1 000 kV特高壓鋼管塔直升機(jī)吊裝方案研究

胡國勇，葉麗莎，薛少強(qiáng)

（湖北省電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430040）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和對(duì)資源優(yōu)化配置的高度重視，大力推進(jìn)特高壓輸電工程，以滿足不同地區(qū)日益增長的用電需求［1-2］。1 000 kV 特高壓交流雙回路鋼管塔的單基桿塔重量平均為200 多噸，且管材尺寸大，桿塔的運(yùn)輸及安裝帶來了較大的施工難度［3-6］。為了提高施工安全可靠性，加快施工進(jìn)度，提升送電線路機(jī)械化施工水平，同時(shí)避免傳統(tǒng)桿塔運(yùn)輸及組裝方式給周邊環(huán)境帶來的不利影響，應(yīng)大力推進(jìn)直升機(jī)運(yùn)輸及組裝桿塔技術(shù)研究［20］。

直升機(jī)吊裝鐵塔始于上世紀(jì)八十年代初，隨著航空事業(yè)的發(fā)展、飛行技術(shù)的熟練、配套機(jī)具的優(yōu)化以及經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，近年來直升機(jī)施工技術(shù)應(yīng)用在輸電工程中的案例增多［7-15］。目前國內(nèi)外輸電線路施工中較多采用輕型、中型直升機(jī)，已有較豐富的施工經(jīng)驗(yàn)，而在重型直升機(jī)吊裝組塔技術(shù)上還有待深入研究。針對(duì)1 000 kV 特高壓鋼管塔的直升機(jī)吊裝組塔方式，從設(shè)計(jì)角度對(duì)桿塔分段、吊段處理、輔助措施方面進(jìn)行了研究，提出了桿塔分段方案、吊段設(shè)計(jì)方案，并通過現(xiàn)場模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證了吊裝方案的可行性。

1 直升機(jī)吊裝鋼管塔難點(diǎn)

特高壓鋼管塔重量大、構(gòu)件尺寸大、構(gòu)造復(fù)雜，采用直升機(jī)吊裝主要存在以下兩方面難點(diǎn)。1）特高壓鋼管塔重一般在120～450 t 之間。直升機(jī)單次吊裝重量有限，以S-64F 直升機(jī)為例，在15 ℃氣溫下，500 m 海拔段該機(jī)型單次可吊裝重量不宜超過9.4 t，500～1 500 海拔段不宜超過8.0 t，故需研究將鋼管塔分段或分片吊裝方案［16］；2）采用整段或分段分片吊裝方案時(shí)由于需將部分斜材開斷，造成吊裝段不是穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，需增加輔助構(gòu)件以保證吊裝結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

為了解決以上難點(diǎn)，需結(jié)合鋼管塔的結(jié)構(gòu)和直升機(jī)吊裝工藝的實(shí)際需求，研究合理的吊裝分段方案和塔段設(shè)計(jì)方案，以適應(yīng)直升機(jī)吊裝組塔工藝。

2 吊裝方案研究

2.1 直升機(jī)選型

目前國內(nèi)外常用的直升機(jī)主要有K-MAX、H125、H215、H225、Ka-32、S-64F、M-26 等。H125 為輕型直升機(jī)，最大外掛重量只有0.7 t，K-MAX、H215、H225、Ka-32 屬于中型直升機(jī)，最大外掛重量分別為2.7 t、4.5 t、4.5 t和5 t，S-64F和M-26屬于重型直升機(jī)，最大外掛重量分別為11.34 t和20 t。根據(jù)國內(nèi)外直升機(jī)吊裝經(jīng)驗(yàn)［17-20］，由于特高壓鋼管塔重量與尺寸大，輕型、中型直升機(jī)并不適用，需采用重型直升機(jī)。對(duì)比S-64F和M-26，S-64F機(jī)型用于專業(yè)吊掛，具有抗扭轉(zhuǎn)裝置和用于吊裝的控制操作倉，機(jī)動(dòng)靈活性能、飛行技能均優(yōu)于M-26，且有吊裝鋼管塔工程實(shí)例。因此，針對(duì)特高壓鋼管塔采用S-64F 直升機(jī)吊裝更優(yōu)，其主要特性見表1。

表1 S-64F直升機(jī)主要特性參數(shù)Table 1 Main characteristic parameters of helicopter

直升機(jī)吊裝外荷載與氣溫、海拔及作業(yè)時(shí)長等有關(guān)，S-64F位于不同海拔高度連續(xù)作業(yè)1 h的最大外荷載見表2［21］，連續(xù)作業(yè)30 min的最大外荷載見表2中括號(hào)內(nèi)數(shù)值。

表2 S-64F直升機(jī)最大外載荷明細(xì)表Table 2 List of maximum external load of S-64F helicopter

2.2 吊段確定的基本原則

確定吊段的主要原則如下：1）在滿足直升機(jī)吊裝能力前提下，采用整體分段吊裝，減少吊裝次數(shù)，以提高效率。2）當(dāng)整體分段超出直升機(jī)吊裝能力時(shí)，可拆除一些輔材以減輕吊重，但拆除后的吊段結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的剛度不致造成過大變形，以保證吊裝安全性。3）無法整體分段吊裝時(shí)，可分片（塊）吊裝，但需滿足吊片（塊）的結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。

2.3 吊段設(shè)計(jì)方案

1 000 kV特高壓鋼管塔目前已經(jīng)形成了較為完善的鐵塔通用設(shè)計(jì)模塊，大量的設(shè)計(jì)改動(dòng)會(huì)加重設(shè)計(jì)和制圖工作量，因此應(yīng)研究小規(guī)模但可操作性強(qiáng)的設(shè)計(jì)吊裝方案。

1）橫擔(dān)吊裝方案

橫擔(dān)吊裝采用橫向?qū)臃绞竭M(jìn)行吊裝，在橫擔(dān)主材分段處增設(shè)法蘭，法蘭與主材鋼管垂直，需保證分段后橫擔(dān)段為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 鋼管塔橫擔(dān)吊裝方案Fig.1 Hoisting scheme of cross arm of steel tube tower

2）塔身單段吊裝

塔身段采用單段吊裝方案時(shí)需將伸入主材對(duì)接點(diǎn)以下的斜材增設(shè)法蘭斷開，同時(shí)增設(shè)側(cè)向輔助材使斜材固定于主材處，以保證整體吊裝結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，如圖2所示。

圖2 鋼管塔單段吊裝方案Fig.2 Single section hoisting scheme of steel pipe tower

3）二分之一片吊裝

對(duì)超過單段吊裝重量限值的塔段，可采用前后兩片分開吊裝方式。對(duì)有橫隔面的塔身段，可在側(cè)面橫隔中點(diǎn)處增設(shè)對(duì)接法蘭，使前后兩片吊段為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。對(duì)沒有橫隔的塔身段，可在側(cè)面增加一根橫材，并在橫材中點(diǎn)增設(shè)對(duì)接法蘭，使前后兩片吊段為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 鋼管塔二分之一片吊裝方案Fig.3 Hoisting scheme for half piece of steel pipe tower

4）四分之一片吊裝

對(duì)有橫隔面的塔身段，當(dāng)不能滿足二分之一片吊裝重量限值時(shí)，可采用四分之一片吊裝方式，在正側(cè)面橫隔材中點(diǎn)增設(shè)對(duì)接法蘭，使吊段為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 鋼管塔四分之一片吊裝方案Fig.4 Hoisting scheme for quarter piece of steel pipe tower

5）塔腿吊裝

對(duì)滿足單腿吊裝重量限值的塔腿段，可在塔腿橫隔中點(diǎn)處增設(shè)對(duì)接法蘭，不滿足時(shí)可將單個(gè)腿分2 段或3 段吊裝，但需確保吊裝段為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 鋼管塔塔腿吊裝方案Fig.5 Hoisting scheme for legs of steel tube tower

2.4 吊裝用輔助設(shè)施設(shè)計(jì)

為達(dá)到直升機(jī)精準(zhǔn)吊裝鋼管塔的目的，需利用配套專用工具，主要有導(dǎo)軌、定位銷、拉線、絞磨等。根據(jù)上述吊裝設(shè)計(jì)方案，為保證吊裝時(shí)專用工具能可靠安裝在鐵塔桿件上，需設(shè)置相應(yīng)的施工掛板及施工孔，主要有臨時(shí)拉線板及導(dǎo)軌支座板。

臨時(shí)拉線板用于二分之一片、四分之一片和塔腿段吊裝時(shí)安裝反向拉線用，拉線板設(shè)置在主材上，每個(gè)拉線板上設(shè)置兩個(gè)拉線孔，如圖8所示。

導(dǎo)軌支座板用于固定導(dǎo)軌。導(dǎo)軌的作用是引導(dǎo)上下塔段主材進(jìn)行對(duì)接，實(shí)現(xiàn)法蘭螺栓孔初步定位。導(dǎo)軌分為導(dǎo)軌（安裝在下段）和限位裝置（安裝在上段），因此導(dǎo)軌支座板也需在上下塔段設(shè)置，如圖6所示。

圖6 塔身段導(dǎo)軌安裝圖Fig.6 Installation drawing of guide rail of tower body section

3 吊裝方案試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)桿塔參數(shù)

為驗(yàn)證以上設(shè)計(jì)吊裝方案的可行性，采用吊車進(jìn)行模擬直升機(jī)吊裝試驗(yàn)。試驗(yàn)采用塔型為SZC30106 AF，呼高為84 m，全高132.3 m，塔重為261.163 t，單線圖如圖7所示，各吊段的設(shè)計(jì)圖紙信息見表3。

表3 SZC30106A塔型各吊段信息Table 3 Information of each lifting section of SZC30106A tower

圖7 試驗(yàn)塔型單線圖Fig.7 Single line diagram of test tower

3.2 試驗(yàn)方案

3.2.1 塔腿段三層分段吊裝試驗(yàn)

112段+20段塔腿采用三層分段吊裝方式，以檢驗(yàn)主材對(duì)接方式、吊點(diǎn)位置、吊繩長度等。具體試驗(yàn)步驟如下：

1）吊裝塔腿A 段，并在對(duì)角45°方向設(shè)置反向拉線；

2）吊裝塔腿B 段與A 段對(duì)接，并在對(duì)角45°方向設(shè)置反向拉線；

3）吊裝塔腿C段與B段對(duì)接，并在鐵塔正、側(cè)面方向設(shè)置2 根拉線。塔腿設(shè)計(jì)分段及吊裝示意圖如圖8所示，試驗(yàn)如圖9所示。

圖8 塔腿段吊裝示意圖Fig.8 Hoisting diagram of tower leg section

圖9 塔腿段四分之一片吊裝試驗(yàn)Fig.9 Hoisting test of quarter piece of tower leg

3.2.2 四分之一片塔身段與塔腿段吊裝試驗(yàn)

18+19 段采用四分之一片塔段吊裝方式，設(shè)計(jì)分段如圖10所示，試驗(yàn)步驟如下：

圖10 18+19段設(shè)計(jì)示意圖Fig.10 Design sketch of 18+19 section

1）吊裝18+19塔段四分之一片A腿段，與20段對(duì)接，吊裝示意圖和試驗(yàn)圖分別如圖11-圖12 所示。檢驗(yàn)塔段吊裝過程及安裝完成后的穩(wěn)定情況，確定塔上反向拉線的連接順序，檢驗(yàn)塔上拉線系統(tǒng)，確定吊點(diǎn)位置、吊繩長度等。

圖11 18+19段1個(gè)四分之一片吊裝示意圖Fig.11 Hoisting schematic diagram of quarter piece of 18+19 section

圖12 塔身段四分之一片吊裝試驗(yàn)Fig.12 Hoisting test of quarter piece of tower body

2）參照步驟1）方式分別吊裝18+19 塔段四分之一片的C、B、D 腿段，與下段20 段對(duì)接，并在各腿主材設(shè)置反向拉線。

3）通過調(diào)整反向拉線，按A-B、A-D、C-B、C-D順序完成法蘭水平對(duì)接安裝。

3.2.3 二分之一片塔身段與塔腿段的對(duì)接試驗(yàn)

14、15 塔身段采用二分之一片吊裝方式，設(shè)計(jì)分段如圖13所示，試驗(yàn)步驟如下：

圖13 14、15、16段設(shè)計(jì)示意圖Fig.13 Design sketch of 14,15,16 section

1）吊裝15 段前側(cè)二分之一片與16 段對(duì)接，吊裝示意圖和試驗(yàn)圖分別如圖14-圖15所示。檢驗(yàn)塔段吊裝過程及安裝完成后的穩(wěn)定情況，確定塔上反向拉線的連接順序，并驗(yàn)證塔上拉線系統(tǒng)及防傾覆功能，確定吊點(diǎn)位置、吊繩長度等。

圖14 15段1個(gè)二分之一片吊裝示意圖Fig.14 Hoisting schematic diagram of half piece of 15 section

圖15 塔身段二分之一片吊裝試驗(yàn)Fig.15 Hoisting test of half piece of tower body

2）參照步驟1）方式吊裝15段后側(cè)二分之一片與下段16段對(duì)接。

3）通過調(diào)整反向拉線，完成15段前后兩片對(duì)接法蘭安裝。

4）參照步驟1）～步驟3）方式吊裝14 段，如圖16所示。

圖16 14段1個(gè)二分之一片吊裝示意圖Fig.16 Hoisting schematic diagram of half piece of 14 section

3.2.4 單段吊裝及橫擔(dān)吊裝試驗(yàn)

13+13A+12段采用單段吊裝方式，4段為橫擔(dān)吊裝方案，設(shè)計(jì)分段如圖17所示，步驟如下：

圖17 13、12段和4段設(shè)計(jì)分段示意圖Fig.17 Design sketch of 13,12 and 4 section

1）吊裝13段與14段對(duì)接，檢驗(yàn)變坡導(dǎo)軌、限位器功能及吊點(diǎn)位置、吊繩長度等。13段整段吊裝示意圖如圖18所示。

圖18 13段吊裝示意圖Fig.18 Hoisting schematic diagram of 13 section

2）參照步驟1）分別吊裝13A、12段。

3）吊裝4段橫擔(dān)與12段、13A段水平對(duì)接，檢驗(yàn)橫擔(dān)導(dǎo)軌、吊點(diǎn)位置、吊繩長度等。橫擔(dān)吊裝與塔身對(duì)接試驗(yàn)圖如圖19所示。

圖19 橫擔(dān)吊裝與塔身對(duì)接試驗(yàn)Fig.19 Cross arm hoisting and tower docking test

3.3 試驗(yàn)結(jié)論

在試驗(yàn)過程中，各項(xiàng)試驗(yàn)均順利通過，分片吊裝主材導(dǎo)軌對(duì)位順利，各段吊裝時(shí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、變形小，滿足直升機(jī)吊裝要求，達(dá)到了預(yù)期效果。試驗(yàn)驗(yàn)證了吊裝分段方案及設(shè)計(jì)方案的可行性，能滿足直升機(jī)吊裝的工藝要求。

4 結(jié)語

針對(duì)1 000 kV特高壓鋼管塔的直升機(jī)吊裝組塔方式，研究了吊裝分段方案和設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行現(xiàn)場模擬試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)論如下：

1）直升機(jī)吊裝1 000 kV 特高壓鋼管塔建議選擇S-64F重型直升機(jī)；

2）受直升機(jī)單次吊裝重量的限制，吊裝特高壓鋼管塔時(shí)，應(yīng)進(jìn)行合理的分段或分片設(shè)計(jì)；

3）對(duì)于桿塔分段或分片吊裝，可適當(dāng)增設(shè)橫材和對(duì)接法蘭，保證分段或分片后塔段仍為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；

4）塔段采用1/2或1/4片吊裝方式時(shí)，應(yīng)配合反向拉線，保證塔段之間順利的對(duì)接安裝；

5）桿塔吊段設(shè)計(jì)方案適用于多種鋼管塔塔型，改動(dòng)小可操作性強(qiáng)，有利于直升機(jī)吊裝技術(shù)的推廣。