海上风电7.5 MW风机叶片吊装施工技术研究

2022-10-31周国兴孙焕锋

水电与新能源 2022年10期

周国兴，孙焕锋，雷传，葛畅

(1. 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司, 浙江杭州 311122；2. 浙江华东工程咨询有限公司，浙江杭州 311122； 3. 浙江大学海洋学院，浙江舟山 316021)

随着我国对新能源越来越重视，海上风电行业进入大力发展阶段[1]。海上风机逐渐由近海向远海发展，风机的发电功率以及体积也在逐渐增大[2]。海上风机的叶轮由周围叶片与中心轮毂组成，是风机将风能转化为机械能最为重要的一个构件。

在风机机组各部件的运输、安装以及吊装过程中，表面防腐、电气设备、叶片等均容易磕碰损坏。其中，风机叶片较大，且叶轮距离海平面高度较高，受到风力影响，风机叶片的吊装较为困难。常规的吊装方法一般为叶轮整体吊装，即将叶片在施工平台上组装完成后吊装，该方法对施工环境要求较高，人力物力消耗较大。而叶片吊装方法不需要大面积的施工平台，节约人力物力。

目前，许多学者对海上风机的吊装方式[3-7]、起吊与运输船只稳定性[8-10]等开展了相关的研究，但是，对海上风机叶片吊装施工技术的研究较少，叶轮吊装方式在施工船舶甲板的面积较小的工程中并不适用，因此研究叶片吊装施工方法能有效减小施工风险。结合江苏启东某海上风电场风机建设项目，对大功率海上风机叶片吊装施工关键技术进行研究，对后续类似工程施工建设具有参考意义。

1 工程概况

江苏某海上风电场工程位于江苏启东近海海域，规划海域面积40 km2，规划装机容量250 MW。本工程基础施工为7.5 MW的单桩基础及集成式附属构件施工，共计40个机位，单桩直径分为6.5～7.2 m及6.5～7.48 m两种，桩顶高程+13.0 m。钢管桩桩长70～77 m，壁厚为64～78 mm，桩重约800～1 000 t，单桩最大长度77 m，最大重量约1 000 t。桩顶法兰与上部风机塔筒通过法兰系统进行连接。

2 叶片吊装工艺流程

2.1 塔筒下段预拼装

将二层设备分别吊放至指定安装位置后，将底层平台与其底部的支撑工装连接固定。分别吊变压器、变压器辅助柜及电梯至底层平台，吊变频器至上层平台，调整电气柜位置、对准螺孔后，将电器柜与顶层平台连接牢靠。底层平台需安装周围的4个立柱，将立柱吊耳调整至朝向平台中心位置，再将立柱与底层平台连接牢固。组装完成平台吊具后，将安装完成的上层和底层平台连接，并安装两层平台之间的风管及电缆挂架。然后吊上层平台至底层平台顶部，并连接固定。最后完成二层平台的辅件安装。

底段塔筒与设备连接安装前，拆除塔筒的运输支架和两端法兰支撑，并在底段塔筒的上法兰处安装4个专用吊具，安装时，4个吊具需在法兰面上均匀分布，且上部的2个吊耳连线、下部的2个吊耳连线均与地面平行；在下法兰的顶部安装2个专用吊具，两个连线与地面平行。专用吊具安装位置如图1所示。

图1 专用吊具安装图

塔筒翻转通过安装船上吊机协同抬吊完成，主吊机吊塔筒顶，辅吊机吊塔筒底。在起重指挥的统一指挥下，2吊机抬吊塔筒离开甲板面，之后主吊机缓慢抬升，副吊机在下放的同时逐渐向主吊机方向靠拢，并确保底部不与甲板面面发生剐蹭，最终使塔筒呈自由竖直状态。辅吊机不受力后，解除其吊索具约束，并在底端法兰上系上缆风绳，用以调整塔筒空间姿态并减少吊装时的晃动。

将底段塔筒吊至设备构架上方，调整塔筒与底部设备构架同轴心，然后通过缆风绳旋转塔筒，使爬梯对准电梯孔位置并缓缓下落至安装位置。期间，安装人员应注意拉缆风绳减小塔筒晃动，避免塔筒及其内部附件与设备发生磕碰。最后完成设备构架与底段塔筒的连接。

2.2 塔筒下段安装

将调节支撑安装在指定位置上，并调整至最短，拆除顶部的封盖板，然后将安装中段塔筒所需的螺栓、扳手等组件和物料备齐，并放在下段塔筒顶部的平台上，确认固定可靠后准备吊装。将吊具安装至下段塔筒的顶部法兰上，安装时，4个吊具需在法兰面上均匀分布，再将吊索具挂在平台船主吊机的主钩上。然后缓缓抬升主钩至吊索具即将受力时停止起钩，最后将下段塔筒与临时基础的螺栓连接解除。

平台船起吊塔筒至离开甲板10 cm时停止，观察各吊索具受力状态正常后，用清洁剂清洗塔筒下法兰平面，在底法兰处系缆风绳，然后将底段塔筒吊至基础上方，期间通过缆风绳控制塔筒的摆动量。

待塔筒到达基础上方后，主钩缓缓下落，下放到离基础顶部法兰约10 cm左右时停止下放，旋转塔筒至塔筒门的位置基本与基础上的标记一致，然后在塔筒底部法兰的12、3、6、9点四个方向上的法兰孔内插入定位销，以确保下放过程中基础顶部法兰孔与下段塔筒底部法兰孔能对齐。确认螺栓可在法兰孔上自由穿入后，解除缆风绳，并将所有螺栓穿入法兰孔，并用手将螺母临时带上。安装垫圈时，有倒角的一侧分别朝向螺母、螺栓头部的支撑面；安装螺母时，带字头的端面朝向外侧。螺栓连接副完成临时安装后，吊机缓缓下放下段塔筒至基础顶法兰，下放完成后，吊机仍带有5 t的力。然后使用使用电动冲击扳手冲击法兰面上十字对称的40颗螺栓，即十字方向上分别冲击10颗螺栓，并手动带紧所有螺栓，紧固力矩为1 000 Nm左右。再分别紧固至最终力矩的50%、100%，每紧固一次后，使用记号笔在螺栓上划一条横线作为标记。螺栓全润滑，施加完最终力矩后，涂抹防锈油。当所有螺栓50%力矩值预紧完成后，吊机将吊力下降至0，并拆除塔筒吊具；当所有螺栓100%力矩值紧固完成后，方可安装下一节塔筒。

完成下段塔筒安装后，进行下述工作：①在基桩与底段塔筒连接处用硅胶内外涂抹，将缝隙填平；②打开塔筒门，确认其完全打开后与门框角度大于90°；③吊装外平台阶梯等其他设备。

2.3 塔筒中段及上段安装

将中段及上段塔筒翻身后按上述步骤逐个安装，注意保证塔筒内爬梯在塔筒整体安装完成后在同一直线上。安装完成后，打开平台上盖板，确认与平台角度大于90°，且不与其他零件干涉。

在塔筒内作业时，要连接好照明，塔筒内的照明设备需确认后，方可连接照明电缆和插座电缆，插座使用前检查电压，如无法使用，使用临时照明系统进行照明。在塔筒和基础，塔筒和塔筒对接完成后，须立即安装爬梯连接件，并安装爬梯护板，确保爬梯牢靠固定，并尽快将塔筒之间的线缆进行连接，如接地软铜带等。每段塔筒吊装完成后，都须立即放下临时钢丝绳或连接安全滑轨，确保安装过程中可使用安全滑块。

确认塔筒内螺栓的标记数量是否与要求的紧固次数一致，如一致，则代表塔筒内所有螺栓的力矩均达到额定值，可以进行下一步机舱安装。

2.4 机舱及轮毂组装

1)盘车安装。拆除联轴器护罩及扭力扳手固定支架，并安装齿轮箱轮滑电机。打开机舱底板吊物孔盖板，并拆除2个挂梯，使用机舱小吊车将1 t小吊车吊入机舱，然后安装在吊车横梁上。使用吊车将盘车工装及液压站从机舱顶部的进物进人孔吊入。将盘车工装和搭块通过2个销子进行连接。使用 1 t行走小车，通过盘车工装自带吊耳、吊环螺钉与盘车突出部分，使用3个葫芦与行走小车之间用一个15 t卸扣进行连接。缓慢移动，调节盘车工装法兰盘，使法兰盘的孔与刹车盘孔一一对应，并用销子将其紧固。通过1 t小吊车，缓缓使盘车工装主体绕盘车圆心转动。将盘车工装上自带螺栓螺纹端顶住盘车支架板。将盘车工装自带连接板下端通过铰链转至支架安装板下方。使用销子穿进连接板的安装孔中，另一端使用螺栓连接副将一垫片与垫盖与销子紧固在一起。待盘车安装好后，将液压站从吊物孔中吊入机舱，并将动力站摆放在发电机后侧。

2)轮毂翻身。身在轮毂的顶端安装组合吊具，并安装轮毂翻身吊具，吊索具选用软吊带。接触轮毂与运输基座的螺栓约束后，安装轮毂底法兰螺柱，再将轮毂提升至一定高度，翻身吊索具带力，且组合吊具逐渐下放至不受力，完成轮毂翻身。

3)轮毂机舱组对。吊机将轮毂缓缓移动至机舱主轴法兰面的正前方，并调整机舱与轮毂法兰孔位对齐，然后吊机持续进给，移动轮毂至两法兰面贴合，最后手动上紧螺母并使用拉伸器紧固，紧固时按要求分次进行紧固，每紧固一次后用记号笔划一道横线作为标记。

2.5 机舱及轮毂整体吊装

在轮毂吊装门对门的面安装防护网，并安装踏板等轮毂内其他工装。在机舱法兰上安装限位销。螺栓连接副等物料在机舱内固定完毕后，随机舱一同起吊。完成安装机舱顶部附件后，安装专用吊索具，吊索具前后共有4个卸扣和机舱连接，较短的一侧连接机舱的前端，较长的一侧配备有定制花篮螺栓，并连接机舱的后端，最后解除机舱固定约束。为加强成品保护，采用软吊带吊装机舱，并在专用吊装工装的前端及尾端系缆风绳。

吊机主钩将机舱抬升约10 cm后，静候10 s左右并确认吊索具处于正常受力状态后，主钩继续抬升，如产生机舱倾斜、吊带未绷紧等状况，立即停止吊装。起吊的时候，保证机舱不与其他设备、配件等发生碰撞，同时通过缆风绳调整机舱的空间姿态和摆动情况。在机舱吊至距上段塔筒顶部法兰10 cm左右时，吊机主钩停止移动，将机舱上限位销插入上段塔筒顶部法兰孔内，以确保法兰孔之间对齐，确认所有螺栓可自由穿入后，然后迅速将所有螺栓带上。安装垫圈时，有倒角的一侧应分别朝向螺母、螺栓头部的支撑面；安装螺母时，带字头的端面应朝向外侧。吊机主钩缓慢下放至机舱底法兰与上段塔筒顶部法兰贴合，这时吊机仍带有30%的吊力。

使用液压拉伸器以最终拉伸力的50%、100%两次将螺栓紧固，首先先对法兰面上十字对称的20颗螺栓进行紧固，再按顺序紧固其他螺栓，每紧固一次后用记号笔划一道横线作为标记，待所有螺栓均完成终拧后，通过机舱天窗到达机舱顶部，将吊索具解除。

2.6 叶片安装

叶片起吊前，安装缆风绳系统，并确认缆风绳系统能正常运作，无异样。在专用叶片吊具的两端分别系缆风绳，然后平台船的主吊机吊起吊具，将单叶片吊具的中心移动到叶片的重心位置，并操作吊具夹紧叶片。期间，操作缆风绳控制吊具的摆动量防止与叶片发生磕碰。完成吊具的安装后，拆除叶片与运输架之间的螺栓约束，安装之前未安装的几个双头螺柱，螺柱的螺纹应涂覆有指定的螺纹锁固剂，并用管钳将螺柱旋入，螺柱外露长度符合风机的要求。同时，还需在叶片上安装定位销。通过转动盘车使带有防护网的轮毂轴承面与水平面夹角120°，同时首个准备安装叶片的轴承面呈竖直状态。轮毂完成转动后，锁定风轮锁，停止盘车，确认轮毂不处于旋转自由态后，通过进人孔进入到轮毂内部，准备进行叶片吊装工作。主钩缓缓起吊叶片，并检查叶根处法兰面是否处于竖直状态，如法兰面与竖直面夹角超过2°，则下放叶片并重新调整单叶片吊具与叶片重心的相对位置。

主吊机继续抬升主钩，并通过缆风绳系统调整叶片吊具的角度，将叶片吊至轮毂变桨轴承水平的一侧。变桨调整叶片上的零刻度与轮毂的轴承面零刻度对正，然后将叶片法兰与轮毂变桨轴承法兰面缓缓对接，并手动拧6个螺母，最后将定位销拆除。叶片安装时，让吊车点动到叶片安装到轮毂最安全的位置，让叶片平稳缓慢的与轮毂对接，禁止螺柱在有明显卡住的时候强行安装。按指定顺序分次对螺柱进行紧固，满足叶片摘钩条件后，解除单叶片吊具约束。将能够紧固的叶片螺柱紧固后，并将轮毂内的工具及物料带出轮毂，打开风轮锁，对高速刹车盘进行泄压，人员盘车，将第二片叶片安装位置转至水平，最后重新锁定风轮锁。主吊机准备吊装第二支叶片，确认轮毂锁死后，将剩余的螺柱进行紧固，紧固完成后，手动变桨将已安装完成的叶片由0°变至120°。

重复上述步骤，将第二支、第三支叶片吊装完毕，最后将盘车与液压站从机舱的吊物孔吊出，并及时安装联轴器及其附件。