孔 源,李衛(wèi)東,張志浩,馬連山,陳緒敏,王芳輝

1.華能山東發(fā)電有限公司,山東濟南 250014

2.中國石油集團海洋工程有限公司,山東青島 266555

在國家“雙碳”戰(zhàn)略的指引下，海上風電成為“綠碳”主力軍，預計2025年我國海上風電年新增裝機將達到12 GW。海上升壓站作為海上風電業(yè)務的“心臟”，主要包括主變壓器、GIS開關、高壓開關柜、柴油發(fā)電機、吊機等20余艙室設備。升壓站組塊整體布局緊湊，設備種類繁多，且為非標準件，設計與建造過程中易產生偏心。常規(guī)的調偏心方法包括采用更大噸位浮吊或制作平衡吊梁。而在浮吊資源緊張、更換吊梁不滿足工期的情況下，通過IBC（Intermediate Bulk Container）噸桶調偏心，則更經濟更安全。本項目研究內容可為以后項目存在的類似問題提供參考和指導建議。

1 海上升壓站偏心原因分析

本文依托山東半島某升壓站組塊進行分析，該組塊整體尺寸為41 m×37 m×21 m，共4層甲板，在陸地整體建造完成后，使用浮吊進行海上一體化安裝。組塊包含4個主立柱，編號分別為2B、2D、4B、4D，組塊二層平面布置見圖1。4個主吊耳設置在頂層甲板的主立柱上，4個吊點的中心X=7.5 m、Y=10 m（以2B軸為原點）。

根據(jù)設計提供的數(shù)據(jù)，組塊吊裝質量為2 836.4 t，其理論重心X=6.37 m、Y=9.93 m，如表1所示。

圖1 升壓站組塊二層平面布置

表1 升壓站組塊重心控制

2D與2B的立柱支反力比4D與4B的支柱支反力大，在X軸方向有1.13 m的偏心。產生偏心原因：

（1）設備布局原因。如圖1所示，②軸外側布置了GIS開關室、柴油機房、應急配電室、暖通機房1、低壓配電室、油罐室、休息生活區(qū)、5 t吊機等艙室；④軸外側布置了水棚房、40.5 kV開關室、暖通機房2、通信繼保室、蓄電池室等艙室。②軸外側設備布置多、質量大。

（2）GIS設備本體質量大。該設備為某國產品牌，質量較大，且布置于②軸外側。另外GIS所需空間布局較大，導致了②軸外側結構質量比④軸外側偏大。參照圖1平面布置圖，②軸與①軸的間距為12.45 m，而④軸與⑤軸的間距為9 m。

2 一次調偏心載荷計算分析

組塊偏心導致吊裝穩(wěn)性差，極易出現(xiàn)吊裝安全事故。常規(guī)解決方案包含選擇大噸位浮吊或預制吊梁調偏心。

2.1 浮吊載荷分析

在2021年風電搶裝潮的背景下，浮吊資源異常緊張，僅“德浮3600”可滿足項目工期要求。該浮吊為固定扒桿起重作業(yè)船，船長118.9 m、型寬48 m、型深8.8 m，主鉤起重能力為9 000 kN（共4個主鉤）。根據(jù)浮吊的起重曲線及組塊的外形尺寸分析，確認在滿足作業(yè)半徑及起吊高度的情況下，主鉤的起重能力為額定起重能力36 000 kN。

核算該浮吊單個主吊鉤的吊裝載荷Q[1]：

式中：Q為每個主吊鉤的吊裝載荷，kN；K1為吊裝時動載荷系數(shù)，本項目取1.1；K2為安全載荷（重量不確定）系數(shù)，本項目取1.03；Qj為德浮3600主鉤額定吊裝載荷，kN，本項目取9 000 kN。

經計算，單個吊鉤的吊裝載荷Q最大7 944 kN。根據(jù)表1數(shù)據(jù)，2D與2B支反力（即吊點受力）分別為8 104 kN和8 211 kN，均超過浮吊單鉤的吊裝載荷（7 944 kN），因此不滿足吊裝要求。

2.2 預制吊梁一次調偏心

在船舶資源緊張的背景下，施工單位根據(jù)理論偏心數(shù)據(jù)，設計并制作了2套吊梁[2]進行一次調偏心。每套吊梁質量75 t，2D∕4D一組，2B∕4B一組，以平衡4個吊鉤的承載力。

升壓站組塊建造完成后進行了稱重作業(yè)。組塊稱重得到質量為2 823 t（含滑靴質量152 t）；組塊實際重心為：X=5 735 mm、Y=10 301 mm，在X軸方向上實際偏心1.76 m，明顯超過1.13 m的理論偏心。根據(jù)實際偏心結果，2D與2B立柱支反力將進一步增大，需計算浮吊和一次調偏心所預制的吊梁是否還能滿足升壓站組塊的吊裝要求。

2.3 吊裝載荷計算分析

為驗證浮吊及預制吊梁是否滿足吊裝要求，需對其計算分析，流程如圖2所示。

圖2 浮吊及預制吊梁驗證計算流程

2.3.1 吊梁下吊點載荷F

吊梁下吊點載荷等于主腿的支反力，根據(jù)主腿支反力計算公式：

式中：W吊為組塊的吊裝重力，即稱重重力-滑靴重力=26 720 kN；S1為對角小矩形面積，即實際重心與計算主腿的對角支腿坐標組成的矩形面積，m2；S為4個主腿坐標組成的矩形面積，m2，本項目為300 m2。

經計算，F(xiàn)2B=8 000 kN，F(xiàn)2D=8 497 kN，F(xiàn)4B=4 952 kN，F(xiàn)4D=5 260 kN。

2.3.2 吊梁上吊點載荷P

根據(jù)上述吊梁下吊點載荷計算結果可知，F(xiàn)2D載荷最大，故僅需要對2D∕4D組吊梁進行核算，即可確定能否滿足組塊吊裝要求。

吊梁受力分析如圖3所示[3]，根據(jù)杠桿平衡原理，計算力臂A與B的長度：F2D×A=F4D×B，A+B=15 000 mm，求得A=5 735 mm，B=9 265 mm。

圖3 吊梁受力分析

根據(jù)圖3吊梁尺寸信息，求吊梁上吊點力臂C與D的長度：C=4 735 mm，D=6 065 mm。通過吊梁調載后，計算吊梁上吊點的載荷P2D與P4D，根據(jù)杠桿平衡原理：P2D×C=P4D×D，P2D+P4D=F2D+F4D+吊梁自重，求得P2D=8 147 kN，P4D=6 360 kN。

2.3.3 浮吊吊鉤的計算載荷G2D

浮吊吊鉤計算載荷G2D=吊梁上吊點載荷P2D+鎖具重力125 kN（查閱產品說明書得知）。經計算，G2D=8 272 kN，超過浮吊的吊裝載荷7 944 kN。

由于設計及建造過程中產生了嚴重的偏心問題，經計算確定浮吊和預制的吊梁不能滿足升壓站組塊的吊裝要求，需要更換吊梁。經與吊梁廠家溝通，重新預制或修改吊梁的費用較高，且預制周期約2個月，不能滿足項目工期要求，故需提出其他方案進行二次調偏心。

3 二次調偏心方案

由于一次調偏心不能滿足吊裝要求，在此探討組塊減重及增加配重塊的方案進行二次調偏心[4]，以滿足升壓站組塊的吊裝要求。

3.1 組塊減重

參照圖1，將②軸外側易于拆卸的部件進行拆除，以平衡其重心。經分析，②軸外側二層與三層的鋼格柵與GIS房間的頂層蓋板易于拆卸，質量分別為10.87 t和6.46 t。拆卸后G2D載荷可調減為8 098.7 kN，依然大于吊裝載荷7 944 kN，且需動員小浮吊在海上進行拆卸部件的二次安裝。故無論從經濟性或工期考慮，該方案都存在諸多不確定性。

3.2 增加配重塊

配重塊應放置在組塊受力較小側，即⑤軸外側的安全通道上，如圖1所示。該位置力矩最大，所需增加配重塊重量最小。最終通過調載，使升壓站組塊X軸重心位置與理論重心一致。

3.2.1 配重塊的計算

計算增加配重塊的重量，按照本文第2.3節(jié)吊裝載荷計算方式的反向進行推算。

第一，假定計算載荷G2D′=吊裝載荷7 944 kN，則P2D′=G2D′-鎖具重力 125 kN=7 819 kN，P4D′=6 688 kN。

第二，根據(jù)杠桿原理計算力臂：C′=4 979 mm，D′=5 821 mm，A′=5 979 mm，B′=9 021 mm。

第三，計算吊梁下載荷F2D′與F4D′：F2D′=8 273 kN，F(xiàn)4D′=5 484 kN。

第四，計算D軸吊梁需增加配重塊的質量M。

根據(jù)杠桿原理：F2D′×X=F4D′×（15 000-X）+M×g×L′。式中：F2D′=8 273kN，F(xiàn)4D′=5 484 kN，X=6 370 mm，配重塊力臂長L′=15 000 mm-X+10000 mm=18 630 mm，g為重力加速度，取10 m∕s2。經計算，M=28.8 t。

組塊在Y軸方向基本無偏心，故B軸吊梁需增加的配重塊質量等于D軸吊梁需增加的質量28.8 t。故共需增加配重塊質量57.6 t，取整數(shù)60 t。

浮吊吊裝載荷為31 776 kN，而吊裝物的重力為28 720 kN，故可增加配重塊的最大質量為305.6 t，因此上述計算結果（增加配重塊質量60 t）可滿足浮吊吊裝載荷要求。

3.2.2 配重塊的選擇

（1）鑄鐵配重塊。每塊16 t，尺寸2 m×2 m×0.5 m。其寬度與安全通道基本一致，安裝難度大。組塊海上吊裝后，需動員小浮吊將配重塊吊至駁船上，再運輸至施工現(xiàn)場作業(yè)場地，增加了吊裝和運輸費用。

（2）IBC噸桶。材質為高密度聚乙烯，尺寸1.2 m×1 m×1.15 m，自身質量57 kg，灌水后每個質量為1 t。IBC噸桶優(yōu)勢：其一，采購價格便宜，采購周期短，安裝方便；其二，組塊海上吊裝就位后，噸桶中的60 m3水在調試期間可作生活用水，減少生活支持船的費用；其三，水排放后，噸桶自重輕，不需要額外動用浮吊拆卸。

經綜合對比，二次調偏心選擇60個IBC噸桶作為配重塊進行調載。

3.2.3 配重塊的放置

根據(jù)計算結果，將60個噸桶放置于二層甲板和三層甲板⑤軸外側的安全通道上，二層放置31個、三層放置29個，于Y軸方向上對稱布置，三層噸桶擺放布置見圖4。

4 二次調偏心驗證

4.1 安全性驗證

根據(jù)選定的方案，使用SACS軟件對安置60個IBC噸桶后的升壓站組塊進行受力分析[5]，經計算模擬，所有UC值＜1（Unity Check值簡稱UC值），該方案安全性能滿足要求。

4.2 二次稱重驗證

按本文3.2.3所述方式將IBC噸桶布置完成后，進行二次稱重驗證。組塊稱重結果為2 915 t（含滑靴質量152 t，IBC噸桶質量60 t）；組塊稱重重心位置為：X=6 490 mm，Y=10 193 mm。升壓站組塊在X軸方向實際偏心1.01 m，與理論偏心1.13 m基本吻合。

在浮吊資源緊張且無法更換吊梁的情況下，通過理論計算、SACS軟件分析及二次稱重，驗證了使用IBC噸桶二次調偏心的可行性?！暗赂?600”于2021年8月一次性順利完成該升壓站組塊的海上吊裝。

5 結束語

升壓站組塊海上安裝是整個項目風險最大的環(huán)節(jié)，須綜合考慮吊裝載荷、船舶穩(wěn)性、布錨、氣象環(huán)境等因素。本文對升壓站組塊在吊梁調載后存在的二次偏心問題，創(chuàng)新地使用IBC噸桶進行二次調偏心，并成功地完成了海上吊裝作業(yè)，不僅在安全方面將風險降到最低，在經濟方面也最大化地降低了成本。本文研究內容可為以后解決類似項目調偏心問題提供參考。