塔架吊装吊具损坏案例分析

风电项目实施过程的条件比较恶劣，又涉及较多的起重特种设备作业，其中尤以风电机组的安装作业为甚。通常安装作业的吊具选型设计由风电机组设计制造方给出，主要根据拟吊装塔筒参数进行设计，现场其他参建方仅根据设备参数在吊装方案计算校核书中对施工机械的负荷特性是否满足安装要求进行审核，但比较容易忽略吊具设计与施工工艺合理性，对于实际施工中可能出现的工艺调整情况考虑不周，倘若出现风偏载荷、吊具布置出现误差、到货设备重量与设计偏差较大等情况，造成安全系数不足，不仅影响风电机组吊装施工质量，更会造成现场风电机组吊装过程中的安全隐患。目前，关于风电机组塔架安装工程实践中吊具损坏的研究并不多。本文针对某风电场项目塔架安装施工中出现塔架吊具损坏的情况，通过计算分析吊具损坏的原因并提出在塔架吊装前应注意的问题。

图1 塔架所用吊具

图2 塔筒吊装时吊机及钢丝绳位置关系图

表1 塔架吊具DDT63T-00 参数

某风电场塔架吊装吊具损坏案例

某风电场设计安装1500kW-82双馈异步风力发电机组，该机型轮毂中心高度65m，三段圆锥形塔架。在风电机组塔架安装施工方案中已根据拟采用的QUY350t履带吊的负荷特性曲线校核了塔架各段的尺寸重量以及吊车的站位满足要求。当底段塔筒（长14.1m，重48t）吊装完成后，中段塔筒（长22.2m，重42t）挂好吊具（图1为塔架所用吊具，图2为塔筒吊装时吊机及钢丝绳位置关系图），吊具参数详见表1。两台吊机抬吊慢慢起钩使塔筒竖立起来，起重指挥人员在底段塔筒上平台通过对讲机指挥主吊司机缓慢动作使塔筒就位。当中段塔筒到达离底段塔筒上法兰面上部3厘米左右时，底段塔筒上平台中的施工人员迅速在塔筒三个对角方向将一部分螺栓穿上（总计约20颗，此时螺栓只带上3个螺距左右），有一部分螺栓孔因上下法兰面没对准未能穿上，需通过吊车缓慢摆动调整塔筒对孔。在塔筒里面起重指挥人员指挥主吊司机点动起升微调时，塔筒吊具螺栓突然脱落，塔筒吊具螺栓掉在中段塔筒平台上发出巨大的声响。施工人员马上穿上剩余螺栓并紧固螺栓力矩，然后指挥吊车松钩卸吊具。待紧固完底段与中段法兰连接处螺栓力矩，施工人员爬上中段塔筒平台拆卸吊具时发现塔筒吊具上4个吊耳中有3个吊耳上的6颗螺母全部脱落，掉在中段塔筒平台上，剩余一个塔筒吊耳的螺栓未掉落（图3为吊具损坏螺栓）。

图3 吊具损坏螺栓

图4 吊具工装安装示意图

图5 受力示意图（一）

图6 受力示意图（二）

吊具损坏原因分析

吊具损坏造成事故后，现场人员当即查验了吊具以及螺栓（10.9级 M27×240）供应方设计采购中关于质量保证书、合格证、探伤、尺寸力学等检测报告内容和结论，均合格。该台机组为累计使用该套吊具的第17台，经施工记录查验，在施工工艺正确和吊具保养良好的情况下也还未达到报废标准。遂考虑在就位调整过程中，中段塔筒与底段塔筒存在倾斜角度（最高距离3厘米），只能穿过部分螺栓紧固定位，施工人员从三个方向穿过螺栓（大概20颗）定位并固定塔筒，防止塔筒摆动。由于不能全部穿上螺栓，塔筒内部指挥人员通过对讲机指挥地面吊机司机通过点动起钩操作进行调整。由于塔筒部分螺栓在点动微调过程中受力，导致吊具螺栓受力超出螺栓承载力极限值，造成塔筒吊具螺母滑牙脱落现象。

为分析吊具设计合理性与安装工艺适应性，对吊具安装状态进行分析（受力按质量单位计）：

中段塔筒重42t，附件（电缆、吊具等）约6t，在正常均匀受力情况下每个吊点垂直方向受力12t。

根据公式（1）、（2）可以得出：

钢丝绳所受拉力T＝12.5t，螺栓所受拉力F＝42.8t，单颗螺栓受力为Nt＝21.4t。

对螺栓紧固件的连接设计校核，GB 50017—2003钢结构设计规范中有比较详细的规定：

（1）当设计正常情况下，安装无需吊车配合调整，工装与塔筒间无间隙时受力计算如下：

横向弯矩Mx：

螺栓应力P：

式中， γx为截面塑性发展系数，取γx＝1.2；A为公称应力截面积，459mm2；F为螺栓受力荷载；P设计为抗拉强度设计值，10.9级高强螺栓的公称抗拉强度为1000N/mm2；公称屈服强度是900N/mm2。

通过计算，在四个吊点均匀受力、充分考虑吊具工装主要受力情况下，高强螺栓受力安全系数较小（风电机组设备商的吊具技术规范规定安全系数n应不小于2），存在安全风险。在吊重误差增加、吊具偏载情况下，吊具螺栓将受力超标甚至达到屈服极限。

（2）若安装施工调整时螺杆有变形（本案例在安装调整遇到的情况），则工装与塔筒间存在间隙，属于摩擦型连接，同时存在摩擦面的剪力和螺杆方向上的外拉力，应满足：

式中，Nt为螺栓所受拉力；Nv为螺栓所受剪力；Nbt为螺栓所受拉力设计值；Nbv为螺栓所受剪力设计值；所受损吊具为10.9级M27螺栓，按照GB50017－2003钢结构设计规范，其承载力设计值为：

式中，n为传力摩擦面数目；μ为摩擦面的抗滑移系数（按表2采用）；P为一个高强螺栓的预拉力，应按表2采用。

通过上述计算，如在吊装长时间作业情况下，安装施工调整时，螺栓拉伸变形导致吊具工装与塔筒法兰面产生间隙，此种情况下螺栓受力难以满足钢结构设计规范的要求。

综上所述，该吊具在设计合理性上存在缺陷，可能出现的工况安全系数不充分，同时也未考虑现场或出现吊车辅助安装调整时引起的额外载荷，造成塔架安装吊具在安装调整时出现损坏。

总结

风电机组安装是风电场建设的核心主体工程之一，在安装过程中因各种因素引起的安全风险较高。本文针对某风电项目塔架吊装过程中造成的吊具损坏问题，提出了施工吊具管理中应加强的方向，根据目前风电项目安装现场主要使用的吊座吊具形式，论证了存在吊装过程调整时的核算方法，对现阶段仍使用类似吊具的大兆瓦级机组吊装时提高风电机组安装过程中人员安全、施工质量及工期进度均有较好的帮助，具体有以下措施：

表2 摩擦面的抗滑移系数μ（GB 50017-2003钢结构设计规范）

表3 一个高强螺栓的预拉力P(kN)（GB 50017-2003钢结构设计规范）

（1）在风电机组吊装施工策划与校核中，参建各方应重视吊具本身设计与满足施工时调整的合理性，进行必要的复核。该项工作甚至更应该在设备采购时与风电机组塔架吊具设计方进行设计联络，及时消除不利因素，降低吊具工装潜在风险，比如缩短吊点与螺栓孔间距以及增加螺栓数量，并做出厂的检测，明确使用要求，避免后期可能造成的安全隐患和不必要损失。

（2）在吊装施工时，塔筒安装应尽量调平安装，尽量避免起钩作业，以免增加吊具负荷。需要进行起钩作业时，应将部分螺栓拆除以减少增加额外载荷的可能性。同时，在安装时采用塔筒螺栓孔加工专用定位销定位，避免塔筒就位时起钩作业。起重指挥信号还应清晰明确，与吊机司机沟通，量化吊机在塔筒安装时调整作业的起、松钩动作。

（3）吊具工装安装前全面检查固定螺栓情况，螺帽间隙大、锈蚀严重的螺栓禁止使用。吊具工装使用完后立即回收，并做好保护。定期检查、保养固定螺栓。