風電安裝船主弦管吊裝工裝設計與強度校核

蔡 靈，蔣茸茸，施偉林，白立袁，吳 迪

（1. 南通中遠海運船務工程有限公司，江蘇南通 226006；2. 江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇鎮江 212003）

0 引言

清潔能源已成為中國能源體系構建的新需求，作為清潔能源的重要組成部分，海上風電逐漸成為國家布局的重要能源產業[1]。海上風能具有湍流強度小、主導風向穩定、節約土地資源、風能平穩、無噪聲及景觀污染、資源豐富、宜大規模開發等優勢，近年來其開發利用技術迅速發展[2-4]。受此影響，作為海上風電產業主要開發裝備之一的大型風電安裝船也迎來了快速發展。王徽華[5]針對自升式起重安裝平臺吊裝的安全性開展平臺插樁入泥深度的計算方法研究。劉建峰[6]對自升式海上起重安裝平臺在船型設計階段的模型試驗進行研究，對相似船型的設計具有重要參考價值。陳科等[7]應用ABAQUS有限元軟件對海上起重安裝平臺進行結構強度分析，研究考慮了吊裝、預壓等多種工況。

自升式風電安裝船一共有4個樁靴，每個樁靴含有3 個需要吊裝翻身的齒條板，船體建造過程共涉及12 次翻身作業。若采用焊接工藝進行固定，則需要制造12 套焊接吊耳，不僅浪費吊裝工裝材料，還不經濟、效率低、浪費工時。為保證海上風電安裝船吊裝的綠色和經濟性，本文以某風電安裝船樁腿主弦管吊裝為例，對現行船廠主弦管吊裝方案進行分析，提出新型主弦管吊裝工裝結構，并采用有限元方法對不同工況下主弦管起吊階段的受力與變形情況進行分析。

1 主弦管吊裝現狀

桁架式樁腿底部結構及主弦管模型見圖1。在樁腿搭載期間，共有3 根主弦管需要起吊后插入樁靴內側，在起吊前主弦管處于平放狀態。因此，搭載期間需要對主弦管進行翻身起吊，主弦管巨大的質量是起吊作業需要解決的重點難題。目前，在進行齒條和樁腿類工件的吊裝及翻轉時，通常將吊耳直接焊接在主弦管的頂部，然后通過卸扣、鋼絲繩等工裝將重物懸掛于吊機上。然而，由于吊耳通過焊接才可使用，且經過多次焊接和切割的吊耳必須報廢，故該方案具有使用成本高、工作效率低、重復利用率低等不足。

圖1 桁架式樁腿底部結構及主弦管模型圖

此外，在搭載期間還需要將繩索安裝于主弦管下側進行輔助作業，這種方法同樣存在明顯不足：1）在吊裝及翻身的過程中，繩索與主弦管之間存在相對滑動，易對主弦管造成劃傷或磕碰，需要進行人工修正；2）該方法對吊具與繩索的傷害極大，易導致吊具或繩索斷裂，存在安全隱患。

2 新型工裝設計方案

為解決現行吊裝方案的各種問題，本文根據主弦管樁腿的結構特點，提出一種新型貓頭鷹式機械固定式吊耳工裝（見圖2），其主要特點如下：1）在吊裝齒條板時，將主弦管翻轉成豎直狀態，方便主弦管插入樁靴之中，便于其安裝；2）可有效減少起吊時主弦管樁腿與繩索、吊具之間的磨損；3）縮短建造工時、提升工裝重復利用率、降低建造成本、綠色環保。

圖2 新型貓頭鷹式機械固定式吊耳工裝

為便于主弦管焊接，在建造樁腿分段時，為窗戶板預留300 mm 寬的空隙，可利用該間隙設計兩個對稱的半卡具吊耳，再用螺栓將2 個半卡具吊耳固定，讓螺栓僅承受小部分的水平分力。預留間隙示意見圖3。工裝母材規格見表1。

表1 工裝母材規格

圖3 預留間隙示意圖（單位：mm）

根據主弦管自身結構特點，吊裝工裝在主弦管上端利用機械卡具安裝固定原理進行固定并連接主弦管與吊機。

在對吊耳進行安裝時，在工裝頂部通過延伸出來的主耳板與耳貼板與吊耳進行對接，再通過螺栓與螺母的組合方式進行固定，以達到反復利用的目的。

3 吊裝工藝方案

在材料工裝選擇方面，部件母材均選用Q345B鋼材。所有部件均采用“填腳焊＋熔透焊”的焊接模式，填腳焊縫處需做100%磁粉檢測（Magnetic Particle Testing, MT），全熔透焊接處做100%超聲波探傷（Ultrasonic Testing, UT）與100%MT。卡具翻身工裝在車間進行整體預制，該工裝與主弦管之間無需焊接且拆卸方便，可實現重復利用。

根據齒條吊裝順序，預先將齒條吊裝工裝安裝到位，兩側卡具通過螺栓進行緊固，見圖4。

圖4 齒條吊裝工裝

在主弦管搭載期間，需要將繩索與護齒工裝安裝于主弦管下側進行輔助作業。齒條板底部需要安裝圓柱狀輔助翻身裝置以實現保護。吊帶與護齒工裝示意見圖5。輔助翻身裝置示意見圖6。主弦管吊裝固定式吊耳不僅能有效減少焊接作業過程和搭載結束后的吊耳切割過程，還能配合護齒工裝保護齒條和樁腿底部尖端的完整性。

圖5 吊帶與護齒工裝示意圖

圖6 輔助翻身裝置示意圖（單位：mm）

在吊裝工裝、吊帶與輔助翻身裝置安裝結束后進行齒條板翻身作業。將起重設備的鋼絲繩或吊帶連接至齒條吊裝吊耳設備的2 個卸扣，啟動吊機，將齒條板緩緩提升至豎直狀態。在進行翻身作業過程中，鋼絲繩或吊帶的安全操作限重為20 t，卸扣的安全操作限重為35 t。

4 工裝強度校核

根據齒條板的吊裝工況，采用SOLIDWORKS軟件對齒條板和吊裝工裝進行建模，見圖7。在三維模型建模結束后，將模型導入ANSYS Workbench進行優化并進行四面體網格劃分，得到具有物理屬性的有限元模型，見圖8。

圖7 三維模型

圖8 有限元模型

齒條板總質量為27 t，依據吊裝工裝實際的工作狀態，吊具主要承受自身重力與齒條板重力的作用。根據實際情況，共設置0°、45°、90°等3 種翻身工況，見圖9。由于齒條樁腿分段結構的質量較大，在對齒條樁腿進行吊裝作業時，為避免上升速度過快而對齒條板和吊裝工裝造成結構破壞，會將吊裝過程控制得極為緩慢。因此，可將指定階段的吊裝作業作為靜態過程來進行分析。

圖9 翻身工況示意圖

經仿真計算，吊裝過程中，最大應力與最大變形均發生在工況1，最大應力為69.97 MPa，發生在吊耳與面板的相接位置；最大變形為0.35mm，發生在吊耳最頂端，均滿足規范要求。工況1應力云圖和變形云圖分別見圖10 和圖11。

圖10 工況1 應力云圖

圖11 工況1 變形云圖

5 結論

本文以某風電安裝船樁腿主弦管吊裝為例，分析了現行船廠主弦管吊裝方案，提出了一種新型貓頭鷹式機械固定式吊耳工裝，并采用有限元方法對不同工況下主弦管起吊階段的受力與變形情況進行分析。結果表明：新型主弦管吊裝工裝結構的強度滿足規范要求，可有效減少母材的使用、提升經濟性、減少焊接件的拆除作業量，減少工時，提升齒條板質量。研究成果可為風電安裝船主弦管吊裝工裝設計提供一定參考。