，此時(shí)樁靴距海床面以5.5 m適宜)，樁靴隨落潮觸底固定，同時(shí)監(jiān)測(cè)壓力傳感器數(shù)據(jù)。

3.4 風(fēng)電安裝平臺(tái)樁腿吊裝

考慮樁靴沉底作業(yè)，海床距碼頭面為22.1 m。分別考慮高潮位和低潮位吊裝工況，設(shè)計(jì)如下：低潮位吊裝高度為65.9 m，高潮位時(shí)為71.9 m。根據(jù)計(jì)算，此工況滿足作業(yè)要求。風(fēng)電船樁腿吊裝放樣圖如圖5所示。

圖5 風(fēng)電船樁腿吊裝放樣圖

4 樁腿對(duì)接建造工藝

4.1 工裝設(shè)計(jì)

樁腿焊接完成后精度要求較高，須進(jìn)行100%超聲波和磁粉探傷檢測(cè)，因此在吊裝前將所有工裝全部安裝到位，所有合龍口工裝(導(dǎo)向板和十字擋塊如圖6和圖7所示)吊裝焊接到位。

圖6 導(dǎo)向板工裝(45°方向筒體外側(cè))

圖7 十字擋塊工裝(90°方向筒體外側(cè))

為提高樁腿對(duì)接的建造精度，設(shè)計(jì)如圖8所示的上部樁腿固定裝置，使上部樁腿在焊接時(shí)與下部樁腿處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，減小風(fēng)載荷以及平臺(tái)晃動(dòng)對(duì)建造精度的影響。

圖8 上部樁腿固定裝置

4.2 樁腿對(duì)接工藝

將如圖8所示的固定裝置通過(guò)高強(qiáng)度螺栓與下部樁腿連接，使上部樁腿與下部樁腿保持靜止。用水平儀檢查、校正底盤水平度，在底盤與基礎(chǔ)間插入厚薄不等的鋼板進(jìn)行調(diào)整，至水平度符合要求后，擰緊螺母。這樣可保證樁腿對(duì)接的垂直度。

在平臺(tái)甲板上將基礎(chǔ)節(jié)與2節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)用高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行連接，在連接前須清除節(jié)口處的泥沙和污物，并涂上黃油。繼續(xù)用起重機(jī)將預(yù)先在地面連接的3節(jié)導(dǎo)軌架吊裝加高，采用高強(qiáng)度螺栓連接。

采用吊籠進(jìn)行樁腿對(duì)接的焊接，并用上極限碰塊和上限位碰塊來(lái)限定吊籠位置，保證作業(yè)安全，應(yīng)滿足吊籠運(yùn)行至極限開(kāi)關(guān)處碰到上極限碰塊而停止后，吊籠底高出最高施工層150～200 mm，且吊籠上部距導(dǎo)軌架頂部不小于1.5 m。上限位碰塊的安裝位置應(yīng)保證吊籠向上運(yùn)行至限位開(kāi)關(guān)處碰到碰塊而停止后，吊籠底與最高施工層平齊。

施工升降機(jī)在使用前須進(jìn)行額定載荷墜落試驗(yàn)，在正常運(yùn)行后，每隔3個(gè)月進(jìn)行一次，以保證使用安全。試驗(yàn)步驟如下：

(1) 在吊籠內(nèi)加裝額定載荷并撤離人員。

(2) 切斷電源，將地面控制按鈕盒的電線接入上電箱，理順電纜，防止吊籠升降時(shí)卡斷。

(3) 按下“墜落”按鈕并保持。此時(shí)電機(jī)制動(dòng)器松脫不起作用，吊籠呈自由狀態(tài)下落，在達(dá)到防墜安全器動(dòng)作速度時(shí)，吊籠平穩(wěn)地制停在導(dǎo)軌架上。

(4) 防墜安全器復(fù)位。

5 突發(fā)天氣情況應(yīng)急措施

作業(yè)前需密切關(guān)注作業(yè)期間的天氣預(yù)告，提前避開(kāi)異常天氣情況，若在作業(yè)過(guò)程中突發(fā)異常天氣，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)緊急采取相關(guān)措施：盡可能將上部樁腿吊離，平臺(tái)上防風(fēng)布等小物件全部撤除帶走，人員撤離；若上部樁腿來(lái)不及吊離，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)立即將馬板和角鋼下口應(yīng)急加強(qiáng)肘板(此板以后不拆)全部焊接固定，工裝螺栓同時(shí)全部鎖緊，人員撤離，履帶吊拆鉤并移走。在安裝前在650 t履帶吊拆除，僅靠馬板固定情況下，在5°傾角，25 m/s(9級(jí)風(fēng)力以下)工況下，對(duì)馬板強(qiáng)度能否滿足要求進(jìn)行有限元核算分析，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖9 馬板應(yīng)力圖

從結(jié)果可知，除過(guò)焊孔內(nèi)壁有局部應(yīng)力集中以外，馬板應(yīng)力均小于230 MPa，馬板強(qiáng)度滿足要求。

6 結(jié) 論

由于風(fēng)電安裝平臺(tái)在通航時(shí)受到大橋的限制，在風(fēng)電平臺(tái)側(cè)向停靠租用碼頭后，需進(jìn)行樁腿對(duì)接工作。采用上述風(fēng)電安裝平臺(tái)在浮態(tài)工況下樁腿對(duì)接建造技術(shù)進(jìn)行平臺(tái)建造。對(duì)浮態(tài)工況下對(duì)接樁腿建造工藝進(jìn)行詳細(xì)、認(rèn)真的策劃，順利完成對(duì)接工作。本文提供了一種適用于漂浮狀態(tài)下自升式平臺(tái)在普通碼頭進(jìn)行樁腿安裝的對(duì)接建造技術(shù)。浮式樁腿的對(duì)接施工作業(yè)具有創(chuàng)新性，為海洋平臺(tái)樁腿作業(yè)施工安全管理提供新思路。