湯 磊,魯煥浩,朱杰兒,程建棠,陳永安
(1. 中國能源建設(shè)集團(tuán)浙江火電建設(shè)有限公司,浙江 杭州 310016;2. 中國能源建設(shè)集團(tuán)有限公司工程研究院,北京 100022)
海上升壓站作為海上內(nèi)電場的電能匯集中心,既是海上內(nèi)電場輸變電的關(guān)鍵設(shè)施,也是整個海上內(nèi)電場成敗的關(guān)鍵[1]。海上升壓站重量大、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,國內(nèi)外統(tǒng)一采用在陸上建造完成后運至海上整體安裝的方式進(jìn)行建造[2]。海上升壓站主結(jié)構(gòu)一般采用全鋼焊接形式,目前國內(nèi)主流的海上升壓站鋼結(jié)構(gòu)安裝方案為模塊式安裝方式,該方式對場地及配合起重機(jī)要求較高,不適合規(guī)模較小的制作廠。
為了解決傳統(tǒng)安裝方式的不足,本文研究海上升壓站上部組塊的另一種安裝技術(shù)——整體式建造技術(shù)。與模塊式建造方式不同,該技術(shù)在拼裝時先組裝上部組塊主框架,再自下而上分別組裝各層甲板平臺,最終完成上部組塊組裝。在浙江嘉興海域的兩座海上升壓站建造過程中研究和應(yīng)用了整體式建造技術(shù)。
海上升壓站為海上內(nèi)電場核心構(gòu)件,一般分為上部組塊和下部基礎(chǔ)。下部基礎(chǔ)一般由導(dǎo)管架和鋼管樁組成,主要起承載上部結(jié)構(gòu)的作用。上部結(jié)構(gòu)為升壓站主要結(jié)構(gòu),一般稱作上部組塊,以全鋼結(jié)構(gòu)焊接構(gòu)成主要結(jié)構(gòu),其各層結(jié)構(gòu)及設(shè)備布置情況如下[3]:
1)一層主要作為電纜層及結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層,主要布置有事故油池、救生裝置等;
2)二層為整個海上升壓站主要核心區(qū)域,本樓層設(shè)置小型橋式起重機(jī),布置主變、主變散熱器、開關(guān)柜室、低壓配電室、GIS室等主要房間;
3)三層為主變室和GIS室上部挑空,同時布置蓄電池室、避難室、柴油發(fā)電機(jī)室及暖通機(jī)房等;
4)頂層一般布置懸臂吊、空調(diào)室外機(jī)、通信天線、氣象測內(nèi)雷達(dá)、避雷針等。
目前,國內(nèi)海上升壓站上部組塊主流安裝方式為模塊式安裝[4],該技術(shù)主要根據(jù)海上升壓站結(jié)構(gòu)一般由四層鋼結(jié)構(gòu)甲板構(gòu)成,安裝時在制作廠內(nèi)制作完成各鋼結(jié)構(gòu)組件,并在地面將四層甲板面分別組裝完成,再分別將四層甲板面逐層疊加,完成上部組塊鋼結(jié)構(gòu)組裝。拼裝時各層甲板按照由下往上、由里往外的原則進(jìn)行拼裝,該方法加大了地面預(yù)制深度,減少了高空作業(yè)量,并且各層甲板可同步組裝,增加了工作面,能夠加快整體建造進(jìn)度[5]。
模塊式安裝技術(shù)一般需要較大的安裝場地用于分片組裝各個模塊,安裝場地面積視模塊數(shù)量而定,一般不小于30 000 m2;同時,各模塊逐層疊加時需要大型龍門式起重機(jī)配合,一般需要多臺400 t及以上龍門式起重機(jī)。因同時滿足上述要求的場地數(shù)量有限,所以限制了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。
本文主要介紹整體式建造技術(shù)。該技術(shù)在保證上部組塊安裝質(zhì)量、進(jìn)度的同時,能夠解決傳統(tǒng)模塊式安裝方式的部分不足。
海上升壓站上部組塊主體結(jié)構(gòu)共分為四層結(jié)構(gòu),整個上部組塊主要由4根鋼管作為主要承力點和后續(xù)整體吊裝的受力結(jié)構(gòu)。
制定整體式建造技術(shù)方案時,在參考現(xiàn)有模塊式安裝方案基礎(chǔ)上,充分考慮海上升壓站結(jié)構(gòu)特點,最終確定將上部組塊的結(jié)構(gòu)分為八大部分進(jìn)行組合安裝,安裝流程如圖1所示。建造前需要特別注意:因整個上部組塊建造完成后外形尺寸為45.1 m×42.1 m×21.4 m、重約3 000 t,并全部由4根主柱承重,須確保建造場地地基承載力滿足要求,一般需設(shè)計相應(yīng)的分載裝置且地基需進(jìn)行必要的加固。
圖1 安裝流程圖
主框架組合件包括構(gòu)件A、B、C和D。海上升壓站主體框架如圖2所示,組裝第一步需在地面按照構(gòu)件編號將4個構(gòu)件在地面拼裝完成。其中構(gòu)件A、B為整個上部組塊安裝過程中吊重最重件,配合起重機(jī)選擇時需以此為依據(jù)之一。
圖2 主框架示意圖
4個構(gòu)件地面組裝完成后,利用雙機(jī)抬吊的方式將構(gòu)件A、B立起并吊裝至指定位置。構(gòu)件A、B拼裝完成后重約120 t,抬吊配合起重機(jī)為400 t履帶起重機(jī)(工況為超起主臂48 m)以及250 t履帶起重機(jī)(工況為主臂39.52 m),兩臺起重機(jī)的起重性能詳見表1和表2。
表1 400 t履帶起重機(jī)起重性能表
表2 250 t履帶起重機(jī)起重性能表
抬吊翻身時,250 t履帶起重機(jī)的吊裝幅度為10 m,此時額定起重量為100 t,吊索具和吊鉤重量約4.5 t,此時250 t履帶起重機(jī)的負(fù)荷率為(60+4.5)/ 100=64.5%;就位時,250 t履帶起重機(jī)已不受力。抬吊翻身時,400 t履帶起重機(jī)的吊裝幅度為27 m,此時額定起重量為179 t,吊具和吊鉤重量約6 t,此時400 t履帶起重機(jī)的負(fù)荷率為(60+6)/179=36.9%;就位時,400 t履帶起重機(jī)單獨受力,吊裝幅度27 m,額定起重量為179 t,此時400 t履帶起重機(jī)的負(fù)荷率為(120+6)/ 179=70.4%。
構(gòu)件C、D拼裝完成后重約25 t,為保證安裝空間,一般由兩臺履帶起重機(jī)各吊裝一片、同時安裝。構(gòu)件C、D通過焊接方式與構(gòu)件A、B連接,在構(gòu)件C、D未安裝完成前,構(gòu)件A、B須利用纜內(nèi)繩固定,焊接完成后方可拆除纜內(nèi)繩。至此,主框架拼裝完成。
3.4.1 第一層平臺結(jié)構(gòu)安裝
上部組塊的每層甲板平臺均由主梁、次梁、肋條及鋪板構(gòu)成。其中主梁一般為H800或以上型鋼,組成平臺主框架;次梁一般為H300及H500規(guī)格型鋼,為主梁間的連接梁;肋條為TN125規(guī)格T型鋼,主要為承載鋪板結(jié)構(gòu);鋪板一般為5 mm或6 mm鋼板,構(gòu)成平臺結(jié)構(gòu)。
主框架拼裝完成后即可進(jìn)行一層甲板平臺結(jié)構(gòu)的安裝,拼裝時按照先主梁、后次梁、再肋條、最后鋪板的順序進(jìn)行,利用輔助起重機(jī)依次吊裝、焊接一層各主梁、次梁、肋條及鋪板結(jié)構(gòu)。第一層甲板拼裝如圖3所示。
圖3 第一層甲板拼裝
一層甲板結(jié)構(gòu)安裝完成后,進(jìn)行一、二層間管撐、艙壁安裝,管撐一般安裝在兩層主梁間,主要起連接上下兩層的作用,管撐與主梁間焊接連接。艙壁為波紋鋼板結(jié)構(gòu),壁厚6 mm,為海上升壓站各房間的隔板,與梁焊接連接。
管撐、艙壁結(jié)構(gòu)重量較小,安裝時通過桿件編號,利用起重機(jī)依次臨拋、調(diào)整后焊接固定即可,安裝完成后如圖4所示。
圖4 一、二層間管撐、艙壁安裝
3.4.2 第二層鋼結(jié)構(gòu)平臺安裝
一、二層間管撐、艙壁及設(shè)備(設(shè)備安裝本文不做詳細(xì)描述,但須在下一層甲板安裝前完成前一層甲板上設(shè)備臨拋)安裝完成后即可進(jìn)行二層甲板平臺的安裝,其結(jié)構(gòu)與一層平臺相同,安裝方式也與一層結(jié)構(gòu)相同。需要特別注意的是,二層一般是海上升壓站主要設(shè)備(主變、散熱器和GIS等)所在層,梁結(jié)構(gòu)較其他層更密,安裝時部分區(qū)域空間較小,需提前布置。第二層甲板拼裝完成后如圖5所示。
圖5 第二層甲板拼裝
二層平臺完成后即可進(jìn)行二層平臺上管撐、艙壁及設(shè)備的安裝,安裝完成后如圖6所示。
圖6 二、三層間管撐、艙壁安裝
3.4.3 第三層鋼結(jié)構(gòu)平臺安裝
二、三層間管撐和艙壁安裝完成后即可進(jìn)行三層甲板平臺的安裝,安裝方式和一、二層相同,安裝完成后如圖7所示。
圖7 第三層甲板拼裝
三、四層間管撐、艙壁等安裝:三層甲板平臺安裝完成后即可進(jìn)行三、四層間管撐、艙壁及設(shè)備的安裝,安裝完成后如圖8所示。
圖8 三、四層斜撐、艙壁安裝
3.4.4 頂層結(jié)構(gòu)安裝
海上升壓站共分為四層結(jié)構(gòu),其中的第四層即為最頂層。四層甲板完成后即完成整個上部組塊主結(jié)構(gòu)安裝,安裝完成后如圖9所示。
圖9 頂層甲板拼裝
海上升壓站上部組塊建造前,需選擇一塊大小及地面承載能力均滿足建造要求的場地。本文以我國某220 kV海上升壓站作為示例,該升壓站的建造場地作為其上部組塊建造、部件堆放及配合機(jī)械站位行走使用,場地總面積不小于10 000 m2、地面耐壓不小于0.25 MPa。建造前需同時考慮好裝船方案,一般建造場地旁須有合適的船塢或碼頭,可滿足上部組塊海上運輸船舶靠駁要求。該升壓站建造場地總面積為15 000 m2,地基承載能力在經(jīng)過加固后達(dá)到0.30 MPa。該工程上部組塊建造完成后,需通過滾裝方式完成上船,所以在場地選擇時需同步考慮滾裝上船對場地及碼頭的要求。該工程建造場地一側(cè)設(shè)有一個6萬噸級船塢,具體場地布置和船塢布置分別如圖10、圖11所示。
圖10 場地布置示意圖
圖11 船舶干舷和富余水深示意圖
建造海上升壓站上部組塊所需的施工設(shè)備按表3配置,包括1臺400 t履帶起重機(jī)、1臺250 t履帶起重機(jī)、2臺50 t汽車起重機(jī)等主要設(shè)備。所有施工設(shè)備應(yīng)經(jīng)過自檢或檢驗合格方可投入使用。
表3 施工設(shè)備配置表
與目前主流方案相比,本文研究的技術(shù)方案保證了整體式建造工期(約6~8個月),主要有以下四個方面的優(yōu)點:
1)大幅減少了對場地的要求。由原本需要多個模塊建造場地分別建造,變?yōu)閮H需要一個場地同步建造,可降低場地使用面積和成本;
2)降低了輔助起重機(jī)的要求。由原本要求的多臺大型門式或橋式起重機(jī)(400 t級或以上),變?yōu)楝F(xiàn)在僅需1臺400 t和1臺250 t履帶起重機(jī)即可;
3)4根主柱由制作廠一次成型,解決了模塊式拼裝變形和主柱對接偏差控制的難題。模塊式安裝方法最難以控制的是主柱對接時的對接偏差,因四根主柱為上部組塊主要承重構(gòu)件,主柱對接偏差控制尤為重要,模塊式安裝因?qū)⒅髦譃槎喽闻c各甲板分別拼裝后再組裝,對角線偏差難以控制;
4)在技術(shù)實施時,上部組塊整個建造過程由4根承重主柱受力,和海上就位后運行模式受力相同。而模塊式安裝建造時有多根受力臨時支撐,在海上就位后為4根主柱受力,部分結(jié)構(gòu)勢必會產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力甚至形變,對整個結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有一定影響。
該技術(shù)的缺點體現(xiàn)在兩個方面:
1)與模塊式安裝技術(shù)相比,消耗時間一般會多一些,工期上無優(yōu)勢;
2)在方案實施過程中,因多專業(yè)同時施工,易發(fā)生互相干涉、影響的狀況,需安排經(jīng)驗豐富的技術(shù)管理人員加入項目管理團(tuán)隊,提前謀劃,盡可能減少交叉作業(yè)之間的影響。
海上升壓站上部組塊整體式建造技術(shù)已成功應(yīng)用于浙江嘉興平湖海域的兩個海上內(nèi)電場。其中,因嘉興1號海上升壓站是該技術(shù)在全國類似工程中的首次實施,在建造過程中依然存在少量不足,因此,在原技術(shù)方案的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步充分吸取了嘉興1號海上升壓站的施工經(jīng)驗,并加以改進(jìn),最終形成了本文所述的優(yōu)化安裝方案。
優(yōu)化后的方案已經(jīng)在嘉興2號海上升壓站工程得以安全、順利實施。實施過程中,各結(jié)構(gòu)安裝尺寸控制均滿足我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50205—2020《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》中的相關(guān)驗收標(biāo)準(zhǔn)要求,主柱垂直度和間距控制在允許偏差之內(nèi),主柱垂直度和立柱間距的允許偏差和實測值詳見表4和表5??梢?,上部組塊海上安裝一次就位,高標(biāo)準(zhǔn)完成了該工程的建造及安裝。
表4 主柱垂直度允許偏差和實測值
表5 主柱間距允許偏差和實測值
本文以我國某220 kV海上升壓站作為示例,總結(jié)海上升壓站上部組塊整體式建造的場地要求和施工設(shè)備配置,從安裝流程、主框架組合件地面拼裝、主框架拼裝和各層結(jié)構(gòu)安裝等方面詳述整體式建造技術(shù),并總結(jié)該技術(shù)的優(yōu)點和缺點。為了盡可能降低該技術(shù)不足之處對工程建設(shè)的影響程度,下一步將加深研究并結(jié)合工程實際應(yīng)用情況,總結(jié)相關(guān)實踐經(jīng)驗,為制定該技術(shù)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提供支撐。