海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)塔筒通用立式運(yùn)輸工裝設(shè)計(jì)

李育斌

（中國(guó)鐵建港航局集團(tuán)有限公司，廣東 珠海 519000）

1 工程基本情況概述

本工程風(fēng)場(chǎng)位于江蘇啟東近海海域，場(chǎng)區(qū)中心離岸距離約37km，海底地形變化較為平緩，水深在10～16m之間。工程規(guī)劃布置50 臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，涵蓋4 種品牌，6 種機(jī)型。每種機(jī)型塔筒尺寸不盡相同，詳細(xì)塔筒尺寸統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 6 種型號(hào)風(fēng)機(jī)塔筒尺寸統(tǒng)計(jì)

2 塔筒立式運(yùn)輸工裝的結(jié)構(gòu)

塔筒運(yùn)輸一般有兩種方式。一是臥式運(yùn)輸，臥式運(yùn)輸對(duì)運(yùn)輸工裝要求低，一般情況下，塔筒多采用臥式運(yùn)輸?shù)姆绞健Ａ硪环N方式是立式運(yùn)輸，需要定制的塔筒立式運(yùn)輸工裝，一般塔筒立式運(yùn)輸工裝受制于其結(jié)構(gòu)形式和強(qiáng)度，只能用于長(zhǎng)度較短的底塔筒的運(yùn)輸[1]。

通過一般塔筒立式運(yùn)輸工裝的圖像（圖1），可以對(duì)塔筒立式運(yùn)輸工裝有初步了解。塔筒立式運(yùn)輸工裝主要由工裝底座和連接法蘭盤兩部分組成，連接法蘭盤上孔位分布與塔筒底部法蘭盤上孔位一致。運(yùn)輸時(shí)，一般先將塔筒立式運(yùn)輸工裝與運(yùn)輸船甲板焊接，焊縫一般為角焊縫。然后將塔筒安裝在立式運(yùn)輸工裝上，通過螺栓連接牢固。

圖1 一般塔筒立式運(yùn)輸工裝

3 項(xiàng)目遇到的問題及改進(jìn)思路

遇到的問題：本項(xiàng)目風(fēng)力發(fā)電機(jī)組涵蓋國(guó)內(nèi)4 種品牌，風(fēng)電機(jī)型共6 種，每種機(jī)型有3～4 節(jié)塔筒，塔筒尺寸不盡相同，施工過程中，由于本項(xiàng)目風(fēng)機(jī)供應(yīng)不連續(xù)，風(fēng)電安裝船需要較為頻繁的切換所安裝的機(jī)型。每次隨著安裝機(jī)型的切換就需要跟換相應(yīng)機(jī)型的塔筒立式運(yùn)輸工裝，立式運(yùn)輸工裝通過焊接方式與甲板連接，頻繁的跟換工裝不但容易損傷運(yùn)輸船的甲板，也在很大程度上降低了整體施工效率。

改進(jìn)的思路：為了解決本項(xiàng)目頻繁更換塔筒立式運(yùn)輸工裝所帶來的問題，計(jì)劃根據(jù)6 種風(fēng)機(jī)的塔筒型號(hào)，自主設(shè)計(jì)一種通用的立式運(yùn)輸工裝，且跟換立式運(yùn)輸工裝時(shí)無(wú)須重復(fù)的切割和焊接，僅通過簡(jiǎn)單的拆和裝即可滿足不同塔筒對(duì)立式運(yùn)輸工裝的需求。同時(shí)，通用立式工裝需要方便人員進(jìn)出，以便工人可以更快進(jìn)入塔筒內(nèi)部，拆卸螺栓。

4 通用立式運(yùn)輸工裝的設(shè)計(jì)

目前，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有立式工裝主要用于底段塔筒在陸上進(jìn)行預(yù)組裝以及底段塔筒的海上運(yùn)輸，底段塔筒高度一般在15m 左右。為了能一次性運(yùn)輸多套塔筒，本項(xiàng)目計(jì)劃將中段塔筒、上段塔筒也采用立式的方式進(jìn)行運(yùn)輸，中段及上段塔筒的高度一般大于30m，對(duì)塔筒立式運(yùn)輸工裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及整體強(qiáng)度提出了更高的要求。下面以啟東海上風(fēng)電項(xiàng)目中上海電氣中段塔筒的立式運(yùn)輸工裝為例，介紹通用立式運(yùn)輸工裝的設(shè)計(jì)思路和方案。

工裝底座的設(shè)計(jì)：

目前國(guó)內(nèi)立式工裝底座有兩種設(shè)計(jì)方式，分別是整體式底座和分片式底座。兩種底座的優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。經(jīng)過分析兩種底座的優(yōu)勢(shì)及劣勢(shì)，本項(xiàng)目考慮到需要在最快的時(shí)間內(nèi)完成工裝的制作并投入使用，最終選擇了分片式底座形式。

表2 兩種底座的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

5 通用立式運(yùn)輸工裝結(jié)構(gòu)計(jì)算

Solidworks 是一套機(jī)械設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，操作簡(jiǎn)單、易學(xué)易用，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車和航空等領(lǐng)域，本項(xiàng)目塔筒通用立式運(yùn)輸工裝設(shè)計(jì)，采用Solidworks 軟件進(jìn)行建模，并導(dǎo)入ANSYSWorkbench 軟件中進(jìn)行有限元分析模擬。

計(jì)算所用標(biāo)準(zhǔn)為《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范（2007）》、《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 3811—2008）、《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T 1591—2008）。

5 松下 G9無(wú)論看起來還是用起來都像一臺(tái)中型單反，尺寸為137×97×92mm，重量為6 58g（僅機(jī)身，含電池和存儲(chǔ)卡）。

數(shù)據(jù)輸入：

上海電氣5.55MW 中一段塔筒重量G1：=151tf。

中一段塔筒工裝重量：軟件自動(dòng)計(jì)算。

中一段塔筒迎風(fēng)面積A1：=343m2。

中一段塔筒工裝及轉(zhuǎn)接法蘭迎風(fēng)面積A4：=8.6m2。

中一段塔筒中心距工裝頂面距離L1：=33.6m/2+0.445m。

中一段塔筒工裝計(jì)算工況：風(fēng)速32m/s，船舶橫搖20°，縱搖10°。

中一段塔筒工裝模型約束：下底面與船甲板焊接部位邊線全約束。

中一段塔筒工裝模型加載。

（1）全局重力加速度：

（2）頂面施加水平風(fēng)力載荷，方向分別為-Z 向和+X 向。

（3）頂面施加垂直載荷，方向?yàn)?Y 向。

（4）頂面施加風(fēng)力產(chǎn)生的彎矩，方向分別為-ROTX向和-ROTZ 向。

計(jì)算結(jié)果：結(jié)構(gòu)材質(zhì)Q355B。

安全系數(shù)nI：=1.15。

許用應(yīng)力σI許用：=291.1MPa。

通過有限元分析，最大綜合應(yīng)力278MPa，小于許用應(yīng)力291MPa，應(yīng)力云圖灰色區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中引起，最大綜合位移2.5mm。因此，所設(shè)計(jì)的立式工裝在計(jì)算工況下，強(qiáng)度能滿足使用要求，中一段塔筒工裝綜合應(yīng)力如圖2 所示。

圖2 中一段塔筒工裝綜合應(yīng)力

6 塔筒通用立式運(yùn)輸工裝的安裝及應(yīng)用

6.1 塔筒通用立式運(yùn)輸工裝的安裝

分片式底座的一大缺點(diǎn)就是安裝相對(duì)復(fù)雜，對(duì)每一片工裝的焊接位置要求高，一但有一片工裝位置偏差，塔筒就無(wú)法正常的通過螺栓安裝到立式運(yùn)輸工裝上[2]。

為了確保塔筒立式工裝安裝精度，采取了兩種手段：①準(zhǔn)確測(cè)量放樣，根據(jù)塔筒立式運(yùn)輸工裝圖紙，在船甲板上放出4 片立式運(yùn)輸工裝的安裝位置，并劃線。②焊接工裝時(shí)采取整體焊接的方式，先將工裝與轉(zhuǎn)接法蘭2 通過螺栓連接成一個(gè)整體，再將工裝整體吊放至已劃線的位置，最后進(jìn)行焊接。

該項(xiàng)目通過采用這種安裝方式，順利完成6 個(gè)塔筒立式運(yùn)輸工裝的安裝工裝，即安全高效，又確保了安裝質(zhì)量。

6.2 塔筒通用立式運(yùn)輸工裝的應(yīng)用

啟東海域海況惡劣，在該海域施工期間，時(shí)常因涌浪大而無(wú)法倒泊塔筒，影響施工進(jìn)度。因此，啟東項(xiàng)目在“鐵建風(fēng)電01”風(fēng)機(jī)安裝平臺(tái)上采用了本文所述的塔筒立式運(yùn)輸工裝方法，在合理規(guī)劃布置工裝位置的情況下，風(fēng)機(jī)安裝平臺(tái)船上可以安放6 個(gè)塔筒通用立式運(yùn)輸工裝，即可以提前倒泊運(yùn)輸2 套遠(yuǎn)景5.2MW 或者兩套上海電氣7MW 的風(fēng)機(jī)塔筒。

通過采用塔筒通用立式運(yùn)輸工裝，“鐵建風(fēng)電01”安裝船可以在海況惡劣的情況下，回堆存碼頭提前將2套風(fēng)機(jī)塔筒倒泊至甲板上后回風(fēng)場(chǎng)繼續(xù)進(jìn)行安裝作業(yè)。一方面解決了現(xiàn)場(chǎng)惡劣海況導(dǎo)致無(wú)法倒泊塔筒，影響風(fēng)機(jī)安裝進(jìn)度的問題。另一方面塔筒立式運(yùn)輸，相對(duì)于臥式運(yùn)輸，在安裝過程中，可以免去塔筒翻身的時(shí)間，一定程度節(jié)約了海上作業(yè)時(shí)間，提高了海上風(fēng)機(jī)安裝效率。詳細(xì)功效對(duì)比如表3 所示。

表3 海上作業(yè)功效對(duì)比

此外，在風(fēng)機(jī)供應(yīng)不及時(shí)的情況下，通過采用塔筒通用立式運(yùn)輸工裝，加快了風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)換效率，降低了工裝更換對(duì)風(fēng)電安裝平臺(tái)甲板的損傷。

7 結(jié)語(yǔ)

在啟東項(xiàng)目頻繁切換安裝風(fēng)機(jī)機(jī)型的情況下，通過采用塔筒通用立式運(yùn)輸工裝，大大節(jié)約了現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備工作時(shí)間，提高了現(xiàn)場(chǎng)工作效率，降低了對(duì)船體的損害，且使用塔筒通用立式運(yùn)輸工裝能有效保證施工安全可靠，值得在其他風(fēng)場(chǎng)推廣使用。