海上升壓站上部組塊分體式吊裝關鍵技術

賈 佳，劉仁海，呂國兒，葛 暢

1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州 3111222.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江杭州 3111223.浙江大學海洋學院，浙江舟山 316021

由于海上風電是高效無污染的可再生清潔能源，近年來我國大力建設近海岸海上風電工程，江蘇、福建、浙江、廣東等沿海省份風力發電如火如荼[1-3]。海上風電場各風力發電機組所發的電力，需要通過電纜匯集到海上升壓站，將電能的電壓提升至常規的電壓再送往陸上集控中心并入當地電網[4-5]。海上升壓站結構一般由樁基礎、導管架、上部組塊3部分組成。其中上部組塊含有主變模塊、GIS模塊及轉換層模塊。主變模塊布置有：主變散熱器、開關柜室、臨時休息室和消防泵室等；GIS模塊布置有：通訊繼保室、GIS室、低壓配電室、工具間、通風機房和蓄電池室；轉換層模塊布置有：事故油池、生活水箱間、集合區、污水處理設備室、樓梯間及相應的救生設備等。

當前，3 000 t級海上升壓站上部組塊的安裝主要采用整體吊裝方式。由于工程所處海域地勢開闊，受大風、季風、涌浪、霧等自然環境影響大，適合整體吊裝作業的天氣窗口較少，導致施工的效率降低且施工風險較大。

目前，許多學者對升壓站的穩定性分析[6-7]、上部組塊的運輸[8-9]及整體吊裝方式[10-11]等開展了相關的研究，對海上升壓站上部組塊分體式吊裝還有待進一步的研究。結合大連某海域海上升壓站導管架基礎建設項目，對海上升壓站上部組塊分體式吊裝的施工關鍵技術進行研究，以期為后續類似工程建設項目的施工提供參考。

1 工程概況

大連某海上風電項目位于莊河海域，場址中心離岸距離約35.2 km。場區規劃面積約55.8 km2，場址內配套新建一座220 kV海上升壓站。220 kV海上升壓站結構由樁基礎、導管架、上部組塊3部分組成。樁基礎與導管架套筒采用灌漿方式連接，上部組塊與導管架采用焊接方式連接。

1.1 導管架基礎

220 kV海上升壓站基礎采用4樁導管架形式，立面如圖1所示。

圖1 海上升壓站立面/m

主導管采用φ1 500～1 800 mm鋼管，在標高11.0～27.0 m處設水平拉筋（φl 000 mm鋼管）及斜拉筋（φ1 000 mm鋼管），導管架約1 314.94 t。鋼管樁共4根，直徑φ2 800 mm，壁厚45～60 mm，樁長為52.75 m，樁入泥約41.0 m，單根鋼管樁約176.12 t，4根樁總共約704.48 t。在海上升壓站兩側沿導管架分別布置φ325 mm的35 kV海纜保護J型套管和φ610 mm的220 kV海纜保護J型套管。35 kV海纜和220 kV海纜沿J型套管登入、登出海上升壓站平臺。電纜保護J型套管固定在導管架上，上部延伸到一層甲板，下部延伸到泥面處。

1.2 上部組塊

上部組塊施工包括1#主變模塊、2#主變模塊、GIS模塊和轉換層模塊等4個模塊的吊裝作業。

模塊一為結構轉換層模塊，屬于兩層結構，包括一層甲板結構和高4.5 m的層框架結構，軸線總平面尺寸為35.50 m×35.40 m，一層甲板上布置事故油池、生活水箱間、集合區、污水處理設備室、樓梯間及相應的救生設備等，同時一層也作為電纜層和結構轉換層，層高為5.5 m。

模塊二為GIS及繼保室模塊，二層布置通訊繼保室、GIS室、低壓配電室，三層為GIS上空，布置了工具間、通風機房1和蓄電池室；平面尺寸為40.5 m×17.35 m，層高為5.0 m。

模塊三為1#主變及開關柜模塊，二層布置主變，主變散熱器布置在主變室兩側室外平臺上；主變南側布置40.5 kV開關柜室；三層為主變室上空，布置了臨時休息室和消防泵室，平面尺寸為23.7 m×27.05 m，層高為5.0 m。

模塊四為2#主變及開關柜模塊，二層布置主變，主變散熱器布置在主變室兩側室外平臺上；主變南側布置40.5 kV開關柜室；三層為主變室上空，布置了通風機房2、應急配電室和柴油機房，平面尺寸為19.585 m×25.85 m，層高為5.0 m。屋頂層設置了空調室外機、氣象觀測站、激光測風雷達、避雷針、通訊天線及主變檢修孔，且布置額定吊重為50 kN的懸臂吊。

2 總體施工流程

本工程所處海域地勢開闊，受大風、季風、涌浪、霧等自然環境影響大，作業天氣窗口較少，導致施工效率降低且施工風險較大。因此，采用分體式施工技術方案安裝海上升壓站上部組塊。升壓站上部組塊海上施工流程如圖2所示。

圖2 升壓站上部組塊海上施工流程

3 上部組塊裝船

本工程選用“德浮3600”作為升壓站上部組塊安裝的主作業船，總噸位16 465 t，型長118.9 m，型寬48 m，型深8.8 m，吃水4.6 m。船體配有1個主鉤，規格3 600 t，吊高108 m；2個副鉤，規格200 t，吊高128 m；滿載起升速度為0.13～1.3 m/min，抗風能力8級，施工風力5級。采用“德渤3”運輸升壓站上部組塊，其總噸位20 216.37 t，甲板使用面積4 800 m2，型長151.5 m，型寬37.2 m，型深10.9 m，吃水6.2 m。

本次上部組塊海上運輸分為兩個航次，轉換層模塊單獨作為第一航次進行運輸，1#主變模塊、2#主變模塊、GIS模塊等3個模塊一并在第二航次進行運輸。

轉換層模塊現場施工時，采用“德浮3600”船首順靠“德渤3”船尾的方式就位，因此轉換層模塊應靠近駁船船尾布置（如圖3所示），確保浮吊船跨距合適；1#、2#主變模塊和GIS模塊碼頭裝船示意如圖4所示，采用“德浮3600”船首頂靠“德渤3”船中的方式就位。

圖3 轉換層模塊碼頭裝船示意

圖4 1#、2#主變模塊和GIS模塊碼頭裝船示意

4 上部組塊吊裝分析

4個上部組塊吊裝方式大致相同，都是通過4根30 m、600 t的環形吊帶兩兩與“德浮3600”的1#和3#鉤頭相連，如圖5所示。本次選用的鎖具為600 t的高強度聚乙烯吊帶；卸扣選用KWB-500型500 t寬體卸扣，銷軸直徑為200 mm，卸扣許用吊耳寬度為275 mm。

圖5 模塊吊裝索具連接方案

4.1 吊重校核

該升壓站上部組塊質量均約1 000 t，吊裝索具質量預計30 t，吊裝系數取1.15，則所需吊力為11.845 MN，采用雙臂架雙鉤吊裝，鉤頭在前后方向上位于導管架的中心，控制跨距在49 m以內，49 m跨距下最大吊重能力為15.25 MN，因此滿足吊裝需求。

4.2 吊高校核

4個上部組塊中，1#、2#主變模塊和GIS模塊位于上層，其頂部高程為31.3～31.6 m，按31.6 m取值，索具使用30 m長吊帶，則索具極限長度最大為30 m，考慮組塊吊裝懸空高度3 m，49 m跨距下“德浮3600”鉤頭到水面的高度為105.8 m。因此，水面以上總吊裝高度為：31.6 m+30 m+3 m=64.6m＜105.8 m，符合吊高要求。

4.3 鉤偏角校核

在4個組塊中，1#主變模塊吊點間距最小，且吊點高程最高，在擬定的吊裝方式下，最易發生鉤頭左右偏角偏大的情況。基于上述原因，可認為1#主變模塊是最危險的吊裝工況，若1#主變模塊吊裝校核無問題，則其余3個組塊均可滿足吊裝要求。采用雙臂架雙鉤進行吊裝，“德浮3600”左右鉤距為24 m，1#主變模塊對應的左右吊點間距為22 m，考慮組塊吊裝3 m的懸空高度，則實際吊裝時的吊點高程約為34.6 m。經核算，鉤頭左右偏小為2.92°，小于3°的允許偏角，符合要求。吊帶長30 m，其與水平方向的夾角為67.25°，大于60°的夾角要求，因此滿足吊裝條件，如圖6所示。綜上所述，升壓站導管架基礎滿足吊裝要求。

圖6 1#主變模塊索具角度校核

5 上部組塊分體式吊裝施工

“德浮3600”移船至轉換層模塊設計位置并下放安裝，在與下部基礎主腿完成對接后，隨即進行焊接固定。完成轉換層模塊安裝后，“德渤3”將1#、2#主變模塊和GIS模塊運至現場，駁船船中靠“德浮3600”船首，浮吊船按上述方案按順序依次對1#主變模塊、2#主變模塊、GIS模塊進行吊裝。

5.1 船組初次拋錨就位

主施工船“德浮3600”拋錨完畢后，運輸導管架的駁船船尾靠浮吊船船首，駁船采取艏部拋航行錨，倒車艉靠，船尾帶交叉纜到浮吊船，共拋4口錨，并根據浮吊跨距調整兩船之間的距離，如圖7所示。此時兩船相距約16～17 m，保證鉤頭離轉換層模塊中心跨距約在49 m內。

圖7 船組初次現場就位示意

5.2 轉換層模塊吊放

浮吊船主鉤下落至轉換層模塊頂部進行掛鉤操作，同期進行解綁扎。模塊頂部擺放定位設備，定位人員進行設備調試。

解綁扎完成后浮吊船起升主鉤，主鉤負荷每增加1 000 kN報一次負荷，負荷增加50%時停止，觀察5 min，確認無問題再繼續增加負荷，負荷增加75%時再次停止，觀察5 min。在導管架基礎離開駁船甲板50 cm后停止起升，觀察5 min，確認無任何異響或問題再進行起吊作業。期間定位系統實時觀測，確保定位系統的可靠性，一旦發現異常停止起升，及時進行檢修或啟用備用系統。

轉換層模塊起升至合適高度后，“德渤3”駁船遠離“德浮3600”至指定位置；根據定位系統指示，甲板人員操控船位，將浮吊船調整至模塊設計安裝位置，并開始下落，下落過程中實時觀測模塊位置，并適當調整主鉤高度，確保模塊絕對位置及水平度滿足施工技術要求，直至轉換層模塊主支撐柱與導管架上部主腿對接，如圖8所示。轉換層模塊落位后，通過其主支撐柱與導管架基礎主腿以焊接方式進行連接。

圖8 轉換層模塊吊放示意

5.3 船組第二次拋錨就位

完成轉換層模塊安裝后，運輸駁船將其余3個模塊運至施工現場。運輸組塊的駁船船中靠浮吊船船首，共拋4口錨，駁船船中與浮吊船船首帶交叉纜，并根據浮吊跨距調整兩船之間的距離，兩船船位如圖9所示。

圖9 船組第二次現場就位示意

5.4 1#、2#主變模塊和GIS模塊吊放

1#、2#主變模塊和GIS模塊吊放方式與轉換層模塊吊放方式類似。應注意，考慮到上述的就位方式，3個上層組塊吊放具有一定的先后順序，即先吊放1#主變模塊，隨后吊放2#主變模塊，最后吊放GIS模塊（見圖10），以免出現視野盲區。

圖10 GIS模塊吊裝示意

5.5 1#、2#主變模塊和GIS模塊焊接與連接

1#、2#主變模塊與轉換層模塊、GIS模塊與轉換層模塊的對接方式相同，即轉換層上節點板的4個對應位置上分別設有4塊限位板，主變模塊和GIS模塊主支撐柱的內壁沿著限位板進行下放以完成整個組塊的準確定位，如圖11所示。當主變/GIS模塊在轉換層組塊上準確落位后，開始現場焊接，對主變/GIS模塊所有主支撐柱進行焊接，焊接為兩側角焊縫。此外，1#、2#主變模塊和GIS模塊之間在二、三層設置外走廊，采用柔性連接，便于設備搬運和運維檢修；在屋頂層采用連接步橋連接。

圖11 主變/GIS模塊與轉換層連接平面

5.6 復核與撤場

升壓站上部組塊焊接基本完成到位后，測量人員需對基礎的水平度（含法蘭水平度）、絕對位置、方位角及高程等數據的進行復核確認。

完成復核且滿足設計要求后，經業主及監理檢查確認后，將各索具依次從升壓站各吊點上摘除，同時監測人員將升壓站樁腿上布置的監測設備回收，然后主作業船撤離安裝區域并與升壓站保持約100 m的安全距離。

6 結論

為解決復雜環境下海上升壓站上部組塊整體吊裝作業窗口少的問題，提出一種海上升壓站上部組塊分體式吊裝方法。

首先，介紹了主變模塊、GIS模塊以及轉換層模塊的裝船方法；轉換層模塊現場施工時，采用“德浮3600”船首順靠“德渤3”船尾的方式就位；而1#、2#主變模塊和GIS模塊現場施工時，采用“德浮3600”船首頂靠“德渤3”船中的方式就位。

其次，4個上部組塊吊裝方式大致相同，都是通過4根30 m、600 t的環形吊帶兩兩與“德浮3600”的1#和3#鉤頭相連，分別對1#主變模塊吊裝過程中的吊裝索具的吊重、吊高、鉤偏角三面向進行了分析計算，結果顯示升壓站導管架基礎滿足吊裝要求。

最后，依次介紹了上部組塊分體式吊裝的船組初次拋錨就位，轉換層模塊吊放，船組第二次拋錨就位，1#、2#主變模塊和GIS模塊吊放，1#、2#主變模塊和GIS模塊焊接與連接，復核與撤場等6項關鍵施工技術。