海上風電7.5 MW風機葉片吊裝施工技術(shù)研究

周國興，孫煥鋒，雷 傳，葛 暢

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

隨著我國對新能源越來越重視，海上風電行業(yè)進入大力發(fā)展階段[1]。海上風機逐漸由近海向遠海發(fā)展，風機的發(fā)電功率以及體積也在逐漸增大[2]。海上風機的葉輪由周圍葉片與中心輪轂組成，是風機將風能轉(zhuǎn)化為機械能最為重要的一個構(gòu)件。

在風機機組各部件的運輸、安裝以及吊裝過程中，表面防腐、電氣設(shè)備、葉片等均容易磕碰損壞。其中，風機葉片較大，且葉輪距離海平面高度較高，受到風力影響，風機葉片的吊裝較為困難。常規(guī)的吊裝方法一般為葉輪整體吊裝，即將葉片在施工平臺上組裝完成后吊裝，該方法對施工環(huán)境要求較高，人力物力消耗較大。而葉片吊裝方法不需要大面積的施工平臺，節(jié)約人力物力。

目前，許多學者對海上風機的吊裝方式[3-7]、起吊與運輸船只穩(wěn)定性[8-10]等開展了相關(guān)的研究，但是，對海上風機葉片吊裝施工技術(shù)的研究較少，葉輪吊裝方式在施工船舶甲板的面積較小的工程中并不適用，因此研究葉片吊裝施工方法能有效減小施工風險。結(jié)合江蘇啟東某海上風電場風機建設(shè)項目，對大功率海上風機葉片吊裝施工關(guān)鍵技術(shù)進行研究，對后續(xù)類似工程施工建設(shè)具有參考意義。

1 工程概況

江蘇某海上風電場工程位于江蘇啟東近海海域，規(guī)劃海域面積40 km2，規(guī)劃裝機容量250 MW。本工程基礎(chǔ)施工為7.5 MW的單樁基礎(chǔ)及集成式附屬構(gòu)件施工，共計40個機位，單樁直徑分為6.5～7.2 m及6.5～7.48 m兩種，樁頂高程+13.0 m。鋼管樁樁長70～77 m，壁厚為64～78 mm，樁重約800～1 000 t，單樁最大長度77 m，最大重量約1 000 t。樁頂法蘭與上部風機塔筒通過法蘭系統(tǒng)進行連接。

2 葉片吊裝工藝流程

2.1 塔筒下段預(yù)拼裝

將二層設(shè)備分別吊放至指定安裝位置后，將底層平臺與其底部的支撐工裝連接固定。分別吊變壓器、變壓器輔助柜及電梯至底層平臺，吊變頻器至上層平臺，調(diào)整電氣柜位置、對準螺孔后，將電器柜與頂層平臺連接牢靠。底層平臺需安裝周圍的4個立柱，將立柱吊耳調(diào)整至朝向平臺中心位置，再將立柱與底層平臺連接牢固。組裝完成平臺吊具后，將安裝完成的上層和底層平臺連接，并安裝兩層平臺之間的風管及電纜掛架。然后吊上層平臺至底層平臺頂部，并連接固定。最后完成二層平臺的輔件安裝。

底段塔筒與設(shè)備連接安裝前，拆除塔筒的運輸支架和兩端法蘭支撐，并在底段塔筒的上法蘭處安裝4個專用吊具，安裝時，4個吊具需在法蘭面上均勻分布，且上部的2個吊耳連線、下部的2個吊耳連線均與地面平行；在下法蘭的頂部安裝2個專用吊具，兩個連線與地面平行。專用吊具安裝位置如圖1所示。

圖1 專用吊具安裝圖

塔筒翻轉(zhuǎn)通過安裝船上吊機協(xié)同抬吊完成，主吊機吊塔筒頂，輔吊機吊塔筒底。在起重指揮的統(tǒng)一指揮下，2吊機抬吊塔筒離開甲板面，之后主吊機緩慢抬升，副吊機在下放的同時逐漸向主吊機方向靠攏，并確保底部不與甲板面面發(fā)生剮蹭，最終使塔筒呈自由豎直狀態(tài)。輔吊機不受力后，解除其吊索具約束，并在底端法蘭上系上纜風繩，用以調(diào)整塔筒空間姿態(tài)并減少吊裝時的晃動。

將底段塔筒吊至設(shè)備構(gòu)架上方，調(diào)整塔筒與底部設(shè)備構(gòu)架同軸心，然后通過纜風繩旋轉(zhuǎn)塔筒，使爬梯對準電梯孔位置并緩緩下落至安裝位置。期間，安裝人員應(yīng)注意拉纜風繩減小塔筒晃動，避免塔筒及其內(nèi)部附件與設(shè)備發(fā)生磕碰。最后完成設(shè)備構(gòu)架與底段塔筒的連接。

2.2 塔筒下段安裝

將調(diào)節(jié)支撐安裝在指定位置上，并調(diào)整至最短，拆除頂部的封蓋板，然后將安裝中段塔筒所需的螺栓、扳手等組件和物料備齊，并放在下段塔筒頂部的平臺上，確認固定可靠后準備吊裝。將吊具安裝至下段塔筒的頂部法蘭上，安裝時，4個吊具需在法蘭面上均勻分布，再將吊索具掛在平臺船主吊機的主鉤上。然后緩緩抬升主鉤至吊索具即將受力時停止起鉤，最后將下段塔筒與臨時基礎(chǔ)的螺栓連接解除。

平臺船起吊塔筒至離開甲板10 cm時停止，觀察各吊索具受力狀態(tài)正常后，用清潔劑清洗塔筒下法蘭平面，在底法蘭處系纜風繩，然后將底段塔筒吊至基礎(chǔ)上方，期間通過纜風繩控制塔筒的擺動量。

待塔筒到達基礎(chǔ)上方后，主鉤緩緩下落，下放到離基礎(chǔ)頂部法蘭約10 cm左右時停止下放，旋轉(zhuǎn)塔筒至塔筒門的位置基本與基礎(chǔ)上的標記一致，然后在塔筒底部法蘭的12、3、6、9點四個方向上的法蘭孔內(nèi)插入定位銷，以確保下放過程中基礎(chǔ)頂部法蘭孔與下段塔筒底部法蘭孔能對齊。確認螺栓可在法蘭孔上自由穿入后，解除纜風繩，并將所有螺栓穿入法蘭孔，并用手將螺母臨時帶上。安裝墊圈時，有倒角的一側(cè)分別朝向螺母、螺栓頭部的支撐面；安裝螺母時，帶字頭的端面朝向外側(cè)。螺栓連接副完成臨時安裝后，吊機緩緩下放下段塔筒至基礎(chǔ)頂法蘭，下放完成后，吊機仍帶有5 t的力。然后使用使用電動沖擊扳手沖擊法蘭面上十字對稱的40顆螺栓，即十字方向上分別沖擊10顆螺栓，并手動帶緊所有螺栓，緊固力矩為1 000 Nm左右。再分別緊固至最終力矩的50%、100%，每緊固一次后，使用記號筆在螺栓上劃一條橫線作為標記。螺栓全潤滑，施加完最終力矩后，涂抹防銹油。當所有螺栓50%力矩值預(yù)緊完成后，吊機將吊力下降至0，并拆除塔筒吊具；當所有螺栓100%力矩值緊固完成后，方可安裝下一節(jié)塔筒。

完成下段塔筒安裝后，進行下述工作：①在基樁與底段塔筒連接處用硅膠內(nèi)外涂抹，將縫隙填平；②打開塔筒門，確認其完全打開后與門框角度大于90°；③吊裝外平臺階梯等其他設(shè)備。

2.3 塔筒中段及上段安裝

將中段及上段塔筒翻身后按上述步驟逐個安裝，注意保證塔筒內(nèi)爬梯在塔筒整體安裝完成后在同一直線上。安裝完成后，打開平臺上蓋板，確認與平臺角度大于90°，且不與其他零件干涉。

在塔筒內(nèi)作業(yè)時，要連接好照明，塔筒內(nèi)的照明設(shè)備需確認后，方可連接照明電纜和插座電纜，插座使用前檢查電壓，如無法使用，使用臨時照明系統(tǒng)進行照明。在塔筒和基礎(chǔ)，塔筒和塔筒對接完成后，須立即安裝爬梯連接件，并安裝爬梯護板，確保爬梯牢靠固定，并盡快將塔筒之間的線纜進行連接，如接地軟銅帶等。每段塔筒吊裝完成后，都須立即放下臨時鋼絲繩或連接安全滑軌，確保安裝過程中可使用安全滑塊。

確認塔筒內(nèi)螺栓的標記數(shù)量是否與要求的緊固次數(shù)一致，如一致，則代表塔筒內(nèi)所有螺栓的力矩均達到額定值，可以進行下一步機艙安裝。

2.4 機艙及輪轂組裝

1)盤車安裝。拆除聯(lián)軸器護罩及扭力扳手固定支架，并安裝齒輪箱輪滑電機。打開機艙底板吊物孔蓋板，并拆除2個掛梯，使用機艙小吊車將1 t小吊車吊入機艙，然后安裝在吊車橫梁上。使用吊車將盤車工裝及液壓站從機艙頂部的進物進人孔吊入。將盤車工裝和搭塊通過2個銷子進行連接。使用 1 t行走小車，通過盤車工裝自帶吊耳、吊環(huán)螺釘與盤車突出部分，使用3個葫蘆與行走小車之間用一個15 t卸扣進行連接。緩慢移動，調(diào)節(jié)盤車工裝法蘭盤，使法蘭盤的孔與剎車盤孔一一對應(yīng)，并用銷子將其緊固。通過1 t小吊車，緩緩使盤車工裝主體繞盤車圓心轉(zhuǎn)動。將盤車工裝上自帶螺栓螺紋端頂住盤車支架板。將盤車工裝自帶連接板下端通過鉸鏈轉(zhuǎn)至支架安裝板下方。使用銷子穿進連接板的安裝孔中，另一端使用螺栓連接副將一墊片與墊蓋與銷子緊固在一起。待盤車安裝好后，將液壓站從吊物孔中吊入機艙，并將動力站擺放在發(fā)電機后側(cè)。

2)輪轂翻身。身在輪轂的頂端安裝組合吊具，并安裝輪轂翻身吊具，吊索具選用軟吊帶。接觸輪轂與運輸基座的螺栓約束后，安裝輪轂底法蘭螺柱，再將輪轂提升至一定高度，翻身吊索具帶力，且組合吊具逐漸下放至不受力，完成輪轂翻身。

3)輪轂機艙組對。吊機將輪轂緩緩移動至機艙主軸法蘭面的正前方，并調(diào)整機艙與輪轂法蘭孔位對齊，然后吊機持續(xù)進給，移動輪轂至兩法蘭面貼合，最后手動上緊螺母并使用拉伸器緊固，緊固時按要求分次進行緊固，每緊固一次后用記號筆劃一道橫線作為標記。

2.5 機艙及輪轂整體吊裝

在輪轂吊裝門對門的面安裝防護網(wǎng)，并安裝踏板等輪轂內(nèi)其他工裝。在機艙法蘭上安裝限位銷。螺栓連接副等物料在機艙內(nèi)固定完畢后，隨機艙一同起吊。完成安裝機艙頂部附件后，安裝專用吊索具，吊索具前后共有4個卸扣和機艙連接，較短的一側(cè)連接機艙的前端，較長的一側(cè)配備有定制花籃螺栓，并連接機艙的后端，最后解除機艙固定約束。為加強成品保護，采用軟吊帶吊裝機艙，并在專用吊裝工裝的前端及尾端系纜風繩。

吊機主鉤將機艙抬升約10 cm后，靜候10 s左右并確認吊索具處于正常受力狀態(tài)后，主鉤繼續(xù)抬升，如產(chǎn)生機艙傾斜、吊帶未繃緊等狀況，立即停止吊裝。起吊的時候，保證機艙不與其他設(shè)備、配件等發(fā)生碰撞，同時通過纜風繩調(diào)整機艙的空間姿態(tài)和擺動情況。在機艙吊至距上段塔筒頂部法蘭10 cm左右時，吊機主鉤停止移動，將機艙上限位銷插入上段塔筒頂部法蘭孔內(nèi)，以確保法蘭孔之間對齊，確認所有螺栓可自由穿入后，然后迅速將所有螺栓帶上。安裝墊圈時，有倒角的一側(cè)應(yīng)分別朝向螺母、螺栓頭部的支撐面；安裝螺母時，帶字頭的端面應(yīng)朝向外側(cè)。吊機主鉤緩慢下放至機艙底法蘭與上段塔筒頂部法蘭貼合，這時吊機仍帶有30%的吊力。

使用液壓拉伸器以最終拉伸力的50%、100%兩次將螺栓緊固，首先先對法蘭面上十字對稱的20顆螺栓進行緊固，再按順序緊固其他螺栓，每緊固一次后用記號筆劃一道橫線作為標記，待所有螺栓均完成終擰后，通過機艙天窗到達機艙頂部，將吊索具解除。

2.6 葉片安裝

葉片起吊前，安裝纜風繩系統(tǒng)，并確認纜風繩系統(tǒng)能正常運作，無異樣。在專用葉片吊具的兩端分別系纜風繩，然后平臺船的主吊機吊起吊具，將單葉片吊具的中心移動到葉片的重心位置，并操作吊具夾緊葉片。期間，操作纜風繩控制吊具的擺動量防止與葉片發(fā)生磕碰。完成吊具的安裝后，拆除葉片與運輸架之間的螺栓約束，安裝之前未安裝的幾個雙頭螺柱，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，螺柱外露長度符合風機的要求。同時，還需在葉片上安裝定位銷。通過轉(zhuǎn)動盤車使帶有防護網(wǎng)的輪轂軸承面與水平面夾角120°，同時首個準備安裝葉片的軸承面呈豎直狀態(tài)。輪轂完成轉(zhuǎn)動后，鎖定風輪鎖，停止盤車，確認輪轂不處于旋轉(zhuǎn)自由態(tài)后，通過進人孔進入到輪轂內(nèi)部，準備進行葉片吊裝工作。主鉤緩緩起吊葉片，并檢查葉根處法蘭面是否處于豎直狀態(tài)，如法蘭面與豎直面夾角超過2°，則下放葉片并重新調(diào)整單葉片吊具與葉片重心的相對位置。

主吊機繼續(xù)抬升主鉤，并通過纜風繩系統(tǒng)調(diào)整葉片吊具的角度，將葉片吊至輪轂變槳軸承水平的一側(cè)。變槳調(diào)整葉片上的零刻度與輪轂的軸承面零刻度對正，然后將葉片法蘭與輪轂變槳軸承法蘭面緩緩對接，并手動擰6個螺母，最后將定位銷拆除。葉片安裝時，讓吊車點動到葉片安裝到輪轂最安全的位置，讓葉片平穩(wěn)緩慢的與輪轂對接，禁止螺柱在有明顯卡住的時候強行安裝。按指定順序分次對螺柱進行緊固，滿足葉片摘鉤條件后，解除單葉片吊具約束。將能夠緊固的葉片螺柱緊固后，并將輪轂內(nèi)的工具及物料帶出輪轂，打開風輪鎖，對高速剎車盤進行泄壓，人員盤車，將第二片葉片安裝位置轉(zhuǎn)至水平，最后重新鎖定風輪鎖。主吊機準備吊裝第二支葉片，確認輪轂鎖死后，將剩余的螺柱進行緊固，緊固完成后，手動變槳將已安裝完成的葉片由0°變至120°。

重復(fù)上述步驟，將第二支、第三支葉片吊裝完畢，最后將盤車與液壓站從機艙的吊物孔吊出，并及時安裝聯(lián)軸器及其附件。

3 結(jié) 語

大功率的海上風機葉片較大，受到風力等影響，風機葉片的吊裝較為困難。葉輪整體吊裝方法對施工環(huán)境要求較高，為減小施工面積，降低施工風險，提出一種大功率海上風機葉片吊裝施工方法。依次進行塔筒組裝、機艙及輪轂組裝、機艙及輪轂整體吊裝、葉片安裝。

水平單葉式吊裝技術(shù)順應(yīng)了海上大兆瓦機組的發(fā)展趨勢，避免葉輪三葉式吊裝中的制約因素，減少海上作業(yè)時間，降低海上風電場建設(shè)成本。