潮間帶風機坐底安裝專用船施工技術

練學標

（中交第三航務工程局有限公司江蘇分公司，江蘇 連云港 222042）

0 引言

國外海上風機絕大多數均采用支腿船分體安裝工藝。由于風場規(guī)劃方面的原因，目前國外在海域安裝風機的研究成果不多。經過近十年的發(fā)展，國內潮間帶風機安裝已形成各施工企業(yè)別具特色的技術經驗，但大多采用因地制宜的平板駁船加裝履帶吊趁潮進點坐底吊裝的方法。

本文借鑒國家“十一五”重大科技支撐計劃項目“近海風電機組施工、測試專用設備研制”及“淺海發(fā)電機組運輸安裝設備及工具的研制”等課題經驗，對半潛駁改造成風機安裝專用船的甲板強度、箱形梁強度、坐底穩(wěn)定性等方面進行了可行性論證，并結合潮間帶風機安裝施工經驗，探討了風機安裝專用船施工作業(yè)時應注意的問題。

1 依托工程

江蘇東臺200 MW 海上風電場項目位于東沙南部墾區(qū)邊緣，場區(qū)中心離岸距離約36 km，場區(qū)整體呈“諳”形，風電場涉海面積29.8 km2，工程場區(qū)內泥面高程+1.0~-8.0 m（1985 國家高程基準），泥面深淺不一，局部有潮溝，其東北側與陳家塢槽以深水水道連通。

本工程共布置50 臺單機容量4.0 MW 的風力發(fā)電機組，裝機規(guī)模為200 MW。風機轉輪直徑130 m，輪轂高度90 m，風電機組基礎采取單樁基礎結構形式，每臺風機配套有靠船防撞鋼管、平臺、欄桿、爬梯、J 形護管等集成式附屬構件，同時每臺風機還設置了防沖刷的砂被、陰極保護和橡膠護舷。

2 水文地質條件

2.1 水文條件

工程所在海域年平均低潮位-1.74 m，最大潮差6.78 m，平均潮差4.17 m，工程水域屬正規(guī)半日潮流，但是表征淺水效應強弱的WM4/WM2 比值為0.09~0.14，淺水分潮比較明顯。施工船舶需要借助乘潮水位進入現場施工，退潮后約有1/2的機位露出灘面，其余機位水深較淺，進場施工船舶需滿足坐灘要求，主力起重船需能完成坐灘起重作業(yè)。

工程水域內潮汐動力強勁、潮流流速較大，實測最大漲、落潮流流速分別為2.29 m/s（流向153°）和2.37 m/s（流向0°），全年最大波高H 出現在NE 向，為3.89 m，次大值出現在ENE 向和E 向，分別為3.75 m 和3.74 m。

2.2 地質條件

地勘資料表明工程場地屬濱海相沉積地貌單元，不良地質作用不發(fā)育，場地存在液化土且表層地基土受潮流沖刷影響，但需注意海底潮流的沖刷影響?，F場踏勘發(fā)現場區(qū)內有大量季節(jié)性的紫菜、貝類養(yǎng)殖場，場區(qū)灘表新近沉積土層為粉砂，層厚2.8~4.6 m，地基土承載力特征值100~110 kPa，具備一定的承載力。根據現場實地調研的情況，場區(qū)水下地形整體較平緩，灘面局部發(fā)育潮溝，大部分區(qū)域滿足船舶坐灘作業(yè)要求。

3 坐底專用船舶改裝設計

3.1 設備選型

半潛駁改造成風機安裝船選用奔騰誠基工7號半潛駁、徐工XGC28000 型履帶起重機組合形式，設備參數見表1。

表1 履帶吊參數表Table 1 Crawler crane parameter table

海上風機最深機位處起吊機艙輪轂時需要107.2 m 的起吊高度，其中包含：施工機位處泥面標高-3.4 m，單樁基礎頂標高+12 m，塔筒高度75.8 m，機艙輪轂及吊架高度14 m，起吊安裝作業(yè)空間2 m；改裝后的專用船舶在該處的起吊高度為120.5 m，其中包含：奔騰誠基工7 號型深4.5 m，起重機距甲板面高度為8 m，履帶吊吊高108 m，滿足風機安裝吊高的要求。

根據風機設備參數，風機最重部件的吊重為243.1 t，采用1.1 倍的安全系數。“奔騰誠基工7號”距離安裝機位中心26 m 時，主力起重機回轉半徑為35 m，對應起吊能力為258 t，滿足風機安裝吊重要求。

3.2 船舶加固校核

吊機自重和吊錘共1 600 t，船舶箱形框架梁共有19 道框架支撐吊機，考慮到受力不均勻及2.0 倍的安全系數，每根框架梁承受500 kN；吊機自重+吊錘+箱形梁結構共1 750 t，共有11 條立柱支撐，考慮到受力不均勻及2.0 倍的安全系數，每根立柱承受1 500 kN。

經計算，實際支柱截面積均大于理論計算值，滿足船舶加固要求，船舶加固校核表見表2。

表2 船舶加固校核表Table 2 Checklist of ship reinforcement

3.3 作業(yè)力核算

船舶所受環(huán)境力由正橫向外載水平力構成，水平力移R 為水阻力RT及風阻力RB之和。

式中：Rf為半潛駁摩擦阻力，kN；RB為半潛駁剩余阻力，kN。

式中：A1為半潛駁水下濕表面積，m2；V 為水流速度，取1.33 m/s；為船舶方形參數（高潮位坐底時），取0.80；A2為半潛駁迎流計算面積，m2。經測量調查A1取4 612.12 m2，A2取475.4 m2。

經計算得到Rf= 12.6 kN，RB=119.3 kN，水阻力RT= 180 kN。

式中：籽為空氣密度，取1.22 kg/m3；V 為風速，取17 m/s；移Ai為計算受風面積，按吊裝單葉片時取1 200 m2。由此得到RB= 211 kN。

半潛駁在設計高潮位時坐底，受到正橫向外載水平環(huán)境力為：移R=RT+RB= 391 kN。

3.4 坐底穩(wěn)定性分析

漲潮時船舶吃水達到8.0 m 時作為船舶坐灘作業(yè)與起浮駐船的分界面，駁船坐底與粉細砂面間摩擦系數滋取0.06，此時船舶排水浮力W =10 114 t。

船舶坐底自重：移D = D1+ D2+ D3

式中：D1為空船自重，取2 738 t；D2為壓載水重量，取9 825 t；D3為吊機重量，取1 600 t。

高潮位半潛駁坐底對粉細砂泥面產生正壓力：

半潛駁坐底狀態(tài)因摩擦產生的水平力：

半潛駁坐底時所受摩擦力為2 430 kN躍水平力移R=391 kN，低潮位半潛駁自身排水浮力減小，對泥面正壓力增大，摩擦力相應增大，但環(huán)境力減小，對本船更趨安全。綜上所述，半潛駁“奔騰誠基工7 號”坐底作業(yè)，能夠保證其安全。

4 風機分體安裝

4.1 風機分體安裝

風機采用西門子的4.0 MW 風電機組，分體安裝，共計50 臺。機組主要設備部件的參數如表3 所示。

表3 機組各部件尺寸及重量表Table 3 Dimensions and weight tables of unit components

風機分體安裝在基礎施工完成后進行，主要流程有塔筒安裝、機艙輪轂安裝、風機葉片安裝。

4.2 風機分體安裝技術要點

風電機組采用分體式安裝方式：先吊裝下段及中段塔筒組合件，再吊裝上段塔筒，然后吊裝機艙和輪轂組合件，最后依次吊裝3 個葉片。

風機分體安裝施工中需要注意：

1）風機底塔垂直運輸，其重心位置在自底部向上3 m 處時，底部需要工裝加固；中塔、頂塔兩側采用雙拼8 號槽鋼加固；機艙輪轂、葉片水平運輸，采用底部工裝加固。

2） 機組分體裝船前，將碼頭前沿和駁船固定。將駁船上的三相690 V、63 A 電源電纜引至底部塔架節(jié)的供電裝置上；槳葉應按照數列裝載的方式逐列裝載，不可同層實施；船只出發(fā)前應完成PAL 管道的安裝，并安裝完成海上運輸架上的密封板。

3）塔筒吊裝時，由起重船主鉤將下塔筒安裝到風機單樁基礎連接法蘭上，下塔筒安裝方位根據風電機海上整機安裝方位確定；利用起重船主鉤和副鉤將中塔筒豎立，并由主鉤將中塔筒安裝至下塔筒上；以同樣的方法完成上塔筒的起吊和安裝，按要求緊固高強度螺栓。

4）機艙吊裝：首先從機艙罩部取下保護蓋，起吊橫梁吊鏈從吊孔中穿過，在機艙上固定長度150 m 的2 根牽引繩作為導向和穩(wěn)定措施。機艙吊裝至距上段塔筒法蘭1 m 的位置時，緩緩放下機艙，至兩個接觸面間距為50 cm 的位置，手動將螺栓旋入偏航軸承螺紋孔中，以此作為定位機艙的向導，通過起吊設備放下機艙，并插入塔筒上部法蘭的導向螺柱。

5）葉片吊裝時，由于葉片長度較長，起吊時每片葉片分別拉纜風繩控制，防止移動中發(fā)生碰撞。按已確定的葉片安裝角對準標記，調整風輪盤車齒輪位置轉動輪轂角度，完成單葉片的對中安裝，確認安裝角不超差后，按十字對角法分兩次將連接螺栓上緊至規(guī)定力矩。安裝角誤差與螺栓預緊力矩值應符合風機廠家規(guī)定。

6）風機安裝調試需按要求完成供貨商技術文件規(guī)定的各項安裝試驗，先在供貨商代表的指導下進行檢查、調整、校正、啟動運轉和負載檢測等內容的預調試，所有檢測工作完成后，書面確認設備可進行正式調試，再報經監(jiān)理人組織對設備進行初步檢查、驗收試驗。

5 潮間帶風機安裝安全措施

潮間帶風機安裝作業(yè)除需滿足水上作業(yè)、吊裝作業(yè)、防風防臺安全保障措施外，尤其要注意履帶起重機在海上作業(yè)的安全及船舶坐灘作業(yè)安全。主要注意事項如下：

1）改造船上履帶吊臂架高度高，受波浪、風速條件影響大，高潮時段影響尤為顯著，起重機吊裝構件需在風速小于9.8 m/s（5 級風）的情況下進行。

2）每次吊裝作業(yè)前，半潛駁必須下潛并完全坐底，現場配潛水員檢測船體坐底壓實情況，滿足船底85%面積接觸泥面的指標，以避免船底未坐實造成吊車滑移、傾覆情況的發(fā)生；作業(yè)過程中，注意觀察水平度變化情況；對起重機的所有操作務必緩慢進行，避免起重機吊裝重物時發(fā)生擺動。

3）安裝風機時，要求船體坐灘后仍要利用壓載水對海床施加足夠的壓力，防止船舶處于半浮狀態(tài)引起船舶晃動不滿足風機安裝作業(yè)條件的狀況出現，壓載水重量應根據潮水漲落進行調整。

4）船舶坐灘后的檢查與調整，起重機需空轉2 次試壓后再看水平度能否滿足要求，或多位置坐底選擇能夠坐平的機位。通過空載回轉起重機檢查船體壓平情況，應盡量滿足坡度不大于0.5%的條件。

5）非作業(yè)期間，起重機臂架應放置在擱置架上，并進行有效固定。拖航前，必須將臂架放置在擱置架上，并進行有效固定；拖航期間，應隨時觀察起重機臂架的晃動情況。

6）一次坐灘時間原則上控制在4 個潮水周期內，每隔48 h 必須浮起重新換位坐底，間隔周期可以根據坐底狀況檢測結果和當地水流情況進行調整。當船底接觸泥面小于85%時，必須立即停止作業(yè)，將船舶浮起，以保證船體安全。

7）風機安裝過程中加強對水流流態(tài)及沖刷狀態(tài)的觀測，遇異常情況，半潛駁起浮換位，確保船機和風機已裝件的安全。

6 結語

本次改造的半潛駁坐底風機安裝法與升降式海上平臺安裝法具有相同的吊裝狀態(tài)，即吊裝設備均支撐在海底，避免了浮動產生的設備搖晃，可以保證安裝質量、避免吊裝過程中的撞擊風險。半潛駁坐底風機安裝船利用現有的、可靠性高的設備組裝而成，不但有效利用了現有社會資源，而且組裝速度快，可迅速形成生產能力。本文研究探討的潮間帶坐底式風機安裝船，其關鍵技術可為今后的工程實踐提供參考。