海上風電單樁基礎風機整體安裝技術

劉璐，王俊杰，黃艷紅，張成芹

（中交三航（上海）新能源工程有限公司，上海 200137）

0 引言

海上風電場主要基礎結構為高樁承臺基礎、單樁基礎和導管架基礎，其中單樁基礎是最為主流的基礎形式，目前國內建成的900 余座風機基礎中有500 余座采用單樁基礎[1]。風機安裝方式主要有兩種，一種是分體安裝，采用自升式風電安裝平臺通過抬升使船體離開水面形成一個穩(wěn)定的作業(yè)面，或者坐底平臺下潛坐在海床上形成一個穩(wěn)定的工作面，分部件或組件進行安裝。另一種是整體安裝，通過陸域基地將風機拼裝成整體，專用運輸駁整體運輸至現(xiàn)場，采用雙臂架起重船整體起吊安裝。兩種安裝方式比較見表1。

表1 整體式與分體式安裝方式比較Table 1 Comparison of integral and split installation methods

相較于分體式安裝，整體式安裝特別適用于規(guī)模大的風場建設，具有施工安全、效率高等特點。自東海大橋海上風電示范項目首次使用整體式安裝技術，風機整體安裝技術先后在三峽響水、上海臨港、國電普陀和珠海桂山等項目應用。適用基礎形式有高樁承臺基礎和導管架基礎，而對于單樁基礎上的風機整體安裝國內外尚無先例。

1 工程概況

本文依托國華東臺四期海上風電場項目，以16 號風機機位為研究對象。16 號風機基礎采用無過渡段單樁基礎結構形式，單樁直徑5.5 m，樁頂高程+11.0 m[2]。風機采用上海電氣4.0 MW 風機，葉片長63.5 m，葉輪直徑130.0 m，輪轂中心高度90 m（平均海平面起算），分3 節(jié)塔筒，風機總重474 t[3]。

2 單樁基礎風機整體安裝技術方案

2.1 總體工藝

單樁基礎海上風力發(fā)電機組整體安裝施工采用“陸上基地整機拼裝、海上整機運輸、海上整機吊裝、兼有軟著陸及定位功能吊裝體系緩沖著陸定位安裝”的技術路線[4]，主要施工工藝流程見圖1。

圖1 施工總體工藝流程Fig.1 General construction process

2.2 軟著陸及定位功能吊裝體系

風機整體安裝需要控制風機下降加速度小于0.25g，安裝精度1.5 mm，因此需要依賴一套軟著陸及定位功能吊裝體系來保證安裝的平穩(wěn)和精度[5]。軟著陸及定位功能吊裝體系由平衡梁及索具系統(tǒng)、上部吊架系統(tǒng)、緩沖系統(tǒng)、下部就位系統(tǒng)以及中央控制系統(tǒng)組成（如圖2 所示）[6]。其中平衡梁及索具系統(tǒng)、上部吊架系統(tǒng)用于完成海上風力發(fā)電機組的陸上組拼、海上運輸及吊裝；上部吊架系統(tǒng)和下部就位系統(tǒng)共同作用，實現(xiàn)風力發(fā)電機組在海上的安裝，用于完成塔筒對接的導向、緩沖、同步升降以及精定位自動對中，使風機順利地安裝于海上單樁筒體上；控制系統(tǒng)則通過監(jiān)測和控制來實現(xiàn)風機整體安裝的自動化。

圖2 軟著陸及定位功能吊裝體系示意圖Fig.2 Schematic diagram of hoisting system with soft landing and positioning function

2.3 軟著陸及定位功能吊裝體系支撐方式

由于軟著陸及定位功能吊裝體系的下部就位系統(tǒng)需要事先設置在基礎上，在安裝時用來承接風機荷載，因此需在單樁上設置支承結構，用以安裝固定下部就位系統(tǒng)。

單樁上設置環(huán)形牛腿，距離法蘭頂面3.0 m，環(huán)形牛腿寬100 mm，牛腿采用DH36 型材，屈服強度355 MPa，端面承壓400 MPa，如圖3 所示。下部就位系統(tǒng)下方擱置在環(huán)形牛腿上，上方通過環(huán)梁抱緊單樁，上下形成牢固的三角形結構，保持穩(wěn)定。

圖3 環(huán)形牛腿支承結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of the ring bracket support structure

單樁樁徑5.5 m，泥面以上壁厚均為60～65 mm，計算采用ANSYS 建模，泥面以上樁體和牛腿采用solid45 單元，泥面以下樁采用pipe16 單元，樁土作用采用p-y 曲線[7]。牛腿采用環(huán)形設計，距離法蘭頂面3.0 m，環(huán)寬100 mm。牛腿采用DH36 型材，屈服強度355 MPa，端面承壓400 MPa。

1）計算工況

工況1：極端工況，牛腿環(huán)表面承受8.92 MPa均布壓力。

工況2：風機載荷極限工況。

工況3：疲勞工況，按照單樁等效疲勞載荷，牛腿表面不受力。

工況4：牛腿偏心受壓，計算模擬采用全截面均布壓力30 MPa。

工況5：打樁工況，從GRWEAP 軟件中提取打樁時樁頂受到的豎向力，評估打樁過程對牛腿產生的應力。

2）計算結果

工況1：牛腿應力78.6 MPa，小于屈服強度和端面承壓能力。

工況2：風機載荷為風機廠家提供極限載荷，波浪力為SACS 提取，施加于樁頂，按照極端工況計算。樁身應力149 MPa，牛腿應力135 MPa，小于屈服強度和端面承壓能力。

工況3：等效疲勞計算參照DNV-GL-RPC203-2016-04 執(zhí)行[8]。計算得到最大損傷為0.66，小于1.0，位于牛腿上底面與鋼管樁焊接位置；單樁牛腿上表面應力為186 MPa，小于屈服強度和端面承壓能力；單樁牛腿面以上疲勞損傷為0.26，小于1.0。

工況4：牛腿應力257 MPa，小于屈服強度和端面承壓能力，整體變形8 mm，相對變形較小。

工況5：采用GRWEAP 打樁軟件提取打樁時樁身受到的最大豎向力為164.5 MN，計算得到牛腿表面應力為208 MPa，位于焊縫頂端。

根據(jù)以上各工況計算結果，牛腿結構均滿足要求。

2.4 附屬構件方案

在分體安裝時，單樁基礎采用整體式附屬構件，在沉樁完成安裝附屬構件后進行風機安裝，由于整體安裝的工藝特點，對附屬構件進行模塊化設計，設計為“1+2”式的模塊化結構，如圖4所示。即將下半部分設計為一個整體結構，在沉樁完成后直接安裝套入單樁中；上半部分設計為對拆結構，便于風機整體吊裝完畢后安裝。

圖4 附屬構件方案示意圖Fig.4 Schematic diagram of accessory components

3 單樁基礎風機整體安裝工程應用

國華東臺四期（H2）300 MW 海上風電場項目于2019 年8 月17 日實施了全球首例單樁基礎風機整體安裝技術工程應用，施工實景如圖5 所示。

圖5 單樁基礎風機整體安裝Fig.5 Integral installation of a single pile foundation wind turbine

工程選取16 號機位作為風機整體安裝的機位。2019 年7 月28 日開始進行整機碼頭預組裝，期間自8 月7 日至8 月13 日共7 d 受臺風利奇馬影響，16 號風機拼裝和海上16 號機位拼裝前的準備工作受到較大影響；2019 年8 月14 日完成16 號風機預拼裝工作；8 月16 日16 號風機運輸至現(xiàn)場；8 月17 日16 號風機整體吊裝開始并于當天完成。

4 結語

本文針對江蘇國華東臺四期（H2）300 MW 海上風電場工程單樁基礎，對風機整體式安裝技術進行了深入研究，取得系列研究成果，實施了全球首例單樁基礎風機整體安裝，填補了整體安裝技術的應用空白。

單樁基礎應用風機整體式安裝不僅具備技術可行性，施工工效、經濟性、安全性等均具備一定優(yōu)勢，可提高工程建設的安全、質量等綜合效益，為工程創(chuàng)優(yōu)奠定堅實基礎。同時單樁基礎風機整體式安裝技術的形成，能夠豐富我國海上風電安裝施工技術方法，為深遠海風機安裝提供了新的安裝思路和途徑，具有廣闊的應用前景。