海上風力發電機導管架吊耳的設計

□ 王 磊

福建福船一帆新能源裝備制造有限公司 福建漳州 363211

1 設計背景

當前,我國海上風電正在快速發展,海上風力發電機單機容量已從過去的2 MW級別提高到如今的10 MW及以上級別,最大風輪直徑已經超過230 m,風電場從潮間帶發展至中遠海和深遠海。隨著機組容量、風輪直徑、風電場水深的增大,傳統上較多采用的單樁基礎形式已經無法滿足現階段海上風電場的開發需求。近年來,高樁承臺、導管架、吸力桶等多種基礎結構形式在國內得到大量應用。

導管架基礎是海上風力發電機塔筒與水下樁基的連接段,這一基礎結構形式由海洋石油鉆井平臺發展而來,適用于水深為5～50 m的海域。導管架主體結構如圖1所示,主要包括導管架帽、導管、斜撐管、過渡段等部件。導管架主體結構由工字鋼、板材、板材卷管焊接而成,材質均為Q355ND鋼。導管架基礎結構形式整體剛度較大,承載能力較強,缺點是桿件比較多,焊接工作量比較大。

導管架體積龐大,質量較大,在制造廠內需要進行組裝、翻身、轉運等工序,制作完成后還要進行裝卸船、海上風電場吊裝等環節。由于吊裝設備、吊裝工藝存在差異,因此導管架吊耳需要基于具體應用場景進行設計,這樣才能保證導管架生產、運輸、吊裝過程中的安全性。筆者對導管架吊耳進行設計,并進行應力與變形分析。

▲圖1 導管架主體結構

2 導管架建造方法

導管架高度約為60 m,寬度約為25 m,質量約為1 000 t。導管架生產工藝流程包括原材料數控切割下料、開焊接坡口、筒節卷制成型、縱縫焊接、縱縫超聲檢測、二次校圓、筒體拼裝、環縫焊接、環縫超聲檢測、主筒體尺寸檢測、零部件噴砂噴漆、導管架主體拼裝焊接、導管架主體合攏口超聲檢測、導管架主體尺寸檢測、合攏口油漆修補等重要工序。

導管架體積龐大,質量較大,實際生產時可以選擇立式和臥式兩種建造方法。立式建造方法工藝流程為先制作運輸框架,再立片組對進行X型拉筋,之后合片形成整體結構,最后安裝過渡段等附件。臥式建造方法工藝流程為先立片組對進行X型拉筋,再合片形成整體架構,之后臥式建造主體下部結構,最后與過渡段分段臥式合攏,完成總裝配。立式建造方法場地布置靈活,機動性強,但占地面積較大,作業工序不集中。臥式建造方法場地布置緊湊,作業工序比較集中,組裝方便。兩種建造方法各有優缺點。受廠房高度限制,筆者采用臥式建造方法。

與立式建造方法相比,臥式建造方法在建造工裝上花費的時間增加30%以上。整體拼裝完成后,為便于導管架裝船運輸,需要采取整體翻身的方式使其由臥式變為立式。導管架整體抬升如圖2所示,導管架空中翻身如圖3所示。

▲圖2 導管架整體抬升

▲圖3 導管架空中翻身

3 翻身吊耳應力與變形分析

導管架翻身過程非常復雜,一旦操作不當,將會引發重大事故,給企業帶來巨大損失。導管架主體吊耳必須具備足夠的強度和剛度,這樣才能滿足導管架翻身的要求。三種翻身吊耳的結構形式一致,均采用鋼板卷管焊接在導管架的導管上,區別僅在于翻身吊耳的焊接位置和外形尺寸。導管架生產之前,將焊接工藝評定送有國家資質的第三方檢測機構進行審核,并保證導管架所有主體焊縫的極限強度不低于母材的極限強度,由此僅需要分析翻身吊耳的極限強度和吊裝過程中的變形即可。

應用ANSYS Workbench軟件對翻身吊耳進行應力分析,導管架和翻身吊耳均采用實體單元,彈性模量取2.1×1011Pa,泊松比取0.3,密度取7 850 kg/m3,翻身吊耳的許用應力按照標準GB/T 1591—2018《低合金高強度結構鋼》執行,并且考慮不同板厚對許用應力的折減。計算過程中,考慮不均衡載荷、導管架慣性載荷的影響,動載荷安全因數取2。

導管架整體抬升過程中,導管架的質量主要由翻身吊耳1和翻身吊耳3承受,翻身吊耳2不受力,因而對于導管架整體抬升過程,可以不對翻身吊耳2進行強度校核。經計算,翻身吊耳3垂向總受載荷為677 t,單個翻身吊耳3垂向受載荷為338.5 t,考慮2倍安全因數,吊裝帶偏向角度為2.5°,單個翻身吊耳3受吊裝帶施加的載荷為677 t。翻身吊耳1垂向總受載荷為323 t,合成角度為30°,考慮2倍安全因數,單個翻身吊耳1受吊裝帶施加的載荷為373 t。

導管架空中翻身過程中,翻身吊耳3受吊裝帶施加的載荷隨力矩變化逐漸減小,翻身吊耳1受吊裝帶施加的載荷隨力矩變化逐漸增大,翻身吊耳2依然不受力,可以不對翻身吊耳2進行強度校核。經計算,翻身吊耳3垂向總受載荷為647 t,單個翻身吊耳3垂向受載荷為323.5 t,考慮2倍安全因數,單個翻身吊耳3受吊裝帶施加的載荷為647 t。翻身吊耳1垂向總受載荷為353 t,合成角度為30°,考慮2倍安全因數,單個翻身吊耳1受吊裝帶施加的載荷為408 t。

導管架整體下落過程中,翻身吊耳3和翻身吊耳2受吊裝帶施加的載荷分別為500 t,合成角度為17.5°,考慮2倍安全因數,單個翻身吊耳3和單個翻身吊耳2受吊裝帶施加的載荷為524 t。

綜合以上強度分析,單個翻身吊耳1所承受的載荷不超過408 t,單個翻身吊耳2所承受的載荷不超過524 t,單個翻身吊耳3所承受的載荷不超過677 t。單個翻身吊耳2應力云圖如圖4所示,變形云圖如圖5所示。

三種翻身吊耳的應力和變形分析結果見表1,許用應力為284 MPa,許用變形為5 mm。由表1可知,在制造廠內導管架整體翻身過程中,三種翻身吊耳的強度、變形均滿足設計要求。

▲圖4 單個翻身吊耳2應力云圖

▲圖5 單個翻身吊耳2變形云圖

表1 翻身吊耳應力和變形分析結果

4 吊裝吊耳設計

導管架在海上的施工作業是非常復雜的過程,包括海上運輸和海上安裝兩部分。對于海上運輸,導管架通常由駁船或通過其它方式運輸到風力發電機機位點。

導管架的海上安裝有提升法、滑入法和浮運法。提升法主要依靠起重船進行吊裝,受起重船起重能力和起重高度的限制,導管架主體質量不能太大,也不能太高。如果質量太大,需要分為幾部分預制,然后分體吊裝,這會增大海上施工的難度。滑入法將導管架的導管密封,用有下水滑道的駁船運輸至現場,到達風力發電機機位點后駁船傾斜,導管架沿滑道下滑入水中,并浮在水面上。此時向導管架內注水,再由一個常規的起重船協助,就可以實現導管架的安裝。浮運法將導管架兩端密封,導管架依靠自身浮力浮在水面上,用拖船拖至風力發電機機位點,向導管架內注水后完成安裝。

目前國內一般采用提升法進行導管架的海上安裝。受起吊高度的限制,導管架裝船及在風力發電機機位點吊裝時,為了操作方便,需要使用過渡段上的吊裝吊耳。導管架整體吊裝如圖6所示,吊裝吊耳結構如圖7所示。吊裝吊耳先采用鋼板焊接,然后焊接在導管架的過渡段上。

▲圖6 導管架整體吊裝

▲圖7 吊裝吊耳結構

導管架整體吊裝時采用雙鉤起吊,雙鉤之間的距離為5 m。每個吊鉤上吊兩根鋼絲繩,每根鋼絲繩的長度約為30 m。每根鋼絲繩的兩端分別系一個吊裝吊耳。吊鉤、吊繩、吊裝吊耳的布置如圖8所示,由此組成整體吊裝結構。

5 吊裝吊耳應力與變形分析

仍然應用ANSYS Workbench軟件對吊裝吊耳進行應力和變形分析,相關參數設置與翻身吊耳的分析相同。導管架整體吊裝過程中,整體吊裝結構應力云圖如圖9所示,整體吊裝結構變形云圖如圖10所示,吊裝吊耳應力云圖如圖11所示。

▲圖8 吊鉤、吊繩、吊裝吊耳布置

▲圖9 整體吊裝結構應力云圖

▲圖10 整體吊裝結構變形云圖

由圖9～圖11可知,導管架整體吊裝時整體吊裝結構最大應力為207.2 MPa,整體吊裝結構最大變形為1.66 mm,產生于吊裝吊耳上,應力和變形均滿足設計要求。

6 結束語

海上風力發電機基礎主體結構設計壽命不短于25 a,伴隨著機組大型化,導管架的質量及體積不斷增大,導管架設計、建造、運輸、吊裝等環節將面臨更為嚴峻的挑戰。筆者結合具體工藝流程,對導管架在建造、吊裝環節使用的翻身吊耳和吊裝吊耳進行設計,并應用ANSYS Workbench有限元分析軟件對導管架吊耳的應力和變形進行分析,保證設計滿足要求。后續還應結合具體工藝流程,制訂詳細的生產驗收規范,這樣才能保證導管架各項工作的順利開展。

▲圖11 吊裝吊耳應力云圖