海洋風電單樁基礎滾裝設備及方案的研究

侯曉娜

華電曹妃甸重工裝備有限公司 唐山 063200

0 引言

海洋風電單樁基礎尺寸規(guī)格為φ6.5 ~φ8.5 m，長度80 ~100 m，單根質量800 ~1 500 t，其裝船和海運運輸成為了一大難點。現(xiàn)階段國內海洋風電單樁基礎裝船多采用浮式起重機或龍門式起重機吊裝的形式，裝船費用高，對千噸級以上起重設備依賴大。通過研究發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)海洋風電單樁基礎滾裝裝船，不但可降低裝船費用，且從根本上解決大多數(shù)制造廠在海洋風電單樁基礎裝船過程中遇到的起重能力不足問題，減少設備成本，具有很好的推廣前景，本項目針對海洋風電單樁基礎裝船、運輸環(huán)節(jié)，設計完成一套切實可行的海洋風電單樁基礎滾裝方案，實現(xiàn)5 000 噸級自航平板駁船一船裝載2根基礎樁的目標，大大降低運輸成本。

1 研究內容及技術路線

1.1 研究內容

1）海洋風電基礎樁滾裝設備主要由3部分組成：承重鋼梁結構、行走機構（配備頂升系統(tǒng)）、滾裝軌道；滾裝時需2臺設備配合使用，且整體負載大，需承載1 000 t以上的基礎樁，結構強度、疲勞載荷需經(jīng)嚴格計算。

2）設備載荷大且在運動中運送工件，需最大程度降低其重心，確保過程安全；

3）海洋風電基礎樁滾裝過程中設備及船舶的載荷變化復雜，力學分析難度大，需進行研究。

4）承重鋼梁機構是滾裝裝船過程的主要承重機構，因設備承載量大，強度有足夠保障。根據(jù)使用特點，在保證強度前提下，重心降低，確保滾裝過程安全。

5）行走機構（配備頂升系統(tǒng)）是整個滾裝系統(tǒng)的行走單元，支撐著承重梁機構和待滾裝的海洋風電單樁基礎。包含滾裝系統(tǒng)的頂升系統(tǒng)控制滾裝海洋風電單樁基礎的整體升降；行走機構的動力和制動來自卷揚機及鋼絲繩機構。

6）滾裝軌道鋪設與滾裝滑道上，行走機構在其上運行，承載滾裝設備和樁基質量。

滾裝設備結構形式如圖1所示。

圖1 滾裝設備結構形式

1.2 技術路線

首先參考卸船機行走機構和相應的滾裝技術、工藝，初步設計輪式滾裝設備。然后對輪式滾裝設備、海洋風電單樁基礎、運輸船舶一并進行三維建模，分析海洋風電基礎樁滾裝過程中設備及船舶的載荷變化，并對輪式滾裝設備進行改進。之后根據(jù)碼頭情況，結合本地海況、潮汐以及5 000 t自航平板駁船結構、調載能力，初步制定滾裝方案。然后進行模擬試驗及現(xiàn)場試驗，并不斷對設備及方案的偏差進行修正。

2 方案的實施過程

方案實施涉及的設備眾多，且所有設備均在處在海洋風電單樁基礎下方的組對軌道及滾裝軌道上，移動作業(yè)空間受限，圖2所示為樁機及滾裝設備在碼頭前沿面準備狀態(tài)。方案的實施過程應提前規(guī)劃，整個作業(yè)過程從大組對開始前需做好規(guī)劃，確保樁基大組對及滾裝過程中盡可能少地拆除、移動生產(chǎn)線設備和滾裝設備。

圖2 樁機及滾裝設備在碼頭前沿面準備狀態(tài)示意圖

根據(jù)提前收集的碼頭潮汐數(shù)據(jù)和運輸船的相關數(shù)據(jù)，提前做好詳細的滾裝方案。需考慮如何避免運輸船甲板面與碼頭前沿的高低差、滾裝過程中因單樁基礎上船后因承載突然變化引起的船體吃水突然改變，同時需關注單樁基礎在船上移動引起船體重心改變而引起的船體重心及吃水變化，據(jù)此制定詳細的運輸船調載方案，并根據(jù)調載方案和潮汐具體情況確定滾裝的時間和實施過程。

潮汐情況每天都在變化，因單樁基礎位置移動致使船體重心隨時改變，不同運輸船調載能力不同、船體參數(shù)不同等可變因素數(shù)量巨大，尤其是第一套滾裝專機上船瞬間船體會突然下沉，危險系數(shù)極大。以上可變因素多，須根據(jù)具體情況制定嚴密詳細的滾裝方案。

海洋風電基礎樁單船雙樁滾裝上船工藝在單根基礎樁滾裝上船的基礎上進行。由于單船雙樁滾裝上船在必須考慮運輸船與碼頭的匹配性、船只要有合適的前后艙調載能力之外，還需有較強的左右舷調載能力。雙樁滾裝時滾裝過程更復雜，對船只的要求更高，滾裝工藝要求更精準，需同時考慮船尾突然下降和船身左右舷的傾斜。單船雙樁方案布置見圖3。

圖3 單船雙樁方案布置圖

完整滾裝過程為：

1）提前做好生產(chǎn)和滾裝規(guī)劃，減少不必要的生產(chǎn)設備、滾裝設備倒運、倒裝。大組對前，提前將滾裝設備布置于大組對線適當位置；

2）滾裝時，首先頂升滾裝專機1與專機3，使基礎樁主體及假法蘭脫離滾輪架，撤出滾輪架4和滾輪架1，之后拆除假法蘭；

3）由專機1與專機3共同拖動基礎樁向碼頭前沿移動，直至專機1靠近滾輪架2；

4）頂升滾裝專機2，放低滾裝專機1，由專機2與專機3共同承載基礎樁；向碼頭前沿移動，同時撤出滾裝專機1和剩余的滾輪架。

5）將海洋風電單樁基礎滾裝至碼頭前沿，等待滾裝上船。完成滾裝第一步。

6）事先收集的碼頭潮汐數(shù)據(jù)和運輸船的相關數(shù)據(jù)，做好詳細的滾裝方案；

7）根據(jù)碼頭情況及潮差變化，選用干舷高度適宜的運輸船；并結合船的具體條件制定準確的滾裝時間、合理的裝載方案以及滾裝過程；

8）滾裝時，使用卷揚機械牽引滾裝設備進行行走，拖拽基礎樁上船；同時使用保護卷揚機進行保護；且過程中嚴格按照預定方案執(zhí)行。

滾裝方案過程如圖4所示，具體的滾裝過程為：首先鋪設過橋梁，等待潮水的升降，當潮位將升降到運輸船上軌道面與碼頭軌道即將水平為最佳狀態(tài)。然后進行滾裝上船作業(yè)，在滾裝過程中，需調整壓艙水，保持甲板面與碼頭地面高度差。當滾裝上船結束后，調整臺車頂升高度，加裝固定底座并綁扎牢固。最后拆除臺車及船上軌道。

圖4 滾裝方案過程示意圖

根據(jù)海洋風電單樁基礎單船雙樁滾裝裝船工藝措施進行作業(yè)，實現(xiàn)了采用5 000 噸級自航平板駁船一船裝載2根基礎樁（單樁質量900 t）的目標。樁基滾裝現(xiàn)場見圖5。

圖5 樁基滾裝現(xiàn)場

3 結語

通過對海洋風電單樁基礎滾裝設備及方案的研究，完成技術示范，成功研制了海洋風電單樁基礎滾裝設備，研發(fā)完善了海洋風電單樁基礎滾裝裝船技術和工藝，同時開發(fā)了海洋風電單樁基礎滾裝方式一船雙樁技術，在海洋風電樁基的發(fā)運過程中實際應用并形成可觀的經(jīng)濟效益和社會效益，達到了預期目的和效果。后續(xù)還會在目前成果的基礎上進一步改進滾裝設備，提高滾裝設備的承載能力，對現(xiàn)有技術進一步完善，降低作業(yè)過程對潮位要求。