海上风电风机叶轮吊装施工技术

陈凤云，沙欣宇，范肖峰，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)

随着海上风电行业的大力发展，海上风机逐渐向大型化、深海化发展[1-2]。风机叶轮作为风机发电的重要组成部分，有着离海平面高、叶片巨大等特点[3]。海上风机机组施工时，涉及到大量的起重作业、高空作业，同时存在突风、雷暴、台风等自然灾害风险以及触电、溺水等其他安全风险，风险源较多，安全风险管控难度大。风机叶片长度一般近百米，且海上风速较快，吊装施工难度较大。

目前风机的常用安装方式为整体式吊装，在组装基地将机舱、轮毂、叶片、塔筒4类主要部件组装成整体后通过特种运输船运输至施工现场，通过大起吊能力的起重船采用双臂抬吊的方式完成整体风机组件的安装工作。但是该方法对对施工环境要求高，可利用的起重船来源较少，且对码头要求高。而叶轮吊装施工方法对海上运输条件要求较低，风险较小，且施工方法较简单。

目前，许多学者对海上风机叶片设计与安装[4-6]、整体吊装方式[7-10]等开展了相关的研究，对海上风电风机叶轮吊装施工技术的相关研究较为匮乏，叶轮吊装施工技术的相关规范目前也有缺失，因此对海上风电风机叶轮吊装施工技术的研究对控制海上风机的安装风险有着重要作用。结合江苏启东某海上风电场风机建设项目，对海上风电风机叶轮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，场区中心离岸距离约32 km，海底地形变化较为平缓，水深在6～13 m之间。场区形状呈矩形，南北长约8 km，东西宽约5 km，规划海域面积40 km2，规划装机容量250 MW。风机安装中设计有叶轮式吊装，轮毂尺寸为9 m×7.5 m×7.5 m，重110 t，对船机硬件设施要求较高。

2 叶轮吊装工艺流程

2.1 塔筒下段预拼装

在塔架法兰处安装起重支架，预紧固起重支架的螺栓，为主起重机装上吊带,将吊带安装到起重支架上。将调节板(位置1)安装到吊钩上(位置2，见图1)。调节板根据法兰厚度而特定。确保锁定机构(位置3)处于吊钩的上部。绳索操作员将溜绳(位置1)系到吊钩上，根据吊装指导，将吊带与卸扣系到吊钩上。开启锁定机构，使锁定爪(位置2)远离塔架法兰。

图1 叶轮吊钩图

在第2台起重机吊钩上安装吊带，将吊钩放置于塔架法兰顶部。在起吊吊钩时，使吊钩停靠在塔架中间。在不向吊钩上施加塔架负载的情况下，采用起重机将吊钩上吊带收紧。将吊钩上溜绳移除。将4列×12层阶梯的稳定板放置在将竖立塔架的地面上，布置稳定板。

在塔架底部法兰两侧分别系上1根溜绳。用主起重机与副起重机将塔架由水平位置吊至垂直位置。在塔架完全处于垂直位置后，用主起重机将塔架置于稳定板堆垛中间。将塔架转至吊钩刚好处于两稳定板中间的位置。松开棘轮箍带并将其从塔架法兰和吊钩上移走。将吊钩与吊带松开。用叉车将吊钩推向塔架中心，直至吊钩从塔架法兰上松开。采用主起重机将塔架吊离稳定板，并将塔架放置在基础上。塔筒竖立完成后，放置在存储工装上。

2.2 安装船驻位

自升式平台船由拖轮拖航行至施工海域，拖轮降低航速，根据预先输入的机位GPS位置，准备就位。

自升式平台船抬升作业。船舶在移船的过程中就开始对船进行调平，定位后各项数据核查无误后开始抬升；抬升的过程中要根据船舶的水平状态控制各条腿的下降速度。同时在抬升的过程中对4条桩腿进行预压；为不使船体由于起吊等作业引起倾覆力矩、风浪等外部环境使桩腿继续下陷，导致船体在作业时发生倾斜，在船体正常作业以前，必须对全部桩腿进行预压，使桩腿地下的地基土层所承受的载荷能达到或超过工作状态；桩腿承载预压达到额定值时抬升船离开水面，为了防止海浪对平台船底的冲击，平台抬升高度应高于气象海浪。

2.3 定位驳、运输船驻位

定位驳船从风机安装平台船左舷一侧驻位，自航至施工机位约500 m范围内应降低船速，然后由锚艇按既定的锚缆布置方位进行下锚。定位驳船前后交叉抛4只定位锚，慢慢收紧锚缆。此时定位驳船至风机安装平台船净距控制在120～150 m。运输船靠泊定位驳船系缆后，定位驳船通过收放锚缆对运输船进行移船，慢慢靠近平台船，控制平台船与运输船之间净距约为5～10 m，完成定位驳船、运输船驻位。驻位方向与涨落潮水流方向一致，避免受水流影响造成运输船的走锚。

2.4 塔架安装

2.4.1 底段塔筒安装

底段塔筒采用垂直起吊方式，总重115.3 t。将塔筒吊具吊带一端挂在主吊钩上，另一端紧固在底塔上法兰。与此同时，用清洗剂清洁基础法兰面，并涂平面密封胶，胶线呈葫芦状，直径约 5 mm。缓缓起钩至吊带即将受力时停止起钩，将底段塔筒与设备构架在工装上的固定装置卸除。再次缓缓起钩至底段塔筒离地100 mm静置观察1～2 min，同时在底段塔筒的下法兰系上揽风绳。在系上揽风绳之前，用清洗剂清洗塔筒下法兰平面。涂抹螺栓润滑剂MoS2，螺栓上部露出2～3丝，涂抹长度13～15丝。涂抹原则为螺栓全润滑，螺母及垫圈接触面上的润滑剂厚度约为0.1 mm。按全润滑方式涂抹螺栓润滑剂MoS2。

缓慢将塔筒吊至基础法兰上端，使塔筒缓缓下落，同时拉揽风绳稳定塔筒，避免塔筒外壁与基础法兰擦挂和碰撞。塔筒上升到基础上方，快要下落到既定位置时，找准两法兰的红色“0”位标记，先上穿入3个螺栓进行定位，然后缓慢落下塔筒。对齐法兰面后，拧入剩余螺栓、螺母和垫圈。先用电动冲击扳手打紧所有连接螺栓。紧固时，先十字交叉对称紧固4颗，然后按顺时针方向对称逐颗紧固剩余的螺栓。进行液压扳手紧固，紧固完成后方可松钩并移除吊机，然后进行塔筒法兰连接螺栓紧固。

2.4.2 中1段塔筒安装

第二节塔筒是平躺运输，所以从第二节塔筒开始需要对其进行翻身，塔筒上下法兰都需要安装吊具，上部法兰安装起重支架，工装螺栓使用电动扳手紧固。下部法兰安装起重吊钩工装螺栓使用电动扳手紧固。工装安装完成后，主吊机吊塔筒上法兰，辅吊机吊塔筒下法兰，2台吊机进行抬吊作业。塔筒翻身过程中，力矩班组在第一节塔筒上法兰涂抹密封胶，在螺栓、螺母、垫片上涂抹润滑剂MoS2，剩余安装步骤参照底段塔筒安装。中2段塔筒和上段塔筒安装和中1段塔筒安装方法相同。

2.5 机舱安装

2.5.1 机舱起吊

将主机起吊至1.5 m高度左右，用干净无纺抹布和专用清洗剂清理底部法兰面的杂质和锈迹。然后将主机与塔筒连接双头螺柱拧入到对应孔位中。

2.5.2 机舱与塔筒对接

通过揽风系统将机舱提升到超过顶节塔筒的上法兰后，缓慢移动吊机，待机舱在塔筒的正上方时，将定位销螺栓对准塔筒的安装孔位后，缓慢下降机舱，并缓慢移动吊机，直到所有螺栓穿入塔筒螺栓孔。将主机完全落下，吊机需负载一定的机舱重量，通过人字梯进入机舱搬运工具和物料，然后安装螺母。用拉伸器将所有双头螺柱交叉、对称先按终紧力的50%紧固，此时可以松钩，再按终紧力的100%交叉、对称紧固，紧固完成后对螺栓做好防松标识进行抽检验收。

2.6 叶轮组装、安装

2.6.1 叶轮组对

吊机吊轮毂至象腿工装的上方，调整轮毂变桨轴承的朝向轴承的朝向，使其中一个轴承的朝向与风向基本一致，以减少风对叶轮组装的影响，同时还应满足两个轴承在长象腿侧，另一个轴承在短象腿侧。最后使用螺栓将轮毂与象腿工装之间固定牢靠。叶轮安装过程中10 min平均风速必须小于等于8 m/s，确认安装叶轮当日风力是否满足起吊要求。叶片运输至现场后，检查是否安装完成双头螺柱，如未安装，需在叶片起吊前完成安装，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，螺柱外露长度应符合风机要求。

叶轮组对采用专用吊具进行安装，相当于双机抬吊；在叶片的叶根处和叶尖处分别系上缆风绳，防止叶片转动，叶尖处需使用保护套，防止缆风绳对叶片造成损坏。

主吊机将叶片缓慢抬起，通过调整吊机的幅度和回转角度及拉拽缆风绳，调整叶片转向，将叶根移近轮毂轴承面。通过变桨操作，使叶片上的零刻度与轮毂上对应的轴承面零刻度对正；然后主吊机将叶片螺柱缓缓送入变桨轴承安装孔，直至两法兰面相互贴合。最后从轮毂内部拧入垫片和螺母，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。

2.6.2 吊装风轮

风轮轴承变桨，叶片后缘朝上，三叶片变桨角度应一致；将叶片锁推上齿槽，锁紧螺栓，待风轮吊装完成后再将叶片锁解除；风轮采用正吊，单吊点吊装，但在风轮翻身过程中需用到一主一辅两个吊点，主吊点位于轮毂上，辅吊点位于主吊点对应叶片上，具体位置为距叶根法兰约58m 吊点处。拆除导流罩上主吊点对应吊装孔封板及前钢架连接块，用主吊钩连接吊带将风轮吊具吊至主吊点，用螺栓将工装安装在主吊点上。同时用扁平吊带捆绑在辅吊点，挂入辅吊吊钩，安装时注意不能伤及导流罩与叶片。用电动扳手加套筒拆卸风轮支架与轮毂之间的连接螺栓。主吊和辅吊同时平稳起吊，先离地100 mm静置观察5～10 min确认无误后，缓慢起吊风轮离地面1 m左右，用清洗剂清洁风轮与主轴安装面。

用主吊起升风轮，同时辅吊托引叶片，并配合主吊变幅，直到风轮达到垂直状态，然后卸掉辅吊吊带，将辅吊叶片上的护板拉下。拽住缆风绳，按照正确的方向牵引风轮，在吊升过程中要保证绳子张紧，以避免叶片撞击它物；风轮缓缓吊升至主轴法兰面高度，用主吊和绳子配合，拉动风轮到主轴法兰面正前方位置；根据机舱内工作人员的无线电指示，将风轮小心向主轴法兰面靠近；同时调整吊钩摆幅控制风轮轴线和机舱轴线重合；通过机舱前挡板上的维护通道盖板，观察主轴法兰面上的安装孔是否跟风轮法兰上安装孔正对，不正则松开高速轴制动器，通过控制齿轮箱尾部的盘车装置带动主轴转动，使孔位对正；对齐后，继续使风轮靠近主轴法兰面；用对称2根双头螺栓旋入风轮安装孔后继续进给，直至两法兰面完全对齐贴合；用手电筒检查各螺柱孔是否对齐；法兰面贴合后，将螺杆旋入风轮，用电动冲击扳手交叉对称拉紧螺栓。

确认风轮安全固定达到摘钩条件后，缓慢释放主吊载荷；拆除风轮专用吊具；用液压扳手交叉对称拉紧所有主轴螺栓；最后复位导流罩上吊装孔封板，然后用密封胶封住封板周边间隙与螺孔间隙。将叶片锁退出齿槽并拧紧螺栓；将揽风绳和牵引套从叶片上拉下来；完成风轮组装，风机机组吊装完成；风轮机械和液压锁锁定风轮。

3 结 语

目前海上风机叶片长度一般大于60 m，在复杂的海洋环境下，高空作业受到的影响较大。传统的整体式风机吊装方法对施工环境以及运输船只要求较高。因此，提出一种海上风机叶轮吊装施工方法降低施工风险以及运输风险。

提出塔筒下段预拼装、安装船驻位、定位驳船以及运输船驻位、塔架安装、机舱安装、叶轮组装以及叶轮吊装等施工工艺。

叶轮吊装施工满足该项目风机的吊装船只以及运输船只要求，在节约施工成本的情况下有效完成风机安装。