基于CAD軟件平臺進(jìn)行海上風(fēng)電導(dǎo)管架無余量建造方法探討

摘" " 要：海上風(fēng)電導(dǎo)管架是海上風(fēng)電設(shè)備的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和制作精度必需符合設(shè)計(jì)要求，才能在全生命周期內(nèi)承受極端天氣的沖擊和惡劣環(huán)境的腐蝕。為保證導(dǎo)管架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，導(dǎo)管架在制造過程中需要嚴(yán)格控制精度尺寸。通過在CAD軟件平臺上進(jìn)行全站儀測量數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管架組件無余量總裝，從而達(dá)到對尺寸精準(zhǔn)控制和提升工效的目的。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電導(dǎo)管架；無余量總裝；CAD軟件平臺；工效提升

中圖分類號：U671.99 " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Discussion on the Construction Method without Margin for Offshore Wind Power Jacket Based on CAD Software Platform

LIU Dongzhao，" JIAO Fangli，" DING Shixing，" ZHAO Pengzhi，" LI Yanming

（ COOEC-Fluor Heavy Industry Co.， Ltd.，" Zhuhai 519000 ）

Abstract： Offshore wind power jacket is the basic structure of offshore wind power equipment， and its structural strength and production accuracy must meet the design requirements， in order to withstand the impact of extreme weather and harsh environment corrosion in the whole life cycle. The jacket needs to strictly control the dimension in the manufacturing process for ensuring the structural strength. By analyzing the total station measurement data on the CAD software platform， the jacket can be assembled without margin， so as to achieve the purpose of dimensional control and improve ergonomics.

Key words： offshore wind power jacket;" no margin final assembly;" CAD software platform;" improve ergonomics

1" " "引言

海上風(fēng)電是我國“十四五”規(guī)劃重要的清潔能源發(fā)展方向。在雙碳目標(biāo)和能源轉(zhuǎn)型中，海上風(fēng)電成本下降和風(fēng)機(jī)大型化等因素將驅(qū)動(dòng)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)持續(xù)增長。而風(fēng)電導(dǎo)管架是海上風(fēng)電的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，主要在海面以下為風(fēng)機(jī)運(yùn)行提供必要的保障，同時(shí)將電力通過電纜從海底傳輸?shù)缴龎赫?。因此?dǎo)管架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和制作精度必需符合設(shè)計(jì)要求，才能在全生命周期內(nèi)承受颶風(fēng)、臺風(fēng)和海上風(fēng)暴等極端天氣的沖擊，同時(shí)還要抵御海水和海洋生物等對結(jié)構(gòu)的腐蝕侵蝕。

在海上風(fēng)電導(dǎo)管架制造過程中，對于精度尺寸把控要求非常嚴(yán)格。這涉及到導(dǎo)管架自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)精度尺寸的良好把控對合攏焊接質(zhì)量和產(chǎn)品制造效率有著至關(guān)重要的作用。如果使用傳統(tǒng)的總裝方法，導(dǎo)管架構(gòu)件組件吊裝過程中吊機(jī)吊裝周期非常長，吊裝期間余量切割時(shí)間長，人員高空裝配作業(yè)效率低。因此在工效提升和質(zhì)量把控上，對導(dǎo)管架無余量總裝進(jìn)行研究有著很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

2" " "無余量建造方法應(yīng)用

導(dǎo)管架建造中無余量總裝，是通過對關(guān)鍵工序進(jìn)行嚴(yán)格的尺寸把控，在不影響導(dǎo)管架正常施工，生產(chǎn)節(jié)奏順暢的情況下，吊裝作業(yè)前對合攏口余量進(jìn)行檢查和二次修割，達(dá)到控制總裝合攏口間隙和導(dǎo)管架整體尺寸的工藝方法。同時(shí)導(dǎo)管架制作組件階段，所有零散的平面的構(gòu)件組成立體的相對復(fù)雜的組件時(shí)，為了提高生產(chǎn)效率和保持生產(chǎn)的節(jié)奏順暢，需要所有平面構(gòu)件在組裝前進(jìn)行無余量控制，減少組件制作吊裝過程中余量切割時(shí)間，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場連續(xù)生產(chǎn)。

2.1" "單件管制作精度控制

導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)主要由圓管形式的構(gòu)件組成，管子對接，角接或者交叉位置都會(huì)形成相貫口。焊接位置口型形成馬鞍形或者橢圓形等不規(guī)則形狀，增加了尺寸控制和余量修割的難度。為實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管架整體精度可控，在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)只需要考慮余量切割，而不用考慮導(dǎo)管架合攏端頭角度的影響，需要在導(dǎo)管架制作的每個(gè)階段都要進(jìn)行精確的尺寸控制。

從管材下料切割開始，管子構(gòu)件切割前需要在管子外皮做四分線基準(zhǔn)點(diǎn)，以基準(zhǔn)點(diǎn)為準(zhǔn)對管子長度進(jìn)行測量，同時(shí)使用口型膠模紙按四分線基準(zhǔn)點(diǎn)對管子口型進(jìn)行檢查。尤其是涉及總裝對接口位置的管端口，口型檢查需要重點(diǎn)監(jiān)控。口型切割后需要以口型切割基準(zhǔn)點(diǎn)為原始依據(jù)，在管材上劃線敲樣沖點(diǎn)。內(nèi)容包括管材相交的腳印中心點(diǎn)，管材端頭長度基準(zhǔn)四分線點(diǎn)，以及管材定位和總裝階段需要測量的標(biāo)記點(diǎn)等。以上標(biāo)記點(diǎn)是通過檢查驗(yàn)證后的基準(zhǔn)點(diǎn)，是管材自身尺寸特征的提取和管材定位的依據(jù)，代表的是管材現(xiàn)場實(shí)際的尺寸狀態(tài)。因此在后續(xù)工序中基準(zhǔn)點(diǎn)不再變動(dòng)，并做好相應(yīng)的保護(hù)。

2.2" "片體變形對分析結(jié)果的影響

片體完工后測量數(shù)據(jù)用于模擬分析，根據(jù)模擬結(jié)果切除余量。但片體測量時(shí)的狀態(tài)和總裝吊裝時(shí)狀態(tài)會(huì)有不同，這可能會(huì)導(dǎo)致余量模擬的結(jié)果失效，吊裝后狀態(tài)跟預(yù)估狀態(tài)存在偏差。因此分析研究片體變形因素對控制總裝精度至關(guān)重要。

首先在片體測量階段選取上，片體測量需要在焊接完工后，焊接應(yīng)力釋放完全。一般在焊接完成48 h以后，無損檢測結(jié)果沒有問題，不需要焊縫返修。同時(shí)放置時(shí)間稍長也能讓應(yīng)力充分釋放。

測量溫度方面，構(gòu)件需要在環(huán)境溫度下進(jìn)行測量，不能在加熱狀態(tài)下進(jìn)行測量，一方面加熱的情況下結(jié)構(gòu)自身的狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變，另一方面采用激光測量方法，高溫會(huì)讓構(gòu)件周邊空氣沸騰，影響光的傳播，可能會(huì)造成測量結(jié)果失真。在正常環(huán)境溫度下進(jìn)行測量時(shí)也需要記錄實(shí)時(shí)環(huán)境溫度，所有的片體測量結(jié)果，在測量時(shí)都需要統(tǒng)一到同一溫度內(nèi)進(jìn)行模擬。

線性鋼構(gòu)件溫度換算公式如下[1]：

?L = l×（c1-c2）×ε

式中：?L為理論熱膨脹量； l為導(dǎo)管長度；c1為基準(zhǔn)環(huán)境溫度；c2為實(shí)測導(dǎo)管溫度；ε為熱膨脹系數(shù)。

片體測量狀態(tài)和吊裝時(shí)狀態(tài)是否能夠吻合，跟片體結(jié)構(gòu)類型和放置姿態(tài)有較大關(guān)系。對于片體的彈性變形，在吊裝過程中對合攏口對位無影響的分析模擬時(shí)僅做參考；吊裝過程中對合攏口對位有影響的，且在吊裝過程中不易調(diào)整的，需要對該位置提前做臨時(shí)結(jié)構(gòu)固定，避免吊裝過程受到影響。

2.3" "總裝控制網(wǎng)制作和測量點(diǎn)偏差評估

片體總裝需要對單獨(dú)風(fēng)電導(dǎo)管架有對應(yīng)的控制網(wǎng)，以保證單個(gè)導(dǎo)管架內(nèi)部所有尺寸測量使用統(tǒng)一基準(zhǔn)。獨(dú)立的控制網(wǎng)需考慮布網(wǎng)和使用的準(zhǔn)確性和便利性。導(dǎo)管架總高在100 m以內(nèi)，需要測量的點(diǎn)位均在80 m高度以內(nèi)，因此采用在以導(dǎo)管架中心為圓心半徑70 m的范圍內(nèi)全站儀一站式測量布網(wǎng)，不用進(jìn)行測量平差，文件可以直接作為轉(zhuǎn)站使用，可以解決吊裝過程中轉(zhuǎn)站復(fù)雜和累積誤差的問題。轉(zhuǎn)站過程中使用三點(diǎn)擬合的方式可排除地球曲率對測量的影響。

無余量建造吊裝過程中測量點(diǎn)偏差值應(yīng)與模擬的理論值進(jìn)行對比。因?yàn)闇y量點(diǎn)是管材制作時(shí)永久標(biāo)記，在整個(gè)制作過程中會(huì)逐漸產(chǎn)生累積誤差。總裝模擬分析的狀態(tài)跟理論值會(huì)存在一定誤差。因此總裝吊裝時(shí)應(yīng)參照模擬的數(shù)值作為理論值進(jìn)行定位，表示的是跟最佳定位狀態(tài)之間的差值。如果在吊裝前根據(jù)模擬結(jié)果將所有測量點(diǎn)修正到理論值，總裝吊裝時(shí)就需要跟理論值進(jìn)行對比。

2.4" "導(dǎo)管架總裝合攏注意要點(diǎn)

在無余量總裝過程中，總裝吊裝松鉤前根據(jù)吊機(jī)剩余承重力放置重力反變形。大型導(dǎo)管架總裝組件自身重力較大，通常超過200 t。吊機(jī)松鉤前需要做部分裝配，此時(shí)吊機(jī)還有100 t左右剩余承重力。測量定位過程中需要考慮剩余重力在吊機(jī)松鉤后會(huì)對總體尺寸的影響，預(yù)放反變形。

大型導(dǎo)管架制作時(shí)通常會(huì)制作剛性工裝，便于總裝固定和批量化生產(chǎn)。為充分發(fā)揮總裝無余量吊裝的優(yōu)勢，工裝制作完成后需要對所有與結(jié)構(gòu)接觸的位置進(jìn)行測量分析，避免工裝干涉吊裝過程，同時(shí)可以充分利用剛性工裝的支撐作用對導(dǎo)管架定位進(jìn)行精確控制。

3" " CAD軟件模擬分析實(shí)踐

3.1" "CAD軟件模擬余量基本功能應(yīng)用

對齊命令 ALIGN命令可以在二維和三維模型中將某個(gè)對象與其他對象對齊。其中三點(diǎn)對齊方式對于三維模擬的應(yīng)用非常有效?？梢詰?yīng)用于測量文件點(diǎn)云與線框模型的擬合分析。

UCS命令 CAD三維模擬中自定義坐標(biāo)系統(tǒng)，在三維圖形上不同表面作圖，需要調(diào)整當(dāng)前作圖面位置。在理論點(diǎn)選取和線框模型制作方面應(yīng)用較多。

三維旋轉(zhuǎn)命令 3DROTATE命令可以對三維模型進(jìn)行三維旋轉(zhuǎn)，多方位觀察和測量，可用于觀察和測量模擬結(jié)果。

平移命令 3DMOVE命令在三維模擬分析過程中發(fā)揮重要作用，主要用于優(yōu)化模擬結(jié)果，找到最佳的分析擬合狀態(tài)。

3.2" "線框模型的制作和理論位置點(diǎn)選取

線框模擬制作需要根據(jù)圖紙?jiān)贑AD中繪制出所有主管中心線，同時(shí)使用CAD基本功能選取主管外皮上的測量點(diǎn)，包括腳印中心點(diǎn)，管子端頭基準(zhǔn)點(diǎn)（見圖2），總裝測量基準(zhǔn)點(diǎn)，總裝合攏端口等，或者從設(shè)計(jì)三維模型軟件中進(jìn)行線框模型提取。

測量理論位置點(diǎn)選取需要考慮總裝測量時(shí)的通視條件，在吊裝完成后需要在便利的位置可以觀測到所有測量點(diǎn)。例如在片體臥式制作階段，測量點(diǎn)選取在下端口，在立式總裝階段就可能觀測不到該測量點(diǎn)。因此基準(zhǔn)點(diǎn)選取需要通盤考慮，在管子下料前就需要將測量位置點(diǎn)布置圖進(jìn)行完善。形成系統(tǒng)統(tǒng)一的基準(zhǔn)點(diǎn)布置方案。

3.3" "片體制作CAD模擬分析

單件管組成平面或立體片體，制作過程會(huì)有累積誤差。在單件管組裝成平面或立體片體過程中，保證安裝精度的情況下，需要優(yōu)先保證合攏口的定位精度，為后續(xù)安裝定位創(chuàng)造條件。片體組裝焊接完成后，需要對片體整體進(jìn)行測量，在CAD軟件中評估分析片體的三維狀態(tài)。

片體分析主要是分析對比管材基準(zhǔn)點(diǎn)和線框模型的偏差，片體成型后整體尺寸測量主要以管材上的基準(zhǔn)點(diǎn)為主，端口口型位置測量點(diǎn)作為輔助參考。分析前CAD軟件中按照圖紙尺寸生成線框模型，主要是管子中心線等基本的框架。之后根據(jù)管材上的測量基準(zhǔn)點(diǎn)位置，在線框模型中添加基準(zhǔn)點(diǎn)理論值。片體完工測量文件導(dǎo)入后，將實(shí)際測量文件基準(zhǔn)點(diǎn)和線框模型理論點(diǎn)進(jìn)行最優(yōu)化的擬合，生成基準(zhǔn)點(diǎn)偏差報(bào)告。片體各合攏口偏差狀態(tài)就可以較為形象的顯示出來。

在導(dǎo)管架制作過程中，片體制作完成后會(huì)有一定累積誤差，多個(gè)組件或片體組合成立體總段過程中，也可能會(huì)將累積誤差放大。因此在片體完工后，將多個(gè)片體統(tǒng)一放在同一個(gè)線框模型中進(jìn)行分析（見圖3），對每個(gè)片體之間實(shí)際留有的余量或空隙進(jìn)行調(diào)整分析，最終得到每個(gè)片體的最佳定位狀態(tài)和各個(gè)端口余量切割的數(shù)據(jù)，達(dá)到所有片體完全無余量吊裝組裝的目的。

3.4" "導(dǎo)管架總裝CAD模擬分析

總裝前合攏口需要測量檢查和局部余量切割，消除累積誤差造成的端口不平齊等問題，保證基準(zhǔn)點(diǎn)同端口狀態(tài)一致（見圖4）。

根據(jù)格式需要從全站儀中導(dǎo)出或轉(zhuǎn)換為DXF測量文件，測量文件生成塊后與線框模型匹配，首先使用ALIGN命令將測量基準(zhǔn)點(diǎn)與線框模型理論點(diǎn)對位。然后根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，使用CAD的平移和三維旋轉(zhuǎn)命令需要將所有測量點(diǎn)統(tǒng)一進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)，直到與實(shí)際情況達(dá)到最佳匹配狀態(tài)，即X、Y、Z三個(gè)方向綜合偏差最小，偏差方向沒有統(tǒng)一的趨勢，同時(shí)重要位置測量點(diǎn)偏差盡量控制在允許公差范圍內(nèi)。

CAD模擬分析前需要評估分析對象的長寬高總體尺寸，三個(gè)分析基準(zhǔn)點(diǎn)盡量選取在尺寸較長方向的強(qiáng)結(jié)構(gòu)上，以長邊控制短邊減少誤差。初步擬合后，整體分析基準(zhǔn)點(diǎn)的三維坐標(biāo)偏差，控制合攏口位置的錯(cuò)位符合要求，坐標(biāo)數(shù)據(jù)沒有同一方向偏差趨勢。最后分析調(diào)整端口余量，通過整體平移將端口余量調(diào)整到公差允許范圍，同時(shí)避免出現(xiàn)端口短尺現(xiàn)象。

測量點(diǎn)云在模擬匹配完成后，所有合攏口測量點(diǎn)坐標(biāo)與理論的差值顯示出該合攏口余量情況。存在的偏差值顯示的三維坐標(biāo)方向的誤差，在現(xiàn)場調(diào)整方面需要了解到構(gòu)件某個(gè)部分的長度是否有余量，或者短尺缺料，需要通過坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)功能或直線量取功能確定余量。用于指導(dǎo)定位的測量點(diǎn)的偏差值，需要通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一以總裝控制網(wǎng)的基準(zhǔn)進(jìn)行顯示。

3.5" "模擬分析中存在的問題和處理

分析文件導(dǎo)出過程中，以DXF格式文件導(dǎo)出可以直接使用CAD軟件打開。如果以TXT格式文件導(dǎo)出，需要使用EXCEL文件進(jìn)行編輯公式，將TXT文件中的坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換為CAD命令，然后將轉(zhuǎn)換后的CAD命令復(fù)制到CAD命令欄中重新生成測量點(diǎn)。

在測量文件與線框模型匹配過程中，首先將所有測量點(diǎn)與理論點(diǎn)大致對位。此時(shí)可能存在部分關(guān)鍵點(diǎn)與線框模型有統(tǒng)一性偏差，例如X軸向統(tǒng)一偏差在同一方向。需要將所有測量點(diǎn)統(tǒng)一向相反方向進(jìn)行平移。分析過程中發(fā)現(xiàn)某個(gè)區(qū)域有統(tǒng)一方向偏差，需要通過測量點(diǎn)整體旋轉(zhuǎn)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

在合攏口端口余量確定過程中，需要參照焊接工藝規(guī)范預(yù)留出焊接間隙。因?yàn)槲覀冊跓o余量建造過程中，合攏口位置坡口已經(jīng)切割和打磨處理，預(yù)留總裝后坡口間隙避免合攏后坡口二次處理。

4" " 結(jié)束語

風(fēng)電新能源的利用有廣闊的前景，而風(fēng)電導(dǎo)管架在近海甚至水位較深的臨海區(qū)域有著較強(qiáng)的優(yōu)勢。在風(fēng)電導(dǎo)管架的建造過程中，提升導(dǎo)管架建造效率，保證建造質(zhì)量的技術(shù)是不斷更新和進(jìn)步的。通過該方案的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管架整體無余量總裝，為后續(xù)建造提供經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)達(dá)到提效降本的目的。

參考文獻(xiàn)

[1] NORSOK Standard M-101 Structure Steel Fabrication[S]." Norway： The

Norwegian Oil Industry Association （OLF） and The Federation of Norwegian

Industry， 2011.