三樁吸力筒導(dǎo)管架風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)建造方案可行性分析

林漢城, 華宏旭，陳伶翔

(招商局重工(江蘇)有限公司，江蘇 南通 226116)

0 引言

三樁吸力筒導(dǎo)管架風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)是我國2020年海上風(fēng)電建造技術(shù)的大膽創(chuàng)新，采用負(fù)壓式吸力筒吸附在海床上作為水深為40 m左右區(qū)域風(fēng)力發(fā)電塔基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)物。該風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)總高約為83～91 m，總質(zhì)量約為1 900～2 300 t，屬于典型的大尺寸、大重量海洋結(jié)構(gòu)物，建造中存在高空作業(yè)量大、精度要求高等難點(diǎn)。為此，本文分析其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、建造要求和船廠設(shè)施，有針對性研究三樁吸力筒導(dǎo)管架的建造方案，通過對3種建造方式進(jìn)行對比，選擇合適的符合建造場地實(shí)際情況的建造方案，以保證建造過程風(fēng)險(xiǎn)最低、成本最少、安全系數(shù)最高。

1 主要結(jié)構(gòu)及布置特點(diǎn)

三樁吸力筒導(dǎo)管架風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)由吸力樁、導(dǎo)管架和上部箱梁過渡段三部分組成。其主體結(jié)構(gòu)所采用的鋼板為高強(qiáng)度海洋工程結(jié)構(gòu)用鋼，導(dǎo)管架采用DH36型鋼，導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)加厚處部分采用DH36、Z35型鋼，均通過焊接固定。

三樁吸力筒導(dǎo)管架風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

吸力樁有3個(gè)，每個(gè)吸力樁由頂蓋和筒體兩部分組成，單個(gè)質(zhì)量約為270～320 t。

導(dǎo)管架由主導(dǎo)管、斜撐導(dǎo)管組成，其中雙斜豎向主導(dǎo)管3根，斜撐導(dǎo)管布置3層，均為X型布置18根。過渡段由主鋼管和箱梁等構(gòu)件組成，質(zhì)量約為299 t。

管、舾裝方面，包含灌漿管路、海纜保護(hù)管、外加電流保護(hù)系統(tǒng)(ICCP)、外平臺、行靠船構(gòu)件及附屬爬梯等。

表1 三樁吸力筒導(dǎo)管架風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

2 建造方案對比

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及廠區(qū)加工能力、起重能力的不同，可以將過渡段、架體、吸力筒按照不同的方案建造。 本文擬定了3種建造方案，具體內(nèi)容如下：

建造方案1：將過渡段平臺和導(dǎo)管架第一層架體、中間架體、底部架體分別作為3個(gè)分段，3個(gè)吸力筒作為3個(gè)分段；在吸力筒制作完成并定位完成，分別將3個(gè)架體分段吊裝進(jìn)行合龍。建造方案1示意圖見圖1。

建造方案2：與方案1接近，將過渡段與前兩段導(dǎo)管架架體合龍成為一個(gè)整體作為一個(gè)分段，底部架體作為一個(gè)分段先與吸力筒合龍以后再與過渡段和架體的總段合龍。建造方案2示意圖見圖2。

建造方案3：首先平躺著將導(dǎo)管架整體建造完成，其次將過渡段翻身與架體合龍，最后利用浮吊將架體過渡段整體翻身與吸力筒合龍。建造方案3見圖3。

①—過渡平臺；②—第一層架體；③—中間架體；④—底部架體。

①—過渡段+導(dǎo)管架架體；②—底部架體；③—吸力筒。

圖3 建造方案3示意圖

3個(gè)建造方案對比見表2。對于導(dǎo)管架的建造精度要求占據(jù)第一位，一旦發(fā)生對接筒體錯(cuò)邊將會產(chǎn)生不可逆的調(diào)整，嚴(yán)重的時(shí)候可能導(dǎo)致部分區(qū)域的分段報(bào)廢。針對不同起重能力的建造要求選用不同的建造方案。在起重能力滿足的情況下，建造方案3可行性最高，成本最低。該方案建造中，過渡段翻身和架體整體翻身合龍是建造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本文對這兩個(gè)環(huán)節(jié)作業(yè)要點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)分析。

3 過渡段吊裝作業(yè)要點(diǎn)分析

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)總段吊裝流程見圖4，其作業(yè)要點(diǎn)分析如下：

(1)導(dǎo)管架基礎(chǔ)總段水平抬升至安全高度后絞車停止并保持一定靜止時(shí)間，以模擬導(dǎo)管架總段釋放向上動能至整體靜止?fàn)顟B(tài)，見圖4(b)。

(2)通過前后絞車以適當(dāng)速度同步收緊/釋放吊索，使導(dǎo)管架基礎(chǔ)總段開始繞全局坐標(biāo)系軸旋轉(zhuǎn)90°至豎直狀態(tài)；再次停止絞車動作，并保持足夠長的時(shí)間，以模擬導(dǎo)管架基礎(chǔ)總段釋放整體轉(zhuǎn)動動能直至靜止,見圖4(c)、(d)。

(3)最后前后絞車同時(shí)以合適速度釋放吊纜，將導(dǎo)管架總段下落至吸力筒頂部合龍對接。

導(dǎo)管架基礎(chǔ)總段的整個(gè)起吊翻身的水平抬升、翻轉(zhuǎn)、垂直下放過程的時(shí)間流程見表3。

表2 3個(gè)建造方案對比

圖4 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)總段吊裝流程圖

表3 導(dǎo)管架基礎(chǔ)總段吊裝翻身時(shí)間流程

翻身吊裝各作業(yè)階段時(shí)長須滿足以下要求：

(1)盡可能降低絞車收放吊纜的線速度，以降低導(dǎo)管架基礎(chǔ)總段的運(yùn)動加速度，降低主吊纜上最大張力，確保吊裝翻身過程安全。

(2)保證導(dǎo)管架基礎(chǔ)總段水平抬升高度滿足導(dǎo)管架翻身旋轉(zhuǎn)過程中主樁腿下端離地面最小安全距離要求。

(3)在缺少防風(fēng)繩或地面恒張力絞車等姿態(tài)輔助控制系統(tǒng)的情況下，首先應(yīng)在導(dǎo)管架基礎(chǔ)總段旋轉(zhuǎn)翻身前、后留出足夠的時(shí)間以保證導(dǎo)管架基礎(chǔ)總段釋放動能至完全靜止?fàn)顟B(tài)；然后進(jìn)行下一階段作業(yè)過程，以減小絞車、吊纜系統(tǒng)受到的慣性載荷，確保吊裝翻身過程安全。

(4)不同機(jī)位的導(dǎo)管架基礎(chǔ)總段具有不同的質(zhì)量、重心位置及慣性分布，因此吊機(jī)絞車的運(yùn)行時(shí)間、收放纜線速度及啟停時(shí)間應(yīng)單獨(dú)設(shè)置以保證吊裝過程安全可靠。

4 導(dǎo)管架整體吊裝作業(yè)要點(diǎn)分析

在三樁吸力筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)總段的吊裝翻身過程中，需要對其桁架結(jié)構(gòu)屈服、屈曲強(qiáng)度進(jìn)行分析。本文基于DNV-OS-C201規(guī)范要求，采用WSD設(shè)計(jì)衡準(zhǔn)評估結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

對風(fēng)機(jī)總段的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，分析過程采用梁單元建立模型，使用API-WSD規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對主導(dǎo)管及斜撐鋼管結(jié)構(gòu)在慣性力、吊纜拉力等載荷作用下的彎矩、軸向力、剪力進(jìn)行計(jì)算，按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行各類載荷綜合作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，由分析軟件自動完成。主導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核結(jié)果見圖5。從圖5可知，依照API-WSD強(qiáng)度衡準(zhǔn)條件，最大利用率0.85，滿足利用率系數(shù)≤1，主導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)安全。

5 結(jié)論

本文根據(jù)三樁吸力筒導(dǎo)管架風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，擬定了3種不同的建造方案，并分析了不同建造方案對船廠加工能力、起重能力要求的差異，以選擇最合適的建造方案。具體結(jié)論如下：

(1)方案1和方案2對于起重能力需求稍小，但對精度控制要求高，高空作業(yè)腳手架量大，人員素質(zhì)要求高，相對成本也會高。

圖5 主導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核結(jié)果

(2)本文選定的建造方案3，先平躺著將導(dǎo)管架整體建造完成，再將過渡段翻身與架體合龍，最后利用浮吊將架體過渡段整體翻身與吸力筒合龍。此方案優(yōu)點(diǎn)是高空作業(yè)和翻身變形量最小，不需要考慮主導(dǎo)管對接精度。

(3)方案3中的缺點(diǎn)是對起重高度和起重能力要求最高。對不滿足浮吊作業(yè)的建造場地可以采用陸地建造提升塔同樣的方案進(jìn)行翻身。

(4)方案3中過渡段翻身和架體整體翻身合龍是建造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文對這兩個(gè)環(huán)節(jié)作業(yè)要點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)分析，制定合理的翻身工藝，并通過實(shí)踐證明作業(yè)方案和作業(yè)順序合理。