可調節吊裝范圍的海上風電塔筒基礎吊梁研制及應用

施洪慧 孫凱澤

（領新（南通）重工有限公司，江蘇 南通 226017）

0 引言

目前風能作為再生清潔新能源之一被廣泛利用，風力發電產品品種繁多，前景廣闊，海上風電比陸上風電具有更多的優勢。海上風電機組的塔筒基礎具有體積龐大、重量重等特點，且由于無專用吊梁，造成安裝吊運過程極其困難和繁瑣。海上風電機組安裝有整機安裝法和分體安裝2 種[1]，為了更加安全高效地完成安裝作業，近年來以在制作廠區整機模塊式將風機整體安裝好，然后用特殊風機安裝運輸船運輸到指定海域進行下沉式整體安裝的方案尤為先進突出，此安裝方式具有良好的市場前景。在整機安裝海上風機結構時，需要配備一些大噸位及大起升高度的專用起重機械，尤其對于重量和體積超大的塔筒基礎的吊運對起重設備及其輔助吊具更提出了極高的要求[2]。

傳統吊運貨物一般采用在起重機械的吊鉤下加掛簡易吊具，或者直接使用鋼絲繩卸扣等方式。而隨著起吊貨物的尺寸重量不同，需要配備不同規格的吊具或者鋼絲繩。這樣頻繁地更換吊具，不僅浪費了大量的時間，還需要人工進行輔助操作，存在勞動強度大、工作效率低、作業成本高、安全隱患多等缺點。對于大型工件的吊裝目前有單一扁擔梁式，但因吊具起吊點在一直線上，重心不好控制，起吊過程易側翻[3]。另有一種框架結構吊具有4 個吊點，克服了單一梁式的不平衡性，但起吊范圍固定，只能用于同一種規格的工件，應用仍然有局限性[4]。因此需要開發一款既要平衡性好，又能夠調整吊裝范圍的吊具，以高效安全地完成風電塔筒基礎的吊裝作業任務。

1 研制目的

海上風力發電機結構部分主要由葉片、塔筒筒體、塔筒基礎3 個部分組成，其中塔筒基礎起到基礎穩固作用，并需要有足夠抵抗海上抗風和潮浪影響而傾覆的能力，因此需要有相當大的重量和尺寸。塔筒基礎隨著風電機組的規格的不同，尺寸重量也有較大差異，在吊裝龐大而極重的塔筒基礎時，因沒有配套的吊裝工具，使得吊裝作業困難重重。通常需要許多人手，利用升降車到達各起吊位置，將各分離的掛具分別固定好，再與起重吊機的吊鉤進行掛鉤工作，勞動強度極大，工作效率低，且屬于空中作業安全隱患也極高。另由于不同功率的風電機組的塔筒基礎尺寸各異，不同直徑的基礎起吊吊點位置也各不相同，這就需要使用倒多種規格的吊具以適應不同的塔筒基礎的吊裝作業。

該文以海上風力發電行業塔筒基礎600 t 專用梁式吊具作為研究對象，展開系統的分析研究，以獲得一種可快速調節起吊范圍的專用吊梁[5]，該吊梁不論是承載能力，還是吊裝范圍，以及操作便捷性方面都較傳統吊具有了很大改進，并可推廣應用于風電產品等其他大工件的吊裝生產，使之與快速發展的風電產業相匹配。

2 結構方案設計

該專用吊梁是針對不同起吊位置的工件進行研究設計的，設計的目的是在起吊各結構尺寸不同的工件時，能平衡好吊點，快速、安全、平穩、有效地進行起吊作業。

為了實現以上目的，合理地調節吊裝范圍，本案例吊梁設計起吊能力為600 t，整根吊梁總長約38 m，包含有主梁和副梁各2 根，采用對稱式雙支承主梁和雙支撐副梁的“井”字結構形式。設計有4 組軌道，每組軌道的設計承載能力為150 t，分別安裝在主梁和副梁底板上[4]。如圖1、圖2 所示。

設計的4 組滑輪組可在軌道里進行滑動，來滿足各工件的起吊點位置要求。起吊前先將專用吊梁上的滑輪組移動到起吊點位置，然后用2 組M20×100 的螺栓對每個滑輪組進行頂緊固定，防止滑輪組在軌道里隨意的滑動，保證吊點的平衡，滿足起吊時的安全、穩定、有效，這種操作非常便捷快速，如圖3 所示。

3 計算選用

考慮到吊梁需要承載一定的載荷，梁體部分一般采用符合GB/T 699《優質碳素結構鋼》、GB/T 1591《低合金高強度結構鋼》、GB/T 3077 《合金結構鋼》和GB/T 16270《高強度結構鋼熱處理和控軋鋼板》等相關標準的材料。本科調節吊梁主體結構選用材料為Q345B，安全系數k=2，許用應力為[σ]=220 MPa[4]。吊梁上部設立2 個與起重機的吊鉤，吊鉤起重量為2×300 t=600 t， 考慮動載系數φ=1.0。利用ANSYS 9.0 計算程序分別進行主體結構應力及滑輪軸應力計算分析。

吊具最大應力值為σmax=16.795 kN/cm2=167.95 MPa，結構材料為Q345B，σs=325 MPa， [σ]=345/2=172.5 MPa，σmax＜ [σ]。主體結構符合使用要求。

參照圖4，滑輪軸力和參數按最大力工況如下：

圖1 600 t 可調節范圍塔筒基礎專用吊梁結構示意圖

圖2 600 t 可調節范圍塔筒基礎專用吊梁模型圖

最大力：N=308.7 kN

軸外開檔：A=190 mm

軸內開檔：B=86 mm

軸擋板厚度：C=40 mm

軸直徑：D=90 mm

軸材質：40 Cr

屈服強度：σs=540 MPa

應力計算如下：

軸最大彎矩：Mmax=N/2×（A/2-C/2-B/4）

截面抗彎模數：W=πD3/32

應力計算公式：σ= Mmax/W=115.38 MPa

許用應力：[σ]= σs/1.5=360 MPa

應力校核：σ/[σ]=32.05%。

滑輪軸滿足設計要求。

圖3 吊梁、軌道、滑輪安裝示意圖

4 應用效果

設計科學。與原有單一扁擔式吊梁或鋼絲繩吊索具相比，此種可調節吊裝范圍的吊梁結構優越性明顯。單梁式平衡性差，用于超大構件重心不穩定。該吊梁面對大小規格各異的工件時，能平衡好各起吊點位置，有利于控制實際工況，提高了工件在起吊、轉運過程中的平衡性。因為是利用了對稱“井”字結構，合理分配各吊點的載荷，避免了因載荷分配不均而導致索具損壞及工件傾覆事件的發生。

操作方便。原先為了吊裝一個塔筒基礎，光準備工作都要花費半天時間，還需要多人配合方能完成。現在只需要將此吊梁一次性固定在起重機的吊鉤上，使用時將吊梁下降到接近地面高度，再將吊梁滑輪沿著吊梁下的滑輪移動到需要起吊的位置，然后快速以螺栓固定住，一個人便可以完成操作，非常便捷，效率提高了近50%。

安全經濟。使用此吊梁不僅避免了原來起吊風電塔筒時需要多人力及多設備配合的狀況，不用為了掛鉤登高作業，而且還降低了勞動強度，減少了安全隱患，提高了工作效率。生產成本得到了很好的控制。

推廣價值高。此種新型可調節吊裝范圍吊梁，不僅可用于風電塔筒基礎的吊裝，也可用于風電塔筒等其他構件的安裝吊運，使用范圍廣，解決了風電塔筒基礎等大型構件的起吊安裝難題，確保了風電產品安裝項目吊運的安全可靠。

圖4 滑輪軸應力分析圖

5 結語

在現有的起重輔助設備研究設計的基礎上，運用現代設計方法，遵循節能環保原則，采用對稱式雙支承主梁和雙支撐副梁的“井”字結構形式，增大起重吊裝承載重量的范圍。采用三維模擬結構形式進行研究，提高了吊梁的使用性能，減少了起吊移動時故障發生的機率。將塔筒基礎吊梁的主梁采用軌道與滑輪相結合的結構模式，可快速適用于不同規格工件的起吊。通過對海上風電塔筒基礎用可調節吊裝范圍吊梁的研制及應用，創造了國內根據不同筒徑起吊輔助吊具的首例，具有重要的現實意義和推廣應用價值。