吸力式導管架基礎落駁技術

陳炳煥 洪天識 李曉勇 中交第三航務工程局有限公司廈門分公司

1.工程概況

長樂外海海上風電場C區項目（總裝機規模為496MW），單機容量8MW及以上的海上風力發電機組62臺，業主單位計劃2021年并網。其中本標段三筒（吸力樁）導管架。本標段中單套吸力式導管架基礎最重約2462t。

2.出運方式選擇

目前常用的吸力式導管架基礎出運方式有兩種，分別為SPMT軸線車運輸上船、起重船起吊落駁。

起重船落駁僅適合起重船與吸力樁導管架基礎都在碼頭邊，且需滿足起重船起吊范圍內方可起吊，對起重船起吊能力及碼頭參數要求高，局限性太大。故本文就針對SPMT軸線車運輸落駁方式進行技術研究。

3.運輸工裝

3.1 工裝結構形式

結合本項目吸力式導管架的外形尺寸，吸力筒底部直徑為10m，考慮后續批次吸力樁直徑達到12m，因此工裝的設計兼顧考慮了兩種不同類型的吸力樁導管架。

該吸力樁導管架建造完成后，采用豎直運輸方式，即吸力樁底部圓筒與運輸工裝直接接觸，為了使吸力樁筒壁的結構強度滿足要求，需要保證吸力樁圓壁與運輸工裝的接觸面比率。

吸力式導管架采用SPMT滾裝裝船方式，因此運輸工裝的設計需考慮SPMT布置方式和載運船舶的甲板尺寸。設計工裝結構形式如圖1。

工裝由支撐梁與支座組成，支撐梁上下面由30mm厚鋼板焊接而成，上下面之間布置20mm厚筋板，筋板布置在兩種不同直徑吸力樁的下部，保證運輸過程中支撐梁的剛性。支腿上面用30mm厚鋼板，主立筋用30mm厚鋼板，底面用20mm鋼板焊接一體，支腿底面鋼板規格為3000mm×1100mm。每套吸力式導管架使用出運工裝3 套，每套工裝重量為48085kg，工裝總重為48085kg×3=144.255t。裝船整件（吸力筒+導管架+過渡段+附屬件）重量約2462t，設備+出運工裝總重2462t+144.3t=2606.3t。地面承載面積3m×1.1m×6×3=59.4m2。

3.2 工裝強度與變形分析

吸力樁立式轉運工裝是為風電項目新設計的轉運工裝，由于受載較大，有必要進行有限元強度和變形分析。依據設計圖紙和相關技術參數進行有限元建模，分別考慮吸力樁和工裝放置在模塊運輸車、吸力樁和工裝放置在地面兩種工況進行分析，得到如下結論：

①當轉運工裝放置在模塊車上時，最大應力93.3MPa，最大變形3.64mm，此時安全系數不小于3.48；②當轉運工裝放置在地面上時，最大應力103.7MPa，最大變形1.86mm，此時安全系數不小于3.13。綜合兩種工況分析結果可知，轉運工裝強度可以滿足設計要求。

工況一：工裝放置在模塊車

當工裝放置在模塊車上時，需要考慮工裝和模塊車的接觸面，此時將模塊車簡化為一定厚度的鋼板，保證模塊車和工裝接觸面與圖紙相符即可。

幾何建模及條件假設：

①模塊車簡化為一定厚度的鋼板，采用實體進行建模；②工裝采用片體建模，后續有限元模型中賦予相應厚度；③忽略對有限元分析結果影響較小的小孔、小倒角、小圓角等細節特征；④考慮一定長度的吸力筒，直徑為10m，同樣采用片體建模，后續賦予相應厚度和等效密度，以保證其最大載荷達到800t；⑤不考慮焊縫材料的影響，認為焊縫和母材材料性能相同；⑥忽略材料的各項異性，同時認為材料變形始終在彈性范圍內；⑦重力加速度采用標準值，為9.81m/s2。圖2為吸力樁和轉運工裝整體幾何模型，轉運工裝幾何模型。

圖2 吸力樁、轉運工裝幾何模型

圖3為轉運工裝的等效應力分布圖，可見最大等效應力為93.3MPa，位于20mm厚豎向筋板上，該筋板下方為模塊車。

圖3 等效應力分布圖

圖4為整體變形量分布，可見最大變形為3.64mm，位于工裝邊緣，該邊緣由于懸空而產生變形。

圖4 整體變形量分布圖

工況二：工裝放置地面上 。

圖5為該工況下轉運工裝等效應力分布，可見最大應力位于工裝支座20mm厚的豎向筋板上，為103.7MPa。

圖5 等效應力分布圖

圖6顯示了工裝支座的等效應力分布，由于該工況下支座起支撐作用，故最大應力位于支座上，為103.7MPa。

圖6 工裝支座的等效應力分布圖

圖7為整體變形量分布，可見最大變形為1.86mm，位于懸空位置。

圖7 整體變形量分布圖

綜合兩種工況分析結果可知，轉運工裝強度可以滿足設計要求。

4.運輸車參數選擇

以本項目最大尺寸的吸力式導管架為例，擬使用3組2縱列共132軸線SPMT+6PPU 進行導管架運輸，運輸配車圖（如圖8）通過配車圖中可知，貨物凈重約2607t，車重約637.2t，車貨總重約為3244.2t，車輛額定軸載 48t，軸載為3244.2t/（44軸＊3）=24.58t/軸，安全系數為K安全系數=G額定載荷/G載荷=48/24.58=1.95>1.3。

圖8 運輸配車圖

5.運輸穩定性

設備運輸過程中使用三點支撐編點方式，三點支撐編點穩定性更好，故以三點支撐編點為例進行介紹。如圖9所示。

圖9 三點支撐編點示意圖

H—模塊與車輛的重心高度值；

h1、h2、h3—重心到車輛液壓支撐三角形三邊的距離，其中h3的距離最短。

角α—靜態傾翻角=arctan(h3/H) 。

注：靜態傾翻角α角度與貨物的穩性角α角度大小成正比，靜態傾翻角θ角越大，則運輸的穩定性越高。根據挪威船級社相關規范，在公路運輸或滾裝運輸中，靜態傾翻角大于7°視為安全。

通過建模配車，設備重心距離支撐三角形的最短距離h3=8660mm，設備重心高度約為H=39800mm+工裝高度（1300+580）mm=41680mm。

則靜態傾翻角大小為：θ=arctan(h3/H)=arctan(8660/41680) ≈12°。

綜上，運輸穩定性滿足要求。

6.滾裝上船

根據滾裝工藝的要求，重大件滾裝上船時，船舶甲板應保持與碼頭面基本持平，滾裝平臺前沿高程需結合潮位、波浪、船舶等綜合考慮。

為滿足上船條件，只有當碼頭平面與船駁的甲板面落差不超過±10cm時，方才適合滾裝運輸上船。由于船駁承受壓力吃水度加大，為保證滾裝的順利進行，必須通過壓艙水的調載，亦或利用自然潮汐的漲落，以確保SPM T運行正常安全，即碼頭平面與駁船甲板面的落差不超過±10cm。

表1 SPMT軸線車參數（6軸）

表2 SPMT軸線車參數（4軸）

6.1 滾裝流程

①潮汐說明：根據國家海洋信息中心發布的潮汐站點情況，據當地的潮汐表作為本次項目作業的潮汐參考依據，再根據實際測量結果確定低潮、平潮、高潮時的差距，以滿足實際作業時需要。（配合潮汐表，以滾裝當日為滾裝時間計算）

② 滾裝作業預計時間：要根據潮汐情況分析裝船時船舶的浮態變化，確定壓載水調節方案，以保證吸力式導管架的裝船全過程順利進行，在滾裝過程中，模塊車指揮和運輸船調載指揮密切配合，確保模塊車運輸過程與調載過程相匹配。

裝船過程中SPMT 運行速度暫定為1.5m/min。裝船時間約持續2h/臺。

③鋪設鋼板：按設計位置在碼頭前沿與滾裝所用船泊的甲板前鋪設好滾裝所需的6塊鋼板30mm＊2200mm＊10540mm。

④ 操縱模塊車使運輸貨物中線與運輸船中線對齊，模塊車靠近跳板等待潮水到位，準備上船。

⑤運輸船預先適當進行壓水，便于滾裝過程中調整船的狀態，整個滾裝作業需在漲潮時間段完成。

⑥用遙控器操作模塊車通過跳板向船泊甲板行駛，開始滾裝作業。

⑦在整個滾裝作業過程中，模塊車馱著吸力式導管架要緩慢駛上運輸船，持續檢查碼頭與船的甲板間的高度差，使得高度差保持在100mm之內，當高度差超過時，應停止車輛行駛，等待潮水或對船舶進行調載，等高度滿足要求時繼續滾裝。

⑧在滾裝過程中始終控制好船泊前后高度差和左右高度差，將姿態始終調載到安全范圍內。

⑨在滾裝過程中，車輛行駛與平臺升降要始終與船泊的調水相結合，控制好車輛行程及各支承點壓力，控制好整個船泊的姿態。

⑩當車輛完全通過跳板駛上船的甲板時，操作車輛繼續行駛，直至將導管架完全運到指定位置。

?操作車輛降低平臺，將吸力式導管架在船舶指定位置放下。

?繼續降低車輛，使得車輛完全與運輸的貨物脫離。

?拆除并車線，使得車輛恢復到并車前的各個車組。

?各車組分別采用各自的遙控器操作，從運輸的貨物下駛出，在高度許可時，沿跳板行駛到碼頭上，滾裝結束。

7.結論

針對吸力式導管架基礎特點設計專用運輸工裝和運輸配車參數，制定專項軸線車運輸落駁方案，并通過采用有限元結構設計計算分析軟件進行吸力式導管架裝載、運輸過程中的相關鋼結構應力分析，分析中考慮個別支撐點支撐失效的分析工況。該落駁技術已經成功地在長樂外海海上風電場C區項目工程中進行實踐，并取得成功。這對今后海上風電超大超重吸力式導管架基礎的出運提供寶貴的經驗借鑒。