梁　奎，王建勇，鄭驥輝

（中交第三航務(wù)工程局有限公司寧波分公司，浙江寧波315200）

利用自升式作業(yè)平臺(tái)進(jìn)行海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障搶修

梁奎，王建勇*，鄭驥輝

（中交第三航務(wù)工程局有限公司寧波分公司，浙江寧波315200）

通過上海東海大橋100 MW某風(fēng)力發(fā)電機(jī)組搶修工程的實(shí)施，文章闡述了利用自升式作業(yè)平臺(tái)進(jìn)行海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障搶修技術(shù)，總結(jié)相關(guān)要點(diǎn)與建議，可為類似工程提供借鑒。

自升式作業(yè)平臺(tái)；海上風(fēng)機(jī)；搶修

1　概述

東海風(fēng)電場(chǎng)某風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙發(fā)生故障，應(yīng)業(yè)主委托，需將該機(jī)組機(jī)艙、輪轂、葉片更換修理。風(fēng)機(jī)現(xiàn)況為不能偏航、葉片根部損壞嚴(yán)重，葉輪盤車須待清理結(jié)束后由廠方確認(rèn)。機(jī)艙罩輪轂罩已燒毀，且機(jī)艙至輪轂的通道已不存在。塔筒內(nèi)高壓環(huán)網(wǎng)柜、進(jìn)出海纜和相關(guān)電氣仍處在工作狀態(tài)中（搶修期間狀態(tài)不變）。

故障風(fēng)機(jī)位于東海大橋東側(cè)1號(hào)回路，距離東海大橋約2.5 km。北側(cè)為東海大橋1 000 t副通航孔，東西側(cè)距離最近的風(fēng)機(jī)均為0.5 km，南側(cè)距離2號(hào)回路最近的風(fēng)機(jī)約1 km。

更換風(fēng)機(jī)新舊設(shè)備均為3.0 MW風(fēng)機(jī)，機(jī)艙輪轂葉片主要性能參數(shù)差別見表1。

表1　更換風(fēng)機(jī)新舊部件主要性能參數(shù)對(duì)照表Table 1 Com parison ofmajor performance and parametersof old and new parts for w ind power generator

2　總體施工方案比選

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查情況，分析討論有3個(gè)方案可滿足故障風(fēng)機(jī)搶修施工要求。

方案一：采用三航風(fēng)范號(hào)將故障風(fēng)機(jī)整體拆卸，然后運(yùn)回至沈家灣基地，在碼頭前沿的風(fēng)機(jī)專用運(yùn)輸駁上完成機(jī)艙、輪轂、葉片更換，最后將新的風(fēng)機(jī)海上整體運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)，由三航風(fēng)范號(hào)完成機(jī)組整體安裝。優(yōu)點(diǎn)：工藝成熟，且大型船機(jī)設(shè)備自有。缺點(diǎn)：故障風(fēng)機(jī)整體拆修后，機(jī)組內(nèi)的高壓柜脫離風(fēng)場(chǎng)電網(wǎng)，1號(hào)回路中其它3臺(tái)風(fēng)機(jī)將不能發(fā)電，損失嚴(yán)重。

方案二：利用半潛駁在故障風(fēng)機(jī)旁沉底，其上配備大型履帶吊完成機(jī)艙、輪轂、葉片的更換。優(yōu)點(diǎn)：半潛駁沉底作業(yè)，吊裝安全可靠。缺點(diǎn)：半潛駁進(jìn)塢改造，造價(jià)較高，時(shí)間較長，不能滿足工期要求。

方案三：利用自升式平臺(tái)作業(yè)船進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，完成機(jī)艙、輪轂、葉片的更換。該方案利用現(xiàn)有自升式平臺(tái)作業(yè)船，該船配備1臺(tái)700 t主吊、1臺(tái)120 t輔助吊車，可以滿足故障風(fēng)機(jī)機(jī)艙、輪轂、葉片拆裝作業(yè)要求。優(yōu)點(diǎn)：該船目前市場(chǎng)現(xiàn)有，可根據(jù)實(shí)施進(jìn)度隨時(shí)調(diào)用，且施工工期較短，滿足業(yè)主要求。缺點(diǎn)：利用自升式平臺(tái)作業(yè)船進(jìn)行海上風(fēng)機(jī)拆卸與安裝在國內(nèi)尚屬首次，施工技術(shù)需詳細(xì)論證，確保施工安全。

經(jīng)技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)節(jié)約、工期高效等方面的比較與論證，最終方案三為本次搶修工程的實(shí)施方案。

3　技術(shù)難點(diǎn)分析

3.1外海施工環(huán)境惡劣

本工程為遠(yuǎn)離岸線靠近東海大橋的無掩護(hù)外海施工，風(fēng)大、浪高、涌急，最大潮差4.31 m，實(shí)測(cè)漲潮垂線最大流速為1.64～1.78 m/s。海底建筑物復(fù)雜，安全隱患多，施工期間船舶移位和作業(yè)安全技術(shù)措施要求很高。同時(shí)，風(fēng)場(chǎng)內(nèi)電纜布置嚴(yán)重制約本工程各類施工船舶的拋錨作業(yè)。

3.2對(duì)部件吊裝要求非常高

1）風(fēng)機(jī)部件吊裝作業(yè)時(shí)要求嚴(yán)格限制風(fēng)速。

2）海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有外形尺寸龐大、安裝精度要求高、吊裝過程要求平穩(wěn)等特點(diǎn)。

3.3自升式作業(yè)平臺(tái)船現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)

盛邦1001海上作業(yè)平臺(tái)船國內(nèi)建成不久，船上共有4條支腿，作業(yè)時(shí)，支腿有效入土深度為水面下35m，而東海大橋海域淤泥較深，平均深度在20 m以上，正確進(jìn)行盛邦1001平臺(tái)船支腿作業(yè)與收腿作業(yè)的安全分析[1-3]，是本次搶修工程需要解決的一大重點(diǎn)。

3.4風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)拆卸

故障風(fēng)機(jī)經(jīng)火災(zāi)后，機(jī)艙已全部損壞，輪轂罩體近半損壞，3個(gè)葉片根部均不同程度損壞，其中朝上葉片受損最嚴(yán)重，葉片表面被嚴(yán)重?zé)龎?，?jīng)玻璃鋼現(xiàn)場(chǎng)切片分析，根部有近1/3的厚度已毀壞。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況的勘察，要對(duì)故障風(fēng)機(jī)機(jī)艙、輪轂、葉片進(jìn)行安全可靠地拆卸，必須解決以下幾方面的問題：

1）組織現(xiàn)場(chǎng)清理。清理過程中需要保證作業(yè)人員的安全，同時(shí)需要規(guī)避二次設(shè)備損害。

2）現(xiàn)場(chǎng)的安全管理。由于機(jī)艙位于離水面90 m高的高空，施工現(xiàn)場(chǎng)為立體作業(yè)，確保搶修過程中不發(fā)生安全事故，是本次工作的一大難題。

3）由于機(jī)艙、輪轂、葉片受損嚴(yán)重，機(jī)艙主框架、吊點(diǎn)是否滿足吊裝要求，葉片是否滿足拆卸要求，是必須要解決的問題。

4）由于機(jī)組受損嚴(yán)重，所有的制動(dòng)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)均無法進(jìn)行機(jī)械控制，機(jī)艙已不能滿足偏航要求，這對(duì)平臺(tái)作業(yè)船的作業(yè)站位提出了更高要求，葉輪需要人工進(jìn)行盤車，而現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，主軸軸承已受殘?jiān)绊?，難度非常大。

5）海域風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行機(jī)艙、輪轂、葉片的拆卸在國內(nèi)尚屬首次，無相關(guān)經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)可借鑒參考，需要進(jìn)行技術(shù)研究，確保施工萬無一失。

3.5機(jī)艙、輪轂、葉片現(xiàn)場(chǎng)分體安裝

根據(jù)已定的施工方案，需要在故障風(fēng)機(jī)旁進(jìn)行機(jī)艙、輪轂、葉片現(xiàn)場(chǎng)安裝，而該方案國內(nèi)尚屬首次，無相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)可借鑒。

現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行機(jī)艙、輪轂、葉片安裝，需要解決以下難題：

1）風(fēng)電場(chǎng)選址在東海大橋東部海域，屬于外海施工，施工過程中無遮掩，受東海季風(fēng)、臺(tái)風(fēng)、暗涌、潮流等因素影響，吊裝作業(yè)難度較大。

2）風(fēng)電機(jī)組部件外形尺寸較大，特別是葉輪，重量達(dá)69 t，且受風(fēng)面積非常大，對(duì)風(fēng)的影響非常敏感。

3）如何在自升式平臺(tái)船甲板上進(jìn)行葉輪組裝，結(jié)合葉輪吊裝，需要細(xì)化工藝步驟。

4　施工總體流程

為確保故障風(fēng)機(jī)搶修工程施工質(zhì)量、安全及進(jìn)度，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，確定本次搶修任務(wù)的施工總流程為：施工準(zhǔn)備→自升式平臺(tái)船準(zhǔn)備→故障風(fēng)機(jī)原機(jī)艙、輪轂、葉片拆除→新機(jī)艙、輪轂、葉片安裝→附屬工作施工→驗(yàn)收交付。

5　主要船舶性能及施工方法

5.1自升式海上作業(yè)平臺(tái)船機(jī)性能

1）平臺(tái)船主要參數(shù)：總長140 m，垂線間長89.9 m，型寬39.0 m，型深6.6 m，設(shè)計(jì)吃水3.3 m，方型系數(shù)0.85，型排水量9 000 t，最大工作水深25 m，支撐樁腿4根。配有700 t主吊機(jī)1座、120 t副吊機(jī)1座。2臺(tái)吊機(jī)最小工作半徑軌跡相切。

2）頂升系統(tǒng)：本平臺(tái)采用插銷式液壓升降機(jī)構(gòu)，由液壓油缸、上環(huán)梁、下環(huán)梁、懸掛桿、平衡器、液壓插銷、固樁架等組成。油缸最大工作壓力31.5MPa，單個(gè)油缸的最大壓力981 t，單個(gè)油缸的最大拉力631.5 t。平臺(tái)共4根樁腿，樁腿直徑3.3m，長度60.0m，上部預(yù)留無孔區(qū)高度5m。樁靴高1.6m，尺寸為8.7m×9.2m。樁腿橫向中心距29.9 m，縱向中心距55.2 m，單樁額定舉升力2 500 t，單樁最大舉升力3 000 t，每條樁腿插銷孔節(jié)距1 500mm。

5.2平臺(tái)船定位、支腿

根據(jù)故障風(fēng)機(jī)電纜路由布置，結(jié)合設(shè)計(jì)對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的保護(hù)距離，確定平臺(tái)作業(yè)船的精確位置，平臺(tái)開始頂升作業(yè)。5月1日15:40平臺(tái)開始下放支腿，至5月2日3:30潮位最高時(shí)平臺(tái)船頂升結(jié)束，此時(shí)1號(hào)樁腿31.5 m/2 500 t、2號(hào)樁腿33 m/2 722 t、3號(hào)樁腿31.5 m/2 500 t、4號(hào)樁腿34.5m/2 800 t（1、2、3、4號(hào)樁腿以順時(shí)針方向編號(hào)，起點(diǎn)為控制室處）。平臺(tái)船頂升狀態(tài)為：低潮位時(shí)，船底離水面約1 m，高潮位時(shí)，船體約吃水2.3m，滿足平臺(tái)作業(yè)要求。

5.3機(jī)艙、輪轂、葉片拆除

由自升式平臺(tái)作業(yè)起重船完成故障風(fēng)機(jī)葉片、輪轂、機(jī)艙拆卸工作，2 000 t級(jí)自航多功能駁配合完成。

1）通過葉輪盤車，將受損最嚴(yán)重的朝上葉片盤至垂直向下，另外2葉片對(duì)稱朝上。

2）吊索具安裝：700 t主吊車300 t鉤吊點(diǎn)安裝于朝上2葉片根部，索具采用長21 m的50 t吊帶，吊帶在葉片根部為兜吊；700 t主吊車700 t鉤吊點(diǎn)安裝于朝下的第3葉片上，采用20 m長吊帶，捆綁于朝下葉片距根部12m處，見圖1。

圖1　葉輪拆卸索具安裝Fig.1 Erection of riggings for disassemb ly of im pellers

吊索具安裝完成后，在輪轂與機(jī)艙間安裝輪轂機(jī)艙分離時(shí)的穩(wěn)固裝置。

葉輪拆卸：索具安裝完成后，鉗工班組進(jìn)入主軸前部，利用液壓扳手拆卸主軸螺栓，若遇到無法拆卸時(shí)，采用氧氣乙炔切割。

螺栓拆除完畢后，利用700 t主吊車前后鉤配合，使葉輪保持傾斜狀態(tài)，緩慢下放至甲板面合適位置合適高度，利用120 t輔助吊機(jī)掛上輔助吊點(diǎn)，通過2臺(tái)吊機(jī)配合翻身放下葉輪。葉輪擱置在船甲板中心上。

葉輪分離：葉輪擱置在甲板上后，將3個(gè)葉片與輪轂分離。葉片與輪轂分離采用700 t主吊車主鉤單鉤吊裝，吊具采用2根21 m長的50 t吊帶。吊帶安裝在葉輪重心兩側(cè)2m處，見圖2。

圖2　葉片拆卸Fig.2 Disassembly of vanes

5.4機(jī)艙拆卸

機(jī)艙拆卸采用700 t主吊機(jī)副鉤進(jìn)行拆卸，吊具根據(jù)風(fēng)機(jī)廠家提供的受損后的機(jī)艙重心與吊點(diǎn)布置進(jìn)行配置。

掛好索具后，利用液壓扭力扳手拆除螺栓，若螺栓無法拆卸，利用大扭力扳手進(jìn)行破斷拆除，盡量不使用氣割拆除以保護(hù)塔筒法蘭。

機(jī)艙拆下后，放置在機(jī)艙擱置支架上，然后裝上運(yùn)輸船固定后運(yùn)回。

5.5機(jī)艙安裝

新機(jī)艙由700 t主吊將其從機(jī)艙運(yùn)輸駁上起吊擱置在作業(yè)平臺(tái)船上，并完成單件組裝。

利用平臺(tái)船上300 t鉤將新機(jī)艙安裝至上塔筒頂部。機(jī)艙安裝時(shí)采用定位銷導(dǎo)向就位。機(jī)艙安裝完成后，滿足機(jī)艙前部正對(duì)著700 t吊車扒桿，見圖3。吊裝過程使用的專業(yè)工器具由風(fēng)機(jī)廠家提供。

圖3　機(jī)艙就位Fig.3 Re-positioning ofwind power generating set

5.6葉輪安裝

5.6.1葉輪組裝

首先將輪轂擱置固定在甲板面上，然后通過平臺(tái)船上主副吊機(jī)先后吊起3個(gè)葉片與輪轂組裝，其中葉片與輪轂的組裝順序按照先組裝1號(hào)葉片并固定，然后組裝2號(hào)葉片并固定，最后組裝3號(hào)葉片，完成力矩緊固施工。葉輪組裝采用700 t主吊車的700 t鉤，吊具采用2根長21 m的50 t吊帶兜吊于葉片重心兩側(cè)2m處。

5.6.2葉輪與機(jī)艙組裝

葉輪組裝完成后，進(jìn)行葉輪吊裝。吊裝方案為700 t吊機(jī)作為主吊，吊點(diǎn)位于1號(hào)、3號(hào)葉片之間，120 t吊機(jī)作為輔吊，吊點(diǎn)位于2號(hào)葉片上，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)葉片分布見圖4。同時(shí)，在1號(hào)、3號(hào)葉片葉尖上布置攬風(fēng)繩，以控制葉輪吊裝時(shí)安全穩(wěn)定。

圖4　吊索具安裝及起吊Fig.4 Slinging and hoistingw ith riggings

通過主副吊機(jī)配合作業(yè)后，葉輪豎立，卸去輔吊。由主吊將葉輪移送至機(jī)艙前面安裝位置，當(dāng)輪轂靠近安裝法蘭約5 cm距離時(shí)，插入導(dǎo)向銷，通過導(dǎo)向銷將輪轂安裝至機(jī)艙前部。最后完成葉輪的安裝。通過盤車，卸下2根攬風(fēng)繩。

6　要點(diǎn)與建議

1）平臺(tái)升出水面后不受風(fēng)、浪、流的影響，海上吊裝作業(yè)平穩(wěn)，為安全、可靠、高效完成風(fēng)機(jī)組裝起重吊裝作業(yè)提供了保證，和浮式起重船相比，優(yōu)勢(shì)突出。

2）平臺(tái)吊裝作業(yè)的平穩(wěn)性、葉輪組拼空間、起吊翻身空間基本滿足工藝要求，主副吊機(jī)配置及能力滿足工藝要求。

3）海上作業(yè)平臺(tái)船進(jìn)點(diǎn)到位進(jìn)行頂升及收腿工作時(shí)，平臺(tái)處于不斷調(diào)整穩(wěn)定狀態(tài)的過程，必須在風(fēng)力小于7級(jí)，浪高小于1 m的工況條件下作業(yè)，并謹(jǐn)慎操作，以確保平臺(tái)安全。作業(yè)期需要嚴(yán)密關(guān)注氣象及潮水。

4）平臺(tái)船定位時(shí)除根據(jù)吊裝工況外尚應(yīng)確保支腿與樁基（或最近建筑物）的安全距離，避免因?yàn)槠脚_(tái)支腿下伸過程時(shí)對(duì)地基造成破壞，影響樁基結(jié)構(gòu)安全。另外因?yàn)椴灏瓮冗^程對(duì)土體有擾動(dòng)破壞，所以同一位置（靠近位置）只能給作業(yè)平臺(tái)一次提供支撐反力，不能在原地重復(fù)進(jìn)行插拔腿。因此，施工作業(yè)必須力爭(zhēng)一次成功。

5）針對(duì)類似于東海大橋海域淤泥層比較深的地質(zhì)情況，需要認(rèn)真進(jìn)行平臺(tái)支撐穩(wěn)定計(jì)算分析，確保平臺(tái)作業(yè)安全。

7　結(jié)語

本次故障風(fēng)力發(fā)電機(jī)組搶修工程為國內(nèi)首次實(shí)施，其包含國內(nèi)首次利用自升式平臺(tái)船進(jìn)行海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙、輪轂、葉片拆卸，首次利用自升式平臺(tái)船進(jìn)行海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙、輪轂、葉片的安裝，首次在海上90 m高空塔筒外壁進(jìn)行油漆補(bǔ)涂以及油污覆蓋層的清理。

本次搶修工程的順利實(shí)施，為海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)技術(shù)積累了新的、可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)發(fā)展我國海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)起到了一定的推動(dòng)作用。

[1]中交上海三航科學(xué)研究院有限公司.東海風(fēng)電安裝平臺(tái)樁基計(jì)算[R].2012. CCCCShanghai Third Harbor Science Research Institute Co.,Ltd. Calculation of pile foundation for installation platform for wind power in EastChina Sea[R].2012.

[2]杭州歐佩亞海洋工程有限公司.潤邦1001號(hào)工作平臺(tái)樁靴入泥深度計(jì)算[R].2012. Hangzhou Ou PejaMarine Engineering Co.,Ltd.Calculation of embedded depth of pile shoes of platform for Ruibang 1001 working platform[R].2012.

[3]中交第三航務(wù)工程局有限公司寧波分公司.東海大橋風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組修復(fù)工程搶修專項(xiàng)施工方案[R].2012. Ningbo Branch of CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.Special program foremergency repair ofwind turbines for East China Sea BridgeWind Farm[R].2012.

Emergency repair of offshorew ind power generator by using self-elevating p latform

LIANGKui,WANG Jian-yong*,ZHENG Ji-hu i
（Ningbo Branch of CCCCThird Harbor Engineering Co.,Ltd.,Ningbo,Zhejiang 315200,China）

The paper,based on the engineering practice in the emergency repair of a wind power generator of 100 MW on Shanghai East Sea Bridge,presents the using of a self-elevating platform to carry out emergency repair of offshorewind power generators,and presentsalso the summary of the engineering practice and recommendations as reference for similar projects.

self-elevating platform；offshore wind power generator；emergency repair

U656.6

B

2095-7874（2016）06-0076-05

10.7640/zggw js201606019

2016-04-28

上海市科學(xué)委員會(huì)科研項(xiàng)目（14DZ1200903）

梁奎（1981—），男，浙江紹興人，工程師，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，主要從事海上風(fēng)電施工技術(shù)研究。

王建勇，E-mail：wanghu1983@126.com