海上风电导管架建造技术研究

文/谢志伟 魏笑科 邹福顺 林阳峰 涂源根 陈世明 陈城 胡力文

0 引言

一座海上风力发电机通常由风力发电机、机舱、塔筒、导管架、海底预埋深基础桩组成。海上风电导管架主体为桁架结构，上部有大型法兰与风机塔筒连接，下部为插入式导管架灌浆段与海底预埋深基础桩联接，此外导管架上还有工作平台、登船梯、靠船件、J 型管、灌浆管等附属构件，整个海上风电导管架长和宽各20多米，高度40米以上，重量约900吨。

1 概述

海上风电导管架是把风力发电机、机舱及相关附属设备固定在海上的重要基础结构。除了承受风力发电机、机舱及相关附属设备的重力和风力发电机运转时的震动外，海上风电导管架位于水下的结构长期承受洋流、潮流、海底冲刷的侵蚀，水面上的结构长期承受台风、盐雾、覆冰的困扰，因此，对海上风电导管架建造过程中的技术质量要求极高。本文以广州文船重工有限公司承建的中广核阳江南鹏岛400兆瓦海上风电导管架建造为背景，研究风电导管架建造技术，以确保建造过程中产品质量可控、提高建造效率、降低安全风险。

2 海上风电导管架建造技术研究

广州文船重工有限公司承建了中广核阳江南鹏岛400兆瓦海上风电场25套导管架，这批导管架单套重约为900吨，主体尺寸长×宽×高分别为23.9m×23.9m×40.64m。选定在中山市马鞍岛广州文船重工有限公司风电工程基地进行建造，基地配备了600吨龙门吊、160吨龙门吊、270吨平板运输车、电焊机、卷板机、数控下料机、五轴大型相贯线切割机器人、自动打砂除锈设备、超声波探伤仪、X 射线探伤仪、空压机等施工设备。导管架建造工艺流程如图1所示。

图1 海上风电导管架建造工艺流程

2.1 预制阶段

预制阶段主要包含了管节、片体、过渡段以及其他附属结构预制。

2.1.1 管节预制

管节是由直径不等、厚度为32mm ～70mm 的卷管焊接而成，焊接时采用逐步退接法，在专用焊接流水线上进行焊接，流水线的固定式焊机上有伸缩焊接臂，能伸入管内进行内环缝焊接。其中，管1和管2焊接好后，在流水线上自动移位，然后进行管2和管3的焊接，以此接长整根导管。如图2所示。

图2 逐步退接焊接法

管节制作完成后，需要对斜撑管进行贯口开设，每根斜撑管两个贯口，每套36条斜撑管，斜撑管直径为700mm ～1000mm 不等 ，长度6m ～22 m 不等，单套导管架即有72个贯口，且贯口及坡口形式复杂，使用手工切割无法保证贯口精度，导致后续各个KTY 节点的拼装精度无法保证。对此，采用大型相贯线切割设备解决切割精度问题，根据管件加工需求，定制设备需求参数如表1所示。

2.1.2 片体预制

（1）A/B 轴线导管架片体制作

按照导管架片体制作图制作胎架， A/B 轴为平面胎架，尺寸测量时必须用同一个基准点。上胎前必须核对筒节编号、检查筒节圆度及外圆周长是否符合要求，检查好后用吊带将管节吊至胎架定位。

A 轴和B 轴片体整体建造，片体上下分段合拢口进行预拼，但不能施焊，分段制作完毕分离，分别进行中组。

分段制作完毕，按相关安装图纸进行舾装件的安装。A 轴和B 轴片体外形尺寸为42m×24.8m，重量约为240吨。如图3所示。

图3 A/B轴线导管架片体

（2）1/2轴线导管架剪刀斜撑制作

斜撑管呈“X”形，在水平胎架上靠模制作。先划好定位线，固定两侧靠模，再用吊装带吊运管件至靠模内进行装配。斜撑管两端用圆管作刚性加强，以防止变形。 如图4所示。

表1 五轴相贯线切割机技术参数

2.1.3 过渡段预制

导管架过渡段含内外钢平台及法兰重量约240吨，主体尺寸长×宽×高约16.5m×16.5m×6.5m，采用立式建造法，在龙门凳上水平胎架制作。过渡段制作完毕，在其上安装外部钢平台、内部钢平台、法兰、塔筒门等附件，如图5所示。

图4 海上风电导管架1/2轴线剪刀斜撑制作

图5 海上风电导管架过渡段制作

导管架过渡段在船体车间内制作，然后用270吨平板车或模块车运输至涂装棚进行打砂涂装，再运至600吨龙门吊下进行总组。

2.2 中合拢阶段

2.2.1 导管架下段中组

（1）靠模工装布置

导管架导管段分上下两段分别进行中组。中组采用立式组装方案，首先在600吨龙门吊下方中组场地划设地样线，然后按靠模工装、支座制作图要求进行靠模工装、支座的制作安装，靠模工装、支座与地面牢固固定。靠模工装、支座布置如图6所示。

图6 海上风电导管架导管下段靠模工装布置

（2）A/B 轴线片体下段安装

导管架导管段A/B轴片体制作完成后报验合格，首先利用160吨龙门吊将其离胎，然后入托至转运工装运输架上，用270吨平板车或模块车运输至600吨龙门吊下方，利用600吨龙门吊上下小车三钩联吊将片体树立起来放置到支座，A/B 轴片体就位如图7所示。

（3）1/2轴线花片安装

导管架导管段1/2轴花片制作完成后报验合格，首先利用260履带吊将其离胎，然后入托至转运工装运输架上，用270吨平板车或模块车运输至600吨龙门吊下方，利用260吨履带吊和1台汽车吊双钩联吊将花片树立起来安装到位，1/2轴花片就位如图8所示。

图7 海上风电导管架导管段A/B轴线片体下段定位安装

图8 海上风电导管架导管段1/2轴线花片定位安装

2.2.2 导管架上段中组

（1）靠模工装布置

导管架导管段分上下两段分别进行中组。中组采用立式组装方案，首先在600吨龙门吊下方中组场地划设地样线，然后按靠模工装、支座制作图要求进行靠模工装、支座的制作安装，靠模工装、支座与地面牢固固定。靠模工装、支座布置如图9所示。

图9 海上风电导管架导管上段靠模工装布置

（2）A/B 轴线片体上段安装

图10 海上风电导管架导管段A/B轴线片体上段定位安装

导管架导管段A/B 轴片体制作完成后报验合格，首先利用160吨龙门吊将其离胎，然后入托至转运工装运输架上，用270吨平板车或模块车运输至600吨龙门吊下方，利用600吨龙门吊上下小车三钩联吊将片体树立起来放置到支座，A/B 轴片体就位如图10所示。

（3）1/2 轴线花片安装

导管架导管段1/2轴花片制作完成后报验合格，首先利用260履带吊将其离胎，然后入托至转运工装运输架上，用270吨平板车或模块车运输至600吨龙门吊下方，利用260吨履带吊和1台汽车吊双钩联吊将花片树立起来安装到位，1/2轴花片就位图11所示。

图11 海上风电导管架导管段1/2轴线花片定位安装

2.2.3 过渡段安装

导管架过渡段在船体车间制作完成后报验合格，用270吨平板车或模块车运输至涂装棚进行打砂涂装，然后运输至600吨龙门吊下方，利用600吨龙门吊上下小车三钩联吊将过渡段安装到位，风机导管架过渡段重约240吨，使用600吨龙门吊上小车三钩联吊，便于调整法兰水平。

导管架过渡段就位后，调整顶部法兰水平度≤1mm，四角钢导管合拢口码板固定，四角合拢口采用4个焊工同时对称焊接，在焊接过程中监控法兰平面度变化，防止上部法兰水平度超差。过渡段与导管段焊接完后，测量整体的平面度、垂直度和顶部筒节的椭圆度。合拢口钢导管对接焊缝要求熔透，并作100%UT，施工人员从脚手架到达靠船件平台，然后通过斜梯到达过渡段钢平台上，最后通过四个角预留的人孔和直梯到达合拢口临时平台上。过渡段与导管段合拢口每条焊缝焊接40%以上，600吨龙门吊上小车才能松钩。过渡段就位如图12所示。

图12 海上风电导管架过渡段安装

2.3 大合拢阶段

导管架整体分上下两段分别建造完毕并检验合格，附件安装完毕，首先利用600吨龙门吊上下小车将下大段吊装放置预先在地面布置好的导管架运输支座上，导管架下大段重350吨，外形尺寸为24m×24m×20m。然后利用600吨龙门吊上下小车将上大段吊装至下大段上方，与下大段进行合拢，导管架上大段重480吨，外形尺寸为18m×18m×25m。导管架制作完毕，整体效果如图13所示。

图13 海上风电导管架制作完毕整体效果

3 结语

2020年2月14日，广东省发改委公布了26个海上风电项目开工及并网时间表，总规模超1亿千瓦，未来两年，海上风电导管架建造将呈喷井式增长。开展海上风电导管架建造技术研究，有利于降低制造成本，提高制造效率，完善广东省的海上风电制造产业链。依托本研究成果，广州文船重工有限公司已完成在建海上风电导管架达30余套，在建造过程中积累了丰富的经验，并得到业主的一致好评，为国家大力发展海上风电事业贡献了一份力量。