第八章-海上风电施工简介

1海上风电场主要单项工程施工方案1.1风机基础施工方案1.2风机安装施工方案1.3海底电缆施工方案1.4海上升压站施工方案1.1风机基础施工方案国外海上风电起步较早，上世纪九十年代起就开始研究和建设海上试验风电场，2000年以后，随着风力发电机组技术的发展，单机容量逐步加大，机组可靠性进一步提高，大型海上风电场开始逐步出现。国外海上风机基础一般有单桩、重力式、导管架、吸力式、漂浮式等基础型式，其中单桩、重力式和导管架基础这三种基础型式已经有了较成熟的应用经验，而吸力式和漂浮式基础尚处于试验阶段。舟山风电发展迅速。目前国内海上风机基础尚处于探索阶段，已建成的四个海上风电项目，除渤海绥中一台机利用了原石油平台外，上海东海大桥海上风电场和响水近海试验风电场均采用混凝土高桩承台基础，江苏如东潮间带风电场则采用了混凝土低桩承台、导管架及单桩三种基础型式。基于国内外海上、滩涂区域风电场的建设经验，结合海上风电场工程的特点及国内海洋工程、港口工程施工设备、施工能力，可研阶段重点考察桩式基础，并针对5.0MW风电机组拟定五桩导管架基础、高桩混凝土承台基础和四桩桁架式导管架基础作为代表方案进行设计、分析比较。（1）导管架制作导管架主要由大直径钢管桩构成，应采用适应其特性的适当的加工设备和程序制作。制作时，需选择合适的制作程序，特别是对节点处的处理尤应注意，制作过程中应尽可能避免高空作业，确保安全和质量。套管制作程序一般应遵循如下程序进行：①分段部件制作②平面组装③立体组装此外，套管结构的制作，应编制制作要领文件，原则上记载以下关键项目：①材料和部件（钢材、焊接材料、涂料）②制作工序（大样图、部件加工、组装、焊接、出厂）（2）钢管桩的制作钢管桩制造的主要工艺流程如下图所示：钢管桩一般采用非等厚度（为节省钢材用量，上下两部分厚度一般不同）的钢板螺旋法卷制，自动埋弧焊焊接而成。钢管桩卷制完成后，对于焊缝应进行100％超声波探伤，对超声波检测发现有缺陷的焊缝应进行X射线检测或用碳弧气刨刨开焊缝观察检查。钢管桩制作完成后的储存、转运过程中，应注意对其表面防腐涂层的保护，一般不允许直接接触硬质索具，存放过程中底层地垫物应尽量采用柔性地垫物，防止因硬质垫层导致涂层受损。(3)钢管桩沉桩方式针对整根管桩沉桩施工，国内常用的沉桩方式有两种，一种是采用带桩架的专业打桩船沉桩，另一种为起重船吊打沉桩。国内现有专业打桩船的桩架最大吊重为200t（双钩联吊），吊钩能力为主勾吊重120t，副勾80t，桩架总高95m，植桩能力81m+水深。针对海上风电场工程基础设计作为比选方案的五桩导管架基础，桩径2.6m，桩长超出90m，且桩重达到225t，已经远远超出专业打桩船的植桩能力，所以可采用起重船吊打的方式进行沉桩施工。四桩桁架式导管架基础方案钢管桩桩径2.5m，桩长约132m。目前国内打桩船施工有一定难度，该方案设置了导管架平台，施工可考虑在导管架平台上进行水上接桩。同时，需对打桩船的桩架及吊桩系统等进行整体改造。(4)钢管桩沉桩桩锤选型目前大型的海上锤击沉桩机械主要有筒式柴油打桩锤、液压打桩锤、液压振动锤三种型式，其中以柴油打桩锤应用最为广泛，经过对工程管桩沉桩施工要求的分析，选择S500型液压打桩锤作为首选锤型，D250型柴油打桩锤作为备选。(5)导管架沉放根据海上风电场工程基础设计的导管架吊重、吊装尺寸的要求，可选择1000t级起吊能力的浮吊进行安装工作。(4)调平与灌浆钢管桩与导管架结构安装完成后，进行导管架结构的细致调平工作和灌浆连接工作。导管架结构体的细致调平工作通过调节螺栓系统进行。钢管桩与导管架桩套筒之间的环形空间内通过高强灌浆材料连接。灌浆施工由驳船上所载的灌浆泵高压泵送灌注专用的灌浆材料。(1)沉桩方式以海上风电场工程推荐的高桩混凝土承台基础型式为例，采用8根直径为2.3m的钢管桩作为基桩，平均桩长90.0m，桩重达到183t。经初步调查，国内现有专业打桩船无法满足本工程桩基施工要求，但承台基础的钢管桩为5:1的斜钢管桩，在海上进行吊打施工的难度很大，须采用带桩架的专业打桩船进行施工，以保证施工精度要求。因此需要考虑对现有打桩船进行整体改造。(2)桩锤选择经过对海上风电场工程管桩沉桩施工要求的初步分析，根据本工程管桩各项参数及可选桩锤各项指标，控制打桩能量达到70%~90%，最终贯入度为5mm左右时，选用S500型液压打桩锤，D250型柴油打桩锤作为备选。(3)混凝土承台施工钢套箱事先在陆上整体拼装完毕，由2000t驳船运输到位，起重设备整体吊装钢套箱，并在钢套箱与钢管桩之间加固固定，对桩孔周边拼接封闭；钢套桩安装后，先浇筑封底混凝土，待底层混凝土达到设计规定强度后，清理工作面，抽去套箱内积水。承台混凝土采用分层浇筑，且连续进行。1.2风机安装施工方案风机设备海上安装是风机安装工作中最为重要的内容，经过对国内外风电场建设的调查了解，根据风机零散设备的预拼装程度与起吊模式，可将风机吊装方案分为整体组装与吊装模式、分体组装与吊装模式。1.2.1分体吊装方案欧洲已建海上风电场中绝大部分采用分体吊装方式，为缩短海上作业时间，分体安装一般也预先组装不同的组合体，通过对欧洲大部分风电场的统计分析，分体吊装主要有两种方式：1、下部塔筒、上部塔筒、风机机舱+轮毂+2个叶片（“兔耳式”）、第3个叶片；2、下部塔筒、上部塔筒、风机机舱、叶轮；分体吊装两种方式中上部塔筒、下部塔筒也是根据实际长度将1~4节塔筒预先组装，且采用前者的分体吊装方案占大多数，而近年瑞典的Utgrunden、YttreStengrund、丹麦的Nysted风电场则采用第2种分体吊装方案，具体安装情况视船体的吊装控制能力的不同而有所差异。(2)Nysted风电场Nysted风电场共安装72台2.3MW的Bonus82.4型风力发电机，装机总容量165.6MW。该风电场距海岸9km，位于波罗的海南部，水深6～9.5m，风机安装采用分吊装第二种方式进行。1.2.2整体吊装方案整体吊装方式即为风机设备在陆上或近岸平台完成塔筒、机舱、轮毂、叶片的组装，整体运输到风电场场址后，通过大型的起重设备吊装到风机基础平台上方式。风电机组整体运输、吊装因质量大，重心高，且叶片、机舱等受风面积大的构件主要位于机组上部，整体运输、吊装过程中的稳定性、安全性控制要求很高。海上风机整体吊装在英国的Beatrice风电场、国内的绥中36-1风电站、东海大桥示范风电场采用过，在陆上将基础以上的塔筒、机舱、轮毂、叶片等各部件组装成一个大型吊装体，运输至现场后一次性吊装完成。1.3海底电缆施工方案主海缆敷设工艺流程：装缆运输→施工准备（牵引钢缆布放、扫海等）→始端登陆施工→海中段电缆敷埋施工→终端登升压平台施工→海缆冲埋、固定→终端电气安装→测试验收。(1)装缆装缆地点为海缆生产厂家码头。装缆时，施工船靠泊固定，可以采用电缆栈桥输送电缆至施工船，并盘放在缆舱内。如海缆选用进口产品，则考虑海缆直接在海上过驳。电缆为托盘或线轴装盘的，采用吊机直接吊放电缆盘至施工船甲板。(2)近海区域海底电缆敷埋对于水深较大的海域，海底电缆的埋设由水力机械海缆埋设机进行。能铺埋直径在Φ300mm以内的海底光电缆，埋设深度可在1.5m～6.0m之间调节，最大能达到6.0m。铺缆船铺缆时，高压水冲击联合作用形成初步断面，在淤泥坍塌前及时铺缆，一边开沟一边铺缆，开沟与铺缆同时进行，电缆敷设时采用GPS定位系统进行定位，牵引钢缆的敷设精度控制在拟定路由±5m范围内。(3)海缆登陆根据海上风电场工程220KV海底电缆路由勘查情况，登陆岸段地形平坦，水深约5m左右，可根据水深情况，海缆敷设船尽可能靠近岸边，起抛锚艇抛锚定位。用登陆点绞车回卷钢缆，牵引海底电缆至登陆点设定位置。1.4.1国内建造安装海上升压站的施工流程为：钢结构加工与制作→电气设备安装→导管架沉放→钢管桩沉桩→灌浆施工→上部平台整体安装。（1）基础施工海上升压站工程的基础沉桩施工可采用风机基础沉桩施工类似，导管架沉放工艺可以参照四桩桁架式导管架的沉放工艺。具体施工作业流程可参见下图。（2）升压站上部组块制作施工升压站工程的施工重点和难点在于上部组块的建造与安装，其上部组块结构类同于海上石油类钻井平台上部组块结构，因此，可参考成熟的钻井平台上部组块结构的施工方案进行考虑。根据类似工程实际的操作模式，为尽量减小现场的安装次数、避免现场焊接所可能造成的质量缺陷，同时减少海上设备安装调试时间，海上升压站上部平台宜采用陆上总装的方式，将各层结构分层预制拼装，在相应安装层完成后进行其层面上电气设备的安装工作，最终形成可整体出运的上部组块（包括电气设备）组合体。施工程序简述如下：1)平台码头前沿组装上部平台采用分片预制，整体组对。第一步：水平片车间分片预制在焊接加工之前钢结构加工单位应编写详细的焊接工艺程序，焊接工艺评定中必须给出详细的焊接信息、焊接要求、焊接程序鉴定报告及其他所有相关信息。焊接程序鉴定报告应包括（但不限于）：焊接工艺、焊接方法、焊接位置、槽口几何形状和详细信息、电特性、原材料、焊接材料、采用的相关规范与技术要求等。焊接环境要求：应在室内进行，且焊接环境温度应大于0℃（低于0℃时，应在施焊处两侧200mm范围内加热到15℃以上或再进行焊接施工），相对湿度90%，且焊接工作区必须采取适当的措施防风雨。如在室外作业，出现下列情况其中之一不得进行，否则应采取相应措施。①风速超过规定；②雨雪天气；③温度小于零度；④相对湿度＞90%。若钢板由于运输、存储及轧制、冷却等环节而发生波浪、整体弯曲、局部凸起、边缘折弯等变形，影响切割、卷筒质量时，在切割前必须进行矫正。对所有焊缝均应进行外观检查。焊缝金属应紧密，焊道应均匀，焊缝余高小于3mm，焊缝金属与母材的过度应平顺，不得有裂纹、夹渣、气孔、未融合、未焊透、焊瘤、弧坑、根部收缩、和烧穿等缺陷。每个施工工序都应进行严格质量检查，并对钢管桩焊缝100%进行超声波探伤（UT）检测。在超声波探伤不能对缺陷作出判断时，必须采用X射线探伤（RT），所有焊缝的T型接头应进行RT探伤。经UT或RT检测的焊接接头，如有不允许的缺陷，应在缺陷清除后进行补焊，并对该部分采用原检测方法重新检查直至合格。探伤工作应在焊后48小时后进行。同一部位返修不得超过两次。焊缝强度不低于母材强度，同时为了满足低温环境的需要，焊缝和热影响区0℃夏比V型缺口冲击功满足《低合金高强度结构钢》（GB1591-2008）的要求，不低于34J。第二步：底层4根立柱就位底层四根立柱为整体钢结构构件的支撑性主体，需要采取专用措施进行固定与定位，参照同类型大型钢结构件在支撑性主立柱结构的方式，可采取设置底部定位工艺导向桁架的辅助措施以准确定位和固定主立柱结构。工艺导向桁架将承担立柱临时固定、精确定位和垂直度调整的措施。第三步：底层水平片安装就位底层水平片可根据不同分层上立柱的布置情况，分部位进行预制，以与主立柱接触的分片体为主要控制性部位，先期制作、先期安装，以形成底层骨架结构，然后可进行底层内主要上立柱的安装、焊接工作，在主要网架节点完成后，应根据底层各设备布置的要求，分批、分部分进行不同种类设备的安装工作，对于需要前期调试的特殊设备，应先期完成调整工作。在主要大型设备完成安装后，进行斜撑、管路与附属设施的布置安装工作。第四步：二层水平片安装就位二层水平片内各分片结构的预制与焊接组合顺序可参照底层水平层的顺序施工。因主变设备放置在本层内，因此各分片结构的安装与焊接工序还要满足主变设备先期放置调整的时间先后需求，本层为整个上部组块结构的重点内容，需要根据各重要设备的安装调试需求合理规划各分片、立柱等结构的施工工序。第六步：四层水平片安装就位。四层属于升压站上部整体组块中最顶部的结构封闭层，没有立柱等层间结构，因此组合与焊接的难度较低，各分水平片结构以下一层主柱/分立柱为主要控制性部分分别组装焊制形成整体网架结构后，再进行小片部位的拼装整合工作，最后进行附属构件、管路等设施的施工。第七步：零星