海上風電風機塔筒通用立式運輸工裝設計

李育斌

（中國鐵建港航局集團有限公司，廣東 珠海 519000）

1 工程基本情況概述

本工程風場位于江蘇啟東近海海域，場區(qū)中心離岸距離約37km，海底地形變化較為平緩，水深在10～16m之間。工程規(guī)劃布置50 臺風力發(fā)電機組，涵蓋4 種品牌，6 種機型。每種機型塔筒尺寸不盡相同，詳細塔筒尺寸統(tǒng)計見表1。

表1 6 種型號風機塔筒尺寸統(tǒng)計

2 塔筒立式運輸工裝的結(jié)構(gòu)

塔筒運輸一般有兩種方式。一是臥式運輸，臥式運輸對運輸工裝要求低，一般情況下，塔筒多采用臥式運輸?shù)姆绞健Ａ硪环N方式是立式運輸，需要定制的塔筒立式運輸工裝，一般塔筒立式運輸工裝受制于其結(jié)構(gòu)形式和強度，只能用于長度較短的底塔筒的運輸[1]。

通過一般塔筒立式運輸工裝的圖像（圖1），可以對塔筒立式運輸工裝有初步了解。塔筒立式運輸工裝主要由工裝底座和連接法蘭盤兩部分組成，連接法蘭盤上孔位分布與塔筒底部法蘭盤上孔位一致。運輸時，一般先將塔筒立式運輸工裝與運輸船甲板焊接，焊縫一般為角焊縫。然后將塔筒安裝在立式運輸工裝上，通過螺栓連接牢固。

圖1 一般塔筒立式運輸工裝

3 項目遇到的問題及改進思路

遇到的問題：本項目風力發(fā)電機組涵蓋國內(nèi)4 種品牌，風電機型共6 種，每種機型有3～4 節(jié)塔筒，塔筒尺寸不盡相同，施工過程中，由于本項目風機供應不連續(xù)，風電安裝船需要較為頻繁的切換所安裝的機型。每次隨著安裝機型的切換就需要跟換相應機型的塔筒立式運輸工裝，立式運輸工裝通過焊接方式與甲板連接，頻繁的跟換工裝不但容易損傷運輸船的甲板，也在很大程度上降低了整體施工效率。

改進的思路：為了解決本項目頻繁更換塔筒立式運輸工裝所帶來的問題，計劃根據(jù)6 種風機的塔筒型號，自主設計一種通用的立式運輸工裝，且跟換立式運輸工裝時無須重復的切割和焊接，僅通過簡單的拆和裝即可滿足不同塔筒對立式運輸工裝的需求。同時，通用立式工裝需要方便人員進出，以便工人可以更快進入塔筒內(nèi)部，拆卸螺栓。

4 通用立式運輸工裝的設計

目前，國內(nèi)現(xiàn)有立式工裝主要用于底段塔筒在陸上進行預組裝以及底段塔筒的海上運輸，底段塔筒高度一般在15m 左右。為了能一次性運輸多套塔筒，本項目計劃將中段塔筒、上段塔筒也采用立式的方式進行運輸，中段及上段塔筒的高度一般大于30m，對塔筒立式運輸工裝的結(jié)構(gòu)設計及整體強度提出了更高的要求。下面以啟東海上風電項目中上海電氣中段塔筒的立式運輸工裝為例，介紹通用立式運輸工裝的設計思路和方案。

工裝底座的設計：

目前國內(nèi)立式工裝底座有兩種設計方式，分別是整體式底座和分片式底座。兩種底座的優(yōu)缺點如表2所示。經(jīng)過分析兩種底座的優(yōu)勢及劣勢，本項目考慮到需要在最快的時間內(nèi)完成工裝的制作并投入使用，最終選擇了分片式底座形式。

表2 兩種底座的優(yōu)缺點對比

5 通用立式運輸工裝結(jié)構(gòu)計算

Solidworks 是一套機械設計自動化軟件，操作簡單、易學易用，被廣泛應用于機械、汽車和航空等領域，本項目塔筒通用立式運輸工裝設計，采用Solidworks 軟件進行建模，并導入ANSYSWorkbench 軟件中進行有限元分析模擬。

計算所用標準為《船舶與海上設施起重設備規(guī)范（2007）》、《起重機設計規(guī)范》（GB/T 3811—2008）、《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T 1591—2008）。

5 松下 G9無論看起來還是用起來都像一臺中型單反，尺寸為137×97×92mm，重量為6 58g（僅機身，含電池和存儲卡）。

數(shù)據(jù)輸入：

上海電氣5.55MW 中一段塔筒重量G1：=151tf。

中一段塔筒工裝重量：軟件自動計算。

中一段塔筒迎風面積A1：=343m2。

中一段塔筒工裝及轉(zhuǎn)接法蘭迎風面積A4：=8.6m2。

中一段塔筒中心距工裝頂面距離L1：=33.6m/2+0.445m。

中一段塔筒工裝計算工況：風速32m/s，船舶橫搖20°，縱搖10°。

中一段塔筒工裝模型約束：下底面與船甲板焊接部位邊線全約束。

中一段塔筒工裝模型加載。

（1）全局重力加速度：

（2）頂面施加水平風力載荷，方向分別為-Z 向和+X 向。

（3）頂面施加垂直載荷，方向為-Y 向。

（4）頂面施加風力產(chǎn)生的彎矩，方向分別為-ROTX向和-ROTZ 向。

計算結(jié)果：結(jié)構(gòu)材質(zhì)Q355B。

安全系數(shù)nI：=1.15。

許用應力σI許用：=291.1MPa。

通過有限元分析，最大綜合應力278MPa，小于許用應力291MPa，應力云圖灰色區(qū)域為應力集中引起，最大綜合位移2.5mm。因此，所設計的立式工裝在計算工況下，強度能滿足使用要求，中一段塔筒工裝綜合應力如圖2 所示。

圖2 中一段塔筒工裝綜合應力

6 塔筒通用立式運輸工裝的安裝及應用

6.1 塔筒通用立式運輸工裝的安裝

分片式底座的一大缺點就是安裝相對復雜，對每一片工裝的焊接位置要求高，一但有一片工裝位置偏差，塔筒就無法正常的通過螺栓安裝到立式運輸工裝上[2]。

為了確保塔筒立式工裝安裝精度，采取了兩種手段：①準確測量放樣，根據(jù)塔筒立式運輸工裝圖紙，在船甲板上放出4 片立式運輸工裝的安裝位置，并劃線。②焊接工裝時采取整體焊接的方式，先將工裝與轉(zhuǎn)接法蘭2 通過螺栓連接成一個整體，再將工裝整體吊放至已劃線的位置，最后進行焊接。

該項目通過采用這種安裝方式，順利完成6 個塔筒立式運輸工裝的安裝工裝，即安全高效，又確保了安裝質(zhì)量。

6.2 塔筒通用立式運輸工裝的應用

啟東海域海況惡劣，在該海域施工期間，時常因涌浪大而無法倒泊塔筒，影響施工進度。因此，啟東項目在“鐵建風電01”風機安裝平臺上采用了本文所述的塔筒立式運輸工裝方法，在合理規(guī)劃布置工裝位置的情況下，風機安裝平臺船上可以安放6 個塔筒通用立式運輸工裝，即可以提前倒泊運輸2 套遠景5.2MW 或者兩套上海電氣7MW 的風機塔筒。

通過采用塔筒通用立式運輸工裝，“鐵建風電01”安裝船可以在海況惡劣的情況下，回堆存碼頭提前將2套風機塔筒倒泊至甲板上后回風場繼續(xù)進行安裝作業(yè)。一方面解決了現(xiàn)場惡劣海況導致無法倒泊塔筒，影響風機安裝進度的問題。另一方面塔筒立式運輸，相對于臥式運輸，在安裝過程中，可以免去塔筒翻身的時間，一定程度節(jié)約了海上作業(yè)時間，提高了海上風機安裝效率。詳細功效對比如表3 所示。

表3 海上作業(yè)功效對比

此外，在風機供應不及時的情況下，通過采用塔筒通用立式運輸工裝，加快了風機轉(zhuǎn)換效率，降低了工裝更換對風電安裝平臺甲板的損傷。

7 結(jié)語

在啟東項目頻繁切換安裝風機機型的情況下，通過采用塔筒通用立式運輸工裝，大大節(jié)約了現(xiàn)場準備工作時間，提高了現(xiàn)場工作效率，降低了對船體的損害，且使用塔筒通用立式運輸工裝能有效保證施工安全可靠，值得在其他風場推廣使用。