吸力式導(dǎo)管架基礎(chǔ)落駁技術(shù)

陳炳煥 洪天識 李曉勇 中交第三航務(wù)工程局有限公司廈門分公司

1.工程概況

長樂外海海上風(fēng)電場C區(qū)項目（總裝機規(guī)模為496MW），單機容量8MW及以上的海上風(fēng)力發(fā)電機組62臺，業(yè)主單位計劃2021年并網(wǎng)。其中本標(biāo)段三筒（吸力樁）導(dǎo)管架。本標(biāo)段中單套吸力式導(dǎo)管架基礎(chǔ)最重約2462t。

2.出運方式選擇

目前常用的吸力式導(dǎo)管架基礎(chǔ)出運方式有兩種，分別為SPMT軸線車運輸上船、起重船起吊落駁。

起重船落駁僅適合起重船與吸力樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)都在碼頭邊，且需滿足起重船起吊范圍內(nèi)方可起吊，對起重船起吊能力及碼頭參數(shù)要求高，局限性太大。故本文就針對SPMT軸線車運輸落駁方式進行技術(shù)研究。

3.運輸工裝

3.1 工裝結(jié)構(gòu)形式

結(jié)合本項目吸力式導(dǎo)管架的外形尺寸，吸力筒底部直徑為10m，考慮后續(xù)批次吸力樁直徑達到12m，因此工裝的設(shè)計兼顧考慮了兩種不同類型的吸力樁導(dǎo)管架。

該吸力樁導(dǎo)管架建造完成后，采用豎直運輸方式，即吸力樁底部圓筒與運輸工裝直接接觸，為了使吸力樁筒壁的結(jié)構(gòu)強度滿足要求，需要保證吸力樁圓壁與運輸工裝的接觸面比率。

吸力式導(dǎo)管架采用SPMT滾裝裝船方式，因此運輸工裝的設(shè)計需考慮SPMT布置方式和載運船舶的甲板尺寸。設(shè)計工裝結(jié)構(gòu)形式如圖1。

工裝由支撐梁與支座組成，支撐梁上下面由30mm厚鋼板焊接而成，上下面之間布置20mm厚筋板，筋板布置在兩種不同直徑吸力樁的下部，保證運輸過程中支撐梁的剛性。支腿上面用30mm厚鋼板，主立筋用30mm厚鋼板，底面用20mm鋼板焊接一體，支腿底面鋼板規(guī)格為3000mm×1100mm。每套吸力式導(dǎo)管架使用出運工裝3 套，每套工裝重量為48085kg，工裝總重為48085kg×3=144.255t。裝船整件（吸力筒+導(dǎo)管架+過渡段+附屬件）重量約2462t，設(shè)備+出運工裝總重2462t+144.3t=2606.3t。地面承載面積3m×1.1m×6×3=59.4m2。

3.2 工裝強度與變形分析

吸力樁立式轉(zhuǎn)運工裝是為風(fēng)電項目新設(shè)計的轉(zhuǎn)運工裝，由于受載較大，有必要進行有限元強度和變形分析。依據(jù)設(shè)計圖紙和相關(guān)技術(shù)參數(shù)進行有限元建模，分別考慮吸力樁和工裝放置在模塊運輸車、吸力樁和工裝放置在地面兩種工況進行分析，得到如下結(jié)論：

①當(dāng)轉(zhuǎn)運工裝放置在模塊車上時，最大應(yīng)力93.3MPa，最大變形3.64mm，此時安全系數(shù)不小于3.48；②當(dāng)轉(zhuǎn)運工裝放置在地面上時，最大應(yīng)力103.7MPa，最大變形1.86mm，此時安全系數(shù)不小于3.13。綜合兩種工況分析結(jié)果可知，轉(zhuǎn)運工裝強度可以滿足設(shè)計要求。

工況一：工裝放置在模塊車

當(dāng)工裝放置在模塊車上時，需要考慮工裝和模塊車的接觸面，此時將模塊車簡化為一定厚度的鋼板，保證模塊車和工裝接觸面與圖紙相符即可。

幾何建模及條件假設(shè)：

①模塊車簡化為一定厚度的鋼板，采用實體進行建模；②工裝采用片體建模，后續(xù)有限元模型中賦予相應(yīng)厚度；③忽略對有限元分析結(jié)果影響較小的小孔、小倒角、小圓角等細節(jié)特征；④考慮一定長度的吸力筒，直徑為10m，同樣采用片體建模，后續(xù)賦予相應(yīng)厚度和等效密度，以保證其最大載荷達到800t；⑤不考慮焊縫材料的影響，認為焊縫和母材材料性能相同；⑥忽略材料的各項異性，同時認為材料變形始終在彈性范圍內(nèi)；⑦重力加速度采用標(biāo)準值，為9.81m/s2。圖2為吸力樁和轉(zhuǎn)運工裝整體幾何模型，轉(zhuǎn)運工裝幾何模型。

圖2 吸力樁、轉(zhuǎn)運工裝幾何模型

圖3為轉(zhuǎn)運工裝的等效應(yīng)力分布圖，可見最大等效應(yīng)力為93.3MPa，位于20mm厚豎向筋板上，該筋板下方為模塊車。

圖3 等效應(yīng)力分布圖

圖4為整體變形量分布，可見最大變形為3.64mm，位于工裝邊緣，該邊緣由于懸空而產(chǎn)生變形。

圖4 整體變形量分布圖

工況二：工裝放置地面上 。

圖5為該工況下轉(zhuǎn)運工裝等效應(yīng)力分布，可見最大應(yīng)力位于工裝支座20mm厚的豎向筋板上，為103.7MPa。

圖5 等效應(yīng)力分布圖

圖6顯示了工裝支座的等效應(yīng)力分布，由于該工況下支座起支撐作用，故最大應(yīng)力位于支座上，為103.7MPa。

圖6 工裝支座的等效應(yīng)力分布圖

圖7為整體變形量分布，可見最大變形為1.86mm，位于懸空位置。

圖7 整體變形量分布圖

綜合兩種工況分析結(jié)果可知，轉(zhuǎn)運工裝強度可以滿足設(shè)計要求。

4.運輸車參數(shù)選擇

以本項目最大尺寸的吸力式導(dǎo)管架為例，擬使用3組2縱列共132軸線SPMT+6PPU 進行導(dǎo)管架運輸，運輸配車圖（如圖8）通過配車圖中可知，貨物凈重約2607t，車重約637.2t，車貨總重約為3244.2t，車輛額定軸載 48t，軸載為3244.2t/（44軸＊3）=24.58t/軸，安全系數(shù)為K安全系數(shù)=G額定載荷/G載荷=48/24.58=1.95>1.3。

圖8 運輸配車圖

5.運輸穩(wěn)定性

設(shè)備運輸過程中使用三點支撐編點方式，三點支撐編點穩(wěn)定性更好，故以三點支撐編點為例進行介紹。如圖9所示。

圖9 三點支撐編點示意圖

H—模塊與車輛的重心高度值；

h1、h2、h3—重心到車輛液壓支撐三角形三邊的距離，其中h3的距離最短。

角α—靜態(tài)傾翻角=arctan(h3/H) 。

注：靜態(tài)傾翻角α角度與貨物的穩(wěn)性角α角度大小成正比，靜態(tài)傾翻角θ角越大，則運輸?shù)姆€(wěn)定性越高。根據(jù)挪威船級社相關(guān)規(guī)范，在公路運輸或滾裝運輸中，靜態(tài)傾翻角大于7°視為安全。

通過建模配車，設(shè)備重心距離支撐三角形的最短距離h3=8660mm，設(shè)備重心高度約為H=39800mm+工裝高度（1300+580）mm=41680mm。

則靜態(tài)傾翻角大小為：θ=arctan(h3/H)=arctan(8660/41680) ≈12°。

綜上，運輸穩(wěn)定性滿足要求。

6.滾裝上船

根據(jù)滾裝工藝的要求，重大件滾裝上船時，船舶甲板應(yīng)保持與碼頭面基本持平，滾裝平臺前沿高程需結(jié)合潮位、波浪、船舶等綜合考慮。

為滿足上船條件，只有當(dāng)碼頭平面與船駁的甲板面落差不超過±10cm時，方才適合滾裝運輸上船。由于船駁承受壓力吃水度加大，為保證滾裝的順利進行，必須通過壓艙水的調(diào)載，亦或利用自然潮汐的漲落，以確保SPM T運行正常安全，即碼頭平面與駁船甲板面的落差不超過±10cm。

表1 SPMT軸線車參數(shù)（6軸）

表2 SPMT軸線車參數(shù)（4軸）

6.1 滾裝流程

①潮汐說明：根據(jù)國家海洋信息中心發(fā)布的潮汐站點情況，據(jù)當(dāng)?shù)氐某毕碜鳛楸敬雾椖孔鳂I(yè)的潮汐參考依據(jù)，再根據(jù)實際測量結(jié)果確定低潮、平潮、高潮時的差距，以滿足實際作業(yè)時需要。（配合潮汐表，以滾裝當(dāng)日為滾裝時間計算）

② 滾裝作業(yè)預(yù)計時間：要根據(jù)潮汐情況分析裝船時船舶的浮態(tài)變化，確定壓載水調(diào)節(jié)方案，以保證吸力式導(dǎo)管架的裝船全過程順利進行，在滾裝過程中，模塊車指揮和運輸船調(diào)載指揮密切配合，確保模塊車運輸過程與調(diào)載過程相匹配。

裝船過程中SPMT 運行速度暫定為1.5m/min。裝船時間約持續(xù)2h/臺。

③鋪設(shè)鋼板：按設(shè)計位置在碼頭前沿與滾裝所用船泊的甲板前鋪設(shè)好滾裝所需的6塊鋼板30mm＊2200mm＊10540mm。

④ 操縱模塊車使運輸貨物中線與運輸船中線對齊，模塊車靠近跳板等待潮水到位，準備上船。

⑤運輸船預(yù)先適當(dāng)進行壓水，便于滾裝過程中調(diào)整船的狀態(tài)，整個滾裝作業(yè)需在漲潮時間段完成。

⑥用遙控器操作模塊車通過跳板向船泊甲板行駛，開始滾裝作業(yè)。

⑦在整個滾裝作業(yè)過程中，模塊車馱著吸力式導(dǎo)管架要緩慢駛上運輸船，持續(xù)檢查碼頭與船的甲板間的高度差，使得高度差保持在100mm之內(nèi)，當(dāng)高度差超過時，應(yīng)停止車輛行駛，等待潮水或?qū)Υ斑M行調(diào)載，等高度滿足要求時繼續(xù)滾裝。

⑧在滾裝過程中始終控制好船泊前后高度差和左右高度差，將姿態(tài)始終調(diào)載到安全范圍內(nèi)。

⑨在滾裝過程中，車輛行駛與平臺升降要始終與船泊的調(diào)水相結(jié)合，控制好車輛行程及各支承點壓力，控制好整個船泊的姿態(tài)。

⑩當(dāng)車輛完全通過跳板駛上船的甲板時，操作車輛繼續(xù)行駛，直至將導(dǎo)管架完全運到指定位置。

?操作車輛降低平臺，將吸力式導(dǎo)管架在船舶指定位置放下。

?繼續(xù)降低車輛，使得車輛完全與運輸?shù)呢浳锩撾x。

?拆除并車線，使得車輛恢復(fù)到并車前的各個車組。

?各車組分別采用各自的遙控器操作，從運輸?shù)呢浳锵埋偝?，在高度許可時，沿跳板行駛到碼頭上，滾裝結(jié)束。

7.結(jié)論

針對吸力式導(dǎo)管架基礎(chǔ)特點設(shè)計專用運輸工裝和運輸配車參數(shù)，制定專項軸線車運輸落駁方案，并通過采用有限元結(jié)構(gòu)設(shè)計計算分析軟件進行吸力式導(dǎo)管架裝載、運輸過程中的相關(guān)鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，分析中考慮個別支撐點支撐失效的分析工況。該落駁技術(shù)已經(jīng)成功地在長樂外海海上風(fēng)電場C區(qū)項目工程中進行實踐，并取得成功。這對今后海上風(fēng)電超大超重吸力式導(dǎo)管架基礎(chǔ)的出運提供寶貴的經(jīng)驗借鑒。