三樁吸力筒風機基礎總段吊裝分析

林漢城， 陳伶翔

(招商局重工(江蘇)有限公司，江蘇 海門 226100)

三樁吸力筒風機基礎是當前風電基礎中最為先進的一種，主要分為過渡段、導管架體、吸力樁，采用負壓式吸力筒吸附在海床上作為水深為40 m左右區域風力發電塔基礎結構物[1]。三樁吸力筒導管架基礎是風機塔筒在海上的基礎結構物，總高在83～91 m之間，約有30層樓高，總質量1 900～2 300 t，由吸力筒(3個，每個直徑為10～15 m、高18～22 m)、上部導管架(高55 m)、過渡段(高約5 m)組成。導管架共布置3層斜撐。上部導管架與吸力筒通過焊接固定。

該項目現有9臺8 MW機型導管架式風機基礎總段結構需要進行起吊翻身作業，導管架基礎與結構過渡段分別采用雙A型吊碼和A型吊碼與主吊纜連接。為了保障吊裝方案安全可靠、吊裝翻身作業過程安全順利，保證導管架結構、過渡段結構、主導管雙A型吊碼構件及過渡段上新增A型吊碼的結構強度滿足規范要求，現針對風機基礎總段進行吊裝翻身作業過程分析與結構強度校核，驗證各機位導管架基礎總段翻身吊裝作業步驟與順序的合理性。

1 吊裝方案設計與分析

1.1 吊裝方案流程

導管架由主導管、斜撐導管組成，其中雙斜豎向主導管3根；斜撐導管18根，分3層，均為X形布置，斜撐導管架；上寬17 m、下寬30 m；過渡段由主鋼管和箱梁等構件組成，高度約4 m，寬度約17 m。

風機基礎總段翻身吊裝方案示意圖如圖1所示，吊裝流程自導管架基礎總段水平抬升開始，至安全高度后絞車停止并保持一定靜止時間，以模擬導管架總段釋放向上動能至整體靜止狀態。通過前后絞車以適當速度同步收緊/釋放吊索，使導管架基礎總段開始繞全局坐標系y軸旋轉90°至豎直狀態，再次停止絞車動作，并保持足夠長的時間，以模擬導管架基礎總段釋放整體轉動動能直至靜止，最后前后絞車同時以合適速度釋放吊纜，將導管架總段下落至地面結束。導管架基礎總段吊裝翻身時間流程如表1所示。

圖1 風機基礎總段翻身吊裝方案示意圖

表1 導管架基礎總段吊裝翻身時間流程

翻身吊裝各作業階段時間長度需滿足以下3點要求[2]。

1)盡可能降低絞車收纜/放纜的速度，以降低導管架基礎總段的運動加速度，降低主吊纜上最大張力，確保吊裝過程及翻身過程的安全。

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

3)在缺少防風繩或地面恒張力絞車等姿態輔助控制系統的情況下，應在導管架基礎總段旋轉翻身前、后留出足夠的時間，保證導管架基礎總段釋放動能至完全靜止狀態，再進行下一階段作業過程，以減小絞車、吊纜系統受到的慣性載荷，確保吊裝翻身過程安全。

不同機位的導管架基礎總段具有不同的質量、重心位置及慣性分布，因此吊機絞車的運行時間、收纜/放纜速度及啟停時間應單獨設置，以保證吊裝過程安全可靠。

1.2 吊裝流程及載荷分析

采用3 000 t浮吊提供的3個吊點布置吊纜，采取適當的起吊步驟與抬升、翻轉速度，使得導管架基礎總段完成過渡段向上90°翻轉，最后呈直立狀態穩定下落直至落地。整個分析過程按照DNVGL-ST-N001《海上作業和維護》的要求完成。其中，主導管樁腿處吊點編號為LFA，過渡段的2處A型吊碼位置的吊點分別編號為LFB與LFC。

3處吊點對應的吊機絞車在水平抬升、翻轉、落地過程中采用不同的收纜/放纜速度，保證導管架基礎總段在整個吊裝翻身過程中保持盡可能小的運動加速度，以確保3處吊纜上的張力幅值的改變速度盡可能平緩，保障吊裝過程安全順利完成。

吊裝流程分析在SIMA軟件中完成，通過建立吊機吊纜出繩位置節點，并設置絞車運行時間過程，模擬吊裝翻身作業過程中吊機運行情況。同時建立導管架基礎總段模型，設置正確的質量及慣性分布數據，并按實際吊裝布置方案設置吊點，采用剛度及彈性數據與實際吊纜一致的吊繩單元模擬吊纜連接。分析過程中導管架基礎總段的受力與運動情況由軟件計算得到。

基礎總段導管架1號主導管樁腿末端的端點為A點，導管架基礎總段在吊裝翻身過程中，8 MW風機基礎總段結構強度分析載荷如表2所示。

表2 8 MW風機基礎總段結構強度分析載荷

1.3 導管架結構強度分析

為了分析導管架基礎總段結構吊裝翻身過程中在重力、運動加速度、吊纜拉力作用下的應力與變形情況，需要對風機基礎總段結構進行結構強度分析。整個吊裝翻身分析過程僅考慮導管架基礎總段自身重力、運動中加速度帶來的慣性力及吊機絞車拉力載荷[3]。分析過程假定處于良好天氣條件下進行，不考慮吊機發生運動與位移，不考慮吊繩及導管架總段上受到的風載荷。

分析過程采用準靜態方法，導管架基礎總段吊裝分析模型見圖2，在有限元模型中，導管架結構單元尺寸為200 mm，過渡段結構單元尺寸為150×150。過渡段結構與導管架結構連接位置采用Rigid-Link單元連接，以確保兩部分結構的載荷與變形協調一致。將其分別移動至吊裝翻身過程中的0°、45°、90°位置，約束其吊點處的位移自由度，施加以重力加速度乘以系數模擬的吊裝過程總體載荷，來計算總段結構的應力及變形情況。

圖2 導管架基礎總段吊裝分析模型

導管架主體結構所采用的鋼板為高強度海洋工程結構用鋼，導管架采用DH36型鋼，導管架節點加厚處部分采用DH36-Z35型鋼。

在導管架基礎總段的吊裝翻身過程結構強度分析中，基于DNV-OS-C201《挪威船級社 海洋工程》的要求，采用WSD設計衡準評估結構強度。在吊裝翻身過程中，上述各類結構的最大應力值應滿足以下公式：

σmax≤βη0σe，

(1)

式中，σmax為強度分析結果中結構最大應力，σe為結構屈服應力，β為許用安全系數，η0為結構強度許用應力系數。

風機基礎總段的過渡段結構采用的材料為DH36或EH36級高強鋼，對應結構屈服應力σe為355 MPa，當強度分析結果中各類結構的最大應力值σmax≤ 1.0×1.0×355 MPa時，結構安全。對風機總段的導管架結構，分析過程采用梁單元建立模型[4]，使用API-WSD 2005《美國石油協會 工作應力設計》(以下簡稱《應力設計》)對主導管及斜撐鋼管結構在慣性力、吊纜拉力等載荷作用下的彎矩、軸向力、剪力進行計算，按照規范標準要求進行各類載荷綜合作用下的結構強度分析，由分析軟件自動完成。依照《應力設計》強度衡準條件，當利用率系數小于等于1時，主導管架結構安全。

2 分析結果

吊裝翻身過程中，主導管架以及過渡段在0°、45°、90°時結構強度校核結果如圖3和圖4所示。圖3中數據為利用率系數，圖4中數據為應力。結果表明，風機基礎導管架結構及過渡段結構均滿足結構強度要求，吊裝方案安全。

圖3 主導管架在0°、45°和90°時結構強度校核結果

3 結束語

針對8 MW機型的三樁吸力筒風機基礎總段翻身吊裝作業過程及吊裝方案進行有限元分析，結果表明：① 8 MW三樁吸力筒風機基礎總段翻身吊裝方案及吊點布置合理，能順利實現作業目標；② 作業過程中，主導管架結構具有足夠的結構強度，整體剛度良好，自水平抬升至開始翻身過程中，主導管架結構會出現一定的彈性變形，但翻身完成后，導管架結構會恢復原有尺寸，整體結構安全；

圖4 過渡段在0°、45°和90°時結構強度校核結果圖

③ 翻身吊裝作業過程中，過渡段結構具有足夠的結構強度，未發現影響結構安全的應力集中或局部屈服情況。