800t自升式风电安装平台建造技术研究

商明星 刘正亮 祖家俊 刘阳

摘 要：800 t自升式风电安装平台是华南地区首座风电安装平台，其核心设备800t绕桩式起重机和3600t液压插销式连续升降系统都是国内具有独立自主知识产权并且领先的关键设备。本文结合该平台的设计及建造情况，简要介绍其在建造过程中的重难点以及需要注意的事项，为今后类似的平台设计、建造提供参考和借鉴。

关键词：自升式风电安装平台；建造

中图分类号：U667.5 文献标识码：A

Abstract： The 800 t self-elevating offshore wind turbine service unit is the first wind turbine service unit in south China. Its core equipment 800 t around leg crane and 3 600 t hydraulic ram and pin jacking system are both key equipment with independent intellectual property rights and leading position in China. Based on the design and building of the unit， this paper briefly introduces the important and difficult points and matters needing attention in the building process of the unit.

Key words： self-elevating offshore wind turbine service unit； Building

1 前言

风电是重要的可再生能源，全球风电场建设呈现快速发展并从陆地向近海发展的趋势。与陆地风电相比，海上风电的能量效益比陆地高20%～40%，同时具有不占地、风速高、沙尘少、电量大、运行稳定以及粉尘零排放等优势，能有效减少CO2气体排放，减少机组磨损，延长风力发电机组的使用寿命，适合大规模开发。我国沿海风能资源丰富，是目前全球主要的风电发展国家之一。

我司紧跟时代步伐，于2015年9月在中船集团北京总部签订了800 t自升式风电安装平台建造合同，并于2017年5月成功交付。这不仅展现了我司卓越的海工产品建造能力，也有利于打造我司成为风电安装装备重要的建造及维护基地，助力广东成为海上风电开发强省，为广东装备制造业再添亮丽名片。

2 800 t自升式风电安装平台简介

800 t自升式风电安装平台的主要作业工程包括7MW及以下风机的基座、支撑塔架、机舱及叶片的吊装，以及其他海上吊装作业或生活支持。该平台总长85.8 m、型宽40 m、型深7 m、结构吃水4.8 m、作业水深5～45 m；主甲板面积达2 000 m?，4条八角形桩腿，桩腿总高80 m（含桩靴）；采用液压插销式连续升降系统，升桩最高速度达18 m/h、升降机构单桩最大提升能力3 600 t、总提升能力达14 000 t；尾部右舷配备1台800 t绕桩式主吊机，带4点锚泊定位系统，总可变载荷达3 000 t；采用全焊接钢质船体结构，具有单层连续主甲板，生活楼位于首部，定员80人。满足中国船级社对于自升式平台、风电作业以及起重吊装方面的全部要求。

3 800 t自升式风电安装平台建造关键技术

3.1桩腿建造技术

桩腿作为支撑整个平台最重要的结构部件，平台内部、外部载荷通过桩腿进行传递。桩腿长期受到海水浸泡、洋流和波浪冲击，工作环境恶劣，各类腐蚀也十分严重，它是整个平台的基础，也是整个平台船体建造的核心工作。本平台设置4条桩腿（带桩靴），桩腿截面为八角形、尺寸约3.8 m×3.8 m，中间每隔3m或4.5 m设置水平加强框架，四个角设置100 mm厚的导向板，导向板上每隔1.5 m设计直径480 mm圆形插销孔，为内外进水式结构设计；桩腿内部从底到顶设计直梯和牺牲阳极，以便于结构检验和减少腐蚀；桩靴为长方形，尺寸为8.7 m×11.7 m、底部面积为101.8m?、从底面至桩腿顶部总高度为80 m；桩腿和桩靴采用CCS-E690、CCS-D500和CCS-D420等高强度船用结构钢。桩腿典型结构如图1所示。

3.1.1桩腿长度的划分

桩腿长度划分是桩腿建造的基础工作，必须结合桩腿的结构形式、建造厂地、车间起吊能力、总组以及搭载方案等综合考虑，既要有利于精度控制、充分利用板材，也要兼顾其内部铁舾件以及冲桩管路安装工作，同时要考虑减少后期高空作业，提高施工效率，减少安全隐患。特别是搭载方案的选取，要充分考虑船台或者船坞上主起重机的起重能力和吊高，尽早明确桩腿最上部分是下水前安裝还是下水之后安装：若桩腿高度稍大于主起重机的最大吊高，可以考虑定做专用工装，确保下水之前将全部桩腿搭载完毕，毕竟下水之后再接长吊装风险大大增加，装配以及焊接周期也加长。

3.1.2桩腿的精度控制

精度控制是桩腿建造工作的核心内容，它伴随着整个桩腿建造的全过程，同时又和升降系统紧密相连，其精度要素主要包括挠度、平面度、插销孔圆度和水平度等方面。我们在前期对于各类精度数据进行总结，对各种板材焊接收缩量进行分析，并且和设计院、升降系统厂家、施工班组以及工艺人员共同探讨，制定合理的精度和公差值以及切实可行的控制方案，绘制桩腿精度及公差布置图、编制桩腿建造工艺，为精度控制提供理论依据。在下料、划线、分段制作、船坞合拢等阶段，都制定详细的精度标准以及控制方案，确保精度满足要求。施工过程中，严格按照设计图纸及工艺文件的要求对各类精度数据进行测量和复核，加强过程控制，确保精度控制万无一失。

3.1.3桩腿的焊接

焊接工作是桩腿施工最重要的一道工作，其质量好坏对平台的升降系统有着极其重要的影响。项目实施之初我们提前对WPS工作进行策划，制定切实可行的施工方案，并从焊材、施工人员、焊接设备、焊接参数、环境条件、焊前及焊后处理等方面进行严格控制。本平台最大板厚为100 mm的CCS-E690钢板，为X型双面坡口，精度要求控制在±2 mm 之内。通过一系列的焊接试验，确定超厚超高强度钢的冷裂敏感性及焊前预热温度、层间温度以及焊后热处理对焊接接头力学性能的影响，对其焊接工艺进行了总结，包括焊接前准备、焊接顺序、坡口角度及加工方法、焊接方法、焊前预热、层间温度控制、焊后热处理等。在焊接过程中，边焊接边测量，及时发现并纠正焊接过程中出现的各种问题，在各部门的通力协作之下，最终圆满完成任务并且通过实船验证，得到船东和船检的一致好评。

3.2 3 600t液压插销式连续升降系统安装

3 600t液压插销式升降系统主要用于平台的升降、压桩和拔桩，在需要长期保持站立位置时，可使用附带的锁紧机构长期保持气隙，确保海上风电安装平台各项作业的顺利实施。此外还设计了扶正装置，减少桩腿在拖航时的晃动，确保拖航安全。

3.2.1 系统简介

升降系统主要由升降装置机械本体、液压动力单元及电气控制系统等三大部件组成：（1）机械本体用于实现平台的升降、平台支持的动作机构，主要包含固桩室、升降滑座总成、扶正机构总成、液压插销总成、提升油缸、锁紧装置模块、导向总成及润滑系统等；（2）液压动力单元主要由液压泵站、主控制阀组、油缸控制阀组以及相应的管路组成。全船共布置四套泵站，分别控制四条桩腿；（3）电气控制系统由集中控制台、桩腿控制单元、机旁控制箱等组成。主要分为集中控制系统（布置在驾驶室内）和机旁控制系统，均可实际平台升降、紧急停止和平台倾斜保护等功能。

升降系统机械本体总布置，如图2所示。

3.2.2 系统安装

升降系统安装工作，主要包括提升油缸和升降滑座的安装：（1）提升油缸直径540 mm、总长度4.5 m、重量7 t、额定提升能力300 t，每个桩腿12只提升油缸，全船共48只，提升油缸两端采用铰支安装形式；（2）升降滑座安装在桩腿四周，由钢板焊接而成，单个升降滑座与三只提升油缸下耳环通过销轴铰接。

提升油缸作为全船动力的关键部件，对于整个升降系统的安装有决定性的影响。同时施工空间小、精度要求高，如何快速将这些庞然大物安装到位，经过反复论证决定采用中心组件预装的方式，将固桩室顶部安装油缸的部位单独分开，形成一个中心组件，一次性将中心组件上全部12个提升油缸在地面预装完成，然后整体吊装搭载，极大的提高了安装效率，改善了施工作业环境，有效的降低了成本，得到船东的充分认可。

3.2.3 系统调试

升降系统调试工作是全船调试工作的核心工程，在下水之前要进行单桩起升和下降动作调试，以便桩腿校正零位之用，这项调试工的要求极高。系统调试工作主要内容为：升降液压泵站调试、报警点调试、油缸空载运行、插销锁紧、单桩起升和下降动作调试、全程升降调试等。

本升降系统工作压力为27 Mpa，在调试过程中要防止漏油以及碰撞事故发生。在平台压载前，要预先评估桩靴入泥深度，保证地面具有可靠的承载能力；在升降操作时，应保证平台倾斜角度在1°以内；同时，应提前制定各类安全事故应急预案、人员的安全保障及撤离方案。

3.3 800 t绕桩式起重机安装

本平台尾部右桩腿配备有800 t绕桩式重型起重机，需根据平台空间紧凑等特点进行专门设计和制造，在材料选用、结构设计、配套件选用、系统功能、性能要求等方面要严格按照CCS等相关规范要求，起重机所有的绞车和回转机构均采用电力液压驱动，其电力系统由平台自身提供。

3.3.1 起重机简介

本平台起重机配置2个400t的山字型主钩，最大起重量800t、工作半径20.3～25 m；一个150t的山字型主钩、工作半径24.7～80 m。设有2套主起升机构、1套副起升机构、2套变幅机构和1套回转机构等工作机构。在本机的转台结构前端设置1套索具钩绞车和2个稳货绞车。本体结构包括臂架、三角架、转台结构、筒体结构、臂架搁置架及钩箱等。本起重机整机重量轻、结构紧凑、操作方便、安全、可靠、整机布局合理，结构采用模块化设计，充分考虑平台日常维护和保养，留有足够的维护和保养空间。

3.3.2 起重机底座安装

为节约甲板面积，平台大多采用绕桩式起重机，即其中一条桩腿从起重机中间穿过。和普通将军柱式起重机不同，绕桩式起重机内部为中空式结构，要求起重机厂家进行专门的强度校核。由于风机吊装作业的要求导致起重机底座超高，并且下部和升桩机室相连接，这对其加强形式和结构强度都提出了极高的要求。起重机底座上部回转法兰直径约9 m，安装时对于圆度、垂直度、平面度的控制是一个很大的挑战。因此，我们对底座的安装制定了严格的吊装方案，确保加强对位，并制定了底座的焊接顺序减少焊接变形，确保底座一次性安装到位。

3.3.3 起重机大型部件吊装

800t绕桩式起重机总重量约900t，主要由底座、回转平台（含A字架）以及吊臂三大部件组成：回转平台（含A字架）总重量約400 t，由于液压泵站布置的原因造成整体重心极度偏向一边，吊装风险极大；另外，起重机吊臂总长110 m、重量达360 t。如此超长超大的部件吊装给我们带来了极大的考验，经过精心策划和反复校核，最终一次性完成了这两个超大部件的吊装工作，为以后类似大型部件吊装积累了宝贵经验。800t起重机吊臂整体吊装情况，如图3所示。

4 结束语

800 t自升式风电安装平台项目，经过项目组人员五百多个日夜的不懈努力，终于成功交付，并将于近期赴江苏附近海域作业。平台上各项设备运作正常，完全达到设计要求，为我国风电产业发展、推进海洋强国战略做出贡献。本平台的成功交付，极大提升了我们的信心和热情，并在以后的设计、建造中不断优化和改进，同时对促进我司建造精品海工平台、提高船型竞争力、扩展海工市场具有十分重要的意义。

参考文献

[1] 焊接手册[M] .机械工业出版社，2008.

[2] 船舶设计实用手册（舾装分册）[M].国防工业出版社，2002.