升壓站海上安裝施工專(zhuān)用吊裝框架優(yōu)化實(shí)例

王鵬

【摘要】升壓站是風(fēng)電場(chǎng)的大腦，是風(fēng)電資源轉(zhuǎn)輸?shù)闹袠?，海上升壓站由于其位于海洋上的特殊性，建造和安裝工藝要求都比較高。海上安裝的核心是浮吊船及配套索具，浮吊船及配套索具的可操作性強(qiáng)，海上施工效率就高，施工成本也會(huì)降低。本文旨在研究升壓站海上施工專(zhuān)用吊架的優(yōu)化方案，并配以“德浮3600”浮吊的應(yīng)用實(shí)例、圖片及計(jì)算分析。

【關(guān)鍵詞】海上升壓站；大腦；安裝工藝；海上施工專(zhuān)用吊架；優(yōu)化；施工效率；安全可靠；可操作性

引言：

隨著海上施工能力的逐步增強(qiáng)，中國(guó)的海上風(fēng)力發(fā)電已開(kāi)始了大規(guī)模的發(fā)展階段。海上風(fēng)電場(chǎng)的核心部件之一就是海上升壓站，也是風(fēng)電場(chǎng)最貴的單元之一，因此海上安裝施工的安全性和可靠性備受矚目。

目前來(lái)講，海上施工的要素有三點(diǎn)：浮吊船、配套索具和施工經(jīng)驗(yàn)。浮吊船的價(jià)格昂貴，造新和改造的成本較高；海上施工經(jīng)驗(yàn)需要長(zhǎng)年的積累才能獲得，急不來(lái)；唯獨(dú)配套索具是一個(gè)短時(shí)間可以完善的環(huán)節(jié)，此環(huán)節(jié)主要包括吊點(diǎn)、鋼絲、卸扣和吊裝框架，吊點(diǎn)、鋼絲、卸扣都有成熟的經(jīng)驗(yàn)值可以借鑒，而吊裝框架需要根據(jù)浮吊的特性來(lái)專(zhuān)門(mén)配備。

因此，本文將重點(diǎn)闡述吊裝框架的設(shè)計(jì)和改進(jìn)方案，并配以“德浮3600”船的施工實(shí)例來(lái)檢驗(yàn)優(yōu)化成果。

1、最初的吊裝框架

最初的吊裝框架是為“德浮3600”浮吊船專(zhuān)門(mén)配備，連接在浮吊主鉤和被吊物之間，用于大型鋼結(jié)構(gòu)的海上吊裝。此吊裝框架分為橫向吊梁和縱向聯(lián)系梁。橫向總長(zhǎng)26m，縱向總長(zhǎng)10m，總體最大承重能力3240t，基本可以覆蓋海上升壓站的海上安裝重量。該框架除了承重大，還有以下的性能優(yōu)點(diǎn)：

1.1吊點(diǎn)選擇多：原配的吊點(diǎn)共有5對(duì)（10個(gè)），可任意選擇其中一對(duì)，配合“德浮3600”的四個(gè)主鉤，足以應(yīng)付各種大型鋼結(jié)構(gòu)物的海上安裝。

其中中心1#吊點(diǎn)間距4m，2#間距9m，3#間距14m，4號(hào)間距19m，5#吊點(diǎn)間距24m。在海上升壓站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，吊點(diǎn)的選擇多，為設(shè)計(jì)公司帶來(lái)了更多的選擇空間，也能更合理、更安全的選擇吊點(diǎn)形式。

1.2吊點(diǎn)承重大：1#組和2#組，單個(gè)吊點(diǎn)的承重為600t，3#組、4#組合5#組吊點(diǎn)的單個(gè)承重為900t。1-2組主要用于吊裝海上2000t以上的大型結(jié)構(gòu)物，3-5組主要用于3000t左右的大型結(jié)構(gòu)物吊裝。

1.3吊排、吊點(diǎn)允許傾斜的角度合理

吊裝框架各構(gòu)件的最大傾角：吊梁向內(nèi)傾斜20度、向外傾斜30度，吊點(diǎn)左右傾斜均為30度。吊梁的內(nèi)外傾角為吊點(diǎn)的縱向選擇增加了余地----雖然聯(lián)系梁只有10m，但是吊梁有允許的傾角，也就意味著框架下升壓站吊點(diǎn)的縱向距離選擇性更大，可以是10m、12m、14m甚至更大；如果沒(méi)有吊梁的允許傾角，升壓站的吊點(diǎn)間距只能是10m。

1.4小結(jié)：此框架橫向吊梁吊點(diǎn)的多選擇性和縱向允許傾角，釋放了設(shè)計(jì)人員對(duì)于升壓站四個(gè)吊點(diǎn)的選擇，不僅減少了設(shè)計(jì)難度，也增加了吊裝的安全性。但，此吊裝框架也有缺點(diǎn)，這個(gè)缺點(diǎn)降低了吊裝施工（尤其是海上升壓站）中的可操作性。

2、吊裝框架的缺陷

海上升壓站這種大型鋼結(jié)構(gòu)物有個(gè)缺點(diǎn)：偏心，所謂的偏心是重量中心和結(jié)構(gòu)物的幾何中心不在同一個(gè)位置上，產(chǎn)生偏心的主要原因是升壓站內(nèi)部設(shè)備重量的不均勻分布以及頂甲板吊機(jī)的一點(diǎn)分布。

結(jié)構(gòu)物的重量偏心，直接導(dǎo)致了浮吊四個(gè)主鉤在安裝的過(guò)程中不能保持完全水平，也就是說(shuō)要想在海上把升壓站平放在基礎(chǔ)上，吊裝框架就是一個(gè)斜的并發(fā)生扭矩。扭矩對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)來(lái)講是一個(gè)不可忽視的安全風(fēng)險(xiǎn)，升壓站（被吊物）這么大的重量，一旦吊裝框架出現(xiàn)結(jié)構(gòu)問(wèn)題，導(dǎo)致海上升壓站的吊點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題，那后果不堪設(shè)想。

也就是說(shuō)，這個(gè)框架需要解決的是重量偏心導(dǎo)致的海上安裝期間的垂向位移。

3、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

框架的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路主要是：分析整個(gè)吊裝框架在海上施工中的風(fēng)險(xiǎn)，縱向10m的聯(lián)系梁是整個(gè)框架出現(xiàn)垂向位移時(shí)強(qiáng)度最薄弱的環(huán)節(jié)。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)是從改進(jìn)聯(lián)系梁作為突破口的----將聯(lián)系梁由剛性連接改為柔性連接。

聯(lián)系梁與吊梁的連接方式不變，將聯(lián)系梁中間位置改為卸扣與鋼絲連接，同時(shí)主鉤與吊裝框架之間用鋼絲連接，這樣吊裝框架允許產(chǎn)生的垂向位移加大，可以徹底避免吊裝施工中由于升壓站重量偏心引起垂向位移而導(dǎo)致的吊梁扭曲。

理論可行后是詳細(xì)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算，強(qiáng)度計(jì)算需滿(mǎn)足最極端的情況下，結(jié)構(gòu)仍能滿(mǎn)足吊裝要求。因此，選取的最極端條件作為強(qiáng)度校核的受力分析條件：整個(gè)框架受力4（個(gè)主鉤）*900t=3600t，橫向吊梁傾角20度，縱向聯(lián)系梁高低差3m。這個(gè)工況可以覆蓋并遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)海上升壓站重量偏心所產(chǎn)生的垂向位移。

在強(qiáng)度校核過(guò)程中，主要是校核新聯(lián)系梁中與橫向吊梁連接部分的鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)物（Q345鋼材）在極端工況下加載受力后的計(jì)算結(jié)果：鋼結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為270.3MP，小于Q345鋼材的許用應(yīng)力345MP，因此該結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，該設(shè)計(jì)可行。

4、實(shí)踐案例

2017年4月新吊裝框架制作完成后至今，在大連經(jīng)歷了1000t-2980t的大型鋼結(jié)構(gòu)物吊裝共計(jì)20多次，最大的垂向位移出現(xiàn)過(guò)1.89m，最大吊重2980t，均實(shí)現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)的成功吊裝。不僅新吊裝框架沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)扭曲，并且節(jié)省了吊裝框架初始連接時(shí)的作業(yè)速度，原吊裝框架的初始連接大約需要24個(gè)小時(shí)，新吊裝框架的連接在12個(gè)小時(shí)左右，作業(yè)效率大大提高。

5、結(jié)束語(yǔ)

“德浮3600”浮吊原有的吊裝框架設(shè)計(jì)制作完成，并在在響水升壓站海上安裝施工過(guò)程中已成功使用。該吊裝框架橫向吊梁的吊點(diǎn)選擇多，減少了海上升壓站橫向吊點(diǎn)的選擇難度，同時(shí)吊梁的縱向可允許偏角，減少了升壓站縱向吊點(diǎn)的選擇難度，這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)降低了升壓站鋼結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)的難度，并增加了可操作性；但是，原有的框架沒(méi)有解決升壓站重量偏心而產(chǎn)生的框架扭矩。經(jīng)過(guò)施工分析和詳細(xì)設(shè)計(jì)、有限元強(qiáng)度計(jì)算，成功將原有框架的縱向剛性連接優(yōu)化為柔性連接。該優(yōu)化不僅消化了升壓站重量偏心而導(dǎo)致的框架高低差，并且避免了框架的鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭矩。在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，吊裝安全系數(shù)提高的同時(shí)，也增加了可操作性作業(yè)效率提高。面對(duì)海上升壓站安裝這種高風(fēng)險(xiǎn)的作業(yè)，真正做到了安全高效的施工.