海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)導(dǎo)管架吊耳的設(shè)計(jì)

□ 王 磊

福建福船一帆新能源裝備制造有限公司 福建漳州 363211

1 設(shè)計(jì)背景

當(dāng)前,我國海上風(fēng)電正在快速發(fā)展,海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量已從過去的2 MW級(jí)別提高到如今的10 MW及以上級(jí)別,最大風(fēng)輪直徑已經(jīng)超過230 m,風(fēng)電場(chǎng)從潮間帶發(fā)展至中遠(yuǎn)海和深遠(yuǎn)海。隨著機(jī)組容量、風(fēng)輪直徑、風(fēng)電場(chǎng)水深的增大,傳統(tǒng)上較多采用的單樁基礎(chǔ)形式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)階段海上風(fēng)電場(chǎng)的開發(fā)需求。近年來,高樁承臺(tái)、導(dǎo)管架、吸力桶等多種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式在國內(nèi)得到大量應(yīng)用。

導(dǎo)管架基礎(chǔ)是海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒與水下樁基的連接段,這一基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式由海洋石油鉆井平臺(tái)發(fā)展而來,適用于水深為5～50 m的海域。導(dǎo)管架主體結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要包括導(dǎo)管架帽、導(dǎo)管、斜撐管、過渡段等部件。導(dǎo)管架主體結(jié)構(gòu)由工字鋼、板材、板材卷管焊接而成,材質(zhì)均為Q355ND鋼。導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式整體剛度較大,承載能力較強(qiáng),缺點(diǎn)是桿件比較多,焊接工作量比較大。

導(dǎo)管架體積龐大,質(zhì)量較大,在制造廠內(nèi)需要進(jìn)行組裝、翻身、轉(zhuǎn)運(yùn)等工序,制作完成后還要進(jìn)行裝卸船、海上風(fēng)電場(chǎng)吊裝等環(huán)節(jié)。由于吊裝設(shè)備、吊裝工藝存在差異,因此導(dǎo)管架吊耳需要基于具體應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行設(shè)計(jì),這樣才能保證導(dǎo)管架生產(chǎn)、運(yùn)輸、吊裝過程中的安全性。筆者對(duì)導(dǎo)管架吊耳進(jìn)行設(shè)計(jì),并進(jìn)行應(yīng)力與變形分析。

▲圖1 導(dǎo)管架主體結(jié)構(gòu)

2 導(dǎo)管架建造方法

導(dǎo)管架高度約為60 m,寬度約為25 m,質(zhì)量約為1 000 t。導(dǎo)管架生產(chǎn)工藝流程包括原材料數(shù)控切割下料、開焊接坡口、筒節(jié)卷制成型、縱縫焊接、縱縫超聲檢測(cè)、二次校圓、筒體拼裝、環(huán)縫焊接、環(huán)縫超聲檢測(cè)、主筒體尺寸檢測(cè)、零部件噴砂噴漆、導(dǎo)管架主體拼裝焊接、導(dǎo)管架主體合攏口超聲檢測(cè)、導(dǎo)管架主體尺寸檢測(cè)、合攏口油漆修補(bǔ)等重要工序。

導(dǎo)管架體積龐大,質(zhì)量較大,實(shí)際生產(chǎn)時(shí)可以選擇立式和臥式兩種建造方法。立式建造方法工藝流程為先制作運(yùn)輸框架,再立片組對(duì)進(jìn)行X型拉筋,之后合片形成整體結(jié)構(gòu),最后安裝過渡段等附件。臥式建造方法工藝流程為先立片組對(duì)進(jìn)行X型拉筋,再合片形成整體架構(gòu),之后臥式建造主體下部結(jié)構(gòu),最后與過渡段分段臥式合攏,完成總裝配。立式建造方法場(chǎng)地布置靈活,機(jī)動(dòng)性強(qiáng),但占地面積較大,作業(yè)工序不集中。臥式建造方法場(chǎng)地布置緊湊,作業(yè)工序比較集中,組裝方便。兩種建造方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。受廠房高度限制,筆者采用臥式建造方法。

與立式建造方法相比,臥式建造方法在建造工裝上花費(fèi)的時(shí)間增加30%以上。整體拼裝完成后,為便于導(dǎo)管架裝船運(yùn)輸,需要采取整體翻身的方式使其由臥式變?yōu)榱⑹健?dǎo)管架整體抬升如圖2所示,導(dǎo)管架空中翻身如圖3所示。

▲圖2 導(dǎo)管架整體抬升

▲圖3 導(dǎo)管架空中翻身

3 翻身吊耳應(yīng)力與變形分析

導(dǎo)管架翻身過程非常復(fù)雜,一旦操作不當(dāng),將會(huì)引發(fā)重大事故,給企業(yè)帶來巨大損失。導(dǎo)管架主體吊耳必須具備足夠的強(qiáng)度和剛度,這樣才能滿足導(dǎo)管架翻身的要求。三種翻身吊耳的結(jié)構(gòu)形式一致,均采用鋼板卷管焊接在導(dǎo)管架的導(dǎo)管上,區(qū)別僅在于翻身吊耳的焊接位置和外形尺寸。導(dǎo)管架生產(chǎn)之前,將焊接工藝評(píng)定送有國家資質(zhì)的第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行審核,并保證導(dǎo)管架所有主體焊縫的極限強(qiáng)度不低于母材的極限強(qiáng)度,由此僅需要分析翻身吊耳的極限強(qiáng)度和吊裝過程中的變形即可。

應(yīng)用ANSYS Workbench軟件對(duì)翻身吊耳進(jìn)行應(yīng)力分析,導(dǎo)管架和翻身吊耳均采用實(shí)體單元,彈性模量取2.1×1011Pa,泊松比取0.3,密度取7 850 kg/m3,翻身吊耳的許用應(yīng)力按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1591—2018《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》執(zhí)行,并且考慮不同板厚對(duì)許用應(yīng)力的折減。計(jì)算過程中,考慮不均衡載荷、導(dǎo)管架慣性載荷的影響,動(dòng)載荷安全因數(shù)取2。

導(dǎo)管架整體抬升過程中,導(dǎo)管架的質(zhì)量主要由翻身吊耳1和翻身吊耳3承受,翻身吊耳2不受力,因而對(duì)于導(dǎo)管架整體抬升過程,可以不對(duì)翻身吊耳2進(jìn)行強(qiáng)度校核。經(jīng)計(jì)算,翻身吊耳3垂向總受載荷為677 t,單個(gè)翻身吊耳3垂向受載荷為338.5 t,考慮2倍安全因數(shù),吊裝帶偏向角度為2.5°,單個(gè)翻身吊耳3受吊裝帶施加的載荷為677 t。翻身吊耳1垂向總受載荷為323 t,合成角度為30°,考慮2倍安全因數(shù),單個(gè)翻身吊耳1受吊裝帶施加的載荷為373 t。

導(dǎo)管架空中翻身過程中,翻身吊耳3受吊裝帶施加的載荷隨力矩變化逐漸減小,翻身吊耳1受吊裝帶施加的載荷隨力矩變化逐漸增大,翻身吊耳2依然不受力,可以不對(duì)翻身吊耳2進(jìn)行強(qiáng)度校核。經(jīng)計(jì)算,翻身吊耳3垂向總受載荷為647 t,單個(gè)翻身吊耳3垂向受載荷為323.5 t,考慮2倍安全因數(shù),單個(gè)翻身吊耳3受吊裝帶施加的載荷為647 t。翻身吊耳1垂向總受載荷為353 t,合成角度為30°,考慮2倍安全因數(shù),單個(gè)翻身吊耳1受吊裝帶施加的載荷為408 t。

導(dǎo)管架整體下落過程中,翻身吊耳3和翻身吊耳2受吊裝帶施加的載荷分別為500 t,合成角度為17.5°,考慮2倍安全因數(shù),單個(gè)翻身吊耳3和單個(gè)翻身吊耳2受吊裝帶施加的載荷為524 t。

綜合以上強(qiáng)度分析,單個(gè)翻身吊耳1所承受的載荷不超過408 t,單個(gè)翻身吊耳2所承受的載荷不超過524 t,單個(gè)翻身吊耳3所承受的載荷不超過677 t。單個(gè)翻身吊耳2應(yīng)力云圖如圖4所示,變形云圖如圖5所示。

三種翻身吊耳的應(yīng)力和變形分析結(jié)果見表1,許用應(yīng)力為284 MPa,許用變形為5 mm。由表1可知,在制造廠內(nèi)導(dǎo)管架整體翻身過程中,三種翻身吊耳的強(qiáng)度、變形均滿足設(shè)計(jì)要求。

▲圖4 單個(gè)翻身吊耳2應(yīng)力云圖

▲圖5 單個(gè)翻身吊耳2變形云圖

表1 翻身吊耳應(yīng)力和變形分析結(jié)果

4 吊裝吊耳設(shè)計(jì)

導(dǎo)管架在海上的施工作業(yè)是非常復(fù)雜的過程,包括海上運(yùn)輸和海上安裝兩部分。對(duì)于海上運(yùn)輸,導(dǎo)管架通常由駁船或通過其它方式運(yùn)輸?shù)斤L(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)位點(diǎn)。

導(dǎo)管架的海上安裝有提升法、滑入法和浮運(yùn)法。提升法主要依靠起重船進(jìn)行吊裝,受起重船起重能力和起重高度的限制,導(dǎo)管架主體質(zhì)量不能太大,也不能太高。如果質(zhì)量太大,需要分為幾部分預(yù)制,然后分體吊裝,這會(huì)增大海上施工的難度?；敕▽?dǎo)管架的導(dǎo)管密封,用有下水滑道的駁船運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng),到達(dá)風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)位點(diǎn)后駁船傾斜,導(dǎo)管架沿滑道下滑入水中,并浮在水面上。此時(shí)向?qū)Ч芗軆?nèi)注水,再由一個(gè)常規(guī)的起重船協(xié)助,就可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管架的安裝。浮運(yùn)法將導(dǎo)管架兩端密封,導(dǎo)管架依靠自身浮力浮在水面上,用拖船拖至風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)位點(diǎn),向?qū)Ч芗軆?nèi)注水后完成安裝。

目前國內(nèi)一般采用提升法進(jìn)行導(dǎo)管架的海上安裝。受起吊高度的限制,導(dǎo)管架裝船及在風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)位點(diǎn)吊裝時(shí),為了操作方便,需要使用過渡段上的吊裝吊耳。導(dǎo)管架整體吊裝如圖6所示,吊裝吊耳結(jié)構(gòu)如圖7所示。吊裝吊耳先采用鋼板焊接,然后焊接在導(dǎo)管架的過渡段上。

▲圖6 導(dǎo)管架整體吊裝

▲圖7 吊裝吊耳結(jié)構(gòu)

導(dǎo)管架整體吊裝時(shí)采用雙鉤起吊,雙鉤之間的距離為5 m。每個(gè)吊鉤上吊兩根鋼絲繩,每根鋼絲繩的長度約為30 m。每根鋼絲繩的兩端分別系一個(gè)吊裝吊耳。吊鉤、吊繩、吊裝吊耳的布置如圖8所示,由此組成整體吊裝結(jié)構(gòu)。

5 吊裝吊耳應(yīng)力與變形分析

仍然應(yīng)用ANSYS Workbench軟件對(duì)吊裝吊耳進(jìn)行應(yīng)力和變形分析,相關(guān)參數(shù)設(shè)置與翻身吊耳的分析相同。導(dǎo)管架整體吊裝過程中,整體吊裝結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖9所示,整體吊裝結(jié)構(gòu)變形云圖如圖10所示,吊裝吊耳應(yīng)力云圖如圖11所示。

▲圖8 吊鉤、吊繩、吊裝吊耳布置

▲圖9 整體吊裝結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

▲圖10 整體吊裝結(jié)構(gòu)變形云圖

由圖9～圖11可知,導(dǎo)管架整體吊裝時(shí)整體吊裝結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為207.2 MPa,整體吊裝結(jié)構(gòu)最大變形為1.66 mm,產(chǎn)生于吊裝吊耳上,應(yīng)力和變形均滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命不短于25 a,伴隨著機(jī)組大型化,導(dǎo)管架的質(zhì)量及體積不斷增大,導(dǎo)管架設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)輸、吊裝等環(huán)節(jié)將面臨更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。筆者結(jié)合具體工藝流程,對(duì)導(dǎo)管架在建造、吊裝環(huán)節(jié)使用的翻身吊耳和吊裝吊耳進(jìn)行設(shè)計(jì),并應(yīng)用ANSYS Workbench有限元分析軟件對(duì)導(dǎo)管架吊耳的應(yīng)力和變形進(jìn)行分析,保證設(shè)計(jì)滿足要求。后續(xù)還應(yīng)結(jié)合具體工藝流程,制訂詳細(xì)的生產(chǎn)驗(yàn)收規(guī)范,這樣才能保證導(dǎo)管架各項(xiàng)工作的順利開展。

▲圖11 吊裝吊耳應(yīng)力云圖