一種海上風電風機基礎導管架建造施工方法

孟祥禮

(中海福陸重工有限公司 廣東 珠海 519000)

0 引 言

近年來，隨著綠色發展深入人心，尤其隨著碳達峰碳中和成為國家戰略目標，大力發展清潔能源逐步取代化石燃料成為了共識。隨著人們對綠色能源的呼聲越來越高，我國風力發電行業取得迅速發展。海上風電具有規模優勢，且處于用電負荷中心周邊位置，利用程度高，因此，海上風電作為一種主要的清潔能源越來越受到重視，發展勢頭迅猛。廣東省作為我國沿海大省，以其豐富的海上風能資源引領我國海上風電產業發展，先后實施了多個新建、擴建項目，如三峽風電項目、中廣核南鵬島40萬kW海上風電項目、粵電陽江沙扒30萬kW海上風電項目等[1]。

海上電機組主要由葉片、葉輪、機艙、塔筒、基礎導管架、鋼管樁等部分組成，其中風機基礎導管架是海上風機塔筒與水下樁基的連接段，由導管架主體結構和過渡段組成，主要應用于單機容量較大、水深較深、地質條件較差的海上風電場[2]。

1 項目概述

中節能陽江南鵬島300MW海上風電項目(以下簡稱“本項目”)位于陽東縣東平鎮南側、南鵬島南側海域，涉海面積約47.5km2，水深23～32m，項目規劃裝機總容量300MW，擬布置單機容量為5.5MW的風電機組55臺(其中1臺限發3MW)，同時配套建設1座220kV海上升壓站和陸上集控中心[3]。

本項目風機基礎導管架采用“四樁導管架式”風機基礎結構型式，導管架安裝采用水下對位、水下灌漿等技術。導管架是由若干豎向立柱(圓鋼管)和橫向、斜向聯接鋼管焊接成的空間框架結構，橫向和斜向的鋼管分別叫橫撐和斜撐，也叫橫拉筋或斜拉筋，豎向大直徑圓管叫導管或導管腿[4]。

本文主要介紹陸地建造階段基礎導管架的建造過程、建造方法和注意事項等，導管架總重約871t，運輸支撐重量約54t，導管架與運輸支撐總重約925t，導管架主體結構如圖1所示。

2 總體建造方案

項目開始施工前需要根據建造項目特點、施工環境、公司場地資源、施工設備資源、成本、安全等多方面限制因素綜合考慮、不斷優化，進而編制最適合本公司和本項目的施工方案[5]。

導管架的建造模式通?？煞譃榱⑹浇ㄔ旌团P式建造2種。立式建造通常用于較小的導管架的建造，臥式建造通常用于較大的導管架的建造。本項目的導管架總重871t，外形尺寸為31600mm(長)×30730mm(寬)×49900mm(高)，根據公司場地設備資源和建造慣例最終選擇了立式建造模式。

本項目在珠海巨濤總裝場地進行總裝，所用主要設備包括2臺400t履帶吊、1臺200t龍門吊和SPMT運輸車。根據公司場地設備資源將導管架分為三大部分，即過渡段、上部導管架和下部導管架，上部導管架和下部導管架又可分為帶導管腿的立片和不帶導管腿的十字花片，如圖2所示。

圖2 導管架主結構分解圖Fig.2 Exploded view of jacket

3 建造流程

①根據導管架主結構分解圖分別預制各個次結構和運輸支撐。

②擺放運輸支撐，并總裝下部導管架，如圖3～6所示。

圖3 擺放運輸支撐Fig.3 Layout transportation support

③預制上部導管架，如圖7所示。

圖7 上部導管架Fig.7 Upper jacket

④總裝上部導管架，如圖8所示。

圖8 總裝上部導管架Fig.8 Erection of upper jacket

⑤預制過渡段，如圖9所示。

圖9 過渡段示意圖Fig.9 Transition section

⑥總裝過渡段，如圖10所示。

圖10 總裝過渡段示意圖Fig.10 Erection of transition section

⑦利用SPMT(自行式模塊運輸車)進行運輸 裝船。

本方案中，在場地資源允許的情況下可同時進行 過渡段、上部導管架、下部導管架的預制工作，以縮短項目工期和提高生產率。

圖4 安裝立片Fig.4 Erection of panel

圖5 安裝花片Fig.5 Erection of brace

圖6 安裝另一側立片Fig.6 Erection of other side panels

4 施工技術難點

4.1 鋼管的卷制

本項目規定管徑等于或大于φ406mm的鋼管采用焊接管，即鋼管由鋼板卷制并焊接形成，同時本項目對管的平直度、縱縫徑向錯邊、外圓周長公差、橢圓度等均有較為嚴格的規定。如對平直度誤差要求為任何3m一段不超過3mm；任何12m一段不超過10mm；任何超過12m一段不超過12mm。

在由鋼板卷制成型并焊接的過程中最主要的影響因素是焊接收縮變形。因此，完成鋼管卷制成型、外形尺寸校準和縱縫點焊固定后一般使用剛性固定法，即在鋼管徑向端面增加臨時支撐，以減小縱縫焊接過程中引起的鋼管變形和達到誤差要求；同時也可采用余量補償法，焊接前在焊接收縮的反方向預留收縮余量，通過反向收縮變形抵消焊接過程帶來的尺寸誤差和變形。

4.2 導管腿和拉筋的接長

完成單節鋼管卷制后將單節鋼管沿著軸向接長就形成了導管腿和拉筋。

所有導管腿必須按照以下要求分別進行接長：①所有組對接口都必須預留適當的焊接收縮余量；②含有MITER口的管段要先將含MITER口的管段與其一側的直管段接長、劃線、切割MITER口，最后對接MITER口；③對于一次接長、二次接長和現場接長的各管段，都必須以各管段的底端為尺寸測量基準，每次接長的各管段加工余量均預留在各接長管段的頂端；④對有預留加工余量的管段，先接長各管段，預留下道接長工序中的加工余量后切除接長管段的多余部分。

完成接長后須對工件進行檢驗，主要檢驗項如下：①直線度誤差；②錯邊誤差；③周長誤差；④拼縫；⑤其他(除非另有要求，所有坡口型式或組對間隙均需遵從本項目WPS 程序；臨時附件的割除)。

應盡可能限制臨時附件的使用。若必須使用時，則應滿足下述要求：①不可用錘擊或碳弧氣刨方法去除臨時附件，以免傷害母材；②對于導管腿、拉筋、節點、加厚段上所用的臨時附件，應使用氣割方法在距母材以上5mm處割除，然后用機械方法打磨直至與母材光滑平齊；③位于涂裝區域的臨時附件應在涂裝前按上述方法割除、磨平。

4.3 運輸支撐的設計

從導管架總裝開始直至運輸至海上安裝入海為止，運輸支撐將整個項目的各種載荷傳導至地面活運輸船/車上是項目建造階段載荷的主要載體，其作用至關重要。本項目采用SPMT滾裝裝船，運輸支撐的受力計算主要使用ANSYS軟件進行仿真計算。導管架運輸支撐需要考慮以下2個因素。

①建造階段：運輸支撐須能同時承載基礎導管架及運輸支撐本體的重量、腳手架等建造工裝的重量、場地最大風載荷和雪載荷、路上運輸的動載荷等載荷；運輸支撐還須滿足SPMT運輸要求，并根據SPMT運輸能力、外形尺寸、排列方式、支撐的接地面積及地面承載力設計成門架式結構。

②海上運輸階段：需要承受海上運輸載荷，包括縱搖、橫搖、垂蕩等。

每個導管架4個SPMT運輸支撐，其分別分布在4根導管腿底端，每個支撐寬度方向允許內部并列2排SPMT，長度方向允許6軸SPMT進入，運輸支撐各個焊縫均需全熔透焊接。

4.3.1 SPMT運輸支撐材料

①材料為Q345B或以上。

②許用應力：207MPa(345×0.6API 2A 3.2.1)。

③計算參數：彈性模量E＝205000MPa；泊松比ν＝0.3；密度ρ＝7850kg/m3。

④分析軟件：ANSYS，結構強度校核采用Shell 181單元。

4.3.2 運輸支撐承載能力

單個運輸支撐承載能力為300t。

①導管架自重約900t，考慮10%的施工載荷，總重990t；②每個導管架4個運輸支撐，平均計算每個支撐承載247.5t；③考慮1.2倍的設計系數，每個支撐承載297t，按300t承載能力校核。

4.3.3 環境載荷

根據建筑結構載荷規范，環境載荷有風載和雪載；珠海地區沒有雪，只考慮風載即可。

根據建筑結構載荷規范：

式中，WK為風荷載標準值，kN/m2；βz為高度Z處風振系數；μS為風荷載體型系數；UZ為風壓高度編號系數；W0為基本風壓，kN/m2。

其中：βz=1；US=0.8；UZ=1.89；W0=0.5。

計算得到：WK=βzμSUZW0=0.756kN/m2

根據導管架外形尺寸估算導管架的迎風面積為400m2，風載計算如下：

式中，Fwind為風載荷，kN；A為迎風面積，m2。

每個支撐承受的風載：

式中，Fw為每個支撐風載荷，kN。

之后在ANSYS軟件中建立運輸支撐模型，經過網格化處理、設置約束條件、施加載荷和計算后得知該運輸支撐滿足項目建造和運輸要求。

4.4 大型吊裝方案設計

大型吊裝主要包括上/下部導管架立片吊裝、上部導管架與下部導管架總裝時的吊裝、過渡段的吊裝等，這些部分的重量均超過50t，屬于大型吊裝，需要編制專門的吊裝方案。

本項目最大的吊裝作業為導管架頂部過渡段的吊裝作業，其重量最重，吊裝作業高度最高，導管架各部分吊裝只需焊接臨時擋繩柱即可，然后通過SACS軟件校核吊裝作業是否可行。而過渡段的吊裝則因其屬于非桁架結構，故無法使用SACS軟件進行吊裝校核，仍需使用較為復雜的ANSYS軟件進行吊裝校核，且需自行設計臨時吊耳以安裝吊裝作業用的卸扣和鋼絲繩等。

過渡段結構的外形尺寸(帶鋼平臺)為：16345mm(長)×15050mm(寬)×6330mm(高)，預估吊裝重量(包括腳手架、吊點等臨時工裝和結構)為252.34t，吊裝計算中包含5%質量偏差，即計算重量為265t。

在ANSYS軟件中建立過渡段模型，經過網格化處理、設置約束條件、施加載荷和計算后得知該吊耳設計滿足項目建造和施工要求。

吊耳在過渡段校核結果安全后即可參照吊機性能表選取吊機工況，最終選取的吊機型號為400t履帶吊。

進行吊裝碰撞檢查。符合安全距離要求后可以實施吊裝。吊裝過程中為防止履帶吊對場地地面造成破壞和地面沉降，可在履帶與地面之間鋪設路基板，以減小對地壓強。

①過渡段法蘭安裝后對水平度要求較高，整個法蘭面水平度誤差不得超過0.3%。預制過渡段時，法蘭先進行粗找平；導管架完成總裝后再對法蘭進行現場機加工，以完成精找平。

②根據場地地基承載力和項目對地基沉降的要求，確定是否對地基進行加強或墊防沉板等措施，以防止項目建設過程中出現沉降超差。

③導管架分成上下2部分總裝，須確認泥漿管線和電纜護管等附件均位于導管腿外部，以避免出現總裝后無法焊接導管腿內部管線的情況。

5 結 語

沒有最好的建造方案，只有最合適的建造方案。任何項目的建造方案都要結合項目特點和本公司的實際情況，實事求是，充分考慮本公司及本項目的特點才能在保證按質按量完成項目建設的同時實現項目利益的最大化。

本文中的導管架的建造方案既可以立式建造，也可以臥式建造；立式建造既可以采用整體立片的方式，也可以采用劃分上下部導管架的方式。整體立片方式雖然整體占優，但是卻對吊裝設備能力有更高的要求，在公司吊裝設備能力有限的情況下將導管架分為上下2部分分別進行預制和總裝，雖然增加了吊裝工作量，但是卻能充分利用本公司已有設備資源，在整體上實現項目收益的最大化，是最適合公司的一種方案。■