建设工程-风电塔筒远洋双层叠装海运工法.docx

海上风电塔筒远洋双层叠装海运工法1、前言海上风电塔筒的高效运输在海上风电发展过程中是一个急需解决的痛点问题。国内出口国际的风电产品在运输的时候会选择多套整机设备整体海运，主要因为成本低，运货量大，但是即使是大件运输船也只有船舱和甲板两层运输空间，而整机机组包括叶片、塔筒、主机、轮毂等大件，塔筒和叶片若一趟运输多套，必须将叶片和塔筒分别叠起来运输，才能在有限平面空间内装的更多。以往国内出口国外的风电机组多为陆地风电塔简，其兆瓦数、直径和重量都比较常规，多数也采取双层叠放运输。在越南金瓯海上风电项目中，海上风电机组为5.5M肌直径最大6.79米，单段最重吨位120吨，作为国内最大直径的出口机型塔筒，在没有双层叠放运输海上风电塔筒先例的情况下，研发探索形成了一套海上风电塔筒远洋双层叠装海运工法，在增加运输船舶单程装载货物量的同时，提高大直径风电塔筒的海上运输效率，降低运输成本，并率先在国际海运中实现首次应用，填补了国内5米直径以上风电塔筒双层海运技术空白。2、工法特点与传统的海上风电塔筒运输方法相比，本工法有以下特点：2.0.1本工法中双层叠装海运技术的作用是在风电塔筒在远洋船舶上运输时，采用双层叠装的运输工装可以装运两套塔筒仅使用一套塔筒的占地面积，相比于传统单层运输模式，单只船舶可以将塔筒装载量提升一倍。2.0.2本工法中设计的双层运输工装的意义是填补了国内直径5米以上海上风电塔筒双层海运技术的空白，极大的扩大了塔筒的适用范围，将国内原有双层运输的塔筒重量从100吨提升到240吨，最大叠装高度从10米提高到15米，塔筒运输时的重心相当于两层楼的高度。2.0.3本工法中设计了双层叠装塔筒专用吊具，通过塔筒上安装的吊具可以使吊装更加便捷快速，避免拆卸吊座或者钢丝绳，保证了塔筒外壁包装布干净整洁。2.0.4叠运工装连接法兰采用弧长孔设计可适配多种常用规格塔筒法兰孔位，可在多个海上风电塔筒远洋运输项目中叠装循环运输使用；叠运工装采用模块化拼装，在叠运吊装对接时可快速定位对接。通过结构优化、零部件设计通用化、安装对接模块优化等措施，在保障作业安全的前提下有效提升运输装置的制造效率和安装效率。3、适用范围本工法适用于直径在3.5-6.5米之间的海上风电塔筒双层远洋叠装运输。4、工艺原理海上风电塔筒在传统的运输方式中有全卧式运输，或者是下段立运结合上三段卧运的方式，再或者是全立运的方式，目前的这三种方式对于远洋运输都具有空间利用率低的问题。采用双层叠装运输的方式，设计制作一种独立于塔筒的钢结构工装，针对每段塔筒的不同直径，设计不同规格的工装模块，使用螺栓在塔筒两端面上连接工装和塔筒，便于同一段塔筒能够上下叠装，上下两段塔筒叠在一起后，最后使用倒链等绑扎设备将工装与甲板进行固定，起到塔筒运输稳定的作用。5、施工工艺流程及操作要点5.1 施工工艺流程双层叠运工装的设计及安全性能分析一双层叠运工装的制作一海上风电塔筒双层叠运工装的装配应用一吊装上船及海运。5.2 操作要点5.2.1双层叠运工装的设计及安全性能分析L双层叠运工装的设计图5.2.IT双层叠运工装设计图该海上风电塔筒双层叠装式海运装备结构由上下两层结构组成，下层结构包含法兰固定板、爬梯、上层工装定位销等构件组成，上层结构包含法兰固定板、爬梯、绑扎挂点、防变形支撑等构件组成。2.工装安全性能分析(1)初试条件的设置以越南金瓯海上风电项目为例：第一塔架含内附件总107.65吨，双层叠装海运装备总重12.75吨。使用Soliclworks软件对塔筒构建简化模型，塔筒模型总重量为217.33吨。将塔筒模型和海运装备模型进行装配，导入ANSYSWorkbenCh软件，进行网格划分和约束条件设置，为了分析结果更为准确，网格划分采用多种划分网格方式将网格质量进行对比，最终以四面体网格的方式进行约束条件设置，底层工装的底面固定，添加竖直项下的地球引力，如下图。图5.2.1-2结构有限元分析应力云图(2)分析结果仅考虑双层叠装海运装备的静止承载状态，分析过程中仅以第一塔架的自身重力和工装底面支撑固定作为约束条件，分析结果如下：双层叠装海运装备与法兰端面接触位置最大变形为O.986mm,如图5.2.1-3；双层叠装海运装备的最大应力位置为上层托架中两侧立柱与法兰侧面衔接的位置，最大应力是128.47MPa,如图5.2.1-4。该托架主材选用材质为Q235的H型钢，128.47MPa<235MPa,所以该材料满足使用要求。图5.2.1-3结构有限元分析应力云图图5.2.1-4结构有限元分析应力云图5. 2.2叠运工装的制作1、钢板下料、开坡口工装主体按图纸要求进行排版、采购材料，钢板到料后经检验合格即进行数控切割各法兰连接板板。首块规格气割后的坯料应按规定进行相关尺寸的检验，合格后方可进行批量下料。(1)空程预演：切割前仔细核对钢板规格，选择与钢板规格相对应的程序，首先使用数控切割机空程预演，检查切割余量。(2)钢板标识：按要求在下料钢板上用油漆笔标记清楚所对应的钢板编号。(3)开坡口：所有工装钢板按工艺要求所示尺寸开设拼接坡口，坡口切割使用半自动火焰切割机切割，清理熔渣、氧化铁，打磨坡口、钝边及坡口周边30三范围至露出金属光泽。2、型钢下料(1)根据型钢排料图整理出一段工装的型钢，摆放整齐，先画出切割线，使用半自动火焰切割机进行型钢下料。图5.2.2-1型钢下料（2）下料完成进行编号标记，同一段的堆放一起，按顺序摆放整齐。3、筋板装焊（1）将开设坡口的连接筋板按照要求装焊在型钢凹槽内，保证筋板长边与法兰钢板面贴齐。图5.2.2-2筋板装焊4、工装总拼（1）在平整地面使用轨道钢搭建一个表面平行度更好的框架，使用水平仪测量轨道钢表面高度，调整其整体平行度；（2）使用桥机把工装横梁和立柱型钢吊至轨道钢框架上，在两侧立柱上画出横梁位置线，将横梁调整到相应位置；（3）将法兰连接板按照对应编号吊装到横梁筋板上，确认连接板无误后，方可吊运法兰至工装上试孔，轻微调整法拦钢板的位置，保证螺栓能够穿过法兰连接板上的对应孔，试孔后点焊工装各连接位置。图5.2.2-3工装试孔5、工装焊接（1）根据焊接工艺要求使用C02气体保护焊进行施焊，先焊接短焊缝，再焊接长焊缝，多道焊时，应彻底清除层间的溶渣、氧化物，为下道焊健做好准备，焊接之前先在焊缝处喷涂焊接防飞溅液；（2）焊缝完成后需要对焊缝进行打磨，使焊缝表面成形美观。6、工装检验法兰连接板焊后端面检验（使用激光测平仪检验），法兰连接板端面圆跳度（2mm;平面度2mm°7、工装防腐工装喷涂：在涂漆时，金属表面应干燥，对油污、铁锈、焊接飞溅等影响油漆质量的杂物予以清除干净。采用无气喷涂，外观应无流挂、漏刷、针孔、气泡，薄厚应均匀、颜色一致、平整光亮，且每一层漆膜厚度必须进行检验并形成记录。首先用圆刷子对边、角、焊缝进行刷涂，以及使用无气喷涂难以接近的部位进行预涂。然后采用无气喷涂进行施涂。每一遍喷漆干膜厚度控制在30m以下。表5.2.2-1工装防腐体系表防腐位置油漆名称颜色干膜厚度（m）工装外表面（含梯子）环氧云铁漆白色120聚氨酯面漆灰色60两端连接板外连接面热喷锌/805.2.3叠运工装的装配及发运至码头1、工装与塔筒装配（1）下层工装与塔筒装配下层工装装配之前需要将塔筒放置在滚轮架上调整塔筒的静置角度，将工装中轴线对应塔筒的0°-180°轴线安装，选用对应的高强度螺栓，安装完成后将工装连同塔筒整体起吊至里面静置，观察工装支腿是否与地面贴紧。（2）上层工装与塔筒装配1）先将上层塔筒放置在滚轮架上，调整静置角度，把塔筒的0。-180°轴线竖直放置，安装两条塔筒一字撑；2）安装上层塔筒对应的工装，保证工装轴线与塔筒轴线对齐安装，再安装上层塔简的绑扎拉耳，均根据对应高强度螺栓进行安装。Tl段塔筒安装方案如下图：图5.2.3TTI塔段海运工装装配图图5.2.3-2上层塔筒与工装装配2、工装与塔筒发运至码头工装与塔筒装配完成后通过轴线车或模块车运输至码头，由厂内360吨门机抬吊至轴线车上，塔筒完成装车后，施工人员利用葫芦、钢丝绳将设备绑扎加固，绑扎加固时,钢丝绳与设备避免直接接触，应采用麻袋或胶皮进行隔垫，避免损坏设备。运输时提前与当地交通部门办理好通行手续，作业前做好交通设施排障处理，对于高空电缆线，配备高架车挑线。封车完毕由运输单位安装悬挂超限运输标志和警示标志。由技术、质检、生产、安全部门人员对产品、车辆、支座和索具等进行彻底检查，并做好书面的检查记录，确认无误后方可发车，正式发运行走后司机要经常下车检查运输的安全状态和与塔体接触部位的保护情况如何，如有异常应立即停车处理。在运输过程中司机要及时判断风险，禁止使用急刹车和急转弯等措施，重载车的行驶方法：在一般道路上行驶，直行生40kmh;弯道左3kmh,在通过桥梁时，要居中匀速行驶，车速要控制在5T0Kmh。运输时司机要对塔筒及时进行检测，并降慢速度行驶,发现问题要及时反馈并处理。图5.2.3-3工装与塔筒发运至码头5.2.4吊装上船及海运1、上下两层塔筒堆叠装配使用两台150吨船舶自带克令吊通过塔筒两端挂点抬吊下层塔筒上船，摆放到规划位置后，在工装两侧焊接4块钢板压板，将工装和甲板地面牢牢固定，再继续吊装上层塔简，此时塔筒吊装的方向要和下层塔筒调转180。，当该上层塔筒吊装上船且靠近下层塔筒时，将克令吊的移动幅度减小，先对齐一端，再调整另一端面，待上下两层工装的接触面距离小于IOCnI时，将上层工装缓慢卡进下层工装顶部的定位装置，利用定位装置可以高效的将上下工装的孔位对齐，便于穿入高强度螺栓。图5.2.4T工装堆叠装配2、工装绑扎固定两层塔筒叠装完成以后，为了保证塔筒在运输过程中的安全稳定性，需要将塔筒及工装按照下图绑扎方案对工装进行绑扎固定，防止塔简在途中横向摇摆，绑扎过程及专用工具由专业绑扎公司完成，使用符合国际标准的倒链进行拉挂。图5.2.4-2双层塔筒叠装绑扎方案图5.2.4-3双层塔筒叠装绑扎5.3劳动力组织实施本工法，需用的劳动力及现场管理人员配置情况见表5.3-1。表5.3-1劳动力组织情况表序号人员类别岗位（工种）数量（人）备注1管理人员项目经理1技术管理1现场管理1兼职安全员专职安全员12施工人员焊工8持专业特种作业证上岗钳工6起重工4持专业特种作业证上岗轴线车操作员1持专业特种作业证上岗吊装指挥1合计226、材料与设备6.1采用的原材料此工法设计的工装设备采用型钢和钢板，钢板多数采用塔筒钢板余料，在型钢和钢板使用前质检员要核对质保书与实物是否相符，确认所钢板牌号及规格是否符合设计要求，其炉批号应与钢板实物上标明的炉批号一致，质保书上所列的项目要齐全，并与相关标准对照应全部合格，再对钢板、型钢的厚度和规格尺寸以及表面质量进行检查，对型钢直线度超标时需先矫直再投入生产使用，详见下表：表6.IT原材料材质及标准表部件材料执行标准备注工装工装钢板Q355NDGB/T1591tW40正火轧制状态交货t>40正火状态交货H型钢Q355GB/T11263-20166.2采用的机具设备采用的机具设备见表6.21o表6.2-1主要制L械设备表序号设备名称规格及型号单位数量备注1数控切割机台1加工范围10-250mm2C02气保焊机时代逆变NB500台33超声波探伤仪HS600台1加工范围。22Omm4焊缝检测尺HJC60把15水平仪台16半自动火焰切割机台27卷尺IOm把18打砂防腐设备套19模块车8轴和16轴辆210叉车5吨辆111叉车20吨辆112重吊船20000t艘17、质量控制7.1叠运工装制作质量控制根据制造的特点，结合IS09001质量标准，建立合理的质量管理组织体系，整个体系采用项目经理一技术负责人一工程管理部一车间二检一班组一检的垂直领导体系。7.Ll排料定制钢板规格时，预先加入5IOmm切割收缩量，切割边棱与表面垂直度不得大于1.5mm；零件棱、边之间的垂直度及平行度不得大于相应尺寸的公差之半；7.1.2下料完成后半自动切割坡口；7. 1.3工装法兰与筒体法兰明面度适配对接间隙WL5mm；7. 4控制工装整体尺寸03mm,法兰对接面需焊后磨平；8. 1.5工装法兰不允许外翻，可以适当内倾，为了保证焊接完成后，法兰不出现外翻的情况，采用内大外小的坡口形式；8.1. 6工装焊接应遵循“先内侧焊缝，后外侧焊缝，双侧交替焊接“减少焊接变形;7.L7工装焊接过程，应一气呵成：焊接过程中采用红外线测温仪测定层间温度，保证其不低于预热温度：采用后热方法可有效防止延迟裂纹的产生；7.1.8塔筒钢板余料拼接及数控切割及开坡口后要将钢板表面上的氧化皮和其他碎渣清扫干净；7.L9焊接时在焊接胎具上进行，禁止在焊健以外的区域划瓠，以免擦伤母体。连接法兰之间采用防变形夹具固定。焊接时要采用正确的焊接顺序，以免产生不必要的变形。焊后要用磨光机将法兰表面的焊缝，焊疤处理干净。7.2叠运工装装船海运质量控制7.2.1按照技术规格书、现场制约因素变化及时编制、更改合格的运输方案、检查试验大纲、质量计划；7.2.2确认双层叠运工装是否安装到位，工装连接螺丝是否紧固，力矩是否达到要求；'7.2.3确认绑扎是否牢固，在塔筒装船作业完成后，应严格按照货物绑扎系固方案对双层叠运的塔筒进行绑扎系固，计算船舶稳性情况，并在满足风浪和气象等条件下安全开航；7. 2.4海运经过严格的评审要求，船舶装载货物的稳定性计算需通过CCS或者DNV等机构认证。8、安全措施认真贯彻“安全第一，预防为主”的方针，根据国家有关规定、条例，结合双层叠运工装制作应用实际情况和工程的具体特点，制定以下安全技术措施：8.1叠运工装制作安全措施8. 1.1乙块、氧气瓶应设专门支架稳定放置并保持5米间距，氧气和乙烘胶管，应经常检查有无泄漏，压力表要定期校验，严禁爆晒及烘烤，搬运时应轻搬轻放严禁磕碰及在地上滚动。9. 1.2电焊机的手把线质量必须是好的，如有破皮情况，必须及时用胶布严密包扎，电焊机的外壳要接地。8. 1.3焊接时，焊工应遵守焊接安全操作规程施焊。在用电方面，严禁乱接电线，防止触电。8. 2叠运工装运输安全措施8.1.1 船舶在进港靠泊前，应确保船舶资料有效，核查船舶的证书文书、运输装载手册、作业方案等，并做好码头靠泊能力、船舶吃水等情况的数据比对，确保船舶靠泊安全，并严格按照货物绑扎系固方案对双层叠运的塔筒进行绑扎系固，计算船舶稳性情况，并在满足风浪和气象等条件下安全开航。8. 2.2在执行塔筒运输工作之前，安全技术方面需要提前对所有工作人员进行安全技术交底，包括运输前的准备以及运输过程中需要注意的安全事项。以及整个运输工作内容进行交底告知，明确所有人的职责分工。9、环保措施依据GB/T24001-2016idtIS014001：2015环境管理体系规范及使用指南，建立环境管理体系，制定环境方针、环境目标和环境指标，配备相应的资源，遵守法规，预防污染，节能减废，确保施工对环境的影响最小，并最大限度的达到施工环境的美化。8.1 文明施工，合理规划生产区域，做到工完、料尽、场地清。8.2 对进入现场的工作人员实行着装统一，对专业管理人员，如专职安全员、质检人员等，服饰要求清楚醒目。9. 3双层叠运工装制作及装船焊接时散落的焊渣应及时清理，并回收利用。9. 4在作业过程中要实现废弃物最小化，严格做到不乱扔、乱放设备、材料、废弃物料，对环境有污染的材料必须定期通过船舶运输上岸按要求处理。10、效益分析10.1按照运输船提升一倍的装载能力进行测算，每个海上风电项目可减少一半的运输航次，能够节约运输费用三分之一以上。以中国水电四局（阳江）海工装备有限公司承制的越南金瓯项目为例，该项目共38套直径为6.5米的海上风电塔筒，如按常规运输方式，需运输10个航次，运输费用高达1900万元，采用双层叠装方式，需要运输5个航次，运输费用约1200万元，经济效益为700万元。序号运输方式塔筒总数（套）运输航次（次）运输费用（万元）经济效益（万元）1传统鞍座运输方式38101900万元-2双层叠装运输方式3851200万元700万元通过上述表格分析，采取双层叠装式运输方案比传统以往的单层运输可以节省运费700万元，同时由于航次减少，也节省了接近一半的发货时间和人力，相当于将效率提高了一倍。10. 2该海运工法在没有先例的情况下，通过自主研发设计的海上风电塔筒双层运输工装进行海上风电塔筒的双层叠运，打破了直径5米以上塔筒长期依赖单层运输的局面后续，根据后续使用需求，可在现有成果的基础上，进一步对主结构按照运输产品特性进行适应性迭代，从而满足更大直径、更大重量的海上风电塔筒运输，具备广泛的应用前景。