淺析海上風電塔架成套立式海運技術(shù)

李桂林， 劉宇軒， 王思彤

（中國水利水電第四工程局有限公司， 甘肅 蘭州 730050）

0 引言

海上風電作為我國可再生能源發(fā)展的重點領(lǐng)域，“十四五”期間進入了新發(fā)展期，開發(fā)風電技術(shù)已成為當今我國的主要發(fā)展戰(zhàn)略[1]。 為縮減海上風機安裝施工周期，節(jié)約船舶設(shè)備的使用成本，降低安全風險，需要制定并采取最優(yōu)的塔架海運方案， 在碼頭將成套塔架立式裝船完成綁扎海運至機位， 經(jīng)在廣東陽江多個海上風電項目中得到驗證。結(jié)果表明，此立式海運方案，安全可靠，塔架在機位吊裝時無需翻身，縮短海上施工作業(yè)周期，大大提高施工效率，同時有效降低了整個項目的工程費用。

1 海上風電塔架立式裝船運輸工裝設(shè)計制作

基于目前海上風電的基礎(chǔ)形式， 應(yīng)用較多的主要為單樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)、高樁承臺基礎(chǔ)等；主機廠家多為明陽智能、金風科技、東方電氣等。 因海上風電基礎(chǔ)形式和主機廠家的不同，塔架的外形尺寸也較為多變，針對各種機型的海上風電塔架、常用的陸地轉(zhuǎn)運設(shè)備、吊裝設(shè)備及運輸船舶的特點， 進行以下幾方面的設(shè)計計算并完成工裝的設(shè)計及制作：

（1）通過海上風電塔架的設(shè)計圖紙和設(shè)計要求進行深入研究， 利用三維建模軟件對海上風電塔架進行結(jié)構(gòu)建模， 以直觀的方式分析海上風電塔架的重心和受力結(jié)構(gòu)特點，初步選定保障塔架安全運輸?shù)脑O(shè)計范圍，通過運輸工裝設(shè)計和穩(wěn)定性計算， 從理論上驗證海上風電塔架運輸?shù)目煽啃裕⑼ㄟ^實踐驗證可行性[2]。

（2）分析海上風電塔架結(jié)構(gòu)特點并結(jié)合多種機型的法蘭樣式設(shè)計、 試制一種通用于各類海上風電塔架立式運輸?shù)拈L孔弧形法蘭運輸工裝。

（3）對整體運輸工裝進行主材選型和強度校核等精確計算和模擬，并且根據(jù)需求，進行充分的設(shè)計優(yōu)化，使裝置具備造價低、制作效率高、裝配誤差小、安全系數(shù)高、使用方便等諸多優(yōu)點。

（4） 通過試制首套立運工裝結(jié)合實際應(yīng)用分析問題并不斷改良優(yōu)化， 針對下段塔架加裝液壓支腿等相關(guān)輔助設(shè)備，滿足塔架立式附件安裝、模塊化附件安裝、多種車輛陸地無吊裝轉(zhuǎn)運、 適配各類船舶海上運輸?shù)榷喾N功能的實現(xiàn)。 工裝設(shè)計校核計算分析圖如圖1 所示。

圖1 工裝設(shè)計校核計算分析圖

2 立式運輸船舶穩(wěn)性計算

（1）海上船舶運輸壓載水控制。 較重的風電設(shè)備對于裝船來說，具有一定危險性，容易導(dǎo)致船舶的穩(wěn)性不足，危及船舶安全，尤其是風電塔架立式運輸時，立式運輸塔架在吊裝承載時容易導(dǎo)致橫傾。 運輸船舶在選型時，需要根據(jù)所運輸塔架設(shè)備規(guī)格計算平衡艙壓載水能力，達到自動調(diào)整壓載水控制船舶橫傾，控制船舶穩(wěn)性的目的。

（2）機具穩(wěn)性計算。局部強度對于海上船舶裝載風電設(shè)備較為重要。 根據(jù)海上風電塔架立式運輸?shù)奶攸c及船舶均布載荷、立式運輸工裝的許用值復(fù)核，若小于安全系數(shù)時，需增加襯墊，增大受力面積，減小壓強，使均布載荷滿足安全運輸。

（3）船舶傾覆穩(wěn)定計算。根據(jù)立式塔架設(shè)備重心高度及船舶重心高度和船舶受到橫浪、橫風、風浪聯(lián)合的作用下，計算出不同海況下的橫搖角，再繪制出船舶橫搖概率密度圖，最后根據(jù)計算數(shù)據(jù)復(fù)核貨物裝載安全系數(shù)，保證塔架立式安全海運，船舶積載圖如圖2 所示。

圖2 船舶積載圖

按照上圖布置方案可以一次性成套立式運輸2 套塔架，為保證船體運輸?shù)姆€(wěn)定性，將2 套塔架沿船舶甲板縱向中心部分對稱布置，所有塔架均配套使用立運工裝，立運工裝與甲板使用L 形鋼板焊接固定， 兩相鄰的運輸工裝間距保證3m 以上，塔架頂端固定4 根鋼絲繩與甲板固定。其他位置可協(xié)同主機廠家等單位布置主機、輪轂等其余海上風電裝備。

3 塔架短倒至碼頭

根據(jù)塔架重量選用合適的模塊車進行組合運輸，通常采用16 軸線液壓模塊車，塔架完成裝車后，施工人員利用手拉葫蘆、鋼絲繩將設(shè)備綁扎加固，綁扎加固時要避免鋼絲繩與設(shè)備直接接觸，應(yīng)采用膠皮等進行隔離保護，避免損壞設(shè)備。下段立式運輸示意圖、上三段臥式運輸示意圖分別見圖3、圖4。

圖3 下段立式運輸示意圖

塔架短倒運輸前聯(lián)系當?shù)亟煌ú块T辦理好通行手續(xù)；做好交通設(shè)施排障處理，對于高空電纜線，配備高架車挑線；對產(chǎn)品、車輛、支座和索具等進行徹底檢查，做好書面檢查記錄；封車完畢由運輸單位安裝懸掛超限運輸標志和警示標志。運輸過程中司機要經(jīng)常下車檢查車輛安全狀態(tài)，以及車輛與塔體接觸部位保護情況，如有異常應(yīng)立即停車進行處理。運輸過程中司機要及時判斷風險，行車中禁止急剎車和急轉(zhuǎn)彎，重載車要控制好車速，在一般道路上行駛，直行時速度≤40km/h；轉(zhuǎn)彎時行駛速度≤3km/h，在通過橋梁時，要居中勻速行駛，車速要控制在5～10km/h。

4 裝船及海運

4.1 吊裝準備

（1）按照裝船工裝布置圖提前將塔架工裝規(guī)劃布置好，在工裝上放置好橡膠緩沖墊或其他保護物品， 保護塔架與工裝接觸位置。

（2）根據(jù)施工環(huán)境，進行裝船、綁扎及海運等全方面的技術(shù)交底，確保作業(yè)人員充分理解和掌握要點、重點。

（3）有序組織作業(yè)人員、施工機具進場，并對吊裝設(shè)備、運輸設(shè)備、吊裝索具進行必要的檢查、維修、試車。

（4）掌握吊裝場地范圍內(nèi)的地面、高空的環(huán)境情況，根據(jù)作業(yè)需要，對塔架運輸車輛停放區(qū)域進行場地清理、地面平整、提前布置船運支座，碼頭及船板的場地、空間狀態(tài)應(yīng)滿足作業(yè)要求。

（5）機具性能核驗。

確認待吊裝塔架的尺寸及重量等相關(guān)參數(shù)，根據(jù)裝船位置、吊裝器具趴臂距離等選擇起重設(shè)備，如圖5 所示。

圖5 吊裝機具選擇圖例

4.2 底段塔架立式吊裝上船

（1）塔架吊具安裝。將下段塔架吊具組裝起來，在底段塔架上法蘭使用螺栓組安裝4 個吊座組件， 并用2000Nm額定扭矩的電動扳手緊固螺栓； 吊座組件安裝完成后將4 根140t×9m 雙眼圓形吊帶掛在主吊機吊鉤上， 準備起吊塔架，如圖6 所示。

圖6 下段吊裝索具掛載示意圖

（2）吊裝上船。吊車及運輸車輛就位→安裝索具→水平起吊，拆除陸運工裝，運輸車輛駛離→水平抬 升 至 離 地500mm 試吊→履帶吊正式抬升并轉(zhuǎn)向→趴臂吊至船上指定位置后緩慢落鉤→塔架與海運工裝連接完成→摘鉤，如圖7 所示。

圖7 下段吊裝示意圖

4.3 臥式塔架翻身吊裝上船

（1）塔架吊具安裝。 使用兩臺500T 履帶吊進行抬吊翻身作業(yè)，吊具安裝示意圖如圖8 所示。

圖8 吊具安裝示意圖

中下段、 中上段、 頂段塔架下部法蘭通過2 根45t×7m 環(huán)形吊帶分別連接吊機吊鉤和兩個溜尾吊座的卸扣，使用2 根鋼絲繩分別與兩個70t 滑輪和上法蘭的4 個通用吊座組件的卸扣相連接，用2 根80t×3.5m 環(huán)形吊帶兩頭分別掛住滑輪的85t 卸扣和吊機掛鉤。

（2）吊裝上船。吊車及運輸車輛就位→安裝索具→主、副履帶吊同時抬吊→主吊機繼續(xù)提升， 副吊機調(diào)整塔架底端和地面的距離→水平下降至離地500mm 位置→雙履帶吊抬吊， 轉(zhuǎn)向過程注意控制吊車的同步→抬吊至船上指定位置后緩慢落鉤，待海運工裝焊接完成后即可摘鉤。

吊裝過程中主、副吊機同時起吊，吊機要勻速起吊，避免突然加速和突然減速，主吊機繼續(xù)提升，副吊機調(diào)整塔架底端和地面的距離， 起吊過程中塔架的下法蘭不允許接觸地面。在塔架下法蘭安裝兩根導(dǎo)向風繩，用來引導(dǎo)塔架的下落方向。

4.4 海運系固

根據(jù)CCS《貨物系固手冊編制指南》（2022）制定海運系固方案， 同時根據(jù)此指南進行貨物滑移和傾覆的平衡計算[3]。 系固綁扎原則和要點如下：

（1）正確選擇綁扎索具。塔架運輸常用綁扎索具有鋼絲繩、花籃螺栓，并且配合地令、卸扣、固定擋板等一起使用。 綁扎材料見表1 所示[2]。

表1 綁扎材料

（2）各段立式運輸工裝底座焊接至運輸船甲板。通過與立式運輸工裝底座定制配套的三角靠山定位塊均勻的將立式運輸?shù)鬃卫魏附又吝\輸船甲板上， 防止立式運輸工裝在海上運輸時與船體發(fā)生位移。

（3）立式運輸工裝底座接觸面防護。將立式運輸工裝底座接觸面襯墊3mm 以上的橡膠墊，可增加塔架與工裝的接觸面積從而增大摩擦力， 有效防止塔架底法蘭直接與工裝底座接觸損壞油漆。

（4）正確選擇綁扎工藝。 采用下壓式八字加固法，在甲板立式運輸工裝四周合適位置焊接地令， 使用鋼絲繩應(yīng)左右、前后對稱綁扎，綁扎角應(yīng)盡可能小，要求鋼絲繩與船甲板夾角在30°～45°之間，鋼絲繩一端與塔筒頂端法蘭相連，另一端與焊地令相連，花籃螺栓安裝至地令上方高1m 處， 使用花籃螺栓收緊鋼絲繩并應(yīng)使各道鋼絲繩受力均衡，綁扎加固成“八”字型進行前后左右束縛，保證立式運輸工裝底座、塔筒與船體固定為一個整體，防止在運輸途中發(fā)生移位和傾覆。 綁扎示意如圖9 所示。

圖9 海運綁扎示意圖

4.5 海運至機位

船舶接到開船指令后，開往指定機位點，船舶航行至機位點附近等待吊裝船指示，進行靠泊作業(yè)。 吊裝公司根據(jù)安裝任務(wù)進度，天氣情況（大風大浪天氣不可作業(yè)）安排船舶進行靠泊，船上都有配備衛(wèi)星電話，可直接溝通，船舶拋錨位置離吊裝船距離很近，接到指令可立即趕過來。

駁船行駛到機位附近時在拋錨艇配合下拋錨， 船舶依靠自身動力向系纜柱側(cè)靠， 待錨固定在河床上時駁船纜繩拋出與系纜柱固定并將纜繩收緊，纜繩共纏繞八道，用此方式將駁船在海平面上固定保證每段塔架在吊裝就位時駁船保持穩(wěn)定，確保吊裝安全。

船舶配有四錨定位功能， ?？繒r由安裝船上的指揮人員進行指揮， 根據(jù)指令緩慢且有序停靠在安裝船和輔助船中間，停好后，吊裝船開始吊裝。 現(xiàn)場如圖10所示。

圖10 海上風電塔架運輸至機位實拍圖

5 海上風電塔架成套立式海運關(guān)鍵技術(shù)要點

（1） 運輸工裝設(shè)計計算中零部件均通過安全強度校核和專業(yè)軟件建模后的受力分析，在保障安全的前提下，設(shè)計的主體工裝結(jié)構(gòu)采用型材和塔架切割鋼板余料就可制作，結(jié)構(gòu)簡單，制作成本較低。

（2）具有較強的通用性，設(shè)計考慮了多種機型和多種直徑的塔架運輸， 法蘭固定托板根據(jù)不同項目直徑的法蘭孔位置切割出多排弧形長孔， 適用于不同規(guī)格的塔架運輸。且法蘭固定托板方便拆卸，若后續(xù)托板多排孔無法滿足多種直徑的塔架運輸時，可直接割去進行更換。

（3）在塔架陸地倒運時無須大型吊裝設(shè)備即可運輸至碼頭， 僅需在碼頭使用吊裝設(shè)備吊裝翻身一次即可完成塔架立式裝船海運，當?shù)竭_機位后無需再翻身，可直接開始吊裝，在增大單航次運輸量的同時，整體上降低了吊裝設(shè)備的投入，縮短了海上吊裝施工的時間。

6 結(jié)束語

海上風電塔架成套立式海運技術(shù)經(jīng)過在中節(jié)能、華電青洲等多個海上風電項目運輸?shù)膶嶋H驗證，對運輸工裝和方案進行了再優(yōu)化，率先探索實現(xiàn)了海上風電塔架的立式高效海運，且實現(xiàn)了冬歇期大型風電安裝船“華翔龍”到陽江港“上門取貨”，成套四段塔架在碼頭由安裝船自行完成裝船并實現(xiàn)立式成套運輸。此技術(shù)為海上風電運輸產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了一種思路和技術(shù)支持。 然而，隨著海上風電的深水化和離岸化，海上風電塔架立式海運過程中還存在很多問題和挑戰(zhàn)，例如近海深水區(qū)和深水區(qū)立式運輸過程中的航運安全、穩(wěn)定性、進一步降低運輸成本等問題。這些問題還需要進一步的深入研究和解決，以確保海上風電塔架立式海運技術(shù)能夠得到廣泛應(yīng)用和推廣。