海上升壓站模塊吊裝設計技術研究

雷 蕾

中國石油天然氣第七建設有限公司 山東青島 266061

21 世紀是海洋世紀，海洋經濟也逐漸成為我國國民經濟新的增長點。隨著海洋產業的高速興起，海洋工程裝備已成為世界主要造船企業新的利潤增長點[1]。自2014 年國家能源局發布《關于印發全國海上風電開發建設方案（2014- 2016）的通知》后，經過6 年的努力，我國海上風電制造、建設、運維技術水平均不斷提高，呈現發電成本逐年下降、裝機規模不斷上升的趨勢。

隨著海上風電的深入發展，海上升壓站作為海上風電的“心臟”，其重要性不言而喻。海上升壓站采用上部組塊和下部結構的布置模式，其中下部結構包括鋼樁及導管架結構。上部組塊完成建造與安裝調試后，整體運輸至海上完成安裝工作。海上升壓站上部組塊的施工典型流程如下：上部組塊各構件(包括上部組塊主結構及附屬構件等) 在工廠內的制作→各構件的檢測、防腐處理→上部組塊運輸、就位及準備工作等→上部組塊的吊裝、現場焊接及防腐、測量上部組塊最終垂直度等→質量檢查→修補缺陷(補涂防腐油漆等）→協助場內海底電纜施工和海纜的連接等→單位工程驗收。

目前，吊裝已成為海上升壓站模塊施工中的一個重要環節。良好的吊裝設計，不僅可以節約吊裝成本，還能有效縮短工程周期，所以模塊吊裝設計技術的研究必不可少[2]。筆者承擔了多個海上升壓站項目的吊裝方案設計工作，目前現場所有模塊的吊裝工作已順利完成。以下將從海上升壓站上部組塊的吊裝方案設計入手，結合操作實際，研究分片預制方案、吊裝運輸方案設計的流程和方法等關鍵要素，形成設計依據，為吊裝設計提供參考。

1 項目概況和設計輸入資料

某項目220kV 海上升壓站包括上部組塊和下部結構。上部組塊為4 層的結構，平面尺寸約為42.80m×55m(包含樓梯和外露平臺），高約16m(1 層甲板至屋頂層頂)，最高點距平均海平面約33m，上部組塊總重約4000t；下部結構為導管架型式，導管架1100t，樁管重量905t。

首先編制分片預制方案和吊裝運輸方案，進行吊裝強度校核。該階段需要大量的輸入資料，主要包括以下內容：

（1）場地現有資源信息：主要包括650/ 350t 履帶吊起重性能表、超起工況荷載表；自行式液壓模塊運輸車（SPMT）尺寸圖；海上風電上部組塊、導管架滑道塊滑道板及滑靴布置圖。

（2）海上升壓站場地及分片布置狀態圖。

（3）程序文件：包括組合梁預制程序和卷管程序。

（4）建造方案：包括上部組塊建造方案和導管架建造方案。

（5）具體工作量清單：詳細列出各專業的工作界面。針對吊裝專業，工作內容主要包括編制分片預制方案、分片吊裝運輸方案和吊裝運輸計算報告。

（6）施工技術要求。

（7）相關參考文件。

2 編制分片預制方案

根據鋼結構詳圖設計軟件（TEKLA）建立的三維模型、主次結構圖和節點圖，考慮預制場地、分片尺寸、分片重量和運輸方式因素，確定每層結構的分片界限，編制分片預制方案。圖1 為模塊單層組塊分片示意圖。

圖1 模塊單層組塊分片示意圖

分片預制方案的內容包括組塊分片尺寸和重量信息、組裝流程、安裝和焊接，以及切割制孔的技術要求、組裝過程中墊墩的布置位置、關鍵尺寸控制點要求，板片一體化清單目錄等。

在編制分片預制方案時，必須考慮分片的預制場地，避免分片尺寸超過預制場地的限制。另外，若分片尺寸大、重量大（超過200t），由于液壓平板車平臺寬度有限，造成分片結構在運輸過程中呈懸臂梁狀態，此時需采用SPMT 運輸。

3 編制吊裝運輸方案

根據分片預制方案、主次結構圖紙、場地分片布置狀態圖、吊機圖及其性能表荷載表，編制組塊分片吊裝運輸方案。吊裝運輸方案的內容包括：說明、參考文件、技術要求、場地布置及運輸路線、吊裝流程（包括預制區分片吊裝裝車和總裝區分片吊裝裝車）和吊裝計算報告。

（1）在規劃運輸路線及吊機站位時，首先需要確定各層平臺的建造場地，然后對運輸路徑進行合理規劃。

（2）在車間內建造的平臺，需要注意天車的吊鉤最高起吊高度為18m，吊點的布置上要配合吊帶的角度，防止吊鉤超過18m。

（3）從各層的平面圖中確定吊機作業半徑及吊機站位。在確定吊機作業半徑時，應保證平臺的最大外伸部分與吊臂之間的距離大于3m，以防吊裝過程中由于工件晃動而與吊臂發生碰撞。需要注意的是，隨著平臺高度的增加，吊機的站位距離會越來越遠。在CAD 中嘗試站位時，不能只考慮單層平臺與吊臂的距離，還必須結合底下各層平臺的尺寸，并參考立面圖來放置吊機位置。為盡量縮小吊機作業半徑，吊臂可以轉動的方式將工件向前推進。

（4）吊機站位確定之后，根據吊機性能表選擇適當的配重，必要時還應選擇適當的超起配重。超起配重盡量不要超過150t，以防吊機行動不便。

（5）布置吊耳位置時，應盡量將吊耳布置在主梁上，以保證工件吊裝時的剛度。如若實在無法布置在主梁上，只能布置在次梁上時，可對次梁設置加強結構，通過剛度校核后，方可實施。

4 吊裝強度計算

分片吊裝結構強度計算和運輸強度計算采用國際化的通用結構分析與設計軟件——STAAD.Pro。STAAD.Pro 軟件通過其友好的用戶界面，可視化的工具、靈活的建模環境、高級的功能和流暢的數據協同，進行工業廠房、設備與管道平臺及架構、高聳結構、大跨結構、海洋工程、高層建筑和特種結構的計算與分析，是設計公司理想的選擇。

海上升壓站的上部組塊和導管架，因各功能分區劃分的不同，設備、管道、電氣和儀表等專業的布置不規律，各層分片的尺寸和重量不同，因此各分片的重心位置也不同。要保證在吊裝運輸過程中分片結構不發生傾覆及塑性變形，必須要對其進行強度校核，以保證結構的安全。借助STAAD.Pro 軟件，可以高效準確地完成這些工作，節約時間。

（1）根據分片預制方案，在TEKLA 模型中計算出分片結構的重量和幾何重心。

（2）考慮吊機的吊裝能力（80%的額定荷載、吊鉤高度和工作半徑），估算吊耳數量并合理布置吊耳位置；結合吊鉤高度和水平位置，保證吊索與水平面夾角不小于60°，繪制重心及吊耳布置圖。一般的分片結構宜設置4、6 或8 個吊耳，且吊耳位于主梁或強節點上。

（3）應用STADD.Pro 軟件，建立分片結構模型→設置材料參數→指定構件屬性→定義吊索→指定支座類型→定義基本荷載工況→定義荷載項→指定荷載到構件→定義組合工況→設置檢驗規范→定義分析類型→運行分析→查看輸出結果及靜載下的重心位置；將STADD.Pro 軟件靜載下的重心位置與TEKLA模型中的重心位置相比較，如果偏差不大（一般是在500mm 之內），則進入STADD.Pro 軟件的后處理狀態，得到應力比、位移統計值、梁單元內力，并與規范限值進行比較，滿足規范要求的結果形成計算報告。若STADD.Pro 軟件靜載下的重心位置與TEKLA 模型中的重心位置偏差較大，說明荷載模擬與實際荷載不相符，則需要通過調整荷載來調整STAAD 模型的重心位置，再次執行計算。查看結果中根據靜態分析得到的重心位置，調節吊鉤位置，使吊鉤的連線通過重心相應坐標。

（4）進行分析，進入后處理模式。檢查構件計算結果，對于應力比值（一般出現在工況4）大于等于1 的構件，應先分析其所受荷載及桿件定義是否合理，并在確定其合理性的基礎上采取增大桿件的截面或增加臨時結構的方法，減少應力比值；重復進行上述步驟，直至所有構件均滿足規范要求的限值條件。形成包含計算模型截圖、工況荷載表、應力比、節點位移統計、吊索力在內的吊裝計算報告。

5 運輸強度校核

在STAAD.Pro 模型中，刪除吊鉤點和吊索。根據涂裝區臨時墊墩擺放與退車示意圖，用鉸支支座模擬臨時墊墩，運行程序，進入后處理模式，查看結果。對于位移過大或應力比超過1 的構件，通過適當增加支座數量或調整支座位置，使計算結果符合要求，并將調整后的支座布置（即臨時墊墩布置）反饋到涂裝區臨時墊墩擺放與退車示意圖上。

6 現場吊裝工作

正式吊裝前需進行試吊，核實實際吊重，發現與設計吊重存在偏差時需經技術核實后方可繼續作業。若發現異常情況，需停止作業，經核實安全后方可繼續施工。

7 結語與展望

以上介紹了海上升壓站模塊分片預制方案和吊裝運輸方案的設計技術，尤其側重對吊裝強度計算流程的敘述，下一步將就以下方面做更深入的研究：

（1）在進行吊裝強度計算時，設置4 個荷載工況，包括1 個基本工況和3 個組合工況。STAAD.Pro 軟件建模對實際結構進行了簡化（未考慮節點板重量），基本工況考慮了自重修正系數a（a 取值在- 1.3～- 1.1之間）。后續需進一步縮小修正系數a 的取值范圍。

（2）在STAAD.Pro 軟件中設置材料屬性時，材料的許用應力值需要考慮一定的安全系數，以作為由于材料缺陷、計算誤差等因素的強度儲備。安全系數的取值需要進一步研究。