新型海上風(fēng)電吸力筒基礎(chǔ)制造工藝研究

魏霏霏，何鵬飛

（中國水利水電第四工程局有限公司，甘肅酒泉 735000）

0 引言

與陸地風(fēng)電發(fā)展受限制不同，我國海上風(fēng)力發(fā)電趨勢市場前景廣闊。我國海上風(fēng)能資源豐富，東南沿海及附近島嶼的有效風(fēng)能密度為200～300 W/m2以上，全年≥3 m/s 的時數(shù)約為7000 h，≥6 m/s 的時數(shù)約為4000 h。根據(jù)國家發(fā)改委能源研究所發(fā)布的《中國風(fēng)電發(fā)展路線圖2050》報告，中國水深5～50 m海域，100 m 高度的海上風(fēng)能資源開放量為5 億kW，總面積為39.4 萬km2。不僅如此，2020 年末，各地紛紛出臺新政策，大力發(fā)展風(fēng)光電等可再生能源，未來海上風(fēng)電發(fā)展趨勢將會大好。

1 海上風(fēng)電塔架

海上風(fēng)電塔架主要分為兩部分，即上部的海上風(fēng)電塔筒部分以及水下的基礎(chǔ)部分。目前海上風(fēng)電塔架位于海面以下的基礎(chǔ)部分結(jié)構(gòu)形式主要有單樁或多樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)、吸力筒型基礎(chǔ)等，以下對新型海上風(fēng)電吸力筒基礎(chǔ)制造工藝展開研究。

新型海上風(fēng)電吸力筒基礎(chǔ)，直徑30～40 m，筒高10～15 m，主要包括上部連接筒段、斜支撐、下部筒形結(jié)構(gòu)以及部分附屬構(gòu)件，上部連接筒段由鋼管分段卷制焊接而成，主要連接塔筒及基礎(chǔ)部分，斜支撐有鋼管支撐結(jié)構(gòu)或工字鋼支撐結(jié)構(gòu)，筒形結(jié)構(gòu)由外部筒體、筒體上部蓋板、分艙板、工字鋼主梁、工字鋼圈梁、混凝土頂蓋、支撐鋼板和加勁板等組成。上部連接筒段采用臥式拼接法制作，通過鋼板卷制成段，再將段與段拼接而成；下部筒形結(jié)構(gòu)采用立式摞節(jié)法制作，先做分艙板，再分片制作筒體板，立式摞節(jié)組裝，然后制作工字鋼主梁、工字鋼圈梁、筒蓋板等，然后總組合。最后上部連接筒段、斜支撐、下部筒形結(jié)構(gòu)以及附屬構(gòu)件立式總組合攏，并焊接完成。

2 制作場地及環(huán)境

中國水利水電第四工程局有限公司準備的吸力筒基礎(chǔ)的總裝配焊接場地，該區(qū)域面積約為76 m×170 m，能同時進行2套新型海上風(fēng)電復(fù)合筒型基礎(chǔ)總組制作（圖1）。該區(qū)域配置600 t 龍門起重機2 臺，且建有長480 m、寬76 m 的30 萬噸級干船塢，滿足新型海上風(fēng)電復(fù)合筒型基礎(chǔ)總組合要求，還可以總組合攏后直接滾裝上船，中間無倒運過程。由于拼裝焊接耗時長，為達到焊接環(huán)境要求，可在總組合攏場地內(nèi)制造兩臺焊接防雨棚，焊接防雨棚底部安裝有行走裝置，可在區(qū)域內(nèi)移動，充分滿足焊接條件。

圖1 總裝配焊接場地

3 制作難點

3.1 厚板卷管

下部筒形結(jié)構(gòu)部分都是超大直徑的厚板卷管，最大直徑可達到40 000 mm 以上。根據(jù)鋼板廠家生產(chǎn)情況、卷板機設(shè)備性能等，將單節(jié)超大直徑鋼管按圓周方向分成3～6 個瓦片卷板（注意卷板的坡口在卷制前開好），單張鋼板卷制后再摞節(jié)裝焊成一個單節(jié)鋼管。單片卷制和摞節(jié)縱縫焊接過程中用專用圓弧樣板進行校圓。

3.2 相貫線連接

上部連接筒段的豎直鋼管和斜撐鋼管可同時加工，斜撐鋼管與豎直鋼管連接處接口形式為相貫線。通過SW 三維建模，精確繪制得出相貫線尺寸及相應(yīng)的坡口角度。

3.3 整體放樣與拼裝

通過三維建模，放樣出上部連接筒段整體尺寸和重量。這樣才能提供準確的施工地樣圖、尺寸檢測表和吊點位置。

3.4 筒形結(jié)構(gòu)摞節(jié)裝配

下部筒形結(jié)構(gòu)部分直徑達到40 000 mm，需采用摞節(jié)立式裝配法，裝配焊接工程量大，需要采用橫向埋弧焊及立式自動氣保焊，同時分艙板筒體內(nèi)壁接觸部分環(huán)縫焊接需手工進行，焊接工程量大，質(zhì)量要求高。

3.5 轉(zhuǎn)運及發(fā)運

單個新型復(fù)合筒形基礎(chǔ)重量可達2000 t 以上，總裝配場地必須選擇靠近碼頭，采用模塊車整體轉(zhuǎn)運和裝船。模塊車直接駛進復(fù)合筒形基礎(chǔ)組對胎架下面，提升模塊車臺面與筒形基礎(chǔ)主體接觸，依次去除支撐，使吸力筒形基礎(chǔ)平穩(wěn)放置到模塊車上，并緩慢滾裝上船。

4 制作工藝流程

4.1 放樣、零件下料

（1）通過計算機繪制吸力筒基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)整體三維圖，得到各部件對接結(jié)構(gòu)形式并計算出理論下料尺寸，同時計算出部分拼裝部件重心位置。

（2）斜撐鋼管與豎直鋼管連接端部為相貫線形狀，板材卷管焊接好后上數(shù)控相貫線切割機上進行切割，保證零件尺寸。

4.2 豎直鋼管制作

豎直鋼管可由單節(jié)鋼管拼接，單節(jié)鋼管通過定尺鋼板卷制焊接而成。受鋼板廠家加工限制，當(dāng)豎直鋼管直徑較小時，單節(jié)鋼管可通過一張鋼板卷圓而成，當(dāng)豎直鋼管直徑較大時，單節(jié)鋼管需要通過2 張或2 張以上鋼板卷制成圓弧段再拼接成整圓。單節(jié)鋼管卷圓成型并檢驗合格后才可進行縱縫的焊接。焊接前，質(zhì)檢人員應(yīng)檢查縱縫組對錯變量、坡口形式等，未達到標(biāo)準要求的單節(jié)鋼管必須校正后才能進行縱縫焊接。焊接前在縱縫兩端頭加裝引弧板和熄弧板，引弧板和熄弧板板厚與單節(jié)鋼管板厚一致，坡口形式與單節(jié)鋼管一致，規(guī)格為150 mm×300 mm。縱縫采用埋弧自動焊焊接，先焊接內(nèi)側(cè)，外側(cè)徹底清跟后焊接。焊接工藝必須采用經(jīng)焊接工藝評定合格的工藝，焊后校圓，保證單節(jié)鋼管局部表面凹凸度等外形尺寸，檢驗合格后方能轉(zhuǎn)入下一道工序（圖2）。

圖2 拼裝完成的豎直鋼管與斜支撐

4.3 下部筒形結(jié)構(gòu)部分制作

4.3.1 單片放樣、下料、卷制

下部筒形結(jié)構(gòu)直徑Φ40 000 mm以上，根據(jù)高度，分為2～4 小段，單段展開長度約125 600 mm，結(jié)合鋼板生產(chǎn)廠家、鋼板卷制能力、加工能力、轉(zhuǎn)運吊裝、運輸裝船情況等綜合考慮，將單段鋼板分為6 片瓦片（圖3），瓦片單獨下料、卷制。

圖3 瓦片

瓦片下料后，開設(shè)坡口，開設(shè)坡口時尤其注意拼接方向，避免卷制后內(nèi)外坡口錯位，同時打磨坡口邊緣50 mm范圍，露出金屬光澤。

4.3.2 分艙板制作

分艙板（圖4）在總組合攏場地制作。制作前，搭設(shè)組裝胎架。分艙板采用鋼板拼焊而成。

圖4 分艙板

4.3.3 下部筒形結(jié)構(gòu)摞節(jié)組裝

下部筒形結(jié)構(gòu)筒體采用瓦片摞節(jié)組裝方式（圖5）。待分艙板組裝完成后，將卷制合格的瓦片臥式吊運至總組合攏場地，組裝前，將瓦片翻身成豎直方向，翻身時采用專用吊具，嚴格禁止鋼板擦傷，避免操作不當(dāng)引起瓦片變形。

圖5 摞節(jié)組裝示意

先安裝第一段第一節(jié)瓦片，待瓦片直立起來后與分艙板點焊固定，相同步驟依次安裝第一段其余瓦片并點焊固定，第一段組裝完成后，校核尺寸，尺寸合格后焊接。焊接時，可同時進行。

單片瓦片摞節(jié)時，要注意拼接縱縫的位置，每一層瓦片6 條拼接縱縫要與前一層拼接縱縫錯開30°，即拼接縱縫位于前一層單片中心位置。組對時要嚴格控制錯臺量，當(dāng)錯臺超標(biāo)時，必須要校正合格后方能進入下一道工序。

4.4 其余附件制作

圈梁、蓋板等其余附屬構(gòu)件的制作，可預(yù)先在車間內(nèi)完成。

4.5 總組合攏

待各部件制作完畢后，進行總組合攏工序。先將蓋板、圈梁等運送至組合場地。吊裝前，先盤口檢查蓋板及圈梁圓周長度，計算與理論值誤差，同時盤口下部筒形結(jié)構(gòu)圓周長度，計算與理論值誤差，各部件誤差值符合要求后方能進行下一步工序。

尺寸檢驗合格后，緩慢起吊圈梁，調(diào)整圈梁與下部筒形結(jié)構(gòu)安裝位置，合格后卸去吊鉤，采用氣保焊焊接，焊縫檢驗合格后以同樣方法安裝蓋板等附屬構(gòu)件，最后安裝組裝完成豎直鋼管。

5 結(jié)束語

2019—2020 年搶裝潮過后，陸上風(fēng)電塔筒競爭更加激烈，面對困局，公司將市場領(lǐng)域擴展到海上風(fēng)電裝備制造，利用自身在新能源裝備制造領(lǐng)域的品牌優(yōu)勢和先進的新能源裝備制造工藝技術(shù)公司，生產(chǎn)制作海上風(fēng)電塔筒、管樁及導(dǎo)管架、風(fēng)機定轉(zhuǎn)子支架等海工產(chǎn)品，拓寬市場。