海上風(fēng)電內(nèi)護(hù)筒運(yùn)輸綁扎工藝研究

林振東 王雨生

摘 要：內(nèi)護(hù)筒是海上風(fēng)電嵌巖施工的重要工裝，使用頻繁，常規(guī)的內(nèi)護(hù)筒海運(yùn)綁扎形式為通過綁扎件將內(nèi)護(hù)筒與運(yùn)輸船甲板進(jìn)行焊接并在內(nèi)護(hù)筒頂部牽拉鋼絲繩，該種綁扎形式雖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但大量的焊接和打磨作業(yè)耗時(shí)較長(zhǎng)且對(duì)內(nèi)護(hù)筒本體會(huì)造成一定損傷。本文依據(jù)工程實(shí)例，設(shè)計(jì)一種新型內(nèi)護(hù)筒綁扎工裝，無需在內(nèi)護(hù)筒本體上進(jìn)行焊接作業(yè)且海上施工操作便捷、安全高效、可重復(fù)使用，并通過有限元建模分析證明了該新型綁扎工裝的可行性。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電;內(nèi)護(hù)筒;海上運(yùn)輸;綁扎工藝;有限元分析

中圖分類號(hào)：U674? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）11-0131-03

1前言

隨著社會(huì)不斷發(fā)展，人們對(duì)環(huán)境保護(hù)越來越重視，新能源的開發(fā)利用成為一大趨勢(shì)。我國海岸線綿長(zhǎng)，風(fēng)能資源豐富，發(fā)展海上風(fēng)力發(fā)電既能為東南部沿海城市提供電力能源，又清潔無污染，是國家倡導(dǎo)的綠色能源發(fā)展方式[1]。海上風(fēng)電的開發(fā)利用離不開相應(yīng)的風(fēng)電管樁等設(shè)施，這些設(shè)施需由運(yùn)輸船運(yùn)輸?shù)胶Ｉ现付ㄎ恢?。海上作業(yè)受天氣影響較大，合適的天氣窗口期很短，安全高效的運(yùn)輸綁扎形式可大大節(jié)約寶貴施工時(shí)間，有利于后續(xù)安裝工作的開展。

嵌巖平臺(tái)內(nèi)護(hù)筒是海上風(fēng)電水下嵌巖施工用的圓筒工裝，直徑通常6m-8m，高度20m至60m不等，重量約300t-800t。內(nèi)護(hù)筒在基礎(chǔ)樁鉆孔施工前打入海底一定深度，起到隔離水土壓力的作用，為后續(xù)的水下鉆孔施工提供穩(wěn)定的作業(yè)環(huán)境。待基礎(chǔ)樁安裝到位后，需將內(nèi)護(hù)筒拔出，放置在運(yùn)輸船上運(yùn)輸至下一個(gè)機(jī)位繼續(xù)作業(yè)。為了提高運(yùn)輸船甲板使用率、減少內(nèi)護(hù)筒吊裝翻身等作業(yè)工序，通常將內(nèi)護(hù)筒豎立放置在甲板進(jìn)行運(yùn)輸。運(yùn)輸過程中需保證運(yùn)輸船甲板強(qiáng)度滿足要求、綁扎工裝足以克服內(nèi)護(hù)筒所承受的環(huán)境載荷。常規(guī)的內(nèi)護(hù)筒海運(yùn)綁扎形式為通過綁扎件直接將內(nèi)護(hù)筒焊接在運(yùn)輸船甲板指定位置上，用以克服內(nèi)護(hù)筒海運(yùn)時(shí)的橫、縱向力;通過在內(nèi)護(hù)筒頂部加裝鋼絲繩連接到運(yùn)輸船甲板上，用以克服內(nèi)護(hù)筒海運(yùn)時(shí)的傾覆力，如圖1所示。內(nèi)護(hù)筒運(yùn)輸?shù)侥康牡睾髮⒔壴畛摻z繩拆除，內(nèi)護(hù)筒焊接位置打磨光滑后投入使用。這種綁扎方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)于單次使用的管樁比較合適，但內(nèi)護(hù)筒需要多次重復(fù)使用，此種綁扎形式存在如下缺點(diǎn)：

（1）多次的焊接、打磨作業(yè)對(duì)內(nèi)護(hù)筒本體有較大損傷，會(huì)減小內(nèi)護(hù)筒的使用壽命;

（2）海上高空牽拉鋼絲繩作業(yè)需要登高設(shè)備，而且風(fēng)險(xiǎn)性較高;

（3）海上施工受天氣影響大，施工窗口期很短，而大量的焊接和切割作業(yè)需要較長(zhǎng)時(shí)間，增加巨大成本。

因此，這種傳統(tǒng)的內(nèi)護(hù)筒綁扎形式已不能很好適用于海上風(fēng)電大發(fā)展的趨勢(shì)，需要開發(fā)新的高效型綁扎形式。

2新型綁扎工裝設(shè)計(jì)

為克服目前內(nèi)護(hù)筒海上運(yùn)輸綁扎形式的上述缺點(diǎn)，針對(duì)內(nèi)護(hù)筒需多次重復(fù)使用、經(jīng)常性短距離海上運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)，從操作便捷、安全高效、節(jié)省海上施工時(shí)間等角度出發(fā)設(shè)計(jì)綁扎工裝，該工裝需滿足如下使用要求：

（1）內(nèi)護(hù)筒可豎立放置;

（2）綁扎工裝可重復(fù)利用;

（3）無需在內(nèi)護(hù)筒本體上進(jìn)行焊接作業(yè);

（4）工裝具有克服內(nèi)護(hù)筒傾覆的作用，無需牽拉鋼絲繩;

（5）海上施工方便快捷、節(jié)約時(shí)間。

本文依據(jù)福建海域某風(fēng)電項(xiàng)目所用內(nèi)護(hù)筒來設(shè)計(jì)綁扎工裝，該內(nèi)護(hù)筒高40米，外徑8米，壁厚70-80毫米，垂向重心約20米，吊裝重量約620噸。設(shè)計(jì)綁扎工裝由底座、撐桿結(jié)構(gòu)組成，如圖2所示。底座由環(huán)形鋼板焊接而成，起到承擔(dān)內(nèi)護(hù)筒垂向力、增加內(nèi)護(hù)筒與運(yùn)輸船甲板接觸面積以均勻分布載荷的作用。撐桿結(jié)構(gòu)是由不同管徑的圓鋼管焊接而成的空間立體結(jié)構(gòu)，其外周設(shè)置圓弧面，與內(nèi)護(hù)筒內(nèi)壁曲面相匹配。撐桿結(jié)構(gòu)具有一定高度，既起到海運(yùn)時(shí)承擔(dān)內(nèi)護(hù)筒橫、縱向力的作用，又可有效克服內(nèi)護(hù)筒的傾覆彎矩。底座及撐桿結(jié)構(gòu)在陸上場(chǎng)地制作完成后，提前焊接到運(yùn)輸船指定位置，作為本風(fēng)電項(xiàng)目船上固定工裝使用。運(yùn)輸內(nèi)護(hù)筒時(shí)，通過撐桿結(jié)構(gòu)頂部設(shè)置的導(dǎo)向裝置將內(nèi)護(hù)筒吊裝放置在底座上，施工人員通過底座上設(shè)置的人孔進(jìn)入內(nèi)護(hù)筒內(nèi)部，將內(nèi)護(hù)筒內(nèi)壁與撐桿結(jié)構(gòu)指定位置之間的間隙用特制的楔形塊塞實(shí)固定，即可完成綁扎作業(yè);內(nèi)護(hù)筒運(yùn)輸?shù)侥康牡睾笕コㄐ螇K即可完成解綁作業(yè)。所有綁扎與解綁工作無需在內(nèi)護(hù)筒本體上進(jìn)行焊接、打磨作業(yè)，無需在內(nèi)護(hù)筒頂部牽拉鋼絲繩，操作方便高效，可大大節(jié)約海上施工時(shí)間。

3海運(yùn)環(huán)境載荷

本項(xiàng)目所使用的運(yùn)輸船總長(zhǎng)128米，型寬40米，型深7.5米，吃水5米，風(fēng)場(chǎng)所處位置在中國沿海海域。依據(jù)中國船級(jí)社CCS《海上拖航指南》（2011）來計(jì)算運(yùn)輸時(shí)內(nèi)護(hù)筒所承受的環(huán)境載荷[2]，求得內(nèi)護(hù)筒重心處加速度結(jié)果如下：

4 綁扎工裝強(qiáng)度校核

依據(jù)相關(guān)規(guī)范要求[3]，采用Ansys Workbench軟件對(duì)內(nèi)護(hù)筒底座、撐桿結(jié)構(gòu)及運(yùn)輸船船體結(jié)構(gòu)建立有限元模型并進(jìn)行直接計(jì)算，以驗(yàn)證綁扎結(jié)構(gòu)及船體局部強(qiáng)度是否滿足規(guī)范要求。綁扎結(jié)構(gòu)及船體有限元模型如圖3所示，模型約束條件為運(yùn)輸船船體結(jié)構(gòu)的四周邊界全約束。

內(nèi)護(hù)筒底座和撐桿結(jié)構(gòu)的材質(zhì)為Q355B，運(yùn)輸船船體結(jié)構(gòu)材質(zhì)為Q235，兩種材質(zhì)屈服應(yīng)力及許用應(yīng)力[3-4]如表2所示。

根據(jù)內(nèi)護(hù)筒海運(yùn)狀態(tài)所承受的環(huán)境載荷，分四種工況施加相應(yīng)的橫向、縱向和垂向力，其中垂向力包括內(nèi)護(hù)筒自重，如表3所示，分析綁扎工裝及運(yùn)輸船的應(yīng)力結(jié)果。內(nèi)護(hù)筒底座下表面與運(yùn)輸船甲板之間采用焊接固定方式，內(nèi)護(hù)筒與底座和撐桿結(jié)構(gòu)之間采用只承受壓力的接觸連接方式。

經(jīng)分析，船體結(jié)構(gòu)及綁扎件應(yīng)力云圖如圖4、5所示（以工況1為例）。

四種工況下船體及綁扎結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明，在本文海運(yùn)環(huán)境條件下，該綁扎工裝強(qiáng)度、船體強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

國內(nèi)海上風(fēng)電已經(jīng)進(jìn)入大發(fā)展的熱潮，風(fēng)場(chǎng)逐步由淺水區(qū)域走向深水區(qū)域，環(huán)境條件及地質(zhì)條件愈發(fā)復(fù)雜，所需的船機(jī)設(shè)備要求也越來越高。昂貴的船機(jī)租賃費(fèi)用促使海上風(fēng)電施工要搶抓短暫的時(shí)間窗口，加快工程進(jìn)度。內(nèi)護(hù)筒作為海上嵌巖施工用的重要工裝，使用頻率高，其安全高效運(yùn)輸對(duì)于加快海上施工進(jìn)度、節(jié)約成本等方面有重要意義。本文設(shè)計(jì)的新型內(nèi)護(hù)筒綁扎工裝及綁扎工藝具有海上施工方便快捷、可重復(fù)利用、不損傷內(nèi)護(hù)筒本體等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)分析，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足工程需要。該新型綁扎工裝的推廣使用對(duì)海上風(fēng)電高效發(fā)展具有良好的促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]李輝，林振東.深水導(dǎo)管架式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)安裝平臺(tái)設(shè)計(jì)及施工工法[J].中國港灣建設(shè)，2021，（2）：62-66.

[2]CCS.海上拖航指南（2011）[Z].

[3]ABS，Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units 2012.

[4]GB/T 1591-2018，低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼[S].