海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)葉輪吊裝施工技術(shù)

陳鳳云，沙欣宇，范肖峰，葛 暢

(1. 中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2. 浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122； 3. 浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021)

隨著海上風(fēng)電行業(yè)的大力發(fā)展，海上風(fēng)機(jī)逐漸向大型化、深海化發(fā)展[1-2]。風(fēng)機(jī)葉輪作為風(fēng)機(jī)發(fā)電的重要組成部分，有著離海平面高、葉片巨大等特點(diǎn)[3]。海上風(fēng)機(jī)機(jī)組施工時(shí)，涉及到大量的起重作業(yè)、高空作業(yè)，同時(shí)存在突風(fēng)、雷暴、臺風(fēng)等自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)以及觸電、溺水等其他安全風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)源較多，安全風(fēng)險(xiǎn)管控難度大。風(fēng)機(jī)葉片長度一般近百米，且海上風(fēng)速較快，吊裝施工難度較大。

目前風(fēng)機(jī)的常用安裝方式為整體式吊裝，在組裝基地將機(jī)艙、輪轂、葉片、塔筒4類主要部件組裝成整體后通過特種運(yùn)輸船運(yùn)輸至施工現(xiàn)場，通過大起吊能力的起重船采用雙臂抬吊的方式完成整體風(fēng)機(jī)組件的安裝工作。但是該方法對對施工環(huán)境要求高，可利用的起重船來源較少，且對碼頭要求高。而葉輪吊裝施工方法對海上運(yùn)輸條件要求較低，風(fēng)險(xiǎn)較小，且施工方法較簡單。

目前，許多學(xué)者對海上風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)與安裝[4-6]、整體吊裝方式[7-10]等開展了相關(guān)的研究，對海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)葉輪吊裝施工技術(shù)的相關(guān)研究較為匱乏，葉輪吊裝施工技術(shù)的相關(guān)規(guī)范目前也有缺失，因此對海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)葉輪吊裝施工技術(shù)的研究對控制海上風(fēng)機(jī)的安裝風(fēng)險(xiǎn)有著重要作用。結(jié)合江蘇啟東某海上風(fēng)電場風(fēng)機(jī)建設(shè)項(xiàng)目，對海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)葉輪吊裝施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，對后續(xù)類似工程施工建設(shè)具有參考意義。

1 工程概況

江蘇某海上風(fēng)電場工程位于江蘇啟東近海海域，場區(qū)中心離岸距離約32 km，海底地形變化較為平緩，水深在6～13 m之間。場區(qū)形狀呈矩形，南北長約8 km，東西寬約5 km，規(guī)劃海域面積40 km2，規(guī)劃裝機(jī)容量250 MW。風(fēng)機(jī)安裝中設(shè)計(jì)有葉輪式吊裝，輪轂尺寸為9 m×7.5 m×7.5 m，重110 t，對船機(jī)硬件設(shè)施要求較高。

2 葉輪吊裝工藝流程

2.1 塔筒下段預(yù)拼裝

在塔架法蘭處安裝起重支架，預(yù)緊固起重支架的螺栓，為主起重機(jī)裝上吊帶,將吊帶安裝到起重支架上。將調(diào)節(jié)板(位置1)安裝到吊鉤上(位置2，見圖1)。調(diào)節(jié)板根據(jù)法蘭厚度而特定。確保鎖定機(jī)構(gòu)(位置3)處于吊鉤的上部。繩索操作員將溜繩(位置1)系到吊鉤上，根據(jù)吊裝指導(dǎo)，將吊帶與卸扣系到吊鉤上。開啟鎖定機(jī)構(gòu)，使鎖定爪(位置2)遠(yuǎn)離塔架法蘭。

圖1 葉輪吊鉤圖

在第2臺起重機(jī)吊鉤上安裝吊帶，將吊鉤放置于塔架法蘭頂部。在起吊吊鉤時(shí)，使吊鉤停靠在塔架中間。在不向吊鉤上施加塔架負(fù)載的情況下，采用起重機(jī)將吊鉤上吊帶收緊。將吊鉤上溜繩移除。將4列×12層階梯的穩(wěn)定板放置在將豎立塔架的地面上，布置穩(wěn)定板。

在塔架底部法蘭兩側(cè)分別系上1根溜繩。用主起重機(jī)與副起重機(jī)將塔架由水平位置吊至垂直位置。在塔架完全處于垂直位置后，用主起重機(jī)將塔架置于穩(wěn)定板堆垛中間。將塔架轉(zhuǎn)至吊鉤剛好處于兩穩(wěn)定板中間的位置。松開棘輪箍帶并將其從塔架法蘭和吊鉤上移走。將吊鉤與吊帶松開。用叉車將吊鉤推向塔架中心，直至吊鉤從塔架法蘭上松開。采用主起重機(jī)將塔架吊離穩(wěn)定板，并將塔架放置在基礎(chǔ)上。塔筒豎立完成后，放置在存儲工裝上。

2.2 安裝船駐位

自升式平臺船由拖輪拖航行至施工海域，拖輪降低航速，根據(jù)預(yù)先輸入的機(jī)位GPS位置，準(zhǔn)備就位。

自升式平臺船抬升作業(yè)。船舶在移船的過程中就開始對船進(jìn)行調(diào)平，定位后各項(xiàng)數(shù)據(jù)核查無誤后開始抬升；抬升的過程中要根據(jù)船舶的水平狀態(tài)控制各條腿的下降速度。同時(shí)在抬升的過程中對4條樁腿進(jìn)行預(yù)壓；為不使船體由于起吊等作業(yè)引起傾覆力矩、風(fēng)浪等外部環(huán)境使樁腿繼續(xù)下陷，導(dǎo)致船體在作業(yè)時(shí)發(fā)生傾斜，在船體正常作業(yè)以前，必須對全部樁腿進(jìn)行預(yù)壓，使樁腿地下的地基土層所承受的載荷能達(dá)到或超過工作狀態(tài)；樁腿承載預(yù)壓達(dá)到額定值時(shí)抬升船離開水面，為了防止海浪對平臺船底的沖擊，平臺抬升高度應(yīng)高于氣象海浪。

2.3 定位駁、運(yùn)輸船駐位

定位駁船從風(fēng)機(jī)安裝平臺船左舷一側(cè)駐位，自航至施工機(jī)位約500 m范圍內(nèi)應(yīng)降低船速，然后由錨艇按既定的錨纜布置方位進(jìn)行下錨。定位駁船前后交叉拋4只定位錨，慢慢收緊錨纜。此時(shí)定位駁船至風(fēng)機(jī)安裝平臺船凈距控制在120～150 m。運(yùn)輸船靠泊定位駁船系纜后，定位駁船通過收放錨纜對運(yùn)輸船進(jìn)行移船，慢慢靠近平臺船，控制平臺船與運(yùn)輸船之間凈距約為5～10 m，完成定位駁船、運(yùn)輸船駐位。駐位方向與漲落潮水流方向一致，避免受水流影響造成運(yùn)輸船的走錨。

2.4 塔架安裝

2.4.1 底段塔筒安裝

底段塔筒采用垂直起吊方式，總重115.3 t。將塔筒吊具吊帶一端掛在主吊鉤上，另一端緊固在底塔上法蘭。與此同時(shí)，用清洗劑清潔基礎(chǔ)法蘭面，并涂平面密封膠，膠線呈葫蘆狀，直徑約 5 mm。緩緩起鉤至吊帶即將受力時(shí)停止起鉤，將底段塔筒與設(shè)備構(gòu)架在工裝上的固定裝置卸除。再次緩緩起鉤至底段塔筒離地100 mm靜置觀察1～2 min，同時(shí)在底段塔筒的下法蘭系上攬風(fēng)繩。在系上攬風(fēng)繩之前，用清洗劑清洗塔筒下法蘭平面。涂抹螺栓潤滑劑MoS2，螺栓上部露出2～3絲，涂抹長度13～15絲。涂抹原則為螺栓全潤滑，螺母及墊圈接觸面上的潤滑劑厚度約為0.1 mm。按全潤滑方式涂抹螺栓潤滑劑MoS2。

緩慢將塔筒吊至基礎(chǔ)法蘭上端，使塔筒緩緩下落，同時(shí)拉攬風(fēng)繩穩(wěn)定塔筒，避免塔筒外壁與基礎(chǔ)法蘭擦掛和碰撞。塔筒上升到基礎(chǔ)上方，快要下落到既定位置時(shí)，找準(zhǔn)兩法蘭的紅色“0”位標(biāo)記，先上穿入3個(gè)螺栓進(jìn)行定位，然后緩慢落下塔筒。對齊法蘭面后，擰入剩余螺栓、螺母和墊圈。先用電動沖擊扳手打緊所有連接螺栓。緊固時(shí)，先十字交叉對稱緊固4顆，然后按順時(shí)針方向?qū)ΨQ逐顆緊固剩余的螺栓。進(jìn)行液壓扳手緊固，緊固完成后方可松鉤并移除吊機(jī)，然后進(jìn)行塔筒法蘭連接螺栓緊固。

2.4.2 中1段塔筒安裝

第二節(jié)塔筒是平躺運(yùn)輸，所以從第二節(jié)塔筒開始需要對其進(jìn)行翻身，塔筒上下法蘭都需要安裝吊具，上部法蘭安裝起重支架，工裝螺栓使用電動扳手緊固。下部法蘭安裝起重吊鉤工裝螺栓使用電動扳手緊固。工裝安裝完成后，主吊機(jī)吊塔筒上法蘭，輔吊機(jī)吊塔筒下法蘭，2臺吊機(jī)進(jìn)行抬吊作業(yè)。塔筒翻身過程中，力矩班組在第一節(jié)塔筒上法蘭涂抹密封膠，在螺栓、螺母、墊片上涂抹潤滑劑MoS2，剩余安裝步驟參照底段塔筒安裝。中2段塔筒和上段塔筒安裝和中1段塔筒安裝方法相同。

2.5 機(jī)艙安裝

2.5.1 機(jī)艙起吊

將主機(jī)起吊至1.5 m高度左右，用干凈無紡抹布和專用清洗劑清理底部法蘭面的雜質(zhì)和銹跡。然后將主機(jī)與塔筒連接雙頭螺柱擰入到對應(yīng)孔位中。

2.5.2 機(jī)艙與塔筒對接

通過攬風(fēng)系統(tǒng)將機(jī)艙提升到超過頂節(jié)塔筒的上法蘭后，緩慢移動吊機(jī)，待機(jī)艙在塔筒的正上方時(shí)，將定位銷螺栓對準(zhǔn)塔筒的安裝孔位后，緩慢下降機(jī)艙，并緩慢移動吊機(jī)，直到所有螺栓穿入塔筒螺栓孔。將主機(jī)完全落下，吊機(jī)需負(fù)載一定的機(jī)艙重量，通過人字梯進(jìn)入機(jī)艙搬運(yùn)工具和物料，然后安裝螺母。用拉伸器將所有雙頭螺柱交叉、對稱先按終緊力的50%緊固，此時(shí)可以松鉤，再按終緊力的100%交叉、對稱緊固，緊固完成后對螺栓做好防松標(biāo)識進(jìn)行抽檢驗(yàn)收。

2.6 葉輪組裝、安裝

2.6.1 葉輪組對

吊機(jī)吊輪轂至象腿工裝的上方，調(diào)整輪轂變槳軸承的朝向軸承的朝向，使其中一個(gè)軸承的朝向與風(fēng)向基本一致，以減少風(fēng)對葉輪組裝的影響，同時(shí)還應(yīng)滿足兩個(gè)軸承在長象腿側(cè)，另一個(gè)軸承在短象腿側(cè)。最后使用螺栓將輪轂與象腿工裝之間固定牢靠。葉輪安裝過程中10 min平均風(fēng)速必須小于等于8 m/s，確認(rèn)安裝葉輪當(dāng)日風(fēng)力是否滿足起吊要求。葉片運(yùn)輸至現(xiàn)場后，檢查是否安裝完成雙頭螺柱，如未安裝，需在葉片起吊前完成安裝，螺柱的螺紋應(yīng)涂覆有指定的螺紋鎖固劑，并用管鉗將螺柱旋入，螺柱外露長度應(yīng)符合風(fēng)機(jī)要求。

葉輪組對采用專用吊具進(jìn)行安裝，相當(dāng)于雙機(jī)抬吊；在葉片的葉根處和葉尖處分別系上纜風(fēng)繩，防止葉片轉(zhuǎn)動，葉尖處需使用保護(hù)套，防止纜風(fēng)繩對葉片造成損壞。

主吊機(jī)將葉片緩慢抬起，通過調(diào)整吊機(jī)的幅度和回轉(zhuǎn)角度及拉拽纜風(fēng)繩，調(diào)整葉片轉(zhuǎn)向，將葉根移近輪轂軸承面。通過變槳操作，使葉片上的零刻度與輪轂上對應(yīng)的軸承面零刻度對正；然后主吊機(jī)將葉片螺柱緩緩送入變槳軸承安裝孔，直至兩法蘭面相互貼合。最后從輪轂內(nèi)部擰入墊片和螺母，按要求分次進(jìn)行緊固，每緊固一次后用記號筆劃一道橫線作為標(biāo)記。

2.6.2 吊裝風(fēng)輪

風(fēng)輪軸承變槳，葉片后緣朝上，三葉片變槳角度應(yīng)一致；將葉片鎖推上齒槽，鎖緊螺栓，待風(fēng)輪吊裝完成后再將葉片鎖解除；風(fēng)輪采用正吊，單吊點(diǎn)吊裝，但在風(fēng)輪翻身過程中需用到一主一輔兩個(gè)吊點(diǎn)，主吊點(diǎn)位于輪轂上，輔吊點(diǎn)位于主吊點(diǎn)對應(yīng)葉片上，具體位置為距葉根法蘭約58m 吊點(diǎn)處。拆除導(dǎo)流罩上主吊點(diǎn)對應(yīng)吊裝孔封板及前鋼架連接塊，用主吊鉤連接吊帶將風(fēng)輪吊具吊至主吊點(diǎn)，用螺栓將工裝安裝在主吊點(diǎn)上。同時(shí)用扁平吊帶捆綁在輔吊點(diǎn)，掛入輔吊吊鉤，安裝時(shí)注意不能傷及導(dǎo)流罩與葉片。用電動扳手加套筒拆卸風(fēng)輪支架與輪轂之間的連接螺栓。主吊和輔吊同時(shí)平穩(wěn)起吊，先離地100 mm靜置觀察5～10 min確認(rèn)無誤后，緩慢起吊風(fēng)輪離地面1 m左右，用清洗劑清潔風(fēng)輪與主軸安裝面。

用主吊起升風(fēng)輪，同時(shí)輔吊托引葉片，并配合主吊變幅，直到風(fēng)輪達(dá)到垂直狀態(tài)，然后卸掉輔吊吊帶，將輔吊葉片上的護(hù)板拉下。拽住纜風(fēng)繩，按照正確的方向牽引風(fēng)輪，在吊升過程中要保證繩子張緊，以避免葉片撞擊它物；風(fēng)輪緩緩吊升至主軸法蘭面高度，用主吊和繩子配合，拉動風(fēng)輪到主軸法蘭面正前方位置；根據(jù)機(jī)艙內(nèi)工作人員的無線電指示，將風(fēng)輪小心向主軸法蘭面靠近；同時(shí)調(diào)整吊鉤擺幅控制風(fēng)輪軸線和機(jī)艙軸線重合；通過機(jī)艙前擋板上的維護(hù)通道蓋板，觀察主軸法蘭面上的安裝孔是否跟風(fēng)輪法蘭上安裝孔正對，不正則松開高速軸制動器，通過控制齒輪箱尾部的盤車裝置帶動主軸轉(zhuǎn)動，使孔位對正；對齊后，繼續(xù)使風(fēng)輪靠近主軸法蘭面；用對稱2根雙頭螺栓旋入風(fēng)輪安裝孔后繼續(xù)進(jìn)給，直至兩法蘭面完全對齊貼合；用手電筒檢查各螺柱孔是否對齊；法蘭面貼合后，將螺桿旋入風(fēng)輪，用電動沖擊扳手交叉對稱拉緊螺栓。

確認(rèn)風(fēng)輪安全固定達(dá)到摘鉤條件后，緩慢釋放主吊載荷；拆除風(fēng)輪專用吊具；用液壓扳手交叉對稱拉緊所有主軸螺栓；最后復(fù)位導(dǎo)流罩上吊裝孔封板，然后用密封膠封住封板周邊間隙與螺孔間隙。將葉片鎖退出齒槽并擰緊螺栓；將攬風(fēng)繩和牽引套從葉片上拉下來；完成風(fēng)輪組裝，風(fēng)機(jī)機(jī)組吊裝完成；風(fēng)輪機(jī)械和液壓鎖鎖定風(fēng)輪。

3 結(jié) 語

目前海上風(fēng)機(jī)葉片長度一般大于60 m，在復(fù)雜的海洋環(huán)境下，高空作業(yè)受到的影響較大。傳統(tǒng)的整體式風(fēng)機(jī)吊裝方法對施工環(huán)境以及運(yùn)輸船只要求較高。因此，提出一種海上風(fēng)機(jī)葉輪吊裝施工方法降低施工風(fēng)險(xiǎn)以及運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)。

提出塔筒下段預(yù)拼裝、安裝船駐位、定位駁船以及運(yùn)輸船駐位、塔架安裝、機(jī)艙安裝、葉輪組裝以及葉輪吊裝等施工工藝。

葉輪吊裝施工滿足該項(xiàng)目風(fēng)機(jī)的吊裝船只以及運(yùn)輸船只要求，在節(jié)約施工成本的情況下有效完成風(fēng)機(jī)安裝。