海上升压站导管架平台的建造工艺研究

朱 军，张伦伟

（1.南通蓝岛海洋工程有限公司，江苏南通226259；2.同济大学航空航天与力学学院，上海 200092）

0 引言

近年来，随着全球能源和环境问题日益严峻，海上风电因为不占用土地资源，而且受景观、噪声以及电磁波等问题的限制较少，被国家列为重点发展产业，也成为工程界的研究热点[1-2]。升压站一般分为两部分，分别为上部的升压站组块和下部导管架平台。导管架平台是升压站的基础，基于打桩和安装需要，导管架平台又分为两部分建造：其一是上部导管架结构，其二是插入海底的4根钢管桩，如图1所示。升压站安装时，是先将4根钢管桩打入海底，然后将导管架与钢管桩进行穿插连接，用水下高强度水泥固定，然后将升压站安装在导管架上。导管架平台的建造精度控制直接关系到钢管桩和升压站精密组装，其重要性不言而喻。

由于导管架是全管状桁架结构，且结构具有不规则的特点，在实际布设过程中，安装精度控制一直是施工难点。传统导管架的建造方法，是把桁架管零件进行搭积木式的组合装配，不仅效率低下，而且精度难以控制，质量也难以保证。本研究基于前期的相关项目积累[3-5]，有别于传统建造方法，采用船舶制造过程经常采用的模块化建造技术，将导管架进行模块化划分，以片式卧底制造，立式总组的建造工艺来进行制造。将精度误差控制在片状模块上，最后实现总组合拢。

图1 导管架和钢管桩示意图

1 基础筒体制作工艺

基础筒体是导管架和钢管桩的基础机械构件，主要采用大尺寸厚钢板经过大型卷板机进行卷圆及焊接，加工成长钢管。目前大尺寸厚钢板卷制的制造自动化程度总体较低，涉及检验、下料、切割、卷制、焊接等工序，在一些关键工序主要依靠熟练的操作工人根据经验来进行操作与控制，存在精度和质量的不确定性。为了更好解决大尺寸厚钢板加工生产过程中变形、精度控制等问题，我们严格制定了各个工序的生产工艺，并重点实现工艺标准化，各阶段制定明确具体的参数要求，尽量降低了对操作人员人工经验的依赖，从而实现了制造精度、生产效率以及建造质量的可控。其主要的工艺要点包括：

1.1 钢板检验及下料

按《承压设备无损检测》（JB/T4730-2005）标准，对于具有Z向性能的钢板和厚度等于或大于45 mm的钢板，要求逐张进行超声波探伤检查，达到I级标准。钢板原材料进场进行取样，取样规则为按炉号截取需进行化学元素分析的试样，按批号截取需进行机械性能试验的试样。板的厚度应符合《碳素结构钢》（GB/T700-2006）相关规定要求（B类偏差要求），但厚度负偏差均应不大于0.3 mm.

钢管桩所用钢材均以低合金高强度结构钢以DH36和DH36-Z25为主，且板幅较大、板厚较厚，对套料图上每个零件注明板厚、材质、件号、坡口等详细信息。现场必须严格按照套料图下料，切割前仔细核对切割图和切割指令程序，避免切割错误，浪费板材，切割过程中要做好记录，切割的每块钢板要核对钢板炉批号。具体下料工艺主要包括：将数控切割程序拷贝到数控切割机上，按照钢板下料清单选择相对应的规格，然后将钢板放置在切割台上，确认钢板的纵向边缘与切割机轨道平行；根据板厚选择切割补偿量和割嘴规格，调整割嘴角度；首件工件进入火焰切割前，必须试行走一次，同时确认风线直度可确保切割质量；每种规格首件下料后必须按要求100%检验下料尺寸，合格后方可进入批量下料；工件切割后应及时进行检验，并按要求记录，记录应具可追踪性，检验员将对切割过程中进行随机抽检，及时发现和消除影响切割精度的各种因素；补偿量一般在切割机上选择，补偿量是指双边补偿，如单边补偿则应减半，具体根据数控切割机型号。

1.2 划线、坡口切割

导管架横撑管和斜撑管等重要划线必须通过电脑切割指令程序产生，在切割下料时即喷粉划线，内容包括切割坡口用的支撑管内外筒体相贯线和检测尺寸用的上下纵向等分检验线，并确定检测点和切割点。对所有检查线和关键点，均需要用洋冲打上标记，以便于在尺寸检测和装配阶段对位时使用。根据套料图及施工图里的详细信息正确切割焊接坡口；斜撑管相贯线及其坡口待圆筒拼接后再手工切割。钢板开坡口前，查看坡口加工图、筒节示意图，核对筒节号（或工件号）及相关标志，以便于正确选择加工图上的坡口形状；检查钢板表面质量，不允许有下料切割时的熔渣，切割面要求平整、光滑对所用设备、气体及其减压装置的可燃气供气接头等，均应仔细检查保证设备、仪表及气路处于正常状态。切割纵缝坡口时，小车的轨道必须与纵缝坡口侧的钢板边缘平行，平行度不得大于1 mm；切割环缝坡口时，小车的导向滚轮必须与钢板侧边（环缝坡口侧的钝边）紧密贴合滚动；根据板厚选择正确的割嘴规格，调整割嘴角度，割嘴角度误差≤1°；检查风线，点燃火焰并将预热火焰调整适当。

1.3 钢板加工卷圆、拼接圆筒工艺要点

板材卷圆前，根据设计部门提供的图纸认真核对板材的加工参数，控制加工尺寸在允许范围内。板材卷圆方向两端各加100 mm加工余量。准备好各种内外样板，并根据卷制筒体的直径大小、壁厚选择合适的胎模。根据钢板的厚度、宽度、卷管直径、材质，通过电脑运算给出相应的卷圆数据制。卷制过程中，用铁皮样板检查筒体的圆度。经过数圈的卷制，上辊的逐步加压，使钢板成圆合口，合口时需用电焊每500 mm点一个50 100 mm的点焊点，利用对称点焊，纵缝保证在2~3 mm间隙，错皮不超过皮厚的十分之一或3.2 mm，二者取最小值，圆管两端错皮不超过1.5 mm.圆筒的卷制、定位在卷板机上一次性完成，板缝两端用至少100 mm长同材质同等厚度的钢板作为引熄弧板固定，中间部分用有过焊孔的同材质马板固定，马板长度为母材厚度的10倍。

圆筒焊接完成后，圆度必须再次检测，特别要注意焊接周围圆筒的外部。

1.4 组对焊接工艺要点

连接段主筒体的对接工艺顺序如下：为防止产生裂纹和减少残余应力，在焊前需进行预热，预热温度为100℃，预热方法可以采用电加热器进行，焊接过程中应控制层间温度，焊后应控制冷却速度。焊接前，应进行尺寸检验，主要是直线度及错边量，错边量≤4 mm.焊接结束后进行交验，包括焊接检验和尺寸检验，48 h后进行焊缝探伤。

钢管的对接工艺顺序及焊接要求如下：焊接前，应进行尺寸检验，主要是直线度及错边量，错边量≤4 mm.焊接方法采用埋弧自动焊。焊前应先把焊道清理干净，由两个焊工对两条焊缝同时进行施焊。先对筒体内侧进行焊接，再外侧碳刨清根、盖面。焊接结束后进行交验，包括焊接检验和尺寸检验，48 h后进行焊缝探伤。

整根钢管制作结束后进行整体交验，包括焊接检验和尺寸检验。完工钢管开坡口端的钝边不规则度应不超过±0.1%D且不大于5 mm的误差，钢管纵轴线弯曲矢高不超过0.1%D且不大于30 mm.

2 导管架及管桩分段划分

导管架几乎均采用分段制造、总组装配的建造方法，给建造的整体精度控制带来了较多困难，在项目实施过程中对导管架的建造工艺进行了优化，将导管架采用模块化划分，以片式卧底制造、立式总组的建造工艺来进行，使原本复杂的立体建造结构变成多个简单的单面结构，提高建造效率，降低生产制造周期。具体方法如图2所示，导管架是由四条腿和各个支管组成，其中两面支管有靠船构件，船构件有栏杆、爬梯，另外还有电缆J型管等附属设施，通过对导管架的四个面进行拆分，分为四个主要的面，A向、B向、C向、D向，再对附属件较多的结构部分进再分解出E向散装件分段，F向底部分段，以及管桩Z1，Z2，Z3，Z4 分段。

图2 导管架及管桩分段划分示意图

3 导管架建造顺序

导管架采用立式建造法，先将各主管及支管零件预制，然后进行横撑管制作以及X型斜撑管，再在胎架上分别制作B片体和D片体，并将有关的J型管、扶梯、防撞构件等安装在片体上，然后制作总装分段，安装防沉板等舾装件，在总装分段上合拢B片体、D片体，散装A片体、C片体、顶部分段，精确定位后整体焊接。如图3~图11所示，建造的主要顺序如下：

（1）下料并预制主管及支管

图3 主管及支管零件示意图

（2）横撑片体制作

图4 横撑片体

（3）X片体制作

图5 X片体制作

（4）B向片体制作（扶梯及防撞构件安装）

图6 B向片体制作

（5）D向片体制作（包括J型管、扶梯及防撞构件安装）

图7 D向片体制作

（6）总装片体和防沉板制作

图8 总装片体和防沉板制作

（7）将第4步所制作B片体和预制的C片体的立起来扣到总装片体上

图9 B片体和C片体安装在总装片体

（8）安装A片体和D片体

图10 A片体和D片体安装在总装片体

（9）安装顶部散装分段

图11 顶部散装分段安装

4 公差要求

在每次组装前和组装后进行一次测量，焊接后再进行一次测量，以保证焊后的测量误差满足要求。号料前，钢板应进行矫平。矫平后钢板的允许波纹按板厚t计：当t≤14 mm时，波纹度应不超过1.5 mm/m；当14 mm≤t，波纹度应不超过1 mm/m.型钢和钢管号料前，应检验其直线度。当直线度超过1 mm/m时，应进行矫正。

切割边缘直线度的误差应满足下列规定：当被切割的构件后续工序系采用自动焊接时，直线度的误差应不超过±0.5 mm；当被切割的构件后续工序采用手工焊接时，直线度的误差应不超过±1.5 mm；切割构件的外形尺寸的误差应不超过±3.0 mm；钢板和型钢坡口角度的误差应不超过±4°；钢管坡口角度的误差应不超过±5°.

除特殊构件自由边不得有缺口外，构件边缘可按构件类型允许有深度不超过下列数值的缺口：主要构件及次要构件的自由边<1 mm；特殊构件和主要构件的焊接边<2 mm；次要构件的焊接边<3 mm.特殊构件的自由边不允许存在缺口，气割后，应用砂轮打磨。边缘加工的零件，其宽度、长度允许偏差为±1.0 mm；加工边直线度为1/3000，且不应大于2.0 mm；加工面垂直度不大于钢板厚度的2.5%，且不应大于 0.5 mm；加工面表面粗糙程度不应大于50 μm.

5 结论

本文给出了导管架基础建造优化的工艺流程及各个关键工序的工艺要点，将导管架进行模块化划分，以片式卧底制造，立式总组的建造工艺来进行制造。将精度误差控制在片状模块上，最后实现总组合拢。经滨海H2风场400 MW升压站导管架项目的建造验证，效果明显，不仅精度满足设计要求，施工效率也提升30%以上。导管架基础建造是一个复杂的系统工程，需要设计、质检、施工、安环等部门的密切配合和相互协作和配合协调。安装过程中，导管架基础建造工业方案还将与相关工装、吊装方案和临时性的各种工艺文件相协调匹配。