海上升壓站導管架平臺的建造工藝研究

朱 軍，張倫偉

（1.南通藍島海洋工程有限公司，江蘇南通226259；2.同濟大學航空航天與力學學院，上海 200092）

0 引言

近年來，隨著全球能源和環(huán)境問題日益嚴峻，海上風電因為不占用土地資源，而且受景觀、噪聲以及電磁波等問題的限制較少，被國家列為重點發(fā)展產業(yè)，也成為工程界的研究熱點[1-2]。升壓站一般分為兩部分，分別為上部的升壓站組塊和下部導管架平臺。導管架平臺是升壓站的基礎，基于打樁和安裝需要，導管架平臺又分為兩部分建造：其一是上部導管架結構，其二是插入海底的4根鋼管樁，如圖1所示。升壓站安裝時，是先將4根鋼管樁打入海底，然后將導管架與鋼管樁進行穿插連接，用水下高強度水泥固定，然后將升壓站安裝在導管架上。導管架平臺的建造精度控制直接關系到鋼管樁和升壓站精密組裝，其重要性不言而喻。

由于導管架是全管狀桁架結構，且結構具有不規(guī)則的特點，在實際布設過程中，安裝精度控制一直是施工難點。傳統(tǒng)導管架的建造方法，是把桁架管零件進行搭積木式的組合裝配，不僅效率低下，而且精度難以控制，質量也難以保證。本研究基于前期的相關項目積累[3-5]，有別于傳統(tǒng)建造方法，采用船舶制造過程經常采用的模塊化建造技術，將導管架進行模塊化劃分，以片式臥底制造，立式總組的建造工藝來進行制造。將精度誤差控制在片狀模塊上，最后實現(xiàn)總組合攏。

圖1 導管架和鋼管樁示意圖

1 基礎筒體制作工藝

基礎筒體是導管架和鋼管樁的基礎機械構件，主要采用大尺寸厚鋼板經過大型卷板機進行卷圓及焊接，加工成長鋼管。目前大尺寸厚鋼板卷制的制造自動化程度總體較低，涉及檢驗、下料、切割、卷制、焊接等工序，在一些關鍵工序主要依靠熟練的操作工人根據(jù)經驗來進行操作與控制，存在精度和質量的不確定性。為了更好解決大尺寸厚鋼板加工生產過程中變形、精度控制等問題，我們嚴格制定了各個工序的生產工藝，并重點實現(xiàn)工藝標準化，各階段制定明確具體的參數(shù)要求，盡量降低了對操作人員人工經驗的依賴，從而實現(xiàn)了制造精度、生產效率以及建造質量的可控。其主要的工藝要點包括：

1.1 鋼板檢驗及下料

按《承壓設備無損檢測》（JB/T4730-2005）標準，對于具有Z向性能的鋼板和厚度等于或大于45 mm的鋼板，要求逐張進行超聲波探傷檢查，達到I級標準。鋼板原材料進場進行取樣，取樣規(guī)則為按爐號截取需進行化學元素分析的試樣，按批號截取需進行機械性能試驗的試樣。板的厚度應符合《碳素結構鋼》（GB/T700-2006）相關規(guī)定要求（B類偏差要求），但厚度負偏差均應不大于0.3 mm.

鋼管樁所用鋼材均以低合金高強度結構鋼以DH36和DH36-Z25為主，且板幅較大、板厚較厚，對套料圖上每個零件注明板厚、材質、件號、坡口等詳細信息?，F(xiàn)場必須嚴格按照套料圖下料，切割前仔細核對切割圖和切割指令程序，避免切割錯誤，浪費板材，切割過程中要做好記錄，切割的每塊鋼板要核對鋼板爐批號。具體下料工藝主要包括：將數(shù)控切割程序拷貝到數(shù)控切割機上，按照鋼板下料清單選擇相對應的規(guī)格，然后將鋼板放置在切割臺上，確認鋼板的縱向邊緣與切割機軌道平行；根據(jù)板厚選擇切割補償量和割嘴規(guī)格，調整割嘴角度；首件工件進入火焰切割前，必須試行走一次，同時確認風線直度可確保切割質量；每種規(guī)格首件下料后必須按要求100%檢驗下料尺寸，合格后方可進入批量下料；工件切割后應及時進行檢驗，并按要求記錄，記錄應具可追蹤性，檢驗員將對切割過程中進行隨機抽檢，及時發(fā)現(xiàn)和消除影響切割精度的各種因素；補償量一般在切割機上選擇，補償量是指雙邊補償，如單邊補償則應減半，具體根據(jù)數(shù)控切割機型號。

1.2 劃線、坡口切割

導管架橫撐管和斜撐管等重要劃線必須通過電腦切割指令程序產生，在切割下料時即噴粉劃線，內容包括切割坡口用的支撐管內外筒體相貫線和檢測尺寸用的上下縱向等分檢驗線，并確定檢測點和切割點。對所有檢查線和關鍵點，均需要用洋沖打上標記，以便于在尺寸檢測和裝配階段對位時使用。根據(jù)套料圖及施工圖里的詳細信息正確切割焊接坡口；斜撐管相貫線及其坡口待圓筒拼接后再手工切割。鋼板開坡口前，查看坡口加工圖、筒節(jié)示意圖，核對筒節(jié)號（或工件號）及相關標志，以便于正確選擇加工圖上的坡口形狀；檢查鋼板表面質量，不允許有下料切割時的熔渣，切割面要求平整、光滑對所用設備、氣體及其減壓裝置的可燃氣供氣接頭等，均應仔細檢查保證設備、儀表及氣路處于正常狀態(tài)。切割縱縫坡口時，小車的軌道必須與縱縫坡口側的鋼板邊緣平行，平行度不得大于1 mm；切割環(huán)縫坡口時，小車的導向滾輪必須與鋼板側邊（環(huán)縫坡口側的鈍邊）緊密貼合滾動；根據(jù)板厚選擇正確的割嘴規(guī)格，調整割嘴角度，割嘴角度誤差≤1°；檢查風線，點燃火焰并將預熱火焰調整適當。

1.3 鋼板加工卷圓、拼接圓筒工藝要點

板材卷圓前，根據(jù)設計部門提供的圖紙認真核對板材的加工參數(shù)，控制加工尺寸在允許范圍內。板材卷圓方向兩端各加100 mm加工余量。準備好各種內外樣板，并根據(jù)卷制筒體的直徑大小、壁厚選擇合適的胎模。根據(jù)鋼板的厚度、寬度、卷管直徑、材質，通過電腦運算給出相應的卷圓數(shù)據(jù)制。卷制過程中，用鐵皮樣板檢查筒體的圓度。經過數(shù)圈的卷制，上輥的逐步加壓，使鋼板成圓合口，合口時需用電焊每500 mm點一個50 100 mm的點焊點，利用對稱點焊，縱縫保證在2~3 mm間隙，錯皮不超過皮厚的十分之一或3.2 mm，二者取最小值，圓管兩端錯皮不超過1.5 mm.圓筒的卷制、定位在卷板機上一次性完成，板縫兩端用至少100 mm長同材質同等厚度的鋼板作為引熄弧板固定，中間部分用有過焊孔的同材質馬板固定，馬板長度為母材厚度的10倍。

圓筒焊接完成后，圓度必須再次檢測，特別要注意焊接周圍圓筒的外部。

1.4 組對焊接工藝要點

連接段主筒體的對接工藝順序如下：為防止產生裂紋和減少殘余應力，在焊前需進行預熱，預熱溫度為100℃，預熱方法可以采用電加熱器進行，焊接過程中應控制層間溫度，焊后應控制冷卻速度。焊接前，應進行尺寸檢驗，主要是直線度及錯邊量，錯邊量≤4 mm.焊接結束后進行交驗，包括焊接檢驗和尺寸檢驗，48 h后進行焊縫探傷。

鋼管的對接工藝順序及焊接要求如下：焊接前，應進行尺寸檢驗，主要是直線度及錯邊量，錯邊量≤4 mm.焊接方法采用埋弧自動焊。焊前應先把焊道清理干凈，由兩個焊工對兩條焊縫同時進行施焊。先對筒體內側進行焊接，再外側碳刨清根、蓋面。焊接結束后進行交驗，包括焊接檢驗和尺寸檢驗，48 h后進行焊縫探傷。

整根鋼管制作結束后進行整體交驗，包括焊接檢驗和尺寸檢驗。完工鋼管開坡口端的鈍邊不規(guī)則度應不超過±0.1%D且不大于5 mm的誤差，鋼管縱軸線彎曲矢高不超過0.1%D且不大于30 mm.

2 導管架及管樁分段劃分

導管架幾乎均采用分段制造、總組裝配的建造方法，給建造的整體精度控制帶來了較多困難，在項目實施過程中對導管架的建造工藝進行了優(yōu)化，將導管架采用模塊化劃分，以片式臥底制造、立式總組的建造工藝來進行，使原本復雜的立體建造結構變成多個簡單的單面結構，提高建造效率，降低生產制造周期。具體方法如圖2所示，導管架是由四條腿和各個支管組成，其中兩面支管有靠船構件，船構件有欄桿、爬梯，另外還有電纜J型管等附屬設施，通過對導管架的四個面進行拆分，分為四個主要的面，A向、B向、C向、D向，再對附屬件較多的結構部分進再分解出E向散裝件分段，F(xiàn)向底部分段，以及管樁Z1，Z2，Z3，Z4 分段。

圖2 導管架及管樁分段劃分示意圖

3 導管架建造順序

導管架采用立式建造法，先將各主管及支管零件預制，然后進行橫撐管制作以及X型斜撐管，再在胎架上分別制作B片體和D片體，并將有關的J型管、扶梯、防撞構件等安裝在片體上，然后制作總裝分段，安裝防沉板等舾裝件，在總裝分段上合攏B片體、D片體，散裝A片體、C片體、頂部分段，精確定位后整體焊接。如圖3~圖11所示，建造的主要順序如下：

（1）下料并預制主管及支管

圖3 主管及支管零件示意圖

（2）橫撐片體制作

圖4 橫撐片體

（3）X片體制作

圖5 X片體制作

（4）B向片體制作（扶梯及防撞構件安裝）

圖6 B向片體制作

（5）D向片體制作（包括J型管、扶梯及防撞構件安裝）

圖7 D向片體制作

（6）總裝片體和防沉板制作

圖8 總裝片體和防沉板制作

（7）將第4步所制作B片體和預制的C片體的立起來扣到總裝片體上

圖9 B片體和C片體安裝在總裝片體

（8）安裝A片體和D片體

圖10 A片體和D片體安裝在總裝片體

（9）安裝頂部散裝分段

圖11 頂部散裝分段安裝

4 公差要求

在每次組裝前和組裝后進行一次測量，焊接后再進行一次測量，以保證焊后的測量誤差滿足要求。號料前，鋼板應進行矯平。矯平后鋼板的允許波紋按板厚t計：當t≤14 mm時，波紋度應不超過1.5 mm/m；當14 mm≤t，波紋度應不超過1 mm/m.型鋼和鋼管號料前，應檢驗其直線度。當直線度超過1 mm/m時，應進行矯正。

切割邊緣直線度的誤差應滿足下列規(guī)定：當被切割的構件后續(xù)工序系采用自動焊接時，直線度的誤差應不超過±0.5 mm；當被切割的構件后續(xù)工序采用手工焊接時，直線度的誤差應不超過±1.5 mm；切割構件的外形尺寸的誤差應不超過±3.0 mm；鋼板和型鋼坡口角度的誤差應不超過±4°；鋼管坡口角度的誤差應不超過±5°.

除特殊構件自由邊不得有缺口外，構件邊緣可按構件類型允許有深度不超過下列數(shù)值的缺口：主要構件及次要構件的自由邊<1 mm；特殊構件和主要構件的焊接邊<2 mm；次要構件的焊接邊<3 mm.特殊構件的自由邊不允許存在缺口，氣割后，應用砂輪打磨。邊緣加工的零件，其寬度、長度允許偏差為±1.0 mm；加工邊直線度為1/3000，且不應大于2.0 mm；加工面垂直度不大于鋼板厚度的2.5%，且不應大于 0.5 mm；加工面表面粗糙程度不應大于50 μm.

5 結論

本文給出了導管架基礎建造優(yōu)化的工藝流程及各個關鍵工序的工藝要點，將導管架進行模塊化劃分，以片式臥底制造，立式總組的建造工藝來進行制造。將精度誤差控制在片狀模塊上，最后實現(xiàn)總組合攏。經濱海H2風場400 MW升壓站導管架項目的建造驗證，效果明顯，不僅精度滿足設計要求，施工效率也提升30%以上。導管架基礎建造是一個復雜的系統(tǒng)工程，需要設計、質檢、施工、安環(huán)等部門的密切配合和相互協(xié)作和配合協(xié)調。安裝過程中，導管架基礎建造工業(yè)方案還將與相關工裝、吊裝方案和臨時性的各種工藝文件相協(xié)調匹配。