基于CAD軟件平臺進行海上風電導管架無余量建造方法探討

摘" " 要：海上風電導管架是海上風電設備的基礎結構，其結構的強度和制作精度必需符合設計要求，才能在全生命周期內承受極端天氣的沖擊和惡劣環境的腐蝕。為保證導管架的結構強度，導管架在制造過程中需要嚴格控制精度尺寸。通過在CAD軟件平臺上進行全站儀測量數據分析，實現導管架組件無余量總裝，從而達到對尺寸精準控制和提升工效的目的。

關鍵詞：海上風電導管架；無余量總裝；CAD軟件平臺；工效提升

中圖分類號：U671.99 " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A

Discussion on the Construction Method without Margin for Offshore Wind Power Jacket Based on CAD Software Platform

LIU Dongzhao，" JIAO Fangli，" DING Shixing，" ZHAO Pengzhi，" LI Yanming

（ COOEC-Fluor Heavy Industry Co.， Ltd.，" Zhuhai 519000 ）

Abstract： Offshore wind power jacket is the basic structure of offshore wind power equipment， and its structural strength and production accuracy must meet the design requirements， in order to withstand the impact of extreme weather and harsh environment corrosion in the whole life cycle. The jacket needs to strictly control the dimension in the manufacturing process for ensuring the structural strength. By analyzing the total station measurement data on the CAD software platform， the jacket can be assembled without margin， so as to achieve the purpose of dimensional control and improve ergonomics.

Key words： offshore wind power jacket;" no margin final assembly;" CAD software platform;" improve ergonomics

1" " "引言

海上風電是我國“十四五”規劃重要的清潔能源發展方向。在雙碳目標和能源轉型中，海上風電成本下降和風機大型化等因素將驅動海上風電產業持續增長。而風電導管架是海上風電的基礎結構，主要在海面以下為風機運行提供必要的保障，同時將電力通過電纜從海底傳輸到升壓站。因此導管架結構強度和制作精度必需符合設計要求，才能在全生命周期內承受颶風、臺風和海上風暴等極端天氣的沖擊，同時還要抵御海水和海洋生物等對結構的腐蝕侵蝕。

在海上風電導管架制造過程中，對于精度尺寸把控要求非常嚴格。這涉及到導管架自身的結構強度，同時精度尺寸的良好把控對合攏焊接質量和產品制造效率有著至關重要的作用。如果使用傳統的總裝方法，導管架構件組件吊裝過程中吊機吊裝周期非常長，吊裝期間余量切割時間長，人員高空裝配作業效率低。因此在工效提升和質量把控上，對導管架無余量總裝進行研究有著很強的現實意義。

2" " "無余量建造方法應用

導管架建造中無余量總裝，是通過對關鍵工序進行嚴格的尺寸把控，在不影響導管架正常施工，生產節奏順暢的情況下，吊裝作業前對合攏口余量進行檢查和二次修割，達到控制總裝合攏口間隙和導管架整體尺寸的工藝方法。同時導管架制作組件階段，所有零散的平面的構件組成立體的相對復雜的組件時，為了提高生產效率和保持生產的節奏順暢，需要所有平面構件在組裝前進行無余量控制，減少組件制作吊裝過程中余量切割時間，實現現場連續生產。

2.1" "單件管制作精度控制

導管架結構主要由圓管形式的構件組成，管子對接，角接或者交叉位置都會形成相貫口。焊接位置口型形成馬鞍形或者橢圓形等不規則形狀，增加了尺寸控制和余量修割的難度。為實現導管架整體精度可控，在關鍵節點只需要考慮余量切割，而不用考慮導管架合攏端頭角度的影響，需要在導管架制作的每個階段都要進行精確的尺寸控制。

從管材下料切割開始，管子構件切割前需要在管子外皮做四分線基準點，以基準點為準對管子長度進行測量，同時使用口型膠模紙按四分線基準點對管子口型進行檢查。尤其是涉及總裝對接口位置的管端口，口型檢查需要重點監控。口型切割后需要以口型切割基準點為原始依據，在管材上劃線敲樣沖點。內容包括管材相交的腳印中心點，管材端頭長度基準四分線點，以及管材定位和總裝階段需要測量的標記點等。以上標記點是通過檢查驗證后的基準點，是管材自身尺寸特征的提取和管材定位的依據，代表的是管材現場實際的尺寸狀態。因此在后續工序中基準點不再變動，并做好相應的保護。

2.2" "片體變形對分析結果的影響

片體完工后測量數據用于模擬分析，根據模擬結果切除余量。但片體測量時的狀態和總裝吊裝時狀態會有不同，這可能會導致余量模擬的結果失效，吊裝后狀態跟預估狀態存在偏差。因此分析研究片體變形因素對控制總裝精度至關重要。

首先在片體測量階段選取上，片體測量需要在焊接完工后，焊接應力釋放完全。一般在焊接完成48 h以后，無損檢測結果沒有問題，不需要焊縫返修。同時放置時間稍長也能讓應力充分釋放。

測量溫度方面，構件需要在環境溫度下進行測量，不能在加熱狀態下進行測量，一方面加熱的情況下結構自身的狀態會發生改變，另一方面采用激光測量方法，高溫會讓構件周邊空氣沸騰，影響光的傳播，可能會造成測量結果失真。在正常環境溫度下進行測量時也需要記錄實時環境溫度，所有的片體測量結果，在測量時都需要統一到同一溫度內進行模擬。

線性鋼構件溫度換算公式如下[1]：

?L = l×（c1-c2）×ε

式中：?L為理論熱膨脹量； l為導管長度；c1為基準環境溫度；c2為實測導管溫度；ε為熱膨脹系數。

片體測量狀態和吊裝時狀態是否能夠吻合，跟片體結構類型和放置姿態有較大關系。對于片體的彈性變形，在吊裝過程中對合攏口對位無影響的分析模擬時僅做參考；吊裝過程中對合攏口對位有影響的，且在吊裝過程中不易調整的，需要對該位置提前做臨時結構固定，避免吊裝過程受到影響。

2.3" "總裝控制網制作和測量點偏差評估

片體總裝需要對單獨風電導管架有對應的控制網，以保證單個導管架內部所有尺寸測量使用統一基準。獨立的控制網需考慮布網和使用的準確性和便利性。導管架總高在100 m以內，需要測量的點位均在80 m高度以內，因此采用在以導管架中心為圓心半徑70 m的范圍內全站儀一站式測量布網，不用進行測量平差，文件可以直接作為轉站使用，可以解決吊裝過程中轉站復雜和累積誤差的問題。轉站過程中使用三點擬合的方式可排除地球曲率對測量的影響。

無余量建造吊裝過程中測量點偏差值應與模擬的理論值進行對比。因為測量點是管材制作時永久標記，在整個制作過程中會逐漸產生累積誤差。總裝模擬分析的狀態跟理論值會存在一定誤差。因此總裝吊裝時應參照模擬的數值作為理論值進行定位，表示的是跟最佳定位狀態之間的差值。如果在吊裝前根據模擬結果將所有測量點修正到理論值，總裝吊裝時就需要跟理論值進行對比。

2.4" "導管架總裝合攏注意要點

在無余量總裝過程中，總裝吊裝松鉤前根據吊機剩余承重力放置重力反變形。大型導管架總裝組件自身重力較大，通常超過200 t。吊機松鉤前需要做部分裝配，此時吊機還有100 t左右剩余承重力。測量定位過程中需要考慮剩余重力在吊機松鉤后會對總體尺寸的影響，預放反變形。

大型導管架制作時通常會制作剛性工裝，便于總裝固定和批量化生產。為充分發揮總裝無余量吊裝的優勢，工裝制作完成后需要對所有與結構接觸的位置進行測量分析，避免工裝干涉吊裝過程，同時可以充分利用剛性工裝的支撐作用對導管架定位進行精確控制。

3" " CAD軟件模擬分析實踐

3.1" "CAD軟件模擬余量基本功能應用

對齊命令 ALIGN命令可以在二維和三維模型中將某個對象與其他對象對齊。其中三點對齊方式對于三維模擬的應用非常有效。可以應用于測量文件點云與線框模型的擬合分析。

UCS命令 CAD三維模擬中自定義坐標系統，在三維圖形上不同表面作圖，需要調整當前作圖面位置。在理論點選取和線框模型制作方面應用較多。

三維旋轉命令 3DROTATE命令可以對三維模型進行三維旋轉，多方位觀察和測量，可用于觀察和測量模擬結果。

平移命令 3DMOVE命令在三維模擬分析過程中發揮重要作用，主要用于優化模擬結果，找到最佳的分析擬合狀態。

3.2" "線框模型的制作和理論位置點選取

線框模擬制作需要根據圖紙在CAD中繪制出所有主管中心線，同時使用CAD基本功能選取主管外皮上的測量點，包括腳印中心點，管子端頭基準點（見圖2），總裝測量基準點，總裝合攏端口等，或者從設計三維模型軟件中進行線框模型提取。

測量理論位置點選取需要考慮總裝測量時的通視條件，在吊裝完成后需要在便利的位置可以觀測到所有測量點。例如在片體臥式制作階段，測量點選取在下端口，在立式總裝階段就可能觀測不到該測量點。因此基準點選取需要通盤考慮，在管子下料前就需要將測量位置點布置圖進行完善。形成系統統一的基準點布置方案。

3.3" "片體制作CAD模擬分析

單件管組成平面或立體片體，制作過程會有累積誤差。在單件管組裝成平面或立體片體過程中，保證安裝精度的情況下，需要優先保證合攏口的定位精度，為后續安裝定位創造條件。片體組裝焊接完成后，需要對片體整體進行測量，在CAD軟件中評估分析片體的三維狀態。

片體分析主要是分析對比管材基準點和線框模型的偏差，片體成型后整體尺寸測量主要以管材上的基準點為主，端口口型位置測量點作為輔助參考。分析前CAD軟件中按照圖紙尺寸生成線框模型，主要是管子中心線等基本的框架。之后根據管材上的測量基準點位置，在線框模型中添加基準點理論值。片體完工測量文件導入后，將實際測量文件基準點和線框模型理論點進行最優化的擬合，生成基準點偏差報告。片體各合攏口偏差狀態就可以較為形象的顯示出來。

在導管架制作過程中，片體制作完成后會有一定累積誤差，多個組件或片體組合成立體總段過程中，也可能會將累積誤差放大。因此在片體完工后，將多個片體統一放在同一個線框模型中進行分析（見圖3），對每個片體之間實際留有的余量或空隙進行調整分析，最終得到每個片體的最佳定位狀態和各個端口余量切割的數據，達到所有片體完全無余量吊裝組裝的目的。

3.4" "導管架總裝CAD模擬分析

總裝前合攏口需要測量檢查和局部余量切割，消除累積誤差造成的端口不平齊等問題，保證基準點同端口狀態一致（見圖4）。

根據格式需要從全站儀中導出或轉換為DXF測量文件，測量文件生成塊后與線框模型匹配，首先使用ALIGN命令將測量基準點與線框模型理論點對位。然后根據現場實際情況，使用CAD的平移和三維旋轉命令需要將所有測量點統一進行平移和旋轉，直到與實際情況達到最佳匹配狀態，即X、Y、Z三個方向綜合偏差最小，偏差方向沒有統一的趨勢，同時重要位置測量點偏差盡量控制在允許公差范圍內。

CAD模擬分析前需要評估分析對象的長寬高總體尺寸，三個分析基準點盡量選取在尺寸較長方向的強結構上，以長邊控制短邊減少誤差。初步擬合后，整體分析基準點的三維坐標偏差，控制合攏口位置的錯位符合要求，坐標數據沒有同一方向偏差趨勢。最后分析調整端口余量，通過整體平移將端口余量調整到公差允許范圍，同時避免出現端口短尺現象。

測量點云在模擬匹配完成后，所有合攏口測量點坐標與理論的差值顯示出該合攏口余量情況。存在的偏差值顯示的三維坐標方向的誤差，在現場調整方面需要了解到構件某個部分的長度是否有余量，或者短尺缺料，需要通過坐標系旋轉功能或直線量取功能確定余量。用于指導定位的測量點的偏差值，需要通過坐標系轉換，統一以總裝控制網的基準進行顯示。

3.5" "模擬分析中存在的問題和處理

分析文件導出過程中，以DXF格式文件導出可以直接使用CAD軟件打開。如果以TXT格式文件導出，需要使用EXCEL文件進行編輯公式，將TXT文件中的坐標值轉換為CAD命令，然后將轉換后的CAD命令復制到CAD命令欄中重新生成測量點。

在測量文件與線框模型匹配過程中，首先將所有測量點與理論點大致對位。此時可能存在部分關鍵點與線框模型有統一性偏差，例如X軸向統一偏差在同一方向。需要將所有測量點統一向相反方向進行平移。分析過程中發現某個區域有統一方向偏差，需要通過測量點整體旋轉進行優化調整。

在合攏口端口余量確定過程中，需要參照焊接工藝規范預留出焊接間隙。因為我們在無余量建造過程中，合攏口位置坡口已經切割和打磨處理，預留總裝后坡口間隙避免合攏后坡口二次處理。

4" " 結束語

風電新能源的利用有廣闊的前景，而風電導管架在近海甚至水位較深的臨海區域有著較強的優勢。在風電導管架的建造過程中，提升導管架建造效率，保證建造質量的技術是不斷更新和進步的。通過該方案的實施，實現導管架整體無余量總裝，為后續建造提供經驗，同時達到提效降本的目的。

參考文獻

[1] NORSOK Standard M-101 Structure Steel Fabrication[S]." Norway： The

Norwegian Oil Industry Association （OLF） and The Federation of Norwegian

Industry， 2011.