三樁吸力筒導管架風機基礎建造方案可行性分析

林漢城, 華宏旭，陳伶翔

(招商局重工(江蘇)有限公司，江蘇 南通 226116)

0 引言

三樁吸力筒導管架風機基礎是我國2020年海上風電建造技術的大膽創新，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。該風機基礎總高約為83～91 m，總質量約為1 900～2 300 t，屬于典型的大尺寸、大重量海洋結構物，建造中存在高空作業量大、精度要求高等難點。為此，本文分析其結構特點、建造要求和船廠設施，有針對性研究三樁吸力筒導管架的建造方案，通過對3種建造方式進行對比，選擇合適的符合建造場地實際情況的建造方案，以保證建造過程風險最低、成本最少、安全系數最高。

1 主要結構及布置特點

三樁吸力筒導管架風機基礎由吸力樁、導管架和上部箱梁過渡段三部分組成。其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，均通過焊接固定。

三樁吸力筒導管架風機基礎結構尺寸見表1。

吸力樁有3個，每個吸力樁由頂蓋和筒體兩部分組成，單個質量約為270～320 t。

導管架由主導管、斜撐導管組成，其中雙斜豎向主導管3根，斜撐導管布置3層，均為X型布置18根。過渡段由主鋼管和箱梁等構件組成，質量約為299 t。

管、舾裝方面，包含灌漿管路、海纜保護管、外加電流保護系統(ICCP)、外平臺、行靠船構件及附屬爬梯等。

表1 三樁吸力筒導管架風機基礎結構

2 建造方案對比

根據結構特點及廠區加工能力、起重能力的不同，可以將過渡段、架體、吸力筒按照不同的方案建造。 本文擬定了3種建造方案，具體內容如下：

建造方案1：將過渡段平臺和導管架第一層架體、中間架體、底部架體分別作為3個分段，3個吸力筒作為3個分段；在吸力筒制作完成并定位完成，分別將3個架體分段吊裝進行合龍。建造方案1示意圖見圖1。

建造方案2：與方案1接近，將過渡段與前兩段導管架架體合龍成為一個整體作為一個分段，底部架體作為一個分段先與吸力筒合龍以后再與過渡段和架體的總段合龍。建造方案2示意圖見圖2。

建造方案3：首先平躺著將導管架整體建造完成，其次將過渡段翻身與架體合龍，最后利用浮吊將架體過渡段整體翻身與吸力筒合龍。建造方案3見圖3。

①—過渡平臺；②—第一層架體；③—中間架體；④—底部架體。

①—過渡段+導管架架體；②—底部架體；③—吸力筒。

圖3 建造方案3示意圖

3個建造方案對比見表2。對于導管架的建造精度要求占據第一位，一旦發生對接筒體錯邊將會產生不可逆的調整，嚴重的時候可能導致部分區域的分段報廢。針對不同起重能力的建造要求選用不同的建造方案。在起重能力滿足的情況下，建造方案3可行性最高，成本最低。該方案建造中，過渡段翻身和架體整體翻身合龍是建造的關鍵環節，本文對這兩個環節作業要點進行重點分析。

3 過渡段吊裝作業要點分析

風機基礎總段吊裝流程見圖4，其作業要點分析如下：

(1)導管架基礎總段水平抬升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，見圖4(b)。

(2)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,見圖4(c)、(d)。

(3)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吸力筒頂部合龍對接。

導管架基礎總段的整個起吊翻身的水平抬升、翻轉、垂直下放過程的時間流程見表3。

表2 3個建造方案對比

圖4 風機基礎總段吊裝流程圖

表3 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長須滿足以下要求：

(1)盡可能降低絞車收放吊纜的線速度，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，確保吊裝翻身過程安全。

(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，首先應在導管架基礎總段旋轉翻身前、后留出足夠的時間以保證導管架基礎總段釋放動能至完全靜止狀態；然后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。

(4)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、收放纜線速度及啟停時間應單獨設置以保證吊裝過程安全可靠。

4 導管架整體吊裝作業要點分析

在三樁吸力筒導管架基礎總段的吊裝翻身過程中，需要對其桁架結構屈服、屈曲強度進行分析。本文基于DNV-OS-C201規范要求，采用WSD設計衡準評估結構強度。

對風機總段的導管架結構，分析過程采用梁單元建立模型，使用API-WSD規范標準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。主導管架結構強度校核結果見圖5。從圖5可知，依照API-WSD強度衡準條件，最大利用率0.85，滿足利用率系數≤1，主導管架結構安全。

5 結論

本文根據三樁吸力筒導管架風機基礎結構特點，擬定了3種不同的建造方案，并分析了不同建造方案對船廠加工能力、起重能力要求的差異，以選擇最合適的建造方案。具體結論如下：

(1)方案1和方案2對于起重能力需求稍小，但對精度控制要求高，高空作業腳手架量大，人員素質要求高，相對成本也會高。

圖5 主導管架結構強度校核結果

(2)本文選定的建造方案3，先平躺著將導管架整體建造完成，再將過渡段翻身與架體合龍，最后利用浮吊將架體過渡段整體翻身與吸力筒合龍。此方案優點是高空作業和翻身變形量最小，不需要考慮主導管對接精度。

(3)方案3中的缺點是對起重高度和起重能力要求最高。對不滿足浮吊作業的建造場地可以采用陸地建造提升塔同樣的方案進行翻身。

(4)方案3中過渡段翻身和架體整體翻身合龍是建造的關鍵環節。本文對這兩個環節作業要點進行重點分析，制定合理的翻身工藝，并通過實踐證明作業方案和作業順序合理。