海上升壓站上部組塊分體式吊裝關(guān)鍵技術(shù)

賈 佳，劉仁海，呂國(guó)兒，葛 暢

1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州 3111222.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江杭州 3111223.浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江舟山 316021

由于海上風(fēng)電是高效無(wú)污染的可再生清潔能源，近年來(lái)我國(guó)大力建設(shè)近海岸海上風(fēng)電工程，江蘇、福建、浙江、廣東等沿海省份風(fēng)力發(fā)電如火如荼[1-3]。海上風(fēng)電場(chǎng)各風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所發(fā)的電力，需要通過(guò)電纜匯集到海上升壓站，將電能的電壓提升至常規(guī)的電壓再送往陸上集控中心并入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)[4-5]。海上升壓站結(jié)構(gòu)一般由樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架、上部組塊3部分組成。其中上部組塊含有主變模塊、GIS模塊及轉(zhuǎn)換層模塊。主變模塊布置有：主變散熱器、開(kāi)關(guān)柜室、臨時(shí)休息室和消防泵室等；GIS模塊布置有：通訊繼保室、GIS室、低壓配電室、工具間、通風(fēng)機(jī)房和蓄電池室；轉(zhuǎn)換層模塊布置有：事故油池、生活水箱間、集合區(qū)、污水處理設(shè)備室、樓梯間及相應(yīng)的救生設(shè)備等。

當(dāng)前，3 000 t級(jí)海上升壓站上部組塊的安裝主要采用整體吊裝方式。由于工程所處海域地勢(shì)開(kāi)闊，受大風(fēng)、季風(fēng)、涌浪、霧等自然環(huán)境影響大，適合整體吊裝作業(yè)的天氣窗口較少，導(dǎo)致施工的效率降低且施工風(fēng)險(xiǎn)較大。

目前，許多學(xué)者對(duì)升壓站的穩(wěn)定性分析[6-7]、上部組塊的運(yùn)輸[8-9]及整體吊裝方式[10-11]等開(kāi)展了相關(guān)的研究，對(duì)海上升壓站上部組塊分體式吊裝還有待進(jìn)一步的研究。結(jié)合大連某海域海上升壓站導(dǎo)管架基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目，對(duì)海上升壓站上部組塊分體式吊裝的施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，以期為后續(xù)類似工程建設(shè)項(xiàng)目的施工提供參考。

1 工程概況

大連某海上風(fēng)電項(xiàng)目位于莊河海域，場(chǎng)址中心離岸距離約35.2 km。場(chǎng)區(qū)規(guī)劃面積約55.8 km2，場(chǎng)址內(nèi)配套新建一座220 kV海上升壓站。220 kV海上升壓站結(jié)構(gòu)由樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架、上部組塊3部分組成。樁基礎(chǔ)與導(dǎo)管架套筒采用灌漿方式連接，上部組塊與導(dǎo)管架采用焊接方式連接。

1.1 導(dǎo)管架基礎(chǔ)

220 kV海上升壓站基礎(chǔ)采用4樁導(dǎo)管架形式，立面如圖1所示。

圖1 海上升壓站立面/m

主導(dǎo)管采用φ1 500～1 800 mm鋼管，在標(biāo)高11.0～27.0 m處設(shè)水平拉筋（φl(shuí) 000 mm鋼管）及斜拉筋（φ1 000 mm鋼管），導(dǎo)管架約1 314.94 t。鋼管樁共4根，直徑φ2 800 mm，壁厚45～60 mm，樁長(zhǎng)為52.75 m，樁入泥約41.0 m，單根鋼管樁約176.12 t，4根樁總共約704.48 t。在海上升壓站兩側(cè)沿導(dǎo)管架分別布置φ325 mm的35 kV海纜保護(hù)J型套管和φ610 mm的220 kV海纜保護(hù)J型套管。35 kV海纜和220 kV海纜沿J型套管登入、登出海上升壓站平臺(tái)。電纜保護(hù)J型套管固定在導(dǎo)管架上，上部延伸到一層甲板，下部延伸到泥面處。

1.2 上部組塊

上部組塊施工包括1#主變模塊、2#主變模塊、GIS模塊和轉(zhuǎn)換層模塊等4個(gè)模塊的吊裝作業(yè)。

模塊一為結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層模塊，屬于兩層結(jié)構(gòu)，包括一層甲板結(jié)構(gòu)和高4.5 m的層框架結(jié)構(gòu)，軸線總平面尺寸為35.50 m×35.40 m，一層甲板上布置事故油池、生活水箱間、集合區(qū)、污水處理設(shè)備室、樓梯間及相應(yīng)的救生設(shè)備等，同時(shí)一層也作為電纜層和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，層高為5.5 m。

模塊二為GIS及繼保室模塊，二層布置通訊繼保室、GIS室、低壓配電室，三層為GIS上空，布置了工具間、通風(fēng)機(jī)房1和蓄電池室；平面尺寸為40.5 m×17.35 m，層高為5.0 m。

模塊三為1#主變及開(kāi)關(guān)柜模塊，二層布置主變，主變散熱器布置在主變室兩側(cè)室外平臺(tái)上；主變南側(cè)布置40.5 kV開(kāi)關(guān)柜室；三層為主變室上空，布置了臨時(shí)休息室和消防泵室，平面尺寸為23.7 m×27.05 m，層高為5.0 m。

模塊四為2#主變及開(kāi)關(guān)柜模塊，二層布置主變，主變散熱器布置在主變室兩側(cè)室外平臺(tái)上；主變南側(cè)布置40.5 kV開(kāi)關(guān)柜室；三層為主變室上空，布置了通風(fēng)機(jī)房2、應(yīng)急配電室和柴油機(jī)房，平面尺寸為19.585 m×25.85 m，層高為5.0 m。屋頂層設(shè)置了空調(diào)室外機(jī)、氣象觀測(cè)站、激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)、避雷針、通訊天線及主變檢修孔，且布置額定吊重為50 kN的懸臂吊。

2 總體施工流程

本工程所處海域地勢(shì)開(kāi)闊，受大風(fēng)、季風(fēng)、涌浪、霧等自然環(huán)境影響大，作業(yè)天氣窗口較少，導(dǎo)致施工效率降低且施工風(fēng)險(xiǎn)較大。因此，采用分體式施工技術(shù)方案安裝海上升壓站上部組塊。升壓站上部組塊海上施工流程如圖2所示。

圖2 升壓站上部組塊海上施工流程

3 上部組塊裝船

本工程選用“德浮3600”作為升壓站上部組塊安裝的主作業(yè)船，總噸位16 465 t，型長(zhǎng)118.9 m，型寬48 m，型深8.8 m，吃水4.6 m。船體配有1個(gè)主鉤，規(guī)格3 600 t，吊高108 m；2個(gè)副鉤，規(guī)格200 t，吊高128 m；滿載起升速度為0.13～1.3 m/min，抗風(fēng)能力8級(jí)，施工風(fēng)力5級(jí)。采用“德渤3”運(yùn)輸升壓站上部組塊，其總噸位20 216.37 t，甲板使用面積4 800 m2，型長(zhǎng)151.5 m，型寬37.2 m，型深10.9 m，吃水6.2 m。

本次上部組塊海上運(yùn)輸分為兩個(gè)航次，轉(zhuǎn)換層模塊單獨(dú)作為第一航次進(jìn)行運(yùn)輸，1#主變模塊、2#主變模塊、GIS模塊等3個(gè)模塊一并在第二航次進(jìn)行運(yùn)輸。

轉(zhuǎn)換層模塊現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，采用“德浮3600”船首順靠“德渤3”船尾的方式就位，因此轉(zhuǎn)換層模塊應(yīng)靠近駁船船尾布置（如圖3所示），確保浮吊船跨距合適；1#、2#主變模塊和GIS模塊碼頭裝船示意如圖4所示，采用“德浮3600”船首頂靠“德渤3”船中的方式就位。

圖3 轉(zhuǎn)換層模塊碼頭裝船示意

圖4 1#、2#主變模塊和GIS模塊碼頭裝船示意

4 上部組塊吊裝分析

4個(gè)上部組塊吊裝方式大致相同，都是通過(guò)4根30 m、600 t的環(huán)形吊帶兩兩與“德浮3600”的1#和3#鉤頭相連，如圖5所示。本次選用的鎖具為600 t的高強(qiáng)度聚乙烯吊帶；卸扣選用KWB-500型500 t寬體卸扣，銷軸直徑為200 mm，卸扣許用吊耳寬度為275 mm。

圖5 模塊吊裝索具連接方案

4.1 吊重校核

該升壓站上部組塊質(zhì)量均約1 000 t，吊裝索具質(zhì)量預(yù)計(jì)30 t，吊裝系數(shù)取1.15，則所需吊力為11.845 MN，采用雙臂架雙鉤吊裝，鉤頭在前后方向上位于導(dǎo)管架的中心，控制跨距在49 m以內(nèi)，49 m跨距下最大吊重能力為15.25 MN，因此滿足吊裝需求。

4.2 吊高校核

4個(gè)上部組塊中，1#、2#主變模塊和GIS模塊位于上層，其頂部高程為31.3～31.6 m，按31.6 m取值，索具使用30 m長(zhǎng)吊帶，則索具極限長(zhǎng)度最大為30 m，考慮組塊吊裝懸空高度3 m，49 m跨距下“德浮3600”鉤頭到水面的高度為105.8 m。因此，水面以上總吊裝高度為：31.6 m+30 m+3 m=64.6m＜105.8 m，符合吊高要求。

4.3 鉤偏角校核

在4個(gè)組塊中，1#主變模塊吊點(diǎn)間距最小，且吊點(diǎn)高程最高，在擬定的吊裝方式下，最易發(fā)生鉤頭左右偏角偏大的情況?；谏鲜鲈?，可認(rèn)為1#主變模塊是最危險(xiǎn)的吊裝工況，若1#主變模塊吊裝校核無(wú)問(wèn)題，則其余3個(gè)組塊均可滿足吊裝要求。采用雙臂架雙鉤進(jìn)行吊裝，“德浮3600”左右鉤距為24 m，1#主變模塊對(duì)應(yīng)的左右吊點(diǎn)間距為22 m，考慮組塊吊裝3 m的懸空高度，則實(shí)際吊裝時(shí)的吊點(diǎn)高程約為34.6 m。經(jīng)核算，鉤頭左右偏小為2.92°，小于3°的允許偏角，符合要求。吊帶長(zhǎng)30 m，其與水平方向的夾角為67.25°，大于60°的夾角要求，因此滿足吊裝條件，如圖6所示。綜上所述，升壓站導(dǎo)管架基礎(chǔ)滿足吊裝要求。

圖6 1#主變模塊索具角度校核

5 上部組塊分體式吊裝施工

“德浮3600”移船至轉(zhuǎn)換層模塊設(shè)計(jì)位置并下放安裝，在與下部基礎(chǔ)主腿完成對(duì)接后，隨即進(jìn)行焊接固定。完成轉(zhuǎn)換層模塊安裝后，“德渤3”將1#、2#主變模塊和GIS模塊運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，駁船船中靠“德浮3600”船首，浮吊船按上述方案按順序依次對(duì)1#主變模塊、2#主變模塊、GIS模塊進(jìn)行吊裝。

5.1 船組初次拋錨就位

主施工船“德浮3600”拋錨完畢后，運(yùn)輸導(dǎo)管架的駁船船尾靠浮吊船船首，駁船采取艏部拋航行錨，倒車艉靠，船尾帶交叉纜到浮吊船，共拋4口錨，并根據(jù)浮吊跨距調(diào)整兩船之間的距離，如圖7所示。此時(shí)兩船相距約16～17 m，保證鉤頭離轉(zhuǎn)換層模塊中心跨距約在49 m內(nèi)。

圖7 船組初次現(xiàn)場(chǎng)就位示意

5.2 轉(zhuǎn)換層模塊吊放

浮吊船主鉤下落至轉(zhuǎn)換層模塊頂部進(jìn)行掛鉤操作，同期進(jìn)行解綁扎。模塊頂部擺放定位設(shè)備，定位人員進(jìn)行設(shè)備調(diào)試。

解綁扎完成后浮吊船起升主鉤，主鉤負(fù)荷每增加1 000 kN報(bào)一次負(fù)荷，負(fù)荷增加50%時(shí)停止，觀察5 min，確認(rèn)無(wú)問(wèn)題再繼續(xù)增加負(fù)荷，負(fù)荷增加75%時(shí)再次停止，觀察5 min。在導(dǎo)管架基礎(chǔ)離開(kāi)駁船甲板50 cm后停止起升，觀察5 min，確認(rèn)無(wú)任何異響或問(wèn)題再進(jìn)行起吊作業(yè)。期間定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)觀測(cè)，確保定位系統(tǒng)的可靠性，一旦發(fā)現(xiàn)異常停止起升，及時(shí)進(jìn)行檢修或啟用備用系統(tǒng)。

轉(zhuǎn)換層模塊起升至合適高度后，“德渤3”駁船遠(yuǎn)離“德浮3600”至指定位置；根據(jù)定位系統(tǒng)指示，甲板人員操控船位，將浮吊船調(diào)整至模塊設(shè)計(jì)安裝位置，并開(kāi)始下落，下落過(guò)程中實(shí)時(shí)觀測(cè)模塊位置，并適當(dāng)調(diào)整主鉤高度，確保模塊絕對(duì)位置及水平度滿足施工技術(shù)要求，直至轉(zhuǎn)換層模塊主支撐柱與導(dǎo)管架上部主腿對(duì)接，如圖8所示。轉(zhuǎn)換層模塊落位后，通過(guò)其主支撐柱與導(dǎo)管架基礎(chǔ)主腿以焊接方式進(jìn)行連接。

圖8 轉(zhuǎn)換層模塊吊放示意

5.3 船組第二次拋錨就位

完成轉(zhuǎn)換層模塊安裝后，運(yùn)輸駁船將其余3個(gè)模塊運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)。運(yùn)輸組塊的駁船船中靠浮吊船船首，共拋4口錨，駁船船中與浮吊船船首帶交叉纜，并根據(jù)浮吊跨距調(diào)整兩船之間的距離，兩船船位如圖9所示。

圖9 船組第二次現(xiàn)場(chǎng)就位示意

5.4 1#、2#主變模塊和GIS模塊吊放

1#、2#主變模塊和GIS模塊吊放方式與轉(zhuǎn)換層模塊吊放方式類似。應(yīng)注意，考慮到上述的就位方式，3個(gè)上層組塊吊放具有一定的先后順序，即先吊放1#主變模塊，隨后吊放2#主變模塊，最后吊放GIS模塊（見(jiàn)圖10），以免出現(xiàn)視野盲區(qū)。

圖10 GIS模塊吊裝示意

5.5 1#、2#主變模塊和GIS模塊焊接與連接

1#、2#主變模塊與轉(zhuǎn)換層模塊、GIS模塊與轉(zhuǎn)換層模塊的對(duì)接方式相同，即轉(zhuǎn)換層上節(jié)點(diǎn)板的4個(gè)對(duì)應(yīng)位置上分別設(shè)有4塊限位板，主變模塊和GIS模塊主支撐柱的內(nèi)壁沿著限位板進(jìn)行下放以完成整個(gè)組塊的準(zhǔn)確定位，如圖11所示。當(dāng)主變/GIS模塊在轉(zhuǎn)換層組塊上準(zhǔn)確落位后，開(kāi)始現(xiàn)場(chǎng)焊接，對(duì)主變/GIS模塊所有主支撐柱進(jìn)行焊接，焊接為兩側(cè)角焊縫。此外，1#、2#主變模塊和GIS模塊之間在二、三層設(shè)置外走廊，采用柔性連接，便于設(shè)備搬運(yùn)和運(yùn)維檢修；在屋頂層采用連接步橋連接。

圖11 主變/GIS模塊與轉(zhuǎn)換層連接平面

5.6 復(fù)核與撤場(chǎng)

升壓站上部組塊焊接基本完成到位后，測(cè)量人員需對(duì)基礎(chǔ)的水平度（含法蘭水平度）、絕對(duì)位置、方位角及高程等數(shù)據(jù)的進(jìn)行復(fù)核確認(rèn)。

完成復(fù)核且滿足設(shè)計(jì)要求后，經(jīng)業(yè)主及監(jiān)理檢查確認(rèn)后，將各索具依次從升壓站各吊點(diǎn)上摘除，同時(shí)監(jiān)測(cè)人員將升壓站樁腿上布置的監(jiān)測(cè)設(shè)備回收，然后主作業(yè)船撤離安裝區(qū)域并與升壓站保持約100 m的安全距離。

6 結(jié)論

為解決復(fù)雜環(huán)境下海上升壓站上部組塊整體吊裝作業(yè)窗口少的問(wèn)題，提出一種海上升壓站上部組塊分體式吊裝方法。

首先，介紹了主變模塊、GIS模塊以及轉(zhuǎn)換層模塊的裝船方法；轉(zhuǎn)換層模塊現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，采用“德浮3600”船首順靠“德渤3”船尾的方式就位；而1#、2#主變模塊和GIS模塊現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，采用“德浮3600”船首頂靠“德渤3”船中的方式就位。

其次，4個(gè)上部組塊吊裝方式大致相同，都是通過(guò)4根30 m、600 t的環(huán)形吊帶兩兩與“德浮3600”的1#和3#鉤頭相連，分別對(duì)1#主變模塊吊裝過(guò)程中的吊裝索具的吊重、吊高、鉤偏角三面向進(jìn)行了分析計(jì)算，結(jié)果顯示升壓站導(dǎo)管架基礎(chǔ)滿足吊裝要求。

最后，依次介紹了上部組塊分體式吊裝的船組初次拋錨就位，轉(zhuǎn)換層模塊吊放，船組第二次拋錨就位，1#、2#主變模塊和GIS模塊吊放，1#、2#主變模塊和GIS模塊焊接與連接，復(fù)核與撤場(chǎng)等6項(xiàng)關(guān)鍵施工技術(shù)。