一种双臂架起重船承桩超大型单桩的吊梁系统

2021-10-25肖时骏

科学技术创新 2021年30期

肖时骏

1 概述

如今，海上风电施工超大型单桩直径越来越大，钢桩重量也相应持续增加，在这样的背景下，能够顺利完成海上单桩沉桩作业任务的大吨位船舶数量越来越紧缺，由此，展开相关研究，使现有大型吨位起重船的性能得到进一步拓展是十分必要的，是一项迫在眉睫的任务。根据市场调研以及考证查阅相关资料，本文提出了基于国内2400 吨双臂固定吊起重船“三航风范”进行的科学合理改进，研究满足大吨位船舶单桩起吊的吊梁系统，并且辅之以专门的吊装工具，以更好的保障吊装的可靠性、安全性以及高效性。

2 设计一种双臂架起重船承桩超大型单桩的吊梁系统的背景

与海上风电的超大型单桩直径的不断增大相适应，相关的钢桩重量也在不断加大，海上单桩沉桩任务十分繁重，但能够完成该任务的船舶却十分紧缺，为了在保证经济效益的同时保障作业效率，就有必要对公司已有的大型起重船进行进一步的性能拓展。[1]本文在经过大量市场调研以及资料查阅、分析论证的基础上，以公司现有的2400 吨大吨位双臂固定吊起重船“三航风范”实施合理改进，以优化提升相关性能，需要设计制作出一套满足1000 吨单桩起吊的吊梁系统。本文研究主要解决的问题包括三个方面：

第一，有效解决了奉贤海上风电场以及江苏如东风电场7米及以上单桩的施工问题；

第二，提高了企业自有设备的利用效率；

第三，有效降低了项目部施工成本。[2]

在优化研究过程中，考虑到现有奉贤海上风电场项目位于奉贤区杭州湾北部海域，本项目拟安装32 台装机容量6.45MW风力发电机组。与之配套的单桩基础钢管桩与风机塔筒连接处外径7.0m，水中部分通过锥形段过渡到8.0m，桩身壁厚为70～80mm，平均桩长约73m。因此本次考虑制作的吊梁系统至少要能够满足7m 以上超大型单桩的要求，同时为了保证吊梁系统的长期适应性，还需要尽可能的增加钢桩直径，以便于原本应用于海上吊装施工的“三航风范”能够适应起吊2000 吨海上单桩的沉桩能力，使其在海上风电施工中的应用范围得到拓展、使用性能得到全面优化。

3 设计吊梁系统的形式结构（图1）

图1 双臂架变幅式起重船结构图

“三航风范”是一艘双臂架起重船，它配有4 只600 吨的主吊钩，且双臂吊钩中心距离为19.8 米。因为单主吊钩不能够满足吊重的实际需要，所以必须要使新的吊梁系统设计满足将双臂架的两个吊钩同时使用并且满足安全工作负荷的目标。吊梁系统采用前后钩用扁担梁的方式连接，合成一点；左右两个扁担梁合成受力点通过一根主梁连接；主梁上设置3 组翻桩用吊耳；一个吊锤专用吊耳用于挂打桩锤用。主梁长度23.36 米，宽度2.5 米，高度6 米，扁担梁长度5.7 米，宽度2 米，高度2.1 米，合计自重约200 吨。[3]主吊钩拆除原钩头，将滑轮组通过过渡吊耳与吊梁联接为一体式整体，降低吊钩高度以更好的适应超大型单桩桩长的要求。设计吊梁长度为23.36 米，并且满足双臂吊钩中心距19.8 米。

除此以外，设置三种不同间距的吊点来适应不同口径的单桩需要。通过后续对吊梁的受力情况进行分析，在原有数据基础上进行了更加细化的优化设计，在确保吊梁安全性的前提下，使吊梁自重降低，各吊点的中心距离为8.4m±1.6m，设计出能够满足多种单桩直径需要的吊梁。

“三航风范”是一艘双臂架变幅式起重船配有4 只600 吨主吊钩，双臂吊钩中心距为19.8 米。由于单主吊钩无法满足吊重的要求，因此吊梁系统必须起到将双臂架的4 个吊钩同时使用且满足安全工作负荷。

本吊梁吸收先进理念和思想，主要有两个平衡梁和一根主梁组成。平衡梁的上方共有四组销孔，分别对应（接）风范号2400 吨浮吊的四个主钩——主钩的吊钩应拆除。安装时，注意前后方向。有吊笼的在浮吊的内侧即近后钩。平衡梁的下方由转动销轴连接主梁，当浮吊臂架在前扑或后收的过程中，可通过前后钩的上升或下降进行调节平衡。吊梁的主梁下方共设七个吊耳，中间吊耳的额定载荷为800 吨，两旁对称的各吊耳额定载荷均为1100 吨。吊梁配有液压自动系统可以实现中间吊耳销轴的自动抽拉脱扣。

4 吊梁系统受力计算

工况1：翻桩工况

设计桩总载荷:SWL=2200T

吊梁计算重量200T，（其中吊具自重250T，拆除吊钩重量13*4=52，总体等效动滑问题轮组下重量为2200+250-52=2398T＜2400T），桩载荷通过主梁下部两耳板作用在主梁上，为了保证力流线性,图中及计算中,所有重量施加点位于主梁吊桩耳板处位置，单点加载数值（2200+200）/2=1200T。

整体受力简化图如图2。

图2

工况2：吊锤打桩工况：设计锤总载荷:SWL=800T

吊梁计算重量200T，（同上其中吊具自重250T，拆除吊钩重量13*4=52 等效计算重量250-52=198，按200T 计算）桩载荷通过主梁下部一处耳板作用在主梁上，为了保证力流线性,图中及计算中,所有重量施加点位于主梁吊桩耳板处位置，单点加载数值（800+200）/1=1000T 整体受力简化图如图3。

图3

注：工况1 翻桩工况受力全面覆盖工况2 吊锤打桩工况，因此主界面强度校核按工况1 翻桩工况载荷。

综上：根据上述吊梁受力简图做相应的吊梁的整体强度，整体稳定性，吊耳强度等作相应校核。

校核计算在上述载荷基础上按CCS 规范考虑：起升系数1.1，作业系数1.05。

5 应用效果及推广应用前景

5.1 使用效果

本吊梁自制作完毕至今已在奉贤海上风电项目风机安装及基础工程目完成25 根单桩的起吊和承桩作业，提高了我公司自有船舶的施工能力，为我公司后续施工项目作出了一定的设备保障，缓解了海上单桩沉桩任务的船舶供需矛盾。

5.2 应用前景

随着本吊梁系统在项目施工中的不断使用，将来还将不断的应用到更大的8-10M口径的单桩中，同时未来吊梁将不断地的无线遥控单元，实现吊梁自身的远程发电机遥控启动、远程销轴脱扣，为更安全更高效的施工提供保障。

6 双臂架起重船承桩超大型单桩的吊梁系统的实施效果

通过双臂架起重船承桩超大型单桩的吊梁系统在奉贤海上风电项目风机安装及基础工程目完成25 根单桩的起吊和承桩作业实践应用情况来看，该吊梁系统设计极大的提高了企业自有船舶的施工能力，极大的缓解了当前我国海上单桩沉桩任务对于大吨位起重船舶提出的迫切需要，并且为企业后续施工项目的顺利开展提供了一定的设备保障，降低了现有船舶闲置而造成极大的经济损失，提高了船舶的性能，可见该吊梁系统设计为企业创造了巨大的经济效益。