陈炳焕 洪天识 李晓勇 中交第三航务工程局有限公司厦门分公司

1.工程概况

长乐外海海上风电场C区项目（总装机规模为496MW），单机容量8MW及以上的海上风力发电机组62台，业主单位计划2021年并网。其中本标段三筒（吸力桩）导管架。本标段中单套吸力式导管架基础最重约2462t。

2.出运方式选择

目前常用的吸力式导管架基础出运方式有两种，分别为SPMT轴线车运输上船、起重船起吊落驳。

起重船落驳仅适合起重船与吸力桩导管架基础都在码头边，且需满足起重船起吊范围内方可起吊，对起重船起吊能力及码头参数要求高，局限性太大。故本文就针对SPMT轴线车运输落驳方式进行技术研究。

3.运输工装

3.1 工装结构形式

结合本项目吸力式导管架的外形尺寸，吸力筒底部直径为10m，考虑后续批次吸力桩直径达到12m，因此工装的设计兼顾考虑了两种不同类型的吸力桩导管架。

该吸力桩导管架建造完成后，采用竖直运输方式，即吸力桩底部圆筒与运输工装直接接触，为了使吸力桩筒壁的结构强度满足要求，需要保证吸力桩圆壁与运输工装的接触面比率。

吸力式导管架采用SPMT滚装装船方式，因此运输工装的设计需考虑SPMT布置方式和载运船舶的甲板尺寸。设计工装结构形式如图1。

工装由支撑梁与支座组成，支撑梁上下面由30mm厚钢板焊接而成，上下面之间布置20mm厚筋板，筋板布置在两种不同直径吸力桩的下部，保证运输过程中支撑梁的刚性。支腿上面用30mm厚钢板，主立筋用30mm厚钢板，底面用20mm钢板焊接一体，支腿底面钢板规格为3000mm×1100mm。每套吸力式导管架使用出运工装3 套，每套工装重量为48085kg，工装总重为48085kg×3=144.255t。装船整件（吸力筒+导管架+过渡段+附属件）重量约2462t，设备+出运工装总重2462t+144.3t=2606.3t。地面承载面积3m×1.1m×6×3=59.4m2。

3.2 工装强度与变形分析

吸力桩立式转运工装是为风电项目新设计的转运工装，由于受载较大，有必要进行有限元强度和变形分析。依据设计图纸和相关技术参数进行有限元建模，分别考虑吸力桩和工装放置在模块运输车、吸力桩和工装放置在地面两种工况进行分析，得到如下结论：

①当转运工装放置在模块车上时，最大应力93.3MPa，最大变形3.64mm，此时安全系数不小于3.48；②当转运工装放置在地面上时，最大应力103.7MPa，最大变形1.86mm，此时安全系数不小于3.13。综合两种工况分析结果可知，转运工装强度可以满足设计要求。

工况一：工装放置在模块车

当工装放置在模块车上时，需要考虑工装和模块车的接触面，此时将模块车简化为一定厚度的钢板，保证模块车和工装接触面与图纸相符即可。

几何建模及条件假设：

①模块车简化为一定厚度的钢板，采用实体进行建模；②工装采用片体建模，后续有限元模型中赋予相应厚度；③忽略对有限元分析结果影响较小的小孔、小倒角、小圆角等细节特征；④考虑一定长度的吸力筒，直径为10m，同样采用片体建模，后续赋予相应厚度和等效密度，以保证其最大载荷达到800t；⑤不考虑焊缝材料的影响，认为焊缝和母材材料性能相同；⑥忽略材料的各项异性，同时认为材料变形始终在弹性范围内；⑦重力加速度采用标准值，为9.81m/s2。图2为吸力桩和转运工装整体几何模型，转运工装几何模型。

图2 吸力桩、转运工装几何模型

图3为转运工装的等效应力分布图，可见最大等效应力为93.3MPa，位于20mm厚竖向筋板上，该筋板下方为模块车。

图3 等效应力分布图

图4为整体变形量分布，可见最大变形为3.64mm，位于工装边缘，该边缘由于悬空而产生变形。

图4 整体变形量分布图

工况二：工装放置地面上 。

图5为该工况下转运工装等效应力分布，可见最大应力位于工装支座20mm厚的竖向筋板上，为103.7MPa。

图5 等效应力分布图

图6显示了工装支座的等效应力分布，由于该工况下支座起支撑作用，故最大应力位于支座上，为103.7MPa。

图6 工装支座的等效应力分布图

图7为整体变形量分布，可见最大变形为1.86mm，位于悬空位置。

图7 整体变形量分布图

综合两种工况分析结果可知，转运工装强度可以满足设计要求。

4.运输车参数选择

以本项目最大尺寸的吸力式导管架为例，拟使用3组2纵列共132轴线SPMT+6PPU 进行导管架运输，运输配车图（如图8）通过配车图中可知，货物净重约2607t，车重约637.2t，车货总重约为3244.2t，车辆额定轴载 48t，轴载为3244.2t/（44轴＊3）=24.58t/轴，安全系数为K安全系数=G额定载荷/G载荷=48/24.58=1.95>1.3。

图8 运输配车图

5.运输稳定性

设备运输过程中使用三点支撑编点方式，三点支撑编点稳定性更好，故以三点支撑编点为例进行介绍。如图9所示。

图9 三点支撑编点示意图

H—模块与车辆的重心高度值；

h1、h2、h3—重心到车辆液压支撑三角形三边的距离，其中h3的距离最短。

角α—静态倾翻角=arctan(h3/H) 。

注：静态倾翻角α角度与货物的稳性角α角度大小成正比，静态倾翻角θ角越大，则运输的稳定性越高。根据挪威船级社相关规范，在公路运输或滚装运输中，静态倾翻角大于7°视为安全。

通过建模配车，设备重心距离支撑三角形的最短距离h3=8660mm，设备重心高度约为H=39800mm+工装高度（1300+580）mm=41680mm。

则静态倾翻角大小为：θ=arctan(h3/H)=arctan(8660/41680) ≈12°。

综上，运输稳定性满足要求。

6.滚装上船

根据滚装工艺的要求，重大件滚装上船时，船舶甲板应保持与码头面基本持平，滚装平台前沿高程需结合潮位、波浪、船舶等综合考虑。

为满足上船条件，只有当码头平面与船驳的甲板面落差不超过±10cm时，方才适合滚装运输上船。由于船驳承受压力吃水度加大，为保证滚装的顺利进行，必须通过压舱水的调载，亦或利用自然潮汐的涨落，以确保SPM T运行正常安全，即码头平面与驳船甲板面的落差不超过±10cm。

表1 SPMT轴线车参数（6轴）

表2 SPMT轴线车参数（4轴）

6.1 滚装流程

①潮汐说明：根据国家海洋信息中心发布的潮汐站点情况，据当地的潮汐表作为本次项目作业的潮汐参考依据，再根据实际测量结果确定低潮、平潮、高潮时的差距，以满足实际作业时需要。（配合潮汐表，以滚装当日为滚装时间计算）

② 滚装作业预计时间：要根据潮汐情况分析装船时船舶的浮态变化，确定压载水调节方案，以保证吸力式导管架的装船全过程顺利进行，在滚装过程中，模块车指挥和运输船调载指挥密切配合，确保模块车运输过程与调载过程相匹配。

装船过程中SPMT 运行速度暂定为1.5m/min。装船时间约持续2h/台。

③铺设钢板：按设计位置在码头前沿与滚装所用船泊的甲板前铺设好滚装所需的6块钢板30mm＊2200mm＊10540mm。

④ 操纵模块车使运输货物中线与运输船中线对齐，模块车靠近跳板等待潮水到位，准备上船。

⑤运输船预先适当进行压水，便于滚装过程中调整船的状态，整个滚装作业需在涨潮时间段完成。

⑥用遥控器操作模块车通过跳板向船泊甲板行驶，开始滚装作业。

⑦在整个滚装作业过程中，模块车驮着吸力式导管架要缓慢驶上运输船，持续检查码头与船的甲板间的高度差，使得高度差保持在100mm之内，当高度差超过时，应停止车辆行驶，等待潮水或对船舶进行调载，等高度满足要求时继续滚装。

⑧在滚装过程中始终控制好船泊前后高度差和左右高度差，将姿态始终调载到安全范围内。

⑨在滚装过程中，车辆行驶与平台升降要始终与船泊的调水相结合，控制好车辆行程及各支承点压力，控制好整个船泊的姿态。

⑩当车辆完全通过跳板驶上船的甲板时，操作车辆继续行驶，直至将导管架完全运到指定位置。

⑪操作车辆降低平台，将吸力式导管架在船舶指定位置放下。

⑫继续降低车辆，使得车辆完全与运输的货物脱离。

⑬拆除并车线，使得车辆恢复到并车前的各个车组。

⑭各车组分别采用各自的遥控器操作，从运输的货物下驶出，在高度许可时，沿跳板行驶到码头上，滚装结束。

7.结论

针对吸力式导管架基础特点设计专用运输工装和运输配车参数，制定专项轴线车运输落驳方案，并通过采用有限元结构设计计算分析软件进行吸力式导管架装载、运输过程中的相关钢结构应力分析，分析中考虑个别支撑点支撑失效的分析工况。该落驳技术已经成功地在长乐外海海上风电场C区项目工程中进行实践，并取得成功。这对今后海上风电超大超重吸力式导管架基础的出运提供宝贵的经验借鉴。