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超重单管桩空地联合滚装装船技术研究及应用

2024-11-01 61 上传者：管理员

摘要：单桩基础因为现场施工较为便利在我国海上风电得到了广泛应用，但是随着我国海上风电行业的快速发展，风力发电机组的叶轮直径、机组容量增长较快，导致单桩基础的直径、长度以及重量显著增加。而国内码头起重设备装载能力升级较为缓慢，传统的吊装方案已经无法满足超重型单桩基础的装船要求，本文通过对码头龙门吊和地面滚装设备的组合应用，形成空地联合滚装装船技术，可以有效解决超重型单桩基础的装船要求，最大化降低装船成本提高装船安全可靠性。

关键词：
海上风电
装船技术
起重设备
超重型单桩基础
风电行业
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我国海上风电场风能资源储备较为丰富，项目场址风速高可以获得更好的发电收益，并且节约土地资源，因而在我国得到了大力发展。单桩基础、高桩承台基础、导管架基础、三脚架基础在国内海上风电场均有批量应用，其中单桩基础一般由钢板卷制并焊接而成，与上部塔筒通过法兰进行连接，现场施工较为方便，因而在我国得到了广泛应用，大约占到已经建成风场的50%[1]。经过十多年的开发，国内的海上风电已经从沿海滩涂区域、近海区域走向远海以及深远海区域。目前开发建设中的海上风电场水深更深，风力发电机组的容量以及风轮直径更大，导致单桩基础的直径、长度以及重量大幅度提升，在中国广东沿海地区的海上风电场，单桩基础的重量已经接近2000t。现有国内大部分海上风电基础制造工厂由于码头起吊设备更新迭代缓慢，新的吊装设备建设周期长投资大，导致无法直接使用码头现有吊机将超重的大型单桩基础直接吊装到运输船上。

1、行业现状

为了在确保安全可靠的前提下以较低的成本解决超重单桩基础装船需求，目前国内各家海上基础制造厂一般采取以下装船作业模式：

1）由于单桩基础的重量已经超出单个龙门吊的吊装能力，需要通过多台龙门吊抬吊的方式将单桩基础吊装到运输船上[2]。这种装船方式吊运相对简单、安全、高效，但是需要增加昂贵的投资成本，经济性不佳。

2）使用自行式模块运输车（Self-Propelled Modular Transporter,SPMT）托举单桩基础滚装上船[3]。超重大型货物通过模块车滚装上船也是一种较为常用的装船方式，但此种滚装方式受到的限制较多，滚装过程易受环境影响，对装载船舶的吨位、干舷高度、调载能力和码头与潮水的高程要求极其严苛，因而操作难度大。且购买或租赁模块车滚装上船成本也较高，需要花费大量的人力物力完成，增加了码头作业的局限性，提高了单桩类大型构件建造场址门槛要求，增大了单桩类大型构件建造及装船的综合成本[4]。

3）使用绞车拖动单桩基础及其底座，通过滚装、滑移的方式将物品装上船[5]。绞车拖动滑移上船方案也是大件船运的一种较传统的装船方式，该方案要使底座支点放置于滑道槽中，并涂抹润滑脂以降低装船过程中的滑动摩擦力，通过使用卷扬机作为牵引构件将物品拖拽上船。该方案对装船作业窗口期要求较高，并且驳船因为受到波浪、潮涌的作用增加了装船过程中的不稳定性，对吊装钢丝绳冲击力较大。受制于滑道平整度和润滑程度影响在装船过程中滑动摩擦阻力相对较大，摩擦阻力还往往呈不均匀分布的态势，该方案如果用于2000t级别单桩基础装船作业操作过程中安全风险较大，一般还需要提前准备滚装拖拽作业失败的应急预案。

上述装船作业方案受成本、施工安全性等因素影响，无法直接适用于2000t级别单桩基础的装船作业，因而需要综合参照行业作业经验对技术方案进行优化升级，在保证装船作业安全高效的前提下，提升作业经济性。

2、技术方案

某项目使用的单桩基础桩底直径12m，桩顶直径8m，桩长85m，总重量约2000t，而生产基地码头配备的龙门吊吊装能力只有1200t，无法直接用于该单桩基础的装船作业。本文参照行业超重型管桩类产品的装船作业模式，开发了一套投资成本低安全性和适用性较优的地面滚装装置，通过现有龙门吊与地面滚装装置的空地联合装船作业，在最大限度利用现有龙门吊的基础上，顺利完成2000t级别超重型单桩基础的装船作业，为行业同类型装船作业提供参考经验，该空地联合滚装装船方案如图1所示。

图1 空地联合滚装装船示意图

空地联合滚装装船所需作业流程如图2所示，每个作业环节都关系到装船作业的安全性，因而必须做好充足的准备工作。尤其是龙门吊、滚装装置以及通信控制系统的性能检查，以及潮汐时间的准确把控，从而确保装船作业过程中龙门吊、滚装装置、船舶的协调一致性。

图2 空地联合滚装装船流程图

空地联合滚装装船作业原理可以简述为：使用码头已有的1200t龙门吊主吊钩（2×600t）吊起超重单桩基础的一端，单桩基础的另外一端放置在定制的滚装装置上，通过通讯控制系统使滚装设备和龙门吊同步匀速驱动单桩基础至运输船舶托架上方就位，然后利用潮汐涨潮和船舶自身调载能力使船舶上浮，并逐渐托举起单桩基础，直至完全卸除龙门吊及尾部滚装装置载荷，最终实现单桩基础脱离滚装载具，从而达到装船作业目的。

3、具体实施过程

空地联合滚装装船作业的核心包括研制一套2000t级别单桩基础空地联合滚装装置，以及空地联合滚装施工作业。

(1）研制一套1000t级别单桩基础空地联合滚装装置

本文结合单桩基础滚装作业过程中的受力特点以及功能要求，自主开发空地联合滚装装置。该套系统主要性能指标：适配的管桩直径具备调整功能可以满足6～15m管桩装载要求，防止滚装作业过程中因为适配直径不匹配损坏管桩。该套装载装置承载能力可达1000t，在滚装装置托架下方设置一组液压油缸，该组液压油缸可以顶起不小于1000t级有效载荷，油缸顶升行程不小于500mm，滚装装置设置一组称重传感器并配备显示屏，可实时显示装置重量、油缸顶升行程等关键信息[6]。通过在滚装装置下方设置一组能够在轨道上行走的行走轮，借助变频电机驱动行走轮实现滚装装置的移动。通过自主开发的PLC控制以及无线通讯系统，实现滚装装置与龙门吊的联合作业。本文所研发的1000t级别单桩基础空地联合滚装装置如图3所示。

图3 空地联合滚装装置

(2）空地联合滚装作业

由于空地联合滚装作业需要依靠潮汐涨潮和船舶自身调载能力实现船舶的上浮，从而配合龙门吊、滚装装置实现超重型单桩基础的装船作业，因而潮汐的窗口期非常重要。在具备作业窗口期之前必须制定详细的滚装计划方案，包括人员作业安全。具体的空地联合滚装作业流程包括：(1)在码头前沿敷设滚装轨道用于滚装装置的移动。(2)将滚装装置置于超重型单桩基础的尾部实现托举功能。(3)使用龙门吊吊起单桩基础的前端，替换出原有托举单桩的滚轮架或模块车，如图4所示。(4)在船上放置单桩基础运输弧形托架，需要注意弧形托架托举位置处的直径需要与桩径相匹配。(5)待低潮位作业窗口期时开始滚装，利用PLC同步启动龙门吊和滚装装置向船的方向匀速行驶，整个行驶过程中必须有专职安全员进行作业安全风险管控。(6)待单桩基础驱动至船舶装载位置正上方时先停止作业，等待潮水上涨，同时排空船舶压载水让船舶上浮[7]。(7)伴随着潮位的上涨船舶将逐渐托举起单桩基础，并将尾部滚装装置托架降低至最低点，如图5所示。(8)等龙门吊吊钩不受力时移除吊带，待尾部液压装置完全不受力时移除滚装装置，此时单桩基础已经实现装船作业，将其与船舶绑扎牢固以后便可以开展后续运输作业。

图4 龙门吊抬升单桩基础前端

图5 船舶与滚装装置联合作业

在不对码头设备进行重大改造的前提下，通过新研制的1000t级滚装设备与码头1200t级别龙门吊相互配合，成功实现了2000t级别超重单桩基础的装船作业，整个作业过程安全可靠作业周期短，具有明显的经济效益。经过本次实践固化了空地联合滚装作业流程，目前该技术方案已经批量用于国内某项目超重型单桩基础的装船作业，并且顺利交付十台以上为超重型单桩基础的装船作业积累了行业经验。

4、结束语

本文通过对比国内现有超重型单桩基础装船作业模式，并结合企业现有的设备及作业条件，创新性地研发出空地联合滚装装船方案，该方案能够安全高效地实现超重单桩基础滚装装船作业。与行业内常规的作业方案相比，空地联合滚装装船作业方案可以结合码头现有的龙门吊起吊能力，借助滚装装置的自主开发以及充分利用海洋环境的潮汐能量，以较低的成本安全可靠地实现超重型单桩基础的装船作业。经过工程实践应用经验证明，采用空地联合滚装装船技术方案能够有效地吊装超重型桩类长型构件，节约了大量的资源投入以及装船成本，具有批量推广的应用价值和商业前景。

参考文献:

[1]赵昊,邱旭,李会,等.软弱地基中海上风电大直径缩径单桩基础结构设计研究[J].太阳能学报,2024,45(7):712-716.

[2]刘莹雪.码头登船桥吊装工艺的优化与成本分析[J].安装,2020(12):43-45.

[3]时昊琰,陈光照.风筒类设备的吊装技术[J].石油化工建设,2021,43(1):37-40.

[4]宁军锋.基于滚装和吊装的炼化厂重大件码头装卸工艺实际应用[J].中国物流与采购,2020(2):74-75.

[5]梁宏顺,周宇琦.安海湾特大桥主桥1 03m钢箱梁滚装上船技术[J].交通世界,2020(13):72-75.

[6]崔荣昊.自升式钻井平台悬臂梁滑移上船安装方案[J].船舶标准化与质量,2017(5):40-42.

[7]胡云江,王骞.钢桁拱肋滑移上船浮运施工技术在新光大桥的应用[J].交通标准化,2013(15):49-51.

文章来源:吴玉华.超重单管桩空地联合滚装装船技术研究及应用[J].电器工业,2024,(11):71-74+83.