液壓打樁錘水下打樁改造設(shè)計(jì)及其控制方法

李林山 張飛躍 黃成成 馮炎焜

摘要：隨著海上風(fēng)電施工由潮澗帶、淺水（10米左右水深），到目前深水區(qū)的發(fā)展，原有的單樁基礎(chǔ)在深水使用由于自重大設(shè)備要求高，已有大部分被水下四樁基礎(chǔ)所代替，國(guó)內(nèi)原有引進(jìn)國(guó)外的打樁錘，只具備水面之上打樁功能，論文詳細(xì)介紹了如何將水上打樁錘改造下水及如何控制的方法，為我國(guó)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電；水下打樁；水下打樁改造；控制方法；

1.引言

我國(guó)海上風(fēng)力發(fā)電從2008年開(kāi)始起步，從2015年開(kāi)始進(jìn)入快速發(fā)展的時(shí)期，從起初的水泥承臺(tái)、多樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)、高樁承臺(tái)基礎(chǔ)，大直徑單樁基礎(chǔ)，到現(xiàn)在為了適應(yīng)水深20-40多米深水區(qū)的水下四樁導(dǎo)管架施工，原有的水面以上液壓錘已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)目前時(shí)局的需求，早期的海上施工技術(shù)人員在不斷的專(zhuān)研和創(chuàng)新，結(jié)合目前的形式，理論聯(lián)系實(shí)際，采用科學(xué)的改造方法和反復(fù)的試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了液壓錘水下打樁功能。為我國(guó)的海上風(fēng)電發(fā)展做出貢獻(xiàn)，擺脫了國(guó)外的技術(shù)壟斷，節(jié)省了成本。

2.打樁錘水下施工改造總述

如圖0所示，國(guó)內(nèi)目前的液壓打樁錘只有錘桿，錘帽、動(dòng)力站、控制室等四部分。不具備下水的條件隨著國(guó)內(nèi)風(fēng)電由淺水到深水邁進(jìn)，水下四樁導(dǎo)管架也應(yīng)運(yùn)而生，本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)液壓打樁錘改造設(shè)計(jì)通過(guò)在液壓打樁水下打樁設(shè)備上增加水位檢測(cè)傳感器、配重、錘頂供氣管、錘頂供氣管連接頭、多通連接頭、水位檢查及氣壓控制箱、高壓空壓機(jī)氣動(dòng)站、空壓機(jī)控制系統(tǒng)，水位監(jiān)測(cè)傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)打樁錘錘帽中的水位情況，液壓打樁設(shè)備錘帽進(jìn)入水中后，通過(guò)高壓空氣氣動(dòng)站將氣體充入錘體內(nèi)，錘體和錘帽有氣管連接，高壓空氣既保護(hù)了錘體內(nèi)的電控設(shè)備，同時(shí)又有氣體去排空替打和樁之間的夾水使液壓打樁水下打樁設(shè)備在進(jìn)行水下打樁的時(shí)候阻力減小，本裝置設(shè)計(jì)合理，有效降低裝置在水下打樁的阻力，同時(shí)保護(hù)了錘體內(nèi)部電控設(shè)備降低設(shè)備工作消耗的能量，增加設(shè)備的使用壽命。

3.技術(shù)方案

為實(shí)現(xiàn)上述液壓錘水下打樁目的，提供如下技術(shù)方案：液壓打樁錘水下打樁改造設(shè)計(jì)，如圖1所示包括增加水位檢測(cè)傳感器、配重、錘頂供氣管、錘頂供氣管連接頭、多通連接頭、水位檢查及氣壓控制箱、高壓空壓機(jī)氣動(dòng)站、空壓機(jī)控制系統(tǒng)，所述液壓打樁水下打樁設(shè)備在原打樁錘機(jī)構(gòu)上進(jìn)行設(shè)備和部件安裝，如圖1.在錘體上部安裝了三通閥門(mén)，三通閥門(mén)一頭通過(guò)氣管33連接到高壓空氣動(dòng)站19，作為供氣源，一頭連接到錘頂供氣接口11在打樁之前切換閥門(mén)到錘頂供氣側(cè)通過(guò)氣控裝置如圖二給錘頂腔供氣提供反作用力，保證液壓錘實(shí)現(xiàn)雙倍重力加速度。另一頭接到在打樁錘的側(cè)壁上的錘體氣體保護(hù)導(dǎo)管8，錘體氣體保護(hù)導(dǎo)管通過(guò)固定件安裝在錘殼的側(cè)壁上，錘體氣體保護(hù)導(dǎo)管接到錘殼上的三通塊上，三通塊一頭進(jìn)氣到錘體里，另一頭通過(guò)錘帽進(jìn)氣管13接到錘帽上，從氣控箱17引出兩路控制線路，1路線通到高壓空氣站29，控制內(nèi)部氣控站內(nèi)的電磁閥給錘體供氣，同時(shí)反饋氣體壓力信號(hào)給壓力變送器21，另一路線通過(guò)與錘體控制線并聯(lián)，將水位檢測(cè)傳感器的信號(hào)傳送給氣控站，氣控站內(nèi)設(shè)計(jì)了電控線路，電控線路通過(guò)反饋回來(lái)的信號(hào)，反應(yīng)到了氣控箱上的指示燈上，氣控箱上的指示燈能夠反饋給操作者信號(hào)知道水位情況，如圖一中，水位檢測(cè)管5安裝在錘帽側(cè)壁上，一頭通過(guò)氣管連接到錘殼，行成U型管原理，水位檢測(cè)管里的水位及是錘帽內(nèi)的水位情況，水位檢測(cè)管里安裝了水位檢測(cè)傳感器，線路通過(guò)氣管連接到錘體接線口處，線路與錘體內(nèi)的控制線路并線，最終通過(guò)錘體總的控制線路反饋信號(hào)回氣控站17.

如圖1在錘體上部設(shè)置三通閥門(mén)，在打樁前通過(guò)閥門(mén)切換給錘頂供氣，實(shí)現(xiàn)了給錘頂腔供氣提供反作用力，保證液壓錘實(shí)現(xiàn)雙倍重力加速度，在打樁時(shí)切換到另一側(cè)給錘體供氣進(jìn)行電氣保護(hù)同時(shí)也給錘帽供氣，排除了替打與樁之間的夾水。

所述錘桿的兩側(cè)側(cè)壁上對(duì)稱(chēng)設(shè)有配重如圖2，根據(jù)浮力計(jì)算錘體進(jìn)入水深10米后會(huì)出現(xiàn)懸浮狀態(tài)無(wú)法繼續(xù)打樁，計(jì)算水下50米壓強(qiáng)，通過(guò)浮力公式算出配重所需重量抵消浮力作用，配重均勻布置在錘殼上能防止偏心作用力。所述配重的兩側(cè)對(duì)稱(chēng)設(shè)有固定連接件，固定連接件上設(shè)有螺絲孔，所述固定連接件與配重本體為一體結(jié)構(gòu)。

所述如圖3氣動(dòng)控制箱內(nèi)設(shè)有電源控制系統(tǒng)，數(shù)字顯示儀表系統(tǒng)，閥值電路系統(tǒng)與控制電路系統(tǒng)?？梢钥刂聘邏嚎諝鈿饪卣窘o錘體供氣，同時(shí)在高壓空氣氣動(dòng)站內(nèi)設(shè)有壓力傳感器，可以反饋輸出氣體壓力值，根據(jù)錘體下水深度每10米增加1公斤氣壓保證錘帽的水能排除，同時(shí)錘帽外水位傳感器反饋的信號(hào)也能送到氣動(dòng)控制箱，經(jīng)過(guò)閾值電路計(jì)算，可以反映錘帽內(nèi)的水位情況，能夠及時(shí)排水保證替打和樁之間沒(méi)有夾水。

高壓氣控站內(nèi)設(shè)計(jì)有空壓機(jī)如圖4，各種管路和壓力檢測(cè)傳感器，氣瓶組。1，能夠保證水下打樁時(shí)氣體源源不斷供應(yīng)，2設(shè)有各種減壓閥更具不同水深設(shè)定輸出氣壓值。3，在供氣路上設(shè)計(jì)電磁閥，可以遠(yuǎn)程控制供氣。4.在氣路上設(shè)計(jì)旁通閥門(mén)，保證電磁閥壞了能夠繼續(xù)供氣。5.設(shè)有各種壓力傳感器能夠知曉輸出氣壓值，氣瓶?jī)?nèi)氣壓值等。

控制器連接頭通過(guò)數(shù)據(jù)線與水位檢查及氣壓控制箱連接，所述水位檢查及氣壓控制箱的底部另一側(cè)設(shè)有220V外接電源插頭，220V外接電源插頭通過(guò)導(dǎo)線與水位檢查及氣壓控制箱接通。

如圖5水位傳感器設(shè)計(jì)原理：根據(jù)并串聯(lián)電路原理當(dāng)水位到不同位置時(shí)接通不同的電阻，形成不同的串并聯(lián)電路，電路中的電流值也發(fā)生變化，在氣控箱里設(shè)計(jì)了檢測(cè)不同電流值的閾值控制電路，控制電路反饋信號(hào)接通了各個(gè)水位高低過(guò)高等指示燈，就能清晰的知道錘帽內(nèi)水位的狀態(tài)，為后面的操作提供依據(jù)。

U型管設(shè)計(jì)原理，通過(guò)管路連接使檢測(cè)管和錘體錘帽間形成聯(lián)通器結(jié)構(gòu)，檢測(cè)管內(nèi)的水位就是錘帽的水位。

備注：圖中：（1、錘帽下口；2、錘體外殼；3、上錘體（氣腔）；4、錘帽內(nèi)部；5、水位檢測(cè)傳感器；6、錘殼；7、錘頂供氣管；8、錘體氣體保護(hù)導(dǎo)管；9、進(jìn)油供油管連接頭；10、錘頂卸扣；11、錘頂供氣管連接頭；12、三通閥門(mén)；13、錘帽供氣管；14、進(jìn)油供油管；15、供油管；16、回油管；17、水位檢查及氣壓控制箱；18、打樁錘動(dòng)力站；19、高壓空壓機(jī)氣動(dòng)動(dòng)站；20、220V外接電源插頭；21、壓力變送器；22、空氣系統(tǒng)；23、氣閥顯示燈；24、頂蓋供氣按鈕；25、錘帽供氣按鈕；26、蜂鳴器；27、空壓壓機(jī)控制器連接頭；28、打樁錘操控系統(tǒng)；29、高壓空壓機(jī)氣動(dòng)站；30、卸扣A；31、液壓錘控制線進(jìn)出線口B；32、打樁錘機(jī)構(gòu)；33、排氣管。）

4.控制方法

當(dāng)液壓錘錘帽入水之后，水位檢測(cè)傳感器檢測(cè)到水位時(shí)，當(dāng)氣控箱上的顯示燈會(huì)從低-高—過(guò)高開(kāi)始亮，這些顯示燈實(shí)際顯示的是樁帽內(nèi)的水位，正常狀態(tài)下傳感器過(guò)高點(diǎn)距離替打下部20CM，一般狀態(tài)下我們要將水位控制在低點(diǎn)，這樣才能保證替打和樁之間不存夾水造成能量損失。當(dāng)?shù)忘c(diǎn)燈亮?xí)r，我們通過(guò)氣控箱加氣開(kāi)關(guān)，向錘帽內(nèi)供氣，保證水位不向上漲。液壓錘帽下到不同的水深需要不同壓力的空氣才能排除水，在打樁前通過(guò)減壓閥要設(shè)定氣控站輸出最大水深時(shí)所需氣壓。在氣動(dòng)站出口安裝了壓力傳感器，壓力值信號(hào)反饋在氣控箱上，根據(jù)同一管線中壓力處處相等，實(shí)際錘帽進(jìn)氣口的壓力就是氣動(dòng)站出口壓力，通過(guò)供氣時(shí)間長(zhǎng)短能達(dá)到想要的氣壓。才能達(dá)到排水效果。

5.結(jié)語(yǔ)

從上文所述的方法已通過(guò)實(shí)際水下打樁驗(yàn)證，達(dá)到理想的要求，我國(guó)海上風(fēng)電發(fā)展過(guò)程中面臨問(wèn)題和挑戰(zhàn)，我們要勇于思考，面對(duì)問(wèn)題迎難而上，敢于創(chuàng)新。同時(shí)也要吸收國(guó)外好的經(jīng)驗(yàn)方法為之所用，這樣才能促進(jìn)國(guó)內(nèi)技術(shù)的發(fā)展。

作者簡(jiǎn)介：李林山（1986～），男，江蘇海安人，大學(xué)本科學(xué)歷，助理工程師，從事海上施工設(shè)備和船機(jī)設(shè)備管理及維護(hù)，從事設(shè)備改進(jìn)更新研究10年。

（作者單位：江蘇龍?jiān)凑袢A海洋工程有限公司）