淺析海上風(fēng)電塔架成套立式海運(yùn)技術(shù)

李桂林， 劉宇軒， 王思彤

（中國(guó)水利水電第四工程局有限公司， 甘肅 蘭州 730050）

0 引言

海上風(fēng)電作為我國(guó)可再生能源發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域，“十四五”期間進(jìn)入了新發(fā)展期，開(kāi)發(fā)風(fēng)電技術(shù)已成為當(dāng)今我國(guó)的主要發(fā)展戰(zhàn)略[1]。 為縮減海上風(fēng)機(jī)安裝施工周期，節(jié)約船舶設(shè)備的使用成本，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，需要制定并采取最優(yōu)的塔架海運(yùn)方案， 在碼頭將成套塔架立式裝船完成綁扎海運(yùn)至機(jī)位， 經(jīng)在廣東陽(yáng)江多個(gè)海上風(fēng)電項(xiàng)目中得到驗(yàn)證。結(jié)果表明，此立式海運(yùn)方案，安全可靠，塔架在機(jī)位吊裝時(shí)無(wú)需翻身，縮短海上施工作業(yè)周期，大大提高施工效率，同時(shí)有效降低了整個(gè)項(xiàng)目的工程費(fèi)用。

1 海上風(fēng)電塔架立式裝船運(yùn)輸工裝設(shè)計(jì)制作

基于目前海上風(fēng)電的基礎(chǔ)形式， 應(yīng)用較多的主要為單樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)、高樁承臺(tái)基礎(chǔ)等；主機(jī)廠家多為明陽(yáng)智能、金風(fēng)科技、東方電氣等。 因海上風(fēng)電基礎(chǔ)形式和主機(jī)廠家的不同，塔架的外形尺寸也較為多變，針對(duì)各種機(jī)型的海上風(fēng)電塔架、常用的陸地轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備、吊裝設(shè)備及運(yùn)輸船舶的特點(diǎn)， 進(jìn)行以下幾方面的設(shè)計(jì)計(jì)算并完成工裝的設(shè)計(jì)及制作：

（1）通過(guò)海上風(fēng)電塔架的設(shè)計(jì)圖紙和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行深入研究， 利用三維建模軟件對(duì)海上風(fēng)電塔架進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模， 以直觀的方式分析海上風(fēng)電塔架的重心和受力結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，初步選定保障塔架安全運(yùn)輸?shù)脑O(shè)計(jì)范圍，通過(guò)運(yùn)輸工裝設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性計(jì)算， 從理論上驗(yàn)證海上風(fēng)電塔架運(yùn)輸?shù)目煽啃裕⑼ㄟ^(guò)實(shí)踐驗(yàn)證可行性[2]。

（2）分析海上風(fēng)電塔架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并結(jié)合多種機(jī)型的法蘭樣式設(shè)計(jì)、 試制一種通用于各類海上風(fēng)電塔架立式運(yùn)輸?shù)拈L(zhǎng)孔弧形法蘭運(yùn)輸工裝。

（3）對(duì)整體運(yùn)輸工裝進(jìn)行主材選型和強(qiáng)度校核等精確計(jì)算和模擬，并且根據(jù)需求，進(jìn)行充分的設(shè)計(jì)優(yōu)化，使裝置具備造價(jià)低、制作效率高、裝配誤差小、安全系數(shù)高、使用方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。

（4） 通過(guò)試制首套立運(yùn)工裝結(jié)合實(shí)際應(yīng)用分析問(wèn)題并不斷改良優(yōu)化， 針對(duì)下段塔架加裝液壓支腿等相關(guān)輔助設(shè)備，滿足塔架立式附件安裝、模塊化附件安裝、多種車(chē)輛陸地?zé)o吊裝轉(zhuǎn)運(yùn)、 適配各類船舶海上運(yùn)輸?shù)榷喾N功能的實(shí)現(xiàn)。 工裝設(shè)計(jì)校核計(jì)算分析圖如圖1 所示。

圖1 工裝設(shè)計(jì)校核計(jì)算分析圖

2 立式運(yùn)輸船舶穩(wěn)性計(jì)算

（1）海上船舶運(yùn)輸壓載水控制。 較重的風(fēng)電設(shè)備對(duì)于裝船來(lái)說(shuō)，具有一定危險(xiǎn)性，容易導(dǎo)致船舶的穩(wěn)性不足，危及船舶安全，尤其是風(fēng)電塔架立式運(yùn)輸時(shí)，立式運(yùn)輸塔架在吊裝承載時(shí)容易導(dǎo)致橫傾。 運(yùn)輸船舶在選型時(shí)，需要根據(jù)所運(yùn)輸塔架設(shè)備規(guī)格計(jì)算平衡艙壓載水能力，達(dá)到自動(dòng)調(diào)整壓載水控制船舶橫傾，控制船舶穩(wěn)性的目的。

（2）機(jī)具穩(wěn)性計(jì)算。局部強(qiáng)度對(duì)于海上船舶裝載風(fēng)電設(shè)備較為重要。 根據(jù)海上風(fēng)電塔架立式運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)及船舶均布載荷、立式運(yùn)輸工裝的許用值復(fù)核，若小于安全系數(shù)時(shí)，需增加襯墊，增大受力面積，減小壓強(qiáng)，使均布載荷滿足安全運(yùn)輸。

（3）船舶傾覆穩(wěn)定計(jì)算。根據(jù)立式塔架設(shè)備重心高度及船舶重心高度和船舶受到橫浪、橫風(fēng)、風(fēng)浪聯(lián)合的作用下，計(jì)算出不同海況下的橫搖角，再繪制出船舶橫搖概率密度圖，最后根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)復(fù)核貨物裝載安全系數(shù)，保證塔架立式安全海運(yùn)，船舶積載圖如圖2 所示。

圖2 船舶積載圖

按照上圖布置方案可以一次性成套立式運(yùn)輸2 套塔架，為保證船體運(yùn)輸?shù)姆€(wěn)定性，將2 套塔架沿船舶甲板縱向中心部分對(duì)稱布置，所有塔架均配套使用立運(yùn)工裝，立運(yùn)工裝與甲板使用L 形鋼板焊接固定， 兩相鄰的運(yùn)輸工裝間距保證3m 以上，塔架頂端固定4 根鋼絲繩與甲板固定。其他位置可協(xié)同主機(jī)廠家等單位布置主機(jī)、輪轂等其余海上風(fēng)電裝備。

3 塔架短倒至碼頭

根據(jù)塔架重量選用合適的模塊車(chē)進(jìn)行組合運(yùn)輸，通常采用16 軸線液壓模塊車(chē)，塔架完成裝車(chē)后，施工人員利用手拉葫蘆、鋼絲繩將設(shè)備綁扎加固，綁扎加固時(shí)要避免鋼絲繩與設(shè)備直接接觸，應(yīng)采用膠皮等進(jìn)行隔離保護(hù)，避免損壞設(shè)備。下段立式運(yùn)輸示意圖、上三段臥式運(yùn)輸示意圖分別見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 下段立式運(yùn)輸示意圖

塔架短倒運(yùn)輸前聯(lián)系當(dāng)?shù)亟煌ú块T(mén)辦理好通行手續(xù)；做好交通設(shè)施排障處理，對(duì)于高空電纜線，配備高架車(chē)挑線；對(duì)產(chǎn)品、車(chē)輛、支座和索具等進(jìn)行徹底檢查，做好書(shū)面檢查記錄；封車(chē)完畢由運(yùn)輸單位安裝懸掛超限運(yùn)輸標(biāo)志和警示標(biāo)志。運(yùn)輸過(guò)程中司機(jī)要經(jīng)常下車(chē)檢查車(chē)輛安全狀態(tài)，以及車(chē)輛與塔體接觸部位保護(hù)情況，如有異常應(yīng)立即停車(chē)進(jìn)行處理。運(yùn)輸過(guò)程中司機(jī)要及時(shí)判斷風(fēng)險(xiǎn)，行車(chē)中禁止急剎車(chē)和急轉(zhuǎn)彎，重載車(chē)要控制好車(chē)速，在一般道路上行駛，直行時(shí)速度≤40km/h；轉(zhuǎn)彎時(shí)行駛速度≤3km/h，在通過(guò)橋梁時(shí)，要居中勻速行駛，車(chē)速要控制在5～10km/h。

4 裝船及海運(yùn)

4.1 吊裝準(zhǔn)備

（1）按照裝船工裝布置圖提前將塔架工裝規(guī)劃布置好，在工裝上放置好橡膠緩沖墊或其他保護(hù)物品， 保護(hù)塔架與工裝接觸位置。

（2）根據(jù)施工環(huán)境，進(jìn)行裝船、綁扎及海運(yùn)等全方面的技術(shù)交底，確保作業(yè)人員充分理解和掌握要點(diǎn)、重點(diǎn)。

（3）有序組織作業(yè)人員、施工機(jī)具進(jìn)場(chǎng)，并對(duì)吊裝設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備、吊裝索具進(jìn)行必要的檢查、維修、試車(chē)。

（4）掌握吊裝場(chǎng)地范圍內(nèi)的地面、高空的環(huán)境情況，根據(jù)作業(yè)需要，對(duì)塔架運(yùn)輸車(chē)輛停放區(qū)域進(jìn)行場(chǎng)地清理、地面平整、提前布置船運(yùn)支座，碼頭及船板的場(chǎng)地、空間狀態(tài)應(yīng)滿足作業(yè)要求。

（5）機(jī)具性能核驗(yàn)。

確認(rèn)待吊裝塔架的尺寸及重量等相關(guān)參數(shù)，根據(jù)裝船位置、吊裝器具趴臂距離等選擇起重設(shè)備，如圖5 所示。

圖5 吊裝機(jī)具選擇圖例

4.2 底段塔架立式吊裝上船

（1）塔架吊具安裝。將下段塔架吊具組裝起來(lái)，在底段塔架上法蘭使用螺栓組安裝4 個(gè)吊座組件， 并用2000Nm額定扭矩的電動(dòng)扳手緊固螺栓； 吊座組件安裝完成后將4 根140t×9m 雙眼圓形吊帶掛在主吊機(jī)吊鉤上， 準(zhǔn)備起吊塔架，如圖6 所示。

圖6 下段吊裝索具掛載示意圖

（2）吊裝上船。吊車(chē)及運(yùn)輸車(chē)輛就位→安裝索具→水平起吊，拆除陸運(yùn)工裝，運(yùn)輸車(chē)輛駛離→水平抬 升 至 離 地500mm 試吊→履帶吊正式抬升并轉(zhuǎn)向→趴臂吊至船上指定位置后緩慢落鉤→塔架與海運(yùn)工裝連接完成→摘鉤，如圖7 所示。

圖7 下段吊裝示意圖

4.3 臥式塔架翻身吊裝上船

（1）塔架吊具安裝。 使用兩臺(tái)500T 履帶吊進(jìn)行抬吊翻身作業(yè)，吊具安裝示意圖如圖8 所示。

圖8 吊具安裝示意圖

中下段、 中上段、 頂段塔架下部法蘭通過(guò)2 根45t×7m 環(huán)形吊帶分別連接吊機(jī)吊鉤和兩個(gè)溜尾吊座的卸扣，使用2 根鋼絲繩分別與兩個(gè)70t 滑輪和上法蘭的4 個(gè)通用吊座組件的卸扣相連接，用2 根80t×3.5m 環(huán)形吊帶兩頭分別掛住滑輪的85t 卸扣和吊機(jī)掛鉤。

（2）吊裝上船。吊車(chē)及運(yùn)輸車(chē)輛就位→安裝索具→主、副履帶吊同時(shí)抬吊→主吊機(jī)繼續(xù)提升， 副吊機(jī)調(diào)整塔架底端和地面的距離→水平下降至離地500mm 位置→雙履帶吊抬吊， 轉(zhuǎn)向過(guò)程注意控制吊車(chē)的同步→抬吊至船上指定位置后緩慢落鉤，待海運(yùn)工裝焊接完成后即可摘鉤。

吊裝過(guò)程中主、副吊機(jī)同時(shí)起吊，吊機(jī)要?jiǎng)蛩倨鸬酰苊馔蝗患铀俸屯蝗粶p速，主吊機(jī)繼續(xù)提升，副吊機(jī)調(diào)整塔架底端和地面的距離， 起吊過(guò)程中塔架的下法蘭不允許接觸地面。在塔架下法蘭安裝兩根導(dǎo)向風(fēng)繩，用來(lái)引導(dǎo)塔架的下落方向。

4.4 海運(yùn)系固

根據(jù)CCS《貨物系固手冊(cè)編制指南》（2022）制定海運(yùn)系固方案， 同時(shí)根據(jù)此指南進(jìn)行貨物滑移和傾覆的平衡計(jì)算[3]。 系固綁扎原則和要點(diǎn)如下：

（1）正確選擇綁扎索具。塔架運(yùn)輸常用綁扎索具有鋼絲繩、花籃螺栓，并且配合地令、卸扣、固定擋板等一起使用。 綁扎材料見(jiàn)表1 所示[2]。

表1 綁扎材料

（2）各段立式運(yùn)輸工裝底座焊接至運(yùn)輸船甲板。通過(guò)與立式運(yùn)輸工裝底座定制配套的三角靠山定位塊均勻的將立式運(yùn)輸?shù)鬃卫魏附又吝\(yùn)輸船甲板上， 防止立式運(yùn)輸工裝在海上運(yùn)輸時(shí)與船體發(fā)生位移。

（3）立式運(yùn)輸工裝底座接觸面防護(hù)。將立式運(yùn)輸工裝底座接觸面襯墊3mm 以上的橡膠墊，可增加塔架與工裝的接觸面積從而增大摩擦力， 有效防止塔架底法蘭直接與工裝底座接觸損壞油漆。

（4）正確選擇綁扎工藝。 采用下壓式八字加固法，在甲板立式運(yùn)輸工裝四周合適位置焊接地令， 使用鋼絲繩應(yīng)左右、前后對(duì)稱綁扎，綁扎角應(yīng)盡可能小，要求鋼絲繩與船甲板夾角在30°～45°之間，鋼絲繩一端與塔筒頂端法蘭相連，另一端與焊地令相連，花籃螺栓安裝至地令上方高1m 處， 使用花籃螺栓收緊鋼絲繩并應(yīng)使各道鋼絲繩受力均衡，綁扎加固成“八”字型進(jìn)行前后左右束縛，保證立式運(yùn)輸工裝底座、塔筒與船體固定為一個(gè)整體，防止在運(yùn)輸途中發(fā)生移位和傾覆。 綁扎示意如圖9 所示。

圖9 海運(yùn)綁扎示意圖

4.5 海運(yùn)至機(jī)位

船舶接到開(kāi)船指令后，開(kāi)往指定機(jī)位點(diǎn)，船舶航行至機(jī)位點(diǎn)附近等待吊裝船指示，進(jìn)行靠泊作業(yè)。 吊裝公司根據(jù)安裝任務(wù)進(jìn)度，天氣情況（大風(fēng)大浪天氣不可作業(yè)）安排船舶進(jìn)行靠泊，船上都有配備衛(wèi)星電話，可直接溝通，船舶拋錨位置離吊裝船距離很近，接到指令可立即趕過(guò)來(lái)。

駁船行駛到機(jī)位附近時(shí)在拋錨艇配合下拋錨， 船舶依靠自身動(dòng)力向系纜柱側(cè)靠， 待錨固定在河床上時(shí)駁船纜繩拋出與系纜柱固定并將纜繩收緊，纜繩共纏繞八道，用此方式將駁船在海平面上固定保證每段塔架在吊裝就位時(shí)駁船保持穩(wěn)定，確保吊裝安全。

船舶配有四錨定位功能， 停靠時(shí)由安裝船上的指揮人員進(jìn)行指揮， 根據(jù)指令緩慢且有序停靠在安裝船和輔助船中間，停好后，吊裝船開(kāi)始吊裝。 現(xiàn)場(chǎng)如圖10所示。

圖10 海上風(fēng)電塔架運(yùn)輸至機(jī)位實(shí)拍圖

5 海上風(fēng)電塔架成套立式海運(yùn)關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)

（1） 運(yùn)輸工裝設(shè)計(jì)計(jì)算中零部件均通過(guò)安全強(qiáng)度校核和專業(yè)軟件建模后的受力分析，在保障安全的前提下，設(shè)計(jì)的主體工裝結(jié)構(gòu)采用型材和塔架切割鋼板余料就可制作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作成本較低。

（2）具有較強(qiáng)的通用性，設(shè)計(jì)考慮了多種機(jī)型和多種直徑的塔架運(yùn)輸， 法蘭固定托板根據(jù)不同項(xiàng)目直徑的法蘭孔位置切割出多排弧形長(zhǎng)孔， 適用于不同規(guī)格的塔架運(yùn)輸。且法蘭固定托板方便拆卸，若后續(xù)托板多排孔無(wú)法滿足多種直徑的塔架運(yùn)輸時(shí)，可直接割去進(jìn)行更換。

（3）在塔架陸地倒運(yùn)時(shí)無(wú)須大型吊裝設(shè)備即可運(yùn)輸至碼頭， 僅需在碼頭使用吊裝設(shè)備吊裝翻身一次即可完成塔架立式裝船海運(yùn)，當(dāng)?shù)竭_(dá)機(jī)位后無(wú)需再翻身，可直接開(kāi)始吊裝，在增大單航次運(yùn)輸量的同時(shí)，整體上降低了吊裝設(shè)備的投入，縮短了海上吊裝施工的時(shí)間。

6 結(jié)束語(yǔ)

海上風(fēng)電塔架成套立式海運(yùn)技術(shù)經(jīng)過(guò)在中節(jié)能、華電青洲等多個(gè)海上風(fēng)電項(xiàng)目運(yùn)輸?shù)膶?shí)際驗(yàn)證，對(duì)運(yùn)輸工裝和方案進(jìn)行了再優(yōu)化，率先探索實(shí)現(xiàn)了海上風(fēng)電塔架的立式高效海運(yùn)，且實(shí)現(xiàn)了冬歇期大型風(fēng)電安裝船“華翔龍”到陽(yáng)江港“上門(mén)取貨”，成套四段塔架在碼頭由安裝船自行完成裝船并實(shí)現(xiàn)立式成套運(yùn)輸。此技術(shù)為海上風(fēng)電運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了一種思路和技術(shù)支持。 然而，隨著海上風(fēng)電的深水化和離岸化，海上風(fēng)電塔架立式海運(yùn)過(guò)程中還存在很多問(wèn)題和挑戰(zhàn)，例如近海深水區(qū)和深水區(qū)立式運(yùn)輸過(guò)程中的航運(yùn)安全、穩(wěn)定性、進(jìn)一步降低運(yùn)輸成本等問(wèn)題。這些問(wèn)題還需要進(jìn)一步的深入研究和解決，以確保海上風(fēng)電塔架立式海運(yùn)技術(shù)能夠得到廣泛應(yīng)用和推廣。