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        海上風(fēng)電內(nèi)護(hù)筒運輸綁扎工藝研究

        2021-12-20 10:42:38林振東王雨生
        中國水運 2021年11期
        關(guān)鍵詞:海上風(fēng)電有限元分析

        林振東 王雨生

        摘 要:內(nèi)護(hù)筒是海上風(fēng)電嵌巖施工的重要工裝,使用頻繁,常規(guī)的內(nèi)護(hù)筒海運綁扎形式為通過綁扎件將內(nèi)護(hù)筒與運輸船甲板進(jìn)行焊接并在內(nèi)護(hù)筒頂部牽拉鋼絲繩,該種綁扎形式雖結(jié)構(gòu)簡單,但大量的焊接和打磨作業(yè)耗時較長且對內(nèi)護(hù)筒本體會造成一定損傷。本文依據(jù)工程實例,設(shè)計一種新型內(nèi)護(hù)筒綁扎工裝,無需在內(nèi)護(hù)筒本體上進(jìn)行焊接作業(yè)且海上施工操作便捷、安全高效、可重復(fù)使用,并通過有限元建模分析證明了該新型綁扎工裝的可行性。

        關(guān)鍵詞:海上風(fēng)電;內(nèi)護(hù)筒;海上運輸;綁扎工藝;有限元分析

        中圖分類號:U674? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A? ? ? ? ? ? 文章編號:1006—7973(2021)11-0131-03

        1前言

        隨著社會不斷發(fā)展,人們對環(huán)境保護(hù)越來越重視,新能源的開發(fā)利用成為一大趨勢。我國海岸線綿長,風(fēng)能資源豐富,發(fā)展海上風(fēng)力發(fā)電既能為東南部沿海城市提供電力能源,又清潔無污染,是國家倡導(dǎo)的綠色能源發(fā)展方式[1]。海上風(fēng)電的開發(fā)利用離不開相應(yīng)的風(fēng)電管樁等設(shè)施,這些設(shè)施需由運輸船運輸?shù)胶I现付ㄎ恢谩:I献鳂I(yè)受天氣影響較大,合適的天氣窗口期很短,安全高效的運輸綁扎形式可大大節(jié)約寶貴施工時間,有利于后續(xù)安裝工作的開展。

        嵌巖平臺內(nèi)護(hù)筒是海上風(fēng)電水下嵌巖施工用的圓筒工裝,直徑通常6m-8m,高度20m至60m不等,重量約300t-800t。內(nèi)護(hù)筒在基礎(chǔ)樁鉆孔施工前打入海底一定深度,起到隔離水土壓力的作用,為后續(xù)的水下鉆孔施工提供穩(wěn)定的作業(yè)環(huán)境。待基礎(chǔ)樁安裝到位后,需將內(nèi)護(hù)筒拔出,放置在運輸船上運輸至下一個機(jī)位繼續(xù)作業(yè)。為了提高運輸船甲板使用率、減少內(nèi)護(hù)筒吊裝翻身等作業(yè)工序,通常將內(nèi)護(hù)筒豎立放置在甲板進(jìn)行運輸。運輸過程中需保證運輸船甲板強(qiáng)度滿足要求、綁扎工裝足以克服內(nèi)護(hù)筒所承受的環(huán)境載荷。常規(guī)的內(nèi)護(hù)筒海運綁扎形式為通過綁扎件直接將內(nèi)護(hù)筒焊接在運輸船甲板指定位置上,用以克服內(nèi)護(hù)筒海運時的橫、縱向力;通過在內(nèi)護(hù)筒頂部加裝鋼絲繩連接到運輸船甲板上,用以克服內(nèi)護(hù)筒海運時的傾覆力,如圖1所示。內(nèi)護(hù)筒運輸?shù)侥康牡睾髮⒔壴畛?、鋼絲繩拆除,內(nèi)護(hù)筒焊接位置打磨光滑后投入使用。這種綁扎方式結(jié)構(gòu)簡單,對于單次使用的管樁比較合適,但內(nèi)護(hù)筒需要多次重復(fù)使用,此種綁扎形式存在如下缺點:

        (1)多次的焊接、打磨作業(yè)對內(nèi)護(hù)筒本體有較大損傷,會減小內(nèi)護(hù)筒的使用壽命;

        (2)海上高空牽拉鋼絲繩作業(yè)需要登高設(shè)備,而且風(fēng)險性較高;

        (3)海上施工受天氣影響大,施工窗口期很短,而大量的焊接和切割作業(yè)需要較長時間,增加巨大成本。

        因此,這種傳統(tǒng)的內(nèi)護(hù)筒綁扎形式已不能很好適用于海上風(fēng)電大發(fā)展的趨勢,需要開發(fā)新的高效型綁扎形式。

        2新型綁扎工裝設(shè)計

        為克服目前內(nèi)護(hù)筒海上運輸綁扎形式的上述缺點,針對內(nèi)護(hù)筒需多次重復(fù)使用、經(jīng)常性短距離海上運輸?shù)忍攸c,從操作便捷、安全高效、節(jié)省海上施工時間等角度出發(fā)設(shè)計綁扎工裝,該工裝需滿足如下使用要求:

        (1)內(nèi)護(hù)筒可豎立放置;

        (2)綁扎工裝可重復(fù)利用;

        (3)無需在內(nèi)護(hù)筒本體上進(jìn)行焊接作業(yè);

        (4)工裝具有克服內(nèi)護(hù)筒傾覆的作用,無需牽拉鋼絲繩;

        (5)海上施工方便快捷、節(jié)約時間。

        本文依據(jù)福建海域某風(fēng)電項目所用內(nèi)護(hù)筒來設(shè)計綁扎工裝,該內(nèi)護(hù)筒高40米,外徑8米,壁厚70-80毫米,垂向重心約20米,吊裝重量約620噸。設(shè)計綁扎工裝由底座、撐桿結(jié)構(gòu)組成,如圖2所示。底座由環(huán)形鋼板焊接而成,起到承擔(dān)內(nèi)護(hù)筒垂向力、增加內(nèi)護(hù)筒與運輸船甲板接觸面積以均勻分布載荷的作用。撐桿結(jié)構(gòu)是由不同管徑的圓鋼管焊接而成的空間立體結(jié)構(gòu),其外周設(shè)置圓弧面,與內(nèi)護(hù)筒內(nèi)壁曲面相匹配。撐桿結(jié)構(gòu)具有一定高度,既起到海運時承擔(dān)內(nèi)護(hù)筒橫、縱向力的作用,又可有效克服內(nèi)護(hù)筒的傾覆彎矩。底座及撐桿結(jié)構(gòu)在陸上場地制作完成后,提前焊接到運輸船指定位置,作為本風(fēng)電項目船上固定工裝使用。運輸內(nèi)護(hù)筒時,通過撐桿結(jié)構(gòu)頂部設(shè)置的導(dǎo)向裝置將內(nèi)護(hù)筒吊裝放置在底座上,施工人員通過底座上設(shè)置的人孔進(jìn)入內(nèi)護(hù)筒內(nèi)部,將內(nèi)護(hù)筒內(nèi)壁與撐桿結(jié)構(gòu)指定位置之間的間隙用特制的楔形塊塞實固定,即可完成綁扎作業(yè);內(nèi)護(hù)筒運輸?shù)侥康牡睾笕コㄐ螇K即可完成解綁作業(yè)。所有綁扎與解綁工作無需在內(nèi)護(hù)筒本體上進(jìn)行焊接、打磨作業(yè),無需在內(nèi)護(hù)筒頂部牽拉鋼絲繩,操作方便高效,可大大節(jié)約海上施工時間。

        3海運環(huán)境載荷

        本項目所使用的運輸船總長128米,型寬40米,型深7.5米,吃水5米,風(fēng)場所處位置在中國沿海海域。依據(jù)中國船級社CCS《海上拖航指南》(2011)來計算運輸時內(nèi)護(hù)筒所承受的環(huán)境載荷[2],求得內(nèi)護(hù)筒重心處加速度結(jié)果如下:

        4 綁扎工裝強(qiáng)度校核

        依據(jù)相關(guān)規(guī)范要求[3],采用Ansys Workbench軟件對內(nèi)護(hù)筒底座、撐桿結(jié)構(gòu)及運輸船船體結(jié)構(gòu)建立有限元模型并進(jìn)行直接計算,以驗證綁扎結(jié)構(gòu)及船體局部強(qiáng)度是否滿足規(guī)范要求。綁扎結(jié)構(gòu)及船體有限元模型如圖3所示,模型約束條件為運輸船船體結(jié)構(gòu)的四周邊界全約束。

        內(nèi)護(hù)筒底座和撐桿結(jié)構(gòu)的材質(zhì)為Q355B,運輸船船體結(jié)構(gòu)材質(zhì)為Q235,兩種材質(zhì)屈服應(yīng)力及許用應(yīng)力[3-4]如表2所示。

        根據(jù)內(nèi)護(hù)筒海運狀態(tài)所承受的環(huán)境載荷,分四種工況施加相應(yīng)的橫向、縱向和垂向力,其中垂向力包括內(nèi)護(hù)筒自重,如表3所示,分析綁扎工裝及運輸船的應(yīng)力結(jié)果。內(nèi)護(hù)筒底座下表面與運輸船甲板之間采用焊接固定方式,內(nèi)護(hù)筒與底座和撐桿結(jié)構(gòu)之間采用只承受壓力的接觸連接方式。

        經(jīng)分析,船體結(jié)構(gòu)及綁扎件應(yīng)力云圖如圖4、5所示(以工況1為例)。

        四種工況下船體及綁扎結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明,在本文海運環(huán)境條件下,該綁扎工裝強(qiáng)度、船體強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

        5 結(jié)論

        國內(nèi)海上風(fēng)電已經(jīng)進(jìn)入大發(fā)展的熱潮,風(fēng)場逐步由淺水區(qū)域走向深水區(qū)域,環(huán)境條件及地質(zhì)條件愈發(fā)復(fù)雜,所需的船機(jī)設(shè)備要求也越來越高。昂貴的船機(jī)租賃費用促使海上風(fēng)電施工要搶抓短暫的時間窗口,加快工程進(jìn)度。內(nèi)護(hù)筒作為海上嵌巖施工用的重要工裝,使用頻率高,其安全高效運輸對于加快海上施工進(jìn)度、節(jié)約成本等方面有重要意義。本文設(shè)計的新型內(nèi)護(hù)筒綁扎工裝及綁扎工藝具有海上施工方便快捷、可重復(fù)利用、不損傷內(nèi)護(hù)筒本體等優(yōu)點,經(jīng)分析,其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足工程需要。該新型綁扎工裝的推廣使用對海上風(fēng)電高效發(fā)展具有良好的促進(jìn)作用。

        參考文獻(xiàn):

        [1]李輝,林振東.深水導(dǎo)管架式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)安裝平臺設(shè)計及施工工法[J].中國港灣建設(shè),2021,(2):62-66.

        [2]CCS.海上拖航指南(2011)[Z].

        [3]ABS,Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units 2012.

        [4]GB/T 1591-2018,低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼[S].

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