海上升壓站模塊吊裝設(shè)計(jì)技術(shù)研究

雷 蕾

中國(guó)石油天然氣第七建設(shè)有限公司 山東青島 266061

21 世紀(jì)是海洋世紀(jì)，海洋經(jīng)濟(jì)也逐漸成為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)新的增長(zhǎng)點(diǎn)。隨著海洋產(chǎn)業(yè)的高速興起，海洋工程裝備已成為世界主要造船企業(yè)新的利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)[1]。自2014 年國(guó)家能源局發(fā)布《關(guān)于印發(fā)全國(guó)海上風(fēng)電開發(fā)建設(shè)方案（2014- 2016）的通知》后，經(jīng)過6 年的努力，我國(guó)海上風(fēng)電制造、建設(shè)、運(yùn)維技術(shù)水平均不斷提高，呈現(xiàn)發(fā)電成本逐年下降、裝機(jī)規(guī)模不斷上升的趨勢(shì)。

隨著海上風(fēng)電的深入發(fā)展，海上升壓站作為海上風(fēng)電的“心臟”，其重要性不言而喻。海上升壓站采用上部組塊和下部結(jié)構(gòu)的布置模式，其中下部結(jié)構(gòu)包括鋼樁及導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)。上部組塊完成建造與安裝調(diào)試后，整體運(yùn)輸至海上完成安裝工作。海上升壓站上部組塊的施工典型流程如下：上部組塊各構(gòu)件(包括上部組塊主結(jié)構(gòu)及附屬構(gòu)件等) 在工廠內(nèi)的制作→各構(gòu)件的檢測(cè)、防腐處理→上部組塊運(yùn)輸、就位及準(zhǔn)備工作等→上部組塊的吊裝、現(xiàn)場(chǎng)焊接及防腐、測(cè)量上部組塊最終垂直度等→質(zhì)量檢查→修補(bǔ)缺陷(補(bǔ)涂防腐油漆等）→協(xié)助場(chǎng)內(nèi)海底電纜施工和海纜的連接等→單位工程驗(yàn)收。

目前，吊裝已成為海上升壓站模塊施工中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。良好的吊裝設(shè)計(jì)，不僅可以節(jié)約吊裝成本，還能有效縮短工程周期，所以模塊吊裝設(shè)計(jì)技術(shù)的研究必不可少[2]。筆者承擔(dān)了多個(gè)海上升壓站項(xiàng)目的吊裝方案設(shè)計(jì)工作，目前現(xiàn)場(chǎng)所有模塊的吊裝工作已順利完成。以下將從海上升壓站上部組塊的吊裝方案設(shè)計(jì)入手，結(jié)合操作實(shí)際，研究分片預(yù)制方案、吊裝運(yùn)輸方案設(shè)計(jì)的流程和方法等關(guān)鍵要素，形成設(shè)計(jì)依據(jù)，為吊裝設(shè)計(jì)提供參考。

1 項(xiàng)目概況和設(shè)計(jì)輸入資料

某項(xiàng)目220kV 海上升壓站包括上部組塊和下部結(jié)構(gòu)。上部組塊為4 層的結(jié)構(gòu)，平面尺寸約為42.80m×55m(包含樓梯和外露平臺(tái)），高約16m(1 層甲板至屋頂層頂)，最高點(diǎn)距平均海平面約33m，上部組塊總重約4000t；下部結(jié)構(gòu)為導(dǎo)管架型式，導(dǎo)管架1100t，樁管重量905t。

首先編制分片預(yù)制方案和吊裝運(yùn)輸方案，進(jìn)行吊裝強(qiáng)度校核。該階段需要大量的輸入資料，主要包括以下內(nèi)容：

（1）場(chǎng)地現(xiàn)有資源信息：主要包括650/ 350t 履帶吊起重性能表、超起工況荷載表；自行式液壓模塊運(yùn)輸車（SPMT）尺寸圖；海上風(fēng)電上部組塊、導(dǎo)管架滑道塊滑道板及滑靴布置圖。

（2）海上升壓站場(chǎng)地及分片布置狀態(tài)圖。

（3）程序文件：包括組合梁預(yù)制程序和卷管程序。

（4）建造方案：包括上部組塊建造方案和導(dǎo)管架建造方案。

（5）具體工作量清單：詳細(xì)列出各專業(yè)的工作界面。針對(duì)吊裝專業(yè)，工作內(nèi)容主要包括編制分片預(yù)制方案、分片吊裝運(yùn)輸方案和吊裝運(yùn)輸計(jì)算報(bào)告。

（6）施工技術(shù)要求。

（7）相關(guān)參考文件。

2 編制分片預(yù)制方案

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)軟件（TEKLA）建立的三維模型、主次結(jié)構(gòu)圖和節(jié)點(diǎn)圖，考慮預(yù)制場(chǎng)地、分片尺寸、分片重量和運(yùn)輸方式因素，確定每層結(jié)構(gòu)的分片界限，編制分片預(yù)制方案。圖1 為模塊單層組塊分片示意圖。

圖1 模塊單層組塊分片示意圖

分片預(yù)制方案的內(nèi)容包括組塊分片尺寸和重量信息、組裝流程、安裝和焊接，以及切割制孔的技術(shù)要求、組裝過程中墊墩的布置位置、關(guān)鍵尺寸控制點(diǎn)要求，板片一體化清單目錄等。

在編制分片預(yù)制方案時(shí)，必須考慮分片的預(yù)制場(chǎng)地，避免分片尺寸超過預(yù)制場(chǎng)地的限制。另外，若分片尺寸大、重量大（超過200t），由于液壓平板車平臺(tái)寬度有限，造成分片結(jié)構(gòu)在運(yùn)輸過程中呈懸臂梁狀態(tài)，此時(shí)需采用SPMT 運(yùn)輸。

3 編制吊裝運(yùn)輸方案

根據(jù)分片預(yù)制方案、主次結(jié)構(gòu)圖紙、場(chǎng)地分片布置狀態(tài)圖、吊機(jī)圖及其性能表荷載表，編制組塊分片吊裝運(yùn)輸方案。吊裝運(yùn)輸方案的內(nèi)容包括：說明、參考文件、技術(shù)要求、場(chǎng)地布置及運(yùn)輸路線、吊裝流程（包括預(yù)制區(qū)分片吊裝裝車和總裝區(qū)分片吊裝裝車）和吊裝計(jì)算報(bào)告。

（1）在規(guī)劃運(yùn)輸路線及吊機(jī)站位時(shí)，首先需要確定各層平臺(tái)的建造場(chǎng)地，然后對(duì)運(yùn)輸路徑進(jìn)行合理規(guī)劃。

（2）在車間內(nèi)建造的平臺(tái)，需要注意天車的吊鉤最高起吊高度為18m，吊點(diǎn)的布置上要配合吊帶的角度，防止吊鉤超過18m。

（3）從各層的平面圖中確定吊機(jī)作業(yè)半徑及吊機(jī)站位。在確定吊機(jī)作業(yè)半徑時(shí)，應(yīng)保證平臺(tái)的最大外伸部分與吊臂之間的距離大于3m，以防吊裝過程中由于工件晃動(dòng)而與吊臂發(fā)生碰撞。需要注意的是，隨著平臺(tái)高度的增加，吊機(jī)的站位距離會(huì)越來越遠(yuǎn)。在CAD 中嘗試站位時(shí)，不能只考慮單層平臺(tái)與吊臂的距離，還必須結(jié)合底下各層平臺(tái)的尺寸，并參考立面圖來放置吊機(jī)位置。為盡量縮小吊機(jī)作業(yè)半徑，吊臂可以轉(zhuǎn)動(dòng)的方式將工件向前推進(jìn)。

（4）吊機(jī)站位確定之后，根據(jù)吊機(jī)性能表選擇適當(dāng)?shù)呐渲?，必要時(shí)還應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)某鹋渲亍３鹋渲乇M量不要超過150t，以防吊機(jī)行動(dòng)不便。

（5）布置吊耳位置時(shí)，應(yīng)盡量將吊耳布置在主梁上，以保證工件吊裝時(shí)的剛度。如若實(shí)在無(wú)法布置在主梁上，只能布置在次梁上時(shí)，可對(duì)次梁設(shè)置加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，通過剛度校核后，方可實(shí)施。

4 吊裝強(qiáng)度計(jì)算

分片吊裝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算和運(yùn)輸強(qiáng)度計(jì)算采用國(guó)際化的通用結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件——STAAD.Pro。STAAD.Pro 軟件通過其友好的用戶界面，可視化的工具、靈活的建模環(huán)境、高級(jí)的功能和流暢的數(shù)據(jù)協(xié)同，進(jìn)行工業(yè)廠房、設(shè)備與管道平臺(tái)及架構(gòu)、高聳結(jié)構(gòu)、大跨結(jié)構(gòu)、海洋工程、高層建筑和特種結(jié)構(gòu)的計(jì)算與分析，是設(shè)計(jì)公司理想的選擇。

海上升壓站的上部組塊和導(dǎo)管架，因各功能分區(qū)劃分的不同，設(shè)備、管道、電氣和儀表等專業(yè)的布置不規(guī)律，各層分片的尺寸和重量不同，因此各分片的重心位置也不同。要保證在吊裝運(yùn)輸過程中分片結(jié)構(gòu)不發(fā)生傾覆及塑性變形，必須要對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核，以保證結(jié)構(gòu)的安全。借助STAAD.Pro 軟件，可以高效準(zhǔn)確地完成這些工作，節(jié)約時(shí)間。

（1）根據(jù)分片預(yù)制方案，在TEKLA 模型中計(jì)算出分片結(jié)構(gòu)的重量和幾何重心。

（2）考慮吊機(jī)的吊裝能力（80%的額定荷載、吊鉤高度和工作半徑），估算吊耳數(shù)量并合理布置吊耳位置；結(jié)合吊鉤高度和水平位置，保證吊索與水平面夾角不小于60°，繪制重心及吊耳布置圖。一般的分片結(jié)構(gòu)宜設(shè)置4、6 或8 個(gè)吊耳，且吊耳位于主梁或強(qiáng)節(jié)點(diǎn)上。

（3）應(yīng)用STADD.Pro 軟件，建立分片結(jié)構(gòu)模型→設(shè)置材料參數(shù)→指定構(gòu)件屬性→定義吊索→指定支座類型→定義基本荷載工況→定義荷載項(xiàng)→指定荷載到構(gòu)件→定義組合工況→設(shè)置檢驗(yàn)規(guī)范→定義分析類型→運(yùn)行分析→查看輸出結(jié)果及靜載下的重心位置；將STADD.Pro 軟件靜載下的重心位置與TEKLA模型中的重心位置相比較，如果偏差不大（一般是在500mm 之內(nèi)），則進(jìn)入STADD.Pro 軟件的后處理狀態(tài)，得到應(yīng)力比、位移統(tǒng)計(jì)值、梁?jiǎn)卧獌?nèi)力，并與規(guī)范限值進(jìn)行比較，滿足規(guī)范要求的結(jié)果形成計(jì)算報(bào)告。若STADD.Pro 軟件靜載下的重心位置與TEKLA 模型中的重心位置偏差較大，說明荷載模擬與實(shí)際荷載不相符，則需要通過調(diào)整荷載來調(diào)整STAAD 模型的重心位置，再次執(zhí)行計(jì)算。查看結(jié)果中根據(jù)靜態(tài)分析得到的重心位置，調(diào)節(jié)吊鉤位置，使吊鉤的連線通過重心相應(yīng)坐標(biāo)。

（4）進(jìn)行分析，進(jìn)入后處理模式。檢查構(gòu)件計(jì)算結(jié)果，對(duì)于應(yīng)力比值（一般出現(xiàn)在工況4）大于等于1 的構(gòu)件，應(yīng)先分析其所受荷載及桿件定義是否合理，并在確定其合理性的基礎(chǔ)上采取增大桿件的截面或增加臨時(shí)結(jié)構(gòu)的方法，減少應(yīng)力比值；重復(fù)進(jìn)行上述步驟，直至所有構(gòu)件均滿足規(guī)范要求的限值條件。形成包含計(jì)算模型截圖、工況荷載表、應(yīng)力比、節(jié)點(diǎn)位移統(tǒng)計(jì)、吊索力在內(nèi)的吊裝計(jì)算報(bào)告。

5 運(yùn)輸強(qiáng)度校核

在STAAD.Pro 模型中，刪除吊鉤點(diǎn)和吊索。根據(jù)涂裝區(qū)臨時(shí)墊墩擺放與退車示意圖，用鉸支支座模擬臨時(shí)墊墩，運(yùn)行程序，進(jìn)入后處理模式，查看結(jié)果。對(duì)于位移過大或應(yīng)力比超過1 的構(gòu)件，通過適當(dāng)增加支座數(shù)量或調(diào)整支座位置，使計(jì)算結(jié)果符合要求，并將調(diào)整后的支座布置（即臨時(shí)墊墩布置）反饋到涂裝區(qū)臨時(shí)墊墩擺放與退車示意圖上。

6 現(xiàn)場(chǎng)吊裝工作

正式吊裝前需進(jìn)行試吊，核實(shí)實(shí)際吊重，發(fā)現(xiàn)與設(shè)計(jì)吊重存在偏差時(shí)需經(jīng)技術(shù)核實(shí)后方可繼續(xù)作業(yè)。若發(fā)現(xiàn)異常情況，需停止作業(yè)，經(jīng)核實(shí)安全后方可繼續(xù)施工。

7 結(jié)語(yǔ)與展望

以上介紹了海上升壓站模塊分片預(yù)制方案和吊裝運(yùn)輸方案的設(shè)計(jì)技術(shù)，尤其側(cè)重對(duì)吊裝強(qiáng)度計(jì)算流程的敘述，下一步將就以下方面做更深入的研究：

（1）在進(jìn)行吊裝強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，設(shè)置4 個(gè)荷載工況，包括1 個(gè)基本工況和3 個(gè)組合工況。STAAD.Pro 軟件建模對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化（未考慮節(jié)點(diǎn)板重量），基本工況考慮了自重修正系數(shù)a（a 取值在- 1.3～- 1.1之間）。后續(xù)需進(jìn)一步縮小修正系數(shù)a 的取值范圍。

（2）在STAAD.Pro 軟件中設(shè)置材料屬性時(shí)，材料的許用應(yīng)力值需要考慮一定的安全系數(shù)，以作為由于材料缺陷、計(jì)算誤差等因素的強(qiáng)度儲(chǔ)備。安全系數(shù)的取值需要進(jìn)一步研究。