海上升壓站上部組塊整體式建造技術(shù)研究

湯 磊，魯煥浩，朱杰兒，程建棠，陳永安

(1. 中國能源建設(shè)集團(tuán)浙江火電建設(shè)有限公司，浙江 杭州 310016；2. 中國能源建設(shè)集團(tuán)有限公司工程研究院，北京 100022)

0 引言

海上升壓站作為海上內(nèi)電場的電能匯集中心，既是海上內(nèi)電場輸變電的關(guān)鍵設(shè)施，也是整個(gè)海上內(nèi)電場成敗的關(guān)鍵[1]。海上升壓站重量大、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，國內(nèi)外統(tǒng)一采用在陸上建造完成后運(yùn)至海上整體安裝的方式進(jìn)行建造[2]。海上升壓站主結(jié)構(gòu)一般采用全鋼焊接形式，目前國內(nèi)主流的海上升壓站鋼結(jié)構(gòu)安裝方案為模塊式安裝方式，該方式對(duì)場地及配合起重機(jī)要求較高，不適合規(guī)模較小的制作廠。

為了解決傳統(tǒng)安裝方式的不足，本文研究海上升壓站上部組塊的另一種安裝技術(shù)——整體式建造技術(shù)。與模塊式建造方式不同，該技術(shù)在拼裝時(shí)先組裝上部組塊主框架，再自下而上分別組裝各層甲板平臺(tái)，最終完成上部組塊組裝。在浙江嘉興海域的兩座海上升壓站建造過程中研究和應(yīng)用了整體式建造技術(shù)。

1 海上升壓站上部組塊結(jié)構(gòu)及設(shè)備布置

海上升壓站為海上內(nèi)電場核心構(gòu)件，一般分為上部組塊和下部基礎(chǔ)。下部基礎(chǔ)一般由導(dǎo)管架和鋼管樁組成，主要起承載上部結(jié)構(gòu)的作用。上部結(jié)構(gòu)為升壓站主要結(jié)構(gòu)，一般稱作上部組塊，以全鋼結(jié)構(gòu)焊接構(gòu)成主要結(jié)構(gòu)，其各層結(jié)構(gòu)及設(shè)備布置情況如下[3]：

1)一層主要作為電纜層及結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，主要布置有事故油池、救生裝置等；

2)二層為整個(gè)海上升壓站主要核心區(qū)域，本樓層設(shè)置小型橋式起重機(jī)，布置主變、主變散熱器、開關(guān)柜室、低壓配電室、GIS室等主要房間；

3)三層為主變室和GIS室上部挑空，同時(shí)布置蓄電池室、避難室、柴油發(fā)電機(jī)室及暖通機(jī)房等；

4)頂層一般布置懸臂吊、空調(diào)室外機(jī)、通信天線、氣象測內(nèi)雷達(dá)、避雷針等。

2 模塊式安裝技術(shù)簡介

目前，國內(nèi)海上升壓站上部組塊主流安裝方式為模塊式安裝[4]，該技術(shù)主要根據(jù)海上升壓站結(jié)構(gòu)一般由四層鋼結(jié)構(gòu)甲板構(gòu)成，安裝時(shí)在制作廠內(nèi)制作完成各鋼結(jié)構(gòu)組件，并在地面將四層甲板面分別組裝完成，再分別將四層甲板面逐層疊加，完成上部組塊鋼結(jié)構(gòu)組裝。拼裝時(shí)各層甲板按照由下往上、由里往外的原則進(jìn)行拼裝，該方法加大了地面預(yù)制深度，減少了高空作業(yè)量，并且各層甲板可同步組裝，增加了工作面，能夠加快整體建造進(jìn)度[5]。

模塊式安裝技術(shù)一般需要較大的安裝場地用于分片組裝各個(gè)模塊，安裝場地面積視模塊數(shù)量而定，一般不小于30 000 m2；同時(shí)，各模塊逐層疊加時(shí)需要大型龍門式起重機(jī)配合，一般需要多臺(tái)400 t及以上龍門式起重機(jī)。因同時(shí)滿足上述要求的場地?cái)?shù)量有限，所以限制了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。

本文主要介紹整體式建造技術(shù)。該技術(shù)在保證上部組塊安裝質(zhì)量、進(jìn)度的同時(shí)，能夠解決傳統(tǒng)模塊式安裝方式的部分不足。

3 整體式建造技術(shù)方案和實(shí)施

3.1 安裝思路和流程

海上升壓站上部組塊主體結(jié)構(gòu)共分為四層結(jié)構(gòu)，整個(gè)上部組塊主要由4根鋼管作為主要承力點(diǎn)和后續(xù)整體吊裝的受力結(jié)構(gòu)。

制定整體式建造技術(shù)方案時(shí)，在參考現(xiàn)有模塊式安裝方案基礎(chǔ)上，充分考慮海上升壓站結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，最終確定將上部組塊的結(jié)構(gòu)分為八大部分進(jìn)行組合安裝，安裝流程如圖1所示。建造前需要特別注意：因整個(gè)上部組塊建造完成后外形尺寸為45.1 m×42.1 m×21.4 m、重約3 000 t，并全部由4根主柱承重，須確保建造場地地基承載力滿足要求，一般需設(shè)計(jì)相應(yīng)的分載裝置且地基需進(jìn)行必要的加固。

圖1 安裝流程圖

3.2 主框架組合件地面拼裝

主框架組合件包括構(gòu)件A、B、C和D。海上升壓站主體框架如圖2所示，組裝第一步需在地面按照構(gòu)件編號(hào)將4個(gè)構(gòu)件在地面拼裝完成。其中構(gòu)件A、B為整個(gè)上部組塊安裝過程中吊重最重件，配合起重機(jī)選擇時(shí)需以此為依據(jù)之一。

圖2 主框架示意圖

3.3 主框架拼裝

4個(gè)構(gòu)件地面組裝完成后，利用雙機(jī)抬吊的方式將構(gòu)件A、B立起并吊裝至指定位置。構(gòu)件A、B拼裝完成后重約120 t，抬吊配合起重機(jī)為400 t履帶起重機(jī)(工況為超起主臂48 m)以及250 t履帶起重機(jī)(工況為主臂39.52 m)，兩臺(tái)起重機(jī)的起重性能詳見表1和表2。

表1 400 t履帶起重機(jī)起重性能表

表2 250 t履帶起重機(jī)起重性能表

抬吊翻身時(shí)，250 t履帶起重機(jī)的吊裝幅度為10 m，此時(shí)額定起重量為100 t，吊索具和吊鉤重量約4.5 t，此時(shí)250 t履帶起重機(jī)的負(fù)荷率為(60+4.5)/ 100=64.5%；就位時(shí)，250 t履帶起重機(jī)已不受力。抬吊翻身時(shí)，400 t履帶起重機(jī)的吊裝幅度為27 m，此時(shí)額定起重量為179 t，吊具和吊鉤重量約6 t，此時(shí)400 t履帶起重機(jī)的負(fù)荷率為(60+6)/179=36.9%；就位時(shí)，400 t履帶起重機(jī)單獨(dú)受力，吊裝幅度27 m，額定起重量為179 t，此時(shí)400 t履帶起重機(jī)的負(fù)荷率為(120+6)/ 179=70.4%。

構(gòu)件C、D拼裝完成后重約25 t，為保證安裝空間，一般由兩臺(tái)履帶起重機(jī)各吊裝一片、同時(shí)安裝。構(gòu)件C、D通過焊接方式與構(gòu)件A、B連接，在構(gòu)件C、D未安裝完成前，構(gòu)件A、B須利用纜內(nèi)繩固定，焊接完成后方可拆除纜內(nèi)繩。至此，主框架拼裝完成。

3.4 平臺(tái)結(jié)構(gòu)安裝

3.4.1 第一層平臺(tái)結(jié)構(gòu)安裝

上部組塊的每層甲板平臺(tái)均由主梁、次梁、肋條及鋪板構(gòu)成。其中主梁一般為H800或以上型鋼，組成平臺(tái)主框架；次梁一般為H300及H500規(guī)格型鋼，為主梁間的連接梁；肋條為TN125規(guī)格T型鋼，主要為承載鋪板結(jié)構(gòu)；鋪板一般為5 mm或6 mm鋼板，構(gòu)成平臺(tái)結(jié)構(gòu)。

主框架拼裝完成后即可進(jìn)行一層甲板平臺(tái)結(jié)構(gòu)的安裝，拼裝時(shí)按照先主梁、后次梁、再肋條、最后鋪板的順序進(jìn)行，利用輔助起重機(jī)依次吊裝、焊接一層各主梁、次梁、肋條及鋪板結(jié)構(gòu)。第一層甲板拼裝如圖3所示。

圖3 第一層甲板拼裝

一層甲板結(jié)構(gòu)安裝完成后，進(jìn)行一、二層間管撐、艙壁安裝，管撐一般安裝在兩層主梁間，主要起連接上下兩層的作用，管撐與主梁間焊接連接。艙壁為波紋鋼板結(jié)構(gòu)，壁厚6 mm，為海上升壓站各房間的隔板，與梁焊接連接。

管撐、艙壁結(jié)構(gòu)重量較小，安裝時(shí)通過桿件編號(hào)，利用起重機(jī)依次臨拋、調(diào)整后焊接固定即可，安裝完成后如圖4所示。

圖4 一、二層間管撐、艙壁安裝

3.4.2 第二層鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)安裝

一、二層間管撐、艙壁及設(shè)備(設(shè)備安裝本文不做詳細(xì)描述，但須在下一層甲板安裝前完成前一層甲板上設(shè)備臨拋)安裝完成后即可進(jìn)行二層甲板平臺(tái)的安裝，其結(jié)構(gòu)與一層平臺(tái)相同，安裝方式也與一層結(jié)構(gòu)相同。需要特別注意的是，二層一般是海上升壓站主要設(shè)備(主變、散熱器和GIS等)所在層，梁結(jié)構(gòu)較其他層更密，安裝時(shí)部分區(qū)域空間較小，需提前布置。第二層甲板拼裝完成后如圖5所示。

圖5 第二層甲板拼裝

二層平臺(tái)完成后即可進(jìn)行二層平臺(tái)上管撐、艙壁及設(shè)備的安裝，安裝完成后如圖6所示。

圖6 二、三層間管撐、艙壁安裝

3.4.3 第三層鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)安裝

二、三層間管撐和艙壁安裝完成后即可進(jìn)行三層甲板平臺(tái)的安裝，安裝方式和一、二層相同，安裝完成后如圖7所示。

圖7 第三層甲板拼裝

三、四層間管撐、艙壁等安裝：三層甲板平臺(tái)安裝完成后即可進(jìn)行三、四層間管撐、艙壁及設(shè)備的安裝，安裝完成后如圖8所示。

圖8 三、四層斜撐、艙壁安裝

3.4.4 頂層結(jié)構(gòu)安裝

海上升壓站共分為四層結(jié)構(gòu)，其中的第四層即為最頂層。四層甲板完成后即完成整個(gè)上部組塊主結(jié)構(gòu)安裝，安裝完成后如圖9所示。

圖9 頂層甲板拼裝

4 整體式建造的場地要求和施工設(shè)備配置

4.1 建造場地要求

海上升壓站上部組塊建造前，需選擇一塊大小及地面承載能力均滿足建造要求的場地。本文以我國某220 kV海上升壓站作為示例，該升壓站的建造場地作為其上部組塊建造、部件堆放及配合機(jī)械站位行走使用，場地總面積不小于10 000 m2、地面耐壓不小于0.25 MPa。建造前需同時(shí)考慮好裝船方案，一般建造場地旁須有合適的船塢或碼頭，可滿足上部組塊海上運(yùn)輸船舶靠駁要求。該升壓站建造場地總面積為15 000 m2，地基承載能力在經(jīng)過加固后達(dá)到0.30 MPa。該工程上部組塊建造完成后，需通過滾裝方式完成上船，所以在場地選擇時(shí)需同步考慮滾裝上船對(duì)場地及碼頭的要求。該工程建造場地一側(cè)設(shè)有一個(gè)6萬噸級(jí)船塢，具體場地布置和船塢布置分別如圖10、圖11所示。

圖10 場地布置示意圖

圖11 船舶干舷和富余水深示意圖

4.2 施工設(shè)備的配置

建造海上升壓站上部組塊所需的施工設(shè)備按表3配置，包括1臺(tái)400 t履帶起重機(jī)、1臺(tái)250 t履帶起重機(jī)、2臺(tái)50 t汽車起重機(jī)等主要設(shè)備。所有施工設(shè)備應(yīng)經(jīng)過自檢或檢驗(yàn)合格方可投入使用。

表3 施工設(shè)備配置表

5 技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)分析

與目前主流方案相比，本文研究的技術(shù)方案保證了整體式建造工期(約6～8個(gè)月)，主要有以下四個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：

1)大幅減少了對(duì)場地的要求。由原本需要多個(gè)模塊建造場地分別建造，變?yōu)閮H需要一個(gè)場地同步建造，可降低場地使用面積和成本；

2)降低了輔助起重機(jī)的要求。由原本要求的多臺(tái)大型門式或橋式起重機(jī)(400 t級(jí)或以上)，變?yōu)楝F(xiàn)在僅需1臺(tái)400 t和1臺(tái)250 t履帶起重機(jī)即可；

3)4根主柱由制作廠一次成型，解決了模塊式拼裝變形和主柱對(duì)接偏差控制的難題。模塊式安裝方法最難以控制的是主柱對(duì)接時(shí)的對(duì)接偏差，因四根主柱為上部組塊主要承重構(gòu)件，主柱對(duì)接偏差控制尤為重要，模塊式安裝因?qū)⒅髦譃槎喽闻c各甲板分別拼裝后再組裝，對(duì)角線偏差難以控制；

4)在技術(shù)實(shí)施時(shí)，上部組塊整個(gè)建造過程由4根承重主柱受力，和海上就位后運(yùn)行模式受力相同。而模塊式安裝建造時(shí)有多根受力臨時(shí)支撐，在海上就位后為4根主柱受力，部分結(jié)構(gòu)勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力甚至形變，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有一定影響。

該技術(shù)的缺點(diǎn)體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

1)與模塊式安裝技術(shù)相比，消耗時(shí)間一般會(huì)多一些，工期上無優(yōu)勢(shì)；

2)在方案實(shí)施過程中，因多專業(yè)同時(shí)施工，易發(fā)生互相干涉、影響的狀況，需安排經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)管理人員加入項(xiàng)目管理團(tuán)隊(duì)，提前謀劃，盡可能減少交叉作業(yè)之間的影響。

6 應(yīng)用效果

海上升壓站上部組塊整體式建造技術(shù)已成功應(yīng)用于浙江嘉興平湖海域的兩個(gè)海上內(nèi)電場。其中，因嘉興1號(hào)海上升壓站是該技術(shù)在全國類似工程中的首次實(shí)施，在建造過程中依然存在少量不足，因此，在原技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步充分吸取了嘉興1號(hào)海上升壓站的施工經(jīng)驗(yàn)，并加以改進(jìn)，最終形成了本文所述的優(yōu)化安裝方案。

優(yōu)化后的方案已經(jīng)在嘉興2號(hào)海上升壓站工程得以安全、順利實(shí)施。實(shí)施過程中，各結(jié)構(gòu)安裝尺寸控制均滿足我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50205—2020《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》中的相關(guān)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求，主柱垂直度和間距控制在允許偏差之內(nèi)，主柱垂直度和立柱間距的允許偏差和實(shí)測值詳見表4和表5?？梢?，上部組塊海上安裝一次就位，高標(biāo)準(zhǔn)完成了該工程的建造及安裝。

表4 主柱垂直度允許偏差和實(shí)測值

表5 主柱間距允許偏差和實(shí)測值

7 結(jié)語

本文以我國某220 kV海上升壓站作為示例，總結(jié)海上升壓站上部組塊整體式建造的場地要求和施工設(shè)備配置，從安裝流程、主框架組合件地面拼裝、主框架拼裝和各層結(jié)構(gòu)安裝等方面詳述整體式建造技術(shù)，并總結(jié)該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。為了盡可能降低該技術(shù)不足之處對(duì)工程建設(shè)的影響程度，下一步將加深研究并結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用情況，總結(jié)相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為制定該技術(shù)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提供支撐。