800t自升式風電安裝平臺建造技術研究

商明星 劉正亮 祖家俊 劉陽

摘 要：800 t自升式風電安裝平臺是華南地區首座風電安裝平臺，其核心設備800t繞樁式起重機和3600t液壓插銷式連續升降系統都是國內具有獨立自主知識產權并且領先的關鍵設備。本文結合該平臺的設計及建造情況，簡要介紹其在建造過程中的重難點以及需要注意的事項，為今后類似的平臺設計、建造提供參考和借鑒。

關鍵詞：自升式風電安裝平臺；建造

中圖分類號：U667.5 文獻標識碼：A

Abstract： The 800 t self-elevating offshore wind turbine service unit is the first wind turbine service unit in south China. Its core equipment 800 t around leg crane and 3 600 t hydraulic ram and pin jacking system are both key equipment with independent intellectual property rights and leading position in China. Based on the design and building of the unit， this paper briefly introduces the important and difficult points and matters needing attention in the building process of the unit.

Key words： self-elevating offshore wind turbine service unit； Building

1 前言

風電是重要的可再生能源，全球風電場建設呈現快速發展并從陸地向近海發展的趨勢。與陸地風電相比，海上風電的能量效益比陸地高20%～40%，同時具有不占地、風速高、沙塵少、電量大、運行穩定以及粉塵零排放等優勢，能有效減少CO2氣體排放，減少機組磨損，延長風力發電機組的使用壽命，適合大規模開發。我國沿海風能資源豐富，是目前全球主要的風電發展國家之一。

我司緊跟時代步伐，于2015年9月在中船集團北京總部簽訂了800 t自升式風電安裝平臺建造合同，并于2017年5月成功交付。這不僅展現了我司卓越的海工產品建造能力，也有利于打造我司成為風電安裝裝備重要的建造及維護基地，助力廣東成為海上風電開發強省，為廣東裝備制造業再添亮麗名片。

2 800 t自升式風電安裝平臺簡介

800 t自升式風電安裝平臺的主要作業工程包括7MW及以下風機的基座、支撐塔架、機艙及葉片的吊裝，以及其他海上吊裝作業或生活支持。該平臺總長85.8 m、型寬40 m、型深7 m、結構吃水4.8 m、作業水深5～45 m；主甲板面積達2 000 m?，4條八角形樁腿，樁腿總高80 m（含樁靴）；采用液壓插銷式連續升降系統，升樁最高速度達18 m/h、升降機構單樁最大提升能力3 600 t、總提升能力達14 000 t；尾部右舷配備1臺800 t繞樁式主吊機，帶4點錨泊定位系統，總可變載荷達3 000 t；采用全焊接鋼質船體結構，具有單層連續主甲板，生活樓位于首部，定員80人。滿足中國船級社對于自升式平臺、風電作業以及起重吊裝方面的全部要求。

3 800 t自升式風電安裝平臺建造關鍵技術

3.1樁腿建造技術

樁腿作為支撐整個平臺最重要的結構部件，平臺內部、外部載荷通過樁腿進行傳遞。樁腿長期受到海水浸泡、洋流和波浪沖擊，工作環境惡劣，各類腐蝕也十分嚴重，它是整個平臺的基礎，也是整個平臺船體建造的核心工作。本平臺設置4條樁腿（帶樁靴），樁腿截面為八角形、尺寸約3.8 m×3.8 m，中間每隔3m或4.5 m設置水平加強框架，四個角設置100 mm厚的導向板，導向板上每隔1.5 m設計直徑480 mm圓形插銷孔，為內外進水式結構設計；樁腿內部從底到頂設計直梯和犧牲陽極，以便于結構檢驗和減少腐蝕；樁靴為長方形，尺寸為8.7 m×11.7 m、底部面積為101.8m?、從底面至樁腿頂部總高度為80 m；樁腿和樁靴采用CCS-E690、CCS-D500和CCS-D420等高強度船用結構鋼。樁腿典型結構如圖1所示。

3.1.1樁腿長度的劃分

樁腿長度劃分是樁腿建造的基礎工作，必須結合樁腿的結構形式、建造廠地、車間起吊能力、總組以及搭載方案等綜合考慮，既要有利于精度控制、充分利用板材，也要兼顧其內部鐵舾件以及沖樁管路安裝工作，同時要考慮減少后期高空作業，提高施工效率，減少安全隱患。特別是搭載方案的選取，要充分考慮船臺或者船塢上主起重機的起重能力和吊高，盡早明確樁腿最上部分是下水前安裝還是下水之后安裝：若樁腿高度稍大于主起重機的最大吊高，可以考慮定做專用工裝，確保下水之前將全部樁腿搭載完畢，畢竟下水之后再接長吊裝風險大大增加，裝配以及焊接周期也加長。

3.1.2樁腿的精度控制

精度控制是樁腿建造工作的核心內容，它伴隨著整個樁腿建造的全過程，同時又和升降系統緊密相連，其精度要素主要包括撓度、平面度、插銷孔圓度和水平度等方面。我們在前期對于各類精度數據進行總結，對各種板材焊接收縮量進行分析，并且和設計院、升降系統廠家、施工班組以及工藝人員共同探討，制定合理的精度和公差值以及切實可行的控制方案，繪制樁腿精度及公差布置圖、編制樁腿建造工藝，為精度控制提供理論依據。在下料、劃線、分段制作、船塢合攏等階段，都制定詳細的精度標準以及控制方案，確保精度滿足要求。施工過程中，嚴格按照設計圖紙及工藝文件的要求對各類精度數據進行測量和復核，加強過程控制，確保精度控制萬無一失。

3.1.3樁腿的焊接

焊接工作是樁腿施工最重要的一道工作，其質量好壞對平臺的升降系統有著極其重要的影響。項目實施之初我們提前對WPS工作進行策劃，制定切實可行的施工方案，并從焊材、施工人員、焊接設備、焊接參數、環境條件、焊前及焊后處理等方面進行嚴格控制。本平臺最大板厚為100 mm的CCS-E690鋼板，為X型雙面坡口，精度要求控制在±2 mm 之內。通過一系列的焊接試驗，確定超厚超高強度鋼的冷裂敏感性及焊前預熱溫度、層間溫度以及焊后熱處理對焊接接頭力學性能的影響，對其焊接工藝進行了總結，包括焊接前準備、焊接順序、坡口角度及加工方法、焊接方法、焊前預熱、層間溫度控制、焊后熱處理等。在焊接過程中，邊焊接邊測量，及時發現并糾正焊接過程中出現的各種問題，在各部門的通力協作之下，最終圓滿完成任務并且通過實船驗證，得到船東和船檢的一致好評。

3.2 3 600t液壓插銷式連續升降系統安裝

3 600t液壓插銷式升降系統主要用于平臺的升降、壓樁和拔樁，在需要長期保持站立位置時，可使用附帶的鎖緊機構長期保持氣隙，確保海上風電安裝平臺各項作業的順利實施。此外還設計了扶正裝置，減少樁腿在拖航時的晃動，確保拖航安全。

3.2.1 系統簡介

升降系統主要由升降裝置機械本體、液壓動力單元及電氣控制系統等三大部件組成：（1）機械本體用于實現平臺的升降、平臺支持的動作機構，主要包含固樁室、升降滑座總成、扶正機構總成、液壓插銷總成、提升油缸、鎖緊裝置模塊、導向總成及潤滑系統等；（2）液壓動力單元主要由液壓泵站、主控制閥組、油缸控制閥組以及相應的管路組成。全船共布置四套泵站，分別控制四條樁腿；（3）電氣控制系統由集中控制臺、樁腿控制單元、機旁控制箱等組成。主要分為集中控制系統（布置在駕駛室內）和機旁控制系統，均可實際平臺升降、緊急停止和平臺傾斜保護等功能。

升降系統機械本體總布置，如圖2所示。

3.2.2 系統安裝

升降系統安裝工作，主要包括提升油缸和升降滑座的安裝：（1）提升油缸直徑540 mm、總長度4.5 m、重量7 t、額定提升能力300 t，每個樁腿12只提升油缸，全船共48只，提升油缸兩端采用鉸支安裝形式；（2）升降滑座安裝在樁腿四周，由鋼板焊接而成，單個升降滑座與三只提升油缸下耳環通過銷軸鉸接。

提升油缸作為全船動力的關鍵部件，對于整個升降系統的安裝有決定性的影響。同時施工空間小、精度要求高，如何快速將這些龐然大物安裝到位，經過反復論證決定采用中心組件預裝的方式，將固樁室頂部安裝油缸的部位單獨分開，形成一個中心組件，一次性將中心組件上全部12個提升油缸在地面預裝完成，然后整體吊裝搭載，極大的提高了安裝效率，改善了施工作業環境，有效的降低了成本，得到船東的充分認可。

3.2.3 系統調試

升降系統調試工作是全船調試工作的核心工程，在下水之前要進行單樁起升和下降動作調試，以便樁腿校正零位之用，這項調試工的要求極高。系統調試工作主要內容為：升降液壓泵站調試、報警點調試、油缸空載運行、插銷鎖緊、單樁起升和下降動作調試、全程升降調試等。

本升降系統工作壓力為27 Mpa，在調試過程中要防止漏油以及碰撞事故發生。在平臺壓載前，要預先評估樁靴入泥深度，保證地面具有可靠的承載能力；在升降操作時，應保證平臺傾斜角度在1°以內；同時，應提前制定各類安全事故應急預案、人員的安全保障及撤離方案。

3.3 800 t繞樁式起重機安裝

本平臺尾部右樁腿配備有800 t繞樁式重型起重機，需根據平臺空間緊湊等特點進行專門設計和制造，在材料選用、結構設計、配套件選用、系統功能、性能要求等方面要嚴格按照CCS等相關規范要求，起重機所有的絞車和回轉機構均采用電力液壓驅動，其電力系統由平臺自身提供。

3.3.1 起重機簡介

本平臺起重機配置2個400t的山字型主鉤，最大起重量800t、工作半徑20.3～25 m；一個150t的山字型主鉤、工作半徑24.7～80 m。設有2套主起升機構、1套副起升機構、2套變幅機構和1套回轉機構等工作機構。在本機的轉臺結構前端設置1套索具鉤絞車和2個穩貨絞車。本體結構包括臂架、三角架、轉臺結構、筒體結構、臂架擱置架及鉤箱等。本起重機整機重量輕、結構緊湊、操作方便、安全、可靠、整機布局合理，結構采用模塊化設計，充分考慮平臺日常維護和保養，留有足夠的維護和保養空間。

3.3.2 起重機底座安裝

為節約甲板面積，平臺大多采用繞樁式起重機，即其中一條樁腿從起重機中間穿過。和普通將軍柱式起重機不同，繞樁式起重機內部為中空式結構，要求起重機廠家進行專門的強度校核。由于風機吊裝作業的要求導致起重機底座超高，并且下部和升樁機室相連接，這對其加強形式和結構強度都提出了極高的要求。起重機底座上部回轉法蘭直徑約9 m，安裝時對于圓度、垂直度、平面度的控制是一個很大的挑戰。因此，我們對底座的安裝制定了嚴格的吊裝方案，確保加強對位，并制定了底座的焊接順序減少焊接變形，確保底座一次性安裝到位。

3.3.3 起重機大型部件吊裝

800t繞樁式起重機總重量約900t，主要由底座、回轉平臺（含A字架）以及吊臂三大部件組成：回轉平臺（含A字架）總重量約400 t，由于液壓泵站布置的原因造成整體重心極度偏向一邊，吊裝風險極大；另外，起重機吊臂總長110 m、重量達360 t。如此超長超大的部件吊裝給我們帶來了極大的考驗，經過精心策劃和反復校核，最終一次性完成了這兩個超大部件的吊裝工作，為以后類似大型部件吊裝積累了寶貴經驗。800t起重機吊臂整體吊裝情況，如圖3所示。

4 結束語

800 t自升式風電安裝平臺項目，經過項目組人員五百多個日夜的不懈努力，終于成功交付，并將于近期赴江蘇附近海域作業。平臺上各項設備運作正常，完全達到設計要求，為我國風電產業發展、推進海洋強國戰略做出貢獻。本平臺的成功交付，極大提升了我們的信心和熱情，并在以后的設計、建造中不斷優化和改進，同時對促進我司建造精品海工平臺、提高船型競爭力、擴展海工市場具有十分重要的意義。

參考文獻

[1] 焊接手冊[M] .機械工業出版社，2008.

[2] 船舶設計實用手冊（舾裝分冊）[M].國防工業出版社，2002.