梁　奎，王建勇，鄭驥輝

（中交第三航務工程局有限公司寧波分公司，浙江寧波315200）

利用自升式作業(yè)平臺進行海上風力發(fā)電機組故障搶修

梁奎，王建勇*，鄭驥輝

（中交第三航務工程局有限公司寧波分公司，浙江寧波315200）

通過上海東海大橋100 MW某風力發(fā)電機組搶修工程的實施，文章闡述了利用自升式作業(yè)平臺進行海上風力發(fā)電機組故障搶修技術，總結相關要點與建議，可為類似工程提供借鑒。

自升式作業(yè)平臺；海上風機；搶修

1　概述

東海風電場某風電機組機艙發(fā)生故障，應業(yè)主委托，需將該機組機艙、輪轂、葉片更換修理。風機現(xiàn)況為不能偏航、葉片根部損壞嚴重，葉輪盤車須待清理結束后由廠方確認。機艙罩輪轂罩已燒毀，且機艙至輪轂的通道已不存在。塔筒內(nèi)高壓環(huán)網(wǎng)柜、進出海纜和相關電氣仍處在工作狀態(tài)中（搶修期間狀態(tài)不變）。

故障風機位于東海大橋東側1號回路，距離東海大橋約2.5 km。北側為東海大橋1 000 t副通航孔，東西側距離最近的風機均為0.5 km，南側距離2號回路最近的風機約1 km。

更換風機新舊設備均為3.0 MW風機，機艙輪轂葉片主要性能參數(shù)差別見表1。

表1　更換風機新舊部件主要性能參數(shù)對照表Table 1 Com parison ofmajor performance and parametersof old and new parts for w ind power generator

2　總體施工方案比選

根據(jù)現(xiàn)場勘查情況，分析討論有3個方案可滿足故障風機搶修施工要求。

方案一：采用三航風范號將故障風機整體拆卸，然后運回至沈家灣基地，在碼頭前沿的風機專用運輸駁上完成機艙、輪轂、葉片更換，最后將新的風機海上整體運輸至現(xiàn)場，由三航風范號完成機組整體安裝。優(yōu)點：工藝成熟，且大型船機設備自有。缺點：故障風機整體拆修后，機組內(nèi)的高壓柜脫離風場電網(wǎng)，1號回路中其它3臺風機將不能發(fā)電，損失嚴重。

方案二：利用半潛駁在故障風機旁沉底，其上配備大型履帶吊完成機艙、輪轂、葉片的更換。優(yōu)點：半潛駁沉底作業(yè)，吊裝安全可靠。缺點：半潛駁進塢改造，造價較高，時間較長，不能滿足工期要求。

方案三：利用自升式平臺作業(yè)船進行現(xiàn)場作業(yè)，完成機艙、輪轂、葉片的更換。該方案利用現(xiàn)有自升式平臺作業(yè)船，該船配備1臺700 t主吊、1臺120 t輔助吊車，可以滿足故障風機機艙、輪轂、葉片拆裝作業(yè)要求。優(yōu)點：該船目前市場現(xiàn)有，可根據(jù)實施進度隨時調(diào)用，且施工工期較短，滿足業(yè)主要求。缺點：利用自升式平臺作業(yè)船進行海上風機拆卸與安裝在國內(nèi)尚屬首次，施工技術需詳細論證，確保施工安全。

經(jīng)技術可靠、經(jīng)濟節(jié)約、工期高效等方面的比較與論證，最終方案三為本次搶修工程的實施方案。

3　技術難點分析

3.1外海施工環(huán)境惡劣

本工程為遠離岸線靠近東海大橋的無掩護外海施工，風大、浪高、涌急，最大潮差4.31 m，實測漲潮垂線最大流速為1.64～1.78 m/s。海底建筑物復雜，安全隱患多，施工期間船舶移位和作業(yè)安全技術措施要求很高。同時，風場內(nèi)電纜布置嚴重制約本工程各類施工船舶的拋錨作業(yè)。

3.2對部件吊裝要求非常高

1）風機部件吊裝作業(yè)時要求嚴格限制風速。

2）海上風力發(fā)電機具有外形尺寸龐大、安裝精度要求高、吊裝過程要求平穩(wěn)等特點。

3.3自升式作業(yè)平臺船現(xiàn)場作業(yè)

盛邦1001海上作業(yè)平臺船國內(nèi)建成不久，船上共有4條支腿，作業(yè)時，支腿有效入土深度為水面下35m，而東海大橋海域淤泥較深，平均深度在20 m以上，正確進行盛邦1001平臺船支腿作業(yè)與收腿作業(yè)的安全分析[1-3]，是本次搶修工程需要解決的一大重點。

3.4風機現(xiàn)場拆卸

故障風機經(jīng)火災后，機艙已全部損壞，輪轂罩體近半損壞，3個葉片根部均不同程度損壞，其中朝上葉片受損最嚴重，葉片表面被嚴重燒壞，經(jīng)玻璃鋼現(xiàn)場切片分析，根部有近1/3的厚度已毀壞。

根據(jù)現(xiàn)場情況的勘察，要對故障風機機艙、輪轂、葉片進行安全可靠地拆卸，必須解決以下幾方面的問題：

1）組織現(xiàn)場清理。清理過程中需要保證作業(yè)人員的安全，同時需要規(guī)避二次設備損害。

2）現(xiàn)場的安全管理。由于機艙位于離水面90 m高的高空，施工現(xiàn)場為立體作業(yè)，確保搶修過程中不發(fā)生安全事故，是本次工作的一大難題。

3）由于機艙、輪轂、葉片受損嚴重，機艙主框架、吊點是否滿足吊裝要求，葉片是否滿足拆卸要求，是必須要解決的問題。

4）由于機組受損嚴重，所有的制動、傳動機構均無法進行機械控制，機艙已不能滿足偏航要求，這對平臺作業(yè)船的作業(yè)站位提出了更高要求，葉輪需要人工進行盤車，而現(xiàn)場勘驗發(fā)現(xiàn)，主軸軸承已受殘渣影響，難度非常大。

5）海域風場進行機艙、輪轂、葉片的拆卸在國內(nèi)尚屬首次，無相關經(jīng)驗、技術可借鑒參考，需要進行技術研究，確保施工萬無一失。

3.5機艙、輪轂、葉片現(xiàn)場分體安裝

根據(jù)已定的施工方案，需要在故障風機旁進行機艙、輪轂、葉片現(xiàn)場安裝，而該方案國內(nèi)尚屬首次，無相關經(jīng)驗和技術可借鑒。

現(xiàn)場進行機艙、輪轂、葉片安裝，需要解決以下難題：

1）風電場選址在東海大橋東部海域，屬于外海施工，施工過程中無遮掩，受東海季風、臺風、暗涌、潮流等因素影響，吊裝作業(yè)難度較大。

2）風電機組部件外形尺寸較大，特別是葉輪，重量達69 t，且受風面積非常大，對風的影響非常敏感。

3）如何在自升式平臺船甲板上進行葉輪組裝，結合葉輪吊裝，需要細化工藝步驟。

4　施工總體流程

為確保故障風機搶修工程施工質量、安全及進度，根據(jù)現(xiàn)場情況，確定本次搶修任務的施工總流程為：施工準備→自升式平臺船準備→故障風機原機艙、輪轂、葉片拆除→新機艙、輪轂、葉片安裝→附屬工作施工→驗收交付。

5　主要船舶性能及施工方法

5.1自升式海上作業(yè)平臺船機性能

1）平臺船主要參數(shù)：總長140 m，垂線間長89.9 m，型寬39.0 m，型深6.6 m，設計吃水3.3 m，方型系數(shù)0.85，型排水量9 000 t，最大工作水深25 m，支撐樁腿4根。配有700 t主吊機1座、120 t副吊機1座。2臺吊機最小工作半徑軌跡相切。

2）頂升系統(tǒng)：本平臺采用插銷式液壓升降機構，由液壓油缸、上環(huán)梁、下環(huán)梁、懸掛桿、平衡器、液壓插銷、固樁架等組成。油缸最大工作壓力31.5MPa，單個油缸的最大壓力981 t，單個油缸的最大拉力631.5 t。平臺共4根樁腿，樁腿直徑3.3m，長度60.0m，上部預留無孔區(qū)高度5m。樁靴高1.6m，尺寸為8.7m×9.2m。樁腿橫向中心距29.9 m，縱向中心距55.2 m，單樁額定舉升力2 500 t，單樁最大舉升力3 000 t，每條樁腿插銷孔節(jié)距1 500mm。

5.2平臺船定位、支腿

根據(jù)故障風機電纜路由布置，結合設計對風機基礎的保護距離，確定平臺作業(yè)船的精確位置，平臺開始頂升作業(yè)。5月1日15:40平臺開始下放支腿，至5月2日3:30潮位最高時平臺船頂升結束，此時1號樁腿31.5 m/2 500 t、2號樁腿33 m/2 722 t、3號樁腿31.5 m/2 500 t、4號樁腿34.5m/2 800 t（1、2、3、4號樁腿以順時針方向編號，起點為控制室處）。平臺船頂升狀態(tài)為：低潮位時，船底離水面約1 m，高潮位時，船體約吃水2.3m，滿足平臺作業(yè)要求。

5.3機艙、輪轂、葉片拆除

由自升式平臺作業(yè)起重船完成故障風機葉片、輪轂、機艙拆卸工作，2 000 t級自航多功能駁配合完成。

1）通過葉輪盤車，將受損最嚴重的朝上葉片盤至垂直向下，另外2葉片對稱朝上。

2）吊索具安裝：700 t主吊車300 t鉤吊點安裝于朝上2葉片根部，索具采用長21 m的50 t吊帶，吊帶在葉片根部為兜吊；700 t主吊車700 t鉤吊點安裝于朝下的第3葉片上，采用20 m長吊帶，捆綁于朝下葉片距根部12m處，見圖1。

圖1　葉輪拆卸索具安裝Fig.1 Erection of riggings for disassemb ly of im pellers

吊索具安裝完成后，在輪轂與機艙間安裝輪轂機艙分離時的穩(wěn)固裝置。

葉輪拆卸：索具安裝完成后，鉗工班組進入主軸前部，利用液壓扳手拆卸主軸螺栓，若遇到無法拆卸時，采用氧氣乙炔切割。

螺栓拆除完畢后，利用700 t主吊車前后鉤配合，使葉輪保持傾斜狀態(tài)，緩慢下放至甲板面合適位置合適高度，利用120 t輔助吊機掛上輔助吊點，通過2臺吊機配合翻身放下葉輪。葉輪擱置在船甲板中心上。

葉輪分離：葉輪擱置在甲板上后，將3個葉片與輪轂分離。葉片與輪轂分離采用700 t主吊車主鉤單鉤吊裝，吊具采用2根21 m長的50 t吊帶。吊帶安裝在葉輪重心兩側2m處，見圖2。

圖2　葉片拆卸Fig.2 Disassembly of vanes

5.4機艙拆卸

機艙拆卸采用700 t主吊機副鉤進行拆卸，吊具根據(jù)風機廠家提供的受損后的機艙重心與吊點布置進行配置。

掛好索具后，利用液壓扭力扳手拆除螺栓，若螺栓無法拆卸，利用大扭力扳手進行破斷拆除，盡量不使用氣割拆除以保護塔筒法蘭。

機艙拆下后，放置在機艙擱置支架上，然后裝上運輸船固定后運回。

5.5機艙安裝

新機艙由700 t主吊將其從機艙運輸駁上起吊擱置在作業(yè)平臺船上，并完成單件組裝。

利用平臺船上300 t鉤將新機艙安裝至上塔筒頂部。機艙安裝時采用定位銷導向就位。機艙安裝完成后，滿足機艙前部正對著700 t吊車扒桿，見圖3。吊裝過程使用的專業(yè)工器具由風機廠家提供。

圖3　機艙就位Fig.3 Re-positioning ofwind power generating set

5.6葉輪安裝

5.6.1葉輪組裝

首先將輪轂擱置固定在甲板面上，然后通過平臺船上主副吊機先后吊起3個葉片與輪轂組裝，其中葉片與輪轂的組裝順序按照先組裝1號葉片并固定，然后組裝2號葉片并固定，最后組裝3號葉片，完成力矩緊固施工。葉輪組裝采用700 t主吊車的700 t鉤，吊具采用2根長21 m的50 t吊帶兜吊于葉片重心兩側2m處。

5.6.2葉輪與機艙組裝

葉輪組裝完成后，進行葉輪吊裝。吊裝方案為700 t吊機作為主吊，吊點位于1號、3號葉片之間，120 t吊機作為輔吊，吊點位于2號葉片上，1號、2號、3號葉片分布見圖4。同時，在1號、3號葉片葉尖上布置攬風繩，以控制葉輪吊裝時安全穩(wěn)定。

圖4　吊索具安裝及起吊Fig.4 Slinging and hoistingw ith riggings

通過主副吊機配合作業(yè)后，葉輪豎立，卸去輔吊。由主吊將葉輪移送至機艙前面安裝位置，當輪轂靠近安裝法蘭約5 cm距離時，插入導向銷，通過導向銷將輪轂安裝至機艙前部。最后完成葉輪的安裝。通過盤車，卸下2根攬風繩。

6　要點與建議

1）平臺升出水面后不受風、浪、流的影響，海上吊裝作業(yè)平穩(wěn)，為安全、可靠、高效完成風機組裝起重吊裝作業(yè)提供了保證，和浮式起重船相比，優(yōu)勢突出。

2）平臺吊裝作業(yè)的平穩(wěn)性、葉輪組拼空間、起吊翻身空間基本滿足工藝要求，主副吊機配置及能力滿足工藝要求。

3）海上作業(yè)平臺船進點到位進行頂升及收腿工作時，平臺處于不斷調(diào)整穩(wěn)定狀態(tài)的過程，必須在風力小于7級，浪高小于1 m的工況條件下作業(yè)，并謹慎操作，以確保平臺安全。作業(yè)期需要嚴密關注氣象及潮水。

4）平臺船定位時除根據(jù)吊裝工況外尚應確保支腿與樁基（或最近建筑物）的安全距離，避免因為平臺支腿下伸過程時對地基造成破壞，影響樁基結構安全。另外因為插拔腿過程對土體有擾動破壞，所以同一位置（靠近位置）只能給作業(yè)平臺一次提供支撐反力，不能在原地重復進行插拔腿。因此，施工作業(yè)必須力爭一次成功。

5）針對類似于東海大橋海域淤泥層比較深的地質情況，需要認真進行平臺支撐穩(wěn)定計算分析，確保平臺作業(yè)安全。

7　結語

本次故障風力發(fā)電機組搶修工程為國內(nèi)首次實施，其包含國內(nèi)首次利用自升式平臺船進行海上風力發(fā)電機組機艙、輪轂、葉片拆卸，首次利用自升式平臺船進行海上風力發(fā)電機組機艙、輪轂、葉片的安裝，首次在海上90 m高空塔筒外壁進行油漆補涂以及油污覆蓋層的清理。

本次搶修工程的順利實施，為海上風電場風電機的維護保養(yǎng)技術積累了新的、可供借鑒的經(jīng)驗，對發(fā)展我國海上風電場建設起到了一定的推動作用。

[1]中交上海三航科學研究院有限公司.東海風電安裝平臺樁基計算[R].2012. CCCCShanghai Third Harbor Science Research Institute Co.,Ltd. Calculation of pile foundation for installation platform for wind power in EastChina Sea[R].2012.

[2]杭州歐佩亞海洋工程有限公司.潤邦1001號工作平臺樁靴入泥深度計算[R].2012. Hangzhou Ou PejaMarine Engineering Co.,Ltd.Calculation of embedded depth of pile shoes of platform for Ruibang 1001 working platform[R].2012.

[3]中交第三航務工程局有限公司寧波分公司.東海大橋風電場風力發(fā)電機組修復工程搶修專項施工方案[R].2012. Ningbo Branch of CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.Special program foremergency repair ofwind turbines for East China Sea BridgeWind Farm[R].2012.

Emergency repair of offshorew ind power generator by using self-elevating p latform

LIANGKui,WANG Jian-yong*,ZHENG Ji-hu i
（Ningbo Branch of CCCCThird Harbor Engineering Co.,Ltd.,Ningbo,Zhejiang 315200,China）

The paper,based on the engineering practice in the emergency repair of a wind power generator of 100 MW on Shanghai East Sea Bridge,presents the using of a self-elevating platform to carry out emergency repair of offshorewind power generators,and presentsalso the summary of the engineering practice and recommendations as reference for similar projects.

self-elevating platform；offshore wind power generator；emergency repair

U656.6

B

2095-7874（2016）06-0076-05

10.7640/zggw js201606019

2016-04-28

上海市科學委員會科研項目（14DZ1200903）

梁奎（1981—），男，浙江紹興人，工程師，機械設計制造及其自動化專業(yè)，主要從事海上風電施工技術研究。

王建勇，E-mail：wanghu1983@126.com