新型海上風電吸力筒基礎制造工藝研究

魏霏霏，何鵬飛

（中國水利水電第四工程局有限公司，甘肅酒泉 735000）

0 引言

與陸地風電發(fā)展受限制不同，我國海上風力發(fā)電趨勢市場前景廣闊。我國海上風能資源豐富，東南沿海及附近島嶼的有效風能密度為200～300 W/m2以上，全年≥3 m/s 的時數(shù)約為7000 h，≥6 m/s 的時數(shù)約為4000 h。根據(jù)國家發(fā)改委能源研究所發(fā)布的《中國風電發(fā)展路線圖2050》報告，中國水深5～50 m海域，100 m 高度的海上風能資源開放量為5 億kW，總面積為39.4 萬km2。不僅如此，2020 年末，各地紛紛出臺新政策，大力發(fā)展風光電等可再生能源，未來海上風電發(fā)展趨勢將會大好。

1 海上風電塔架

海上風電塔架主要分為兩部分，即上部的海上風電塔筒部分以及水下的基礎部分。目前海上風電塔架位于海面以下的基礎部分結(jié)構(gòu)形式主要有單樁或多樁基礎、導管架基礎、吸力筒型基礎等，以下對新型海上風電吸力筒基礎制造工藝展開研究。

新型海上風電吸力筒基礎，直徑30～40 m，筒高10～15 m，主要包括上部連接筒段、斜支撐、下部筒形結(jié)構(gòu)以及部分附屬構(gòu)件，上部連接筒段由鋼管分段卷制焊接而成，主要連接塔筒及基礎部分，斜支撐有鋼管支撐結(jié)構(gòu)或工字鋼支撐結(jié)構(gòu)，筒形結(jié)構(gòu)由外部筒體、筒體上部蓋板、分艙板、工字鋼主梁、工字鋼圈梁、混凝土頂蓋、支撐鋼板和加勁板等組成。上部連接筒段采用臥式拼接法制作，通過鋼板卷制成段，再將段與段拼接而成；下部筒形結(jié)構(gòu)采用立式摞節(jié)法制作，先做分艙板，再分片制作筒體板，立式摞節(jié)組裝，然后制作工字鋼主梁、工字鋼圈梁、筒蓋板等，然后總組合。最后上部連接筒段、斜支撐、下部筒形結(jié)構(gòu)以及附屬構(gòu)件立式總組合攏，并焊接完成。

2 制作場地及環(huán)境

中國水利水電第四工程局有限公司準備的吸力筒基礎的總裝配焊接場地，該區(qū)域面積約為76 m×170 m，能同時進行2套新型海上風電復合筒型基礎總組制作（圖1）。該區(qū)域配置600 t 龍門起重機2 臺，且建有長480 m、寬76 m 的30 萬噸級干船塢，滿足新型海上風電復合筒型基礎總組合要求，還可以總組合攏后直接滾裝上船，中間無倒運過程。由于拼裝焊接耗時長，為達到焊接環(huán)境要求，可在總組合攏場地內(nèi)制造兩臺焊接防雨棚，焊接防雨棚底部安裝有行走裝置，可在區(qū)域內(nèi)移動，充分滿足焊接條件。

圖1 總裝配焊接場地

3 制作難點

3.1 厚板卷管

下部筒形結(jié)構(gòu)部分都是超大直徑的厚板卷管，最大直徑可達到40 000 mm 以上。根據(jù)鋼板廠家生產(chǎn)情況、卷板機設備性能等，將單節(jié)超大直徑鋼管按圓周方向分成3～6 個瓦片卷板（注意卷板的坡口在卷制前開好），單張鋼板卷制后再摞節(jié)裝焊成一個單節(jié)鋼管。單片卷制和摞節(jié)縱縫焊接過程中用專用圓弧樣板進行校圓。

3.2 相貫線連接

上部連接筒段的豎直鋼管和斜撐鋼管可同時加工，斜撐鋼管與豎直鋼管連接處接口形式為相貫線。通過SW 三維建模，精確繪制得出相貫線尺寸及相應的坡口角度。

3.3 整體放樣與拼裝

通過三維建模，放樣出上部連接筒段整體尺寸和重量。這樣才能提供準確的施工地樣圖、尺寸檢測表和吊點位置。

3.4 筒形結(jié)構(gòu)摞節(jié)裝配

下部筒形結(jié)構(gòu)部分直徑達到40 000 mm，需采用摞節(jié)立式裝配法，裝配焊接工程量大，需要采用橫向埋弧焊及立式自動氣保焊，同時分艙板筒體內(nèi)壁接觸部分環(huán)縫焊接需手工進行，焊接工程量大，質(zhì)量要求高。

3.5 轉(zhuǎn)運及發(fā)運

單個新型復合筒形基礎重量可達2000 t 以上，總裝配場地必須選擇靠近碼頭，采用模塊車整體轉(zhuǎn)運和裝船。模塊車直接駛進復合筒形基礎組對胎架下面，提升模塊車臺面與筒形基礎主體接觸，依次去除支撐，使吸力筒形基礎平穩(wěn)放置到模塊車上，并緩慢滾裝上船。

4 制作工藝流程

4.1 放樣、零件下料

（1）通過計算機繪制吸力筒基礎結(jié)構(gòu)整體三維圖，得到各部件對接結(jié)構(gòu)形式并計算出理論下料尺寸，同時計算出部分拼裝部件重心位置。

（2）斜撐鋼管與豎直鋼管連接端部為相貫線形狀，板材卷管焊接好后上數(shù)控相貫線切割機上進行切割，保證零件尺寸。

4.2 豎直鋼管制作

豎直鋼管可由單節(jié)鋼管拼接，單節(jié)鋼管通過定尺鋼板卷制焊接而成。受鋼板廠家加工限制，當豎直鋼管直徑較小時，單節(jié)鋼管可通過一張鋼板卷圓而成，當豎直鋼管直徑較大時，單節(jié)鋼管需要通過2 張或2 張以上鋼板卷制成圓弧段再拼接成整圓。單節(jié)鋼管卷圓成型并檢驗合格后才可進行縱縫的焊接。焊接前，質(zhì)檢人員應檢查縱縫組對錯變量、坡口形式等，未達到標準要求的單節(jié)鋼管必須校正后才能進行縱縫焊接。焊接前在縱縫兩端頭加裝引弧板和熄弧板，引弧板和熄弧板板厚與單節(jié)鋼管板厚一致，坡口形式與單節(jié)鋼管一致，規(guī)格為150 mm×300 mm。縱縫采用埋弧自動焊焊接，先焊接內(nèi)側(cè)，外側(cè)徹底清跟后焊接。焊接工藝必須采用經(jīng)焊接工藝評定合格的工藝，焊后校圓，保證單節(jié)鋼管局部表面凹凸度等外形尺寸，檢驗合格后方能轉(zhuǎn)入下一道工序（圖2）。

圖2 拼裝完成的豎直鋼管與斜支撐

4.3 下部筒形結(jié)構(gòu)部分制作

4.3.1 單片放樣、下料、卷制

下部筒形結(jié)構(gòu)直徑Φ40 000 mm以上，根據(jù)高度，分為2～4 小段，單段展開長度約125 600 mm，結(jié)合鋼板生產(chǎn)廠家、鋼板卷制能力、加工能力、轉(zhuǎn)運吊裝、運輸裝船情況等綜合考慮，將單段鋼板分為6 片瓦片（圖3），瓦片單獨下料、卷制。

圖3 瓦片

瓦片下料后，開設坡口，開設坡口時尤其注意拼接方向，避免卷制后內(nèi)外坡口錯位，同時打磨坡口邊緣50 mm范圍，露出金屬光澤。

4.3.2 分艙板制作

分艙板（圖4）在總組合攏場地制作。制作前，搭設組裝胎架。分艙板采用鋼板拼焊而成。

圖4 分艙板

4.3.3 下部筒形結(jié)構(gòu)摞節(jié)組裝

下部筒形結(jié)構(gòu)筒體采用瓦片摞節(jié)組裝方式（圖5）。待分艙板組裝完成后，將卷制合格的瓦片臥式吊運至總組合攏場地，組裝前，將瓦片翻身成豎直方向，翻身時采用專用吊具，嚴格禁止鋼板擦傷，避免操作不當引起瓦片變形。

圖5 摞節(jié)組裝示意

先安裝第一段第一節(jié)瓦片，待瓦片直立起來后與分艙板點焊固定，相同步驟依次安裝第一段其余瓦片并點焊固定，第一段組裝完成后，校核尺寸，尺寸合格后焊接。焊接時，可同時進行。

單片瓦片摞節(jié)時，要注意拼接縱縫的位置，每一層瓦片6 條拼接縱縫要與前一層拼接縱縫錯開30°，即拼接縱縫位于前一層單片中心位置。組對時要嚴格控制錯臺量，當錯臺超標時，必須要校正合格后方能進入下一道工序。

4.4 其余附件制作

圈梁、蓋板等其余附屬構(gòu)件的制作，可預先在車間內(nèi)完成。

4.5 總組合攏

待各部件制作完畢后，進行總組合攏工序。先將蓋板、圈梁等運送至組合場地。吊裝前，先盤口檢查蓋板及圈梁圓周長度，計算與理論值誤差，同時盤口下部筒形結(jié)構(gòu)圓周長度，計算與理論值誤差，各部件誤差值符合要求后方能進行下一步工序。

尺寸檢驗合格后，緩慢起吊圈梁，調(diào)整圈梁與下部筒形結(jié)構(gòu)安裝位置，合格后卸去吊鉤，采用氣保焊焊接，焊縫檢驗合格后以同樣方法安裝蓋板等附屬構(gòu)件，最后安裝組裝完成豎直鋼管。

5 結(jié)束語

2019—2020 年搶裝潮過后，陸上風電塔筒競爭更加激烈，面對困局，公司將市場領域擴展到海上風電裝備制造，利用自身在新能源裝備制造領域的品牌優(yōu)勢和先進的新能源裝備制造工藝技術(shù)公司，生產(chǎn)制作海上風電塔筒、管樁及導管架、風機定轉(zhuǎn)子支架等海工產(chǎn)品，拓寬市場。