海上風機大直徑單樁豎立新工藝應用

馮臘初，張美蘭

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200120）

0 引言

海上風能作為可再生的綠色能源，因具有資源充足、干凈清潔、風速高等特點，受到世界各國的重視。海上風電場中基礎結(jié)構(gòu)部分作為風機機組系統(tǒng)的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)形式通常有4種：重力式基礎、樁基礎、負壓桶基礎和浮式基礎[1-2]。其中單樁基礎屬于樁基礎的一種，因為結(jié)構(gòu)形式簡單且便于安裝等特點，在我國沿海的風電場風機機組中應用最為廣泛[3-6]。

單樁由于重量重、長度長，一般水平放置運輸，因此單樁的豎立作業(yè)成為風機基礎安裝的一個重要環(huán)節(jié)。由于市場上大多數(shù)風電安裝起重設備的起重能力受限且甲板面積小，單個吊機不足以將水平狀態(tài)的大直徑單樁直接吊至豎立。大多采用2組吊機（浮吊和風機安裝船/浮吊）抬吊，在空中翻身的工藝方法[7-9]，即單樁處于水平狀態(tài)時，由1個吊機鉤頭吊住樁的上端吊點，另1個吊機鉤頭吊住其下端吊點，2個吊機同時工作將樁吊至一定高度后，上端吊機鉤頭緩慢上升，下端吊機鉤頭緩慢下降，直至單樁達到豎立狀態(tài)，下端吊機松鉤，上端吊機將樁吊至打樁位置。此方法需要額外租用費用高昂的起重船，加之風機基礎安裝周期較長，因此大大增加了施工成本，另外2臺吊機和運輸船在海上的抬吊作業(yè)難度較大，受天氣海況以及海域水深影響較大，施工便利程度和安全性也會受到影響。

本文基于江蘇沿海的風電場工程項目，設計了一套安裝于運輸船上且適用于不同直徑范圍內(nèi)單樁的豎立系統(tǒng)，配合一艘安裝起重船將大直徑單樁豎立。使用該系統(tǒng)對直徑7 m，重量750 t的單樁進行豎立作業(yè)，對豎立系統(tǒng)進行受力分析，計算得到安裝起重船所需的起吊能力，對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行有限元數(shù)值分析及優(yōu)化，得到重量較輕且施工方便的系統(tǒng)。

1 工程概述

該風場位于江蘇沿海，水深10~25 m，1艘800 t自升式安裝起重船配合抬吊作業(yè)，運輸船甲板面積111.7 m伊34 m，單航次運輸3套規(guī)格為3~5 MW的風機，主要設備包含單樁，塔筒（頂段、中段、底段各1段），機艙及兔兒組件（兔頭和2片葉片），獨立葉片等。其中單樁直徑約5.8~7 m，壁厚約24~70 mm，長度約為70 m，重量約750 t，平躺放置在支撐擱架上來抵抗垂向載荷，用海綁擋架綁扎牢固來抵抗航行過程中的橫向載荷。

2 豎立系統(tǒng)介紹

本項目針對運輸船設計了專用的單樁豎立系統(tǒng)，如圖1所示，包含滑道、卷揚機系統(tǒng)、滑道小車。其中滑道設計為沿運輸船縱向的通長工字形軌道，且固定在運輸船甲板上，2根滑道為一組；卷揚機系統(tǒng)由2部牽引卷揚機和1部保險卷揚機組成，布置在靠近運輸船船艏的主甲板上；滑道小車的兩端分別與牽引卷揚機和保險卷揚機的鋼絲繩連接。

圖1 單樁豎立系統(tǒng)Fig.1 Erect system for monopile

圖2 所示滑道小車為內(nèi)套支撐形式，包含套筒結(jié)構(gòu)、行走支撐結(jié)構(gòu)、銷軸裝配部分和水平導向輪。

圖2 滑道小車結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure along the sliding tracks

1）套筒結(jié)構(gòu)主要由套筒支架、底部桁架和延伸節(jié)組成，豎立作業(yè)過程中將套筒結(jié)構(gòu)套入基礎樁下端內(nèi)徑，支撐起單樁的尾端。

2）行走支撐結(jié)構(gòu)由行走部分和支架部分組成，其中行走部分的底部采用載重滾輪小車，共4部，上部采用分載梁連接。該結(jié)構(gòu)的作用主要是承載單樁和套筒結(jié)構(gòu)的載荷，并將載荷傳遞至底部的載重滾輪小車上，該小車在卷揚機系統(tǒng)帶動下沿軌道運行。

3）銷軸裝配部分通過軸承耳板、軸承和支撐吊耳將套筒結(jié)構(gòu)和行走支撐結(jié)構(gòu)鉸接在一起。

4）水平導向輪保證小車沿滑道直線運行。

套筒結(jié)構(gòu)與單樁接觸處安裝的延伸節(jié)，共8個，每4個沿單樁內(nèi)徑圓周布置；延伸節(jié)采用螺栓與套筒支架上的延伸節(jié)底座連接，方便拆卸。針對不同直徑的單樁，只需更換相應的延伸節(jié)即可，且拆下的延伸節(jié)可以重復利用，節(jié)省了因單樁直徑變化而新制套筒結(jié)構(gòu)的費用，大幅度降低了工裝成本。

3 豎立過程施工方法

本項目單樁豎立過程施工如下所述：

1）1艘800 t自升式風電安裝起重船插樁駐位于風機安裝位置，運輸船拋錨駐位于待吊裝位置。

2）解除單樁的橫向海綁擋架以及滑道小車的海運綁扎件，并將滑道小車與卷揚機系統(tǒng)用鋼絲繩連接。

3）調(diào)試好狀態(tài)后，在牽引卷揚機作用下將滑道小車沿著滑道緩緩套入單樁的尾端，直至套筒支架全部進入，并且底部桁架緊靠單樁的尾端。

4）風電安裝起重船的吊鉤吊住單樁上端的吊耳緩慢上升，同時在牽引卷揚機作用下使滑道小車緩慢向前行走，保險卷揚機帶力松鋼絲繩。

此過程中，套筒結(jié)構(gòu)會繞著銷軸系統(tǒng)緩緩轉(zhuǎn)動，行走支撐結(jié)構(gòu)緩慢向前移動，直至單樁完全豎直并被吊鉤吊離。圖3為單樁豎立作業(yè)示意圖。

圖3 單樁豎立作業(yè)示意圖Fig.3 The diagram of erect operation for monopile using erect system

4 豎樁系統(tǒng)有限元數(shù)值分析

4.1 受力分析

直徑為7 m，長度為70 m的單樁由800 t自升式風機起重安裝船吊機從水平狀態(tài)緩慢吊至豎直狀態(tài)，將單樁和滑道小車整體設定為分析對象，受力分析模型如圖4所示。

圖4 受力模型Fig.4 Force analysis model

受力分析公式為：

式中：G樁為單樁自身重量；F吊為起重安裝船吊機起吊力；G筒為套筒結(jié)構(gòu)自身重量；G支為行走支撐結(jié)構(gòu)自身重量；T支1和T支2為載重滾輪小車處的支反力；F保為保險卷揚機施加的保險力；為牽引卷揚機施加的牽引力；F阻為載重滾輪小車與滑道小車分載梁之間的阻力；az為單樁重心處垂向加速度。

以單樁和套筒結(jié)構(gòu)設定為分析對象，單樁由水平狀態(tài)豎立至垂直狀態(tài)過程的受力分析公式為：

式中：F支為銷軸圓心處支撐力；L為單樁首端與銷軸中心的距離；L1為風機起重安裝船在單樁上的吊點與樁首端的距離；L2為單樁重心與銷軸中心的距離；L3為套筒結(jié)構(gòu)重心與銷軸中心的距離。

根據(jù)計算結(jié)果，銷軸裝配處的支撐力為313 t，載重滾輪處的支撐總力為332 t，風電安裝起重船的起吊力為480 t，小于800 t自升式起重安裝船的吊鉤額定承載能力。

4.2 有限元數(shù)值分析結(jié)果

根據(jù)單樁豎立過程的狀態(tài)，采用ANSYS軟件對套筒結(jié)構(gòu)和行走支撐結(jié)構(gòu)進行有限元數(shù)值分析。由分析計算結(jié)果可知，套筒結(jié)構(gòu)最大von mises應力為290 MPa，支撐結(jié)構(gòu)最大von mises應力為258 MPa。而套筒結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)材料均為Q345B，最小屈服強度為345 MPa，根據(jù)ABS規(guī)范，取安全系數(shù)為1.1，許用應力為345/1.1=313 MPa，所以計算所得最大應力均小于許用應力，滿足結(jié)構(gòu)強度要求。

4.3 銷軸強度校核

銷軸裝配是連接套筒結(jié)構(gòu)和行走支撐結(jié)構(gòu)的重要組成部分，結(jié)合圖1和圖2所示，滑道小車包含2組銷軸裝配，每組由上下各2塊銷軸耳板、1根銷軸以及軸套、螺栓等相關配套件組成。根據(jù)銷軸裝配的連接方式，將其簡化成簡支梁進行受力分析。當單樁被起重船吊至豎直狀態(tài)時，極端情況下假設起重船吊機的起吊力為0，此時單樁和套筒結(jié)構(gòu)的重量全部作用在銷軸上，銷軸所承受載荷最大。

由計算結(jié)果可知，每塊銷軸耳板作用在銷軸上的載荷為198.1 t，銷軸最大彎曲應力為110 MPa，合應力為127 MPa，均小于許用應力307 MPa，最大彎曲剪切應力為36.7 MPa，小于許用剪切應力177 MPa。因此，銷軸強度滿足要求。

5 結(jié)語

針對大直徑單樁豎立作業(yè)的復雜問題，本文基于實際的風電基礎安裝項目，設計了一套安裝于運輸船上的豎立系統(tǒng)，與原始的豎立方法相比較，得到結(jié)論如下：

1）在同等海上風浪條件的影響下，提高了可作業(yè)時間和施工效率。

2）不再需要額外租賃浮吊、起重船或履帶吊等大型起重設備，大幅度降低施工成本，縮短作業(yè)周期，提高工作效率。

3）滑道小車重量約56 t，最大能滿足750 t單樁的豎立作業(yè)，在滿足施工安全可靠的前提下，滑道小車結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。

4）延伸節(jié)的設計使得豎立系統(tǒng)可適用于不同直徑單樁的豎立作業(yè)，通用性較強。