吸力式导管架基础结构制作工艺研究

洪春用 洪天识 中交第三航务工程局有限公司厦门分公司

1.吸力式导管架基础的优势

对于浅层有岩层的海域，采用嵌岩桩基础结构形式费用较高，而筒型基础为底端开口、顶端闭口的大直径筒形结构，其特点是浅层土承载，利用负压进行安装，无需大型打桩锤，海上施工简便，是近年来我国海上风机基础实践的一个方向。吸力式导管架基础由吸力桩、导管架和上部箱梁过渡段三个部分组成，与传统桩基式风机基础相比，具备施工安装方便、噪声小、可重复利用、方便拆除、受水深增加影响小等优点。在海上风电建设不断向深海区域快速发展的形势下，风机吸力式导管架基础结构形式得到越来越广泛的应用。

2.工程概况

长乐外海海上风电场C区项目位于福州市长乐以东约50km海域，其中共计划布置49台吸力式导管架风机基础，总装机规模为496MW，是目前国内首个规模化的8MW商用机型海上风电场，也是国内首个大批量外海深水吸力式导管架基础海上风电场。

该项目主要采用三筒（吸力桩）导管架基础结构形式，其由三个吸力桩、导管架和上部过渡段三部分组成。单套重量最大约2462t，其中导管架重量约1270t（含过渡段），吸力桩部分最大重量约1192t（3个吸力桩）。

3.制作工艺研究

3.1 过渡段制作

过渡段俯视整体呈三角形，结构最大外形尺寸为16.8 m×15 m ×5.6m，主要包含过渡段顶板、底板、侧边腹板、支撑柱、主钢管、法兰，下部通过三根支撑柱与主导管架相连，上部通过法兰与风机塔筒相连。

底板、顶板各分成四部分拼板。因板厚厚度大，埋弧焊拼板时两面交替焊接，减少拼板缝折角变形。焊接前必须对焊接区域进行预热处理，定位焊缝和主缝均应预热，并在焊接过程中保持预热温度120～200℃。焊接过程多次翻转，交叉焊接控制变形。底板拼接完成后测量确定主钢管与三个支撑管的中心轴线，并以此为基准划出主钢管外径检验线及底板上主钢管内部区域的加强结构装配线，装焊相应的加强结构完成底板片体制作。

以底板片体为基准制作水平胎架上胎定位，胎架面及地面分别做出主钢管与支撑管的中心及轴线，打上样冲标记。按片体制作时所划的装配线依次吊装主钢管、侧腹板及顶板，散装主钢管外部环板及加劲板。焊接过程中实时监测主钢管的椭圆度和垂直度。

3.2 导管架制作

导管架由主导管、斜撑钢管、过渡段支撑钢板、竖向主钢管等组成。此外导管架上还有靠船构件、海缆保护管、灌浆管线、过渡段内外平台等附件。

导管架主体为厚板钢管。由直径不等、厚度40～80mm的钢板卷管焊接组成。利用计算机三维软件绘制导管架三维图，确定各个零件精确尺寸、各组件重心位置及导管架整体尺寸。

根据三维图确定好钢管下料尺寸，采用数控切割下料，预留坡口量、焊接收缩量等工艺余量。钢板卷圆前先在4500t油压机进行压头处理，压头长度220mm。将合格的板料送进卷板机，要求进料角度应保证直缝边与卷板机辊轴平行，确保直缝对接错边量≦2mm，在卷板机上调整错边和端面平整度，用手工焊分3～5处焊接定形。

卷制合格后进行纵缝焊接。纵焊缝埋弧焊前先用CO2气保焊打底，打底厚度4～5mm可根据板缝略微调整。用埋弧焊小车在管节内行走焊接直焊缝,对于管径较小的采用伸臂式埋弧焊机进行内（外）直焊缝焊接工序，内直焊缝焊接完成，通过滚轮架将钢管桩管节纵缝转移至最高点，钢管管节外直焊缝采用可升降平台进行焊接。在可升降平台上进行钢管桩管节外直焊缝碳弧气刨清根、打磨和焊接，将埋弧焊机放在可移动焊接操作平台上，调节埋弧焊机小车移动速度进行钢管桩管节外直焊缝焊接。

3.3 导管架分片组装

（1）斜撑管呈“X”形，根据设计图纸测量定位，按顺序分别组装一侧主导管、X型剪刀撑和另一侧主导管。

（2）斜撑管底部放置定位工装，工装与钢管底部预留调整间隙，利用楔铁调整钢管位置，通过测量检测合格，固定好导管架片体开始焊接。

（3）导管架采用整体卧式组装，以“基准片”为基准，组装斜支撑。

（4）吊装侧面片体，吊装过程利用全站仪检测，确保各节点、主导管位置达到图纸要求，误差控制在3mm内。

（5）最后安装剩余3片“X斜撑管”，按从小到大的顺序逐片组对。

（6）搭建脚手架，焊接各焊缝，焊接过程监控尺寸变化，保证整体尺寸满足图纸要求。

（7）焊接完成后按照总体尺寸要求修割导管端部余量，安装导管架附件，保证各尺寸满足要求。

3.4 吸力桩制作

筒体通过钢板的下料、卷管、纵焊和回圆等工序制作成单节筒体，单节筒体用槽钢制作成“米”字支撑，以防止管节在运输及对接焊中变形。将制作焊接合格的单管节运输至行走滚轮架上，将单管节在滚轮架上组对焊接成吸力桩。再利用行走滚轮架的升降调整两两管节轴线位置，使管节轴线对位误差控制在允许范围内。吸力桩管节轴线对位调整完毕后进行吸力桩管节之间的拼接对焊。将埋伏焊机小车直接放置在吸力桩管节内进行内环缝焊接。

根据图纸数控切割下料桶盖底板，将底板吊装至工装上在底板上放样画线。将卷制完成的中间管节吊至相应位置，调整到位，焊接固定。）依次拼焊腹板、侧板、顶部及其他筋板。

将制作合格的吸力桩盖板和吸力桩连接段组装，组装后检查两者之间错边量、同心度是否满足图纸和技术要求，合格后开始焊接两者之间的环缝，环缝采用埋弧自动焊焊接。

3.5 导管架基础整体拼装和焊接

导管架与过渡段的安装主要控制点为法兰面安装精度。利用全站仪测量导管架焊接坡口面，计算出该平面与大地水平的夹角。之后在过渡段上设置多个基准点，用于表示过渡段的中心线，吊装时使用全站仪实时测量多个基准点与大地水平的夹角，当该夹角与焊接坡口面的夹角一致时即调整到位，然后临时焊接固定。

过渡段与导管架组装合格后开始焊接，利用过渡段支撑管吊耳底板的人孔，焊接人员进入钢管内部焊接内侧坡口，外侧进行碳弧气刨清根，保证焊缝全熔透，焊接执行WPS参数要求，焊后进行无损检测。焊缝探伤完成后将人孔封板焊接并探伤。

3.6 导管架整体拼装和焊接

（1）将3根吸力桩用轴线车组转至总拼装区域，根据设计图纸尺寸确定导管架中心位置和吸力桩的中心位置。

（2）将完成组焊好的的导管架（含过渡段）用模块车运到悬臂吊和溜尾吊之间。

（3）用悬臂吊和溜尾吊将导管架（含过渡段）由躺卧状态吊装至竖立状态，并提升到一定高度，使导管架主钢管底部标高大于理论标高100mm左右，利用导管架上的3个固定吊点的高低调节来调整过渡段法兰水平度，使水平度误差＜6mm。

（4）调整导管架位置，使导管架主管与吸力桩对正就位，合格后在外侧临时加固焊接，焊工从吸力桩顶盖人孔进入钢管内部，焊接内壁坡口，外侧坡口清根，保证焊缝全熔透。焊接后立即对焊缝进行消氢处理，用红外线加热器加热200～300℃，保温1.5h，缓冷降到室温后进行外观检查和无损检测。

（5）合拢环缝检查合格后封堵焊接人孔，人孔盖板焊缝为单面焊缝，焊接时单面焊双面成型，焊缝全熔透，并进行无损检测。

（6）最后装焊合拢缝处主导管加强圈和筋板以及海缆保护管接口焊缝等附属构件焊缝。

（7）导管架总装合拢后用履带吊将焊接设备、焊接人员吊至过渡段平台，焊接临时拆除的栏杆，对损坏的油漆进行补漆，拆除固定吊吊钩。

（8）模块车整体转运吸力式导管架至临时存放区。

4.结束语

本文针对吸力式导管架基础结构特点，研究了吸力桩导管架的制作技术及吸力桩、导管架主体和过渡段的总体拼装技术，形成一套较为完整的技术先进、安全可靠、易于操作、施工进度快、工程成本低、绿色环保的施工技术。整个导管架基础制作工艺的制定并成功实施，对今后海上风电超大超重吸力式导管架基础的制作提供了经验。