自升式風(fēng)電平臺沖樁系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

王 樂 李康康

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

隨著近年來可再生清潔能源越來越被重視，亟需大力開發(fā)海上風(fēng)電市場，對先進(jìn)的自升式風(fēng)電平臺的需求也越來越迫切。自升式風(fēng)電平臺是當(dāng)前近海大型作業(yè)施工項(xiàng)目的主要裝備之一，對于近海的風(fēng)電安裝、起吊作業(yè)等工程有著重要作用。［1］

自2014年7月以來，展開了多個海上風(fēng)電平臺項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和建造，已經(jīng)完成設(shè)計(jì)和建造并交付的項(xiàng)目包括以“精銦1號”為代表的無航行能力的自升式風(fēng)電安裝平臺，以及以“福船三峽號”為代表的具備推進(jìn)能力的自升式風(fēng)電安裝平臺。

沖樁系統(tǒng)是自升式風(fēng)電平臺十分重要的系統(tǒng)，當(dāng)平臺需要從起升狀態(tài)切換至漂浮狀態(tài)的時候，沖樁系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著將深插入海底的樁靴拔出的任務(wù)。工作狀態(tài)良好的沖樁系統(tǒng)可以使平臺順利及時地完成狀態(tài)切換；如果沖樁效果不佳，不僅會極大的延長平臺進(jìn)入下一個作業(yè)區(qū)域的時間，更有可能影響平臺的安全性。

1 沖樁系統(tǒng)概述

沖樁系統(tǒng)的作用是使樁靴能順利從海床泥土中拔出。基于經(jīng)驗(yàn)公式，拔樁總阻力由樁靴底部吸附力（真空層）、樁靴側(cè)面摩擦力、樁靴上部覆土的重力和樁靴土體的剪切破壞力幾部分組成［2］：

式中：P1為樁靴上部土體質(zhì)量，kN；P2為擴(kuò)散角引起的樁靴上部土體質(zhì)量，kN。

式中：B為樁靴的直徑，m；d為樁靴的高度；Su為樁靴側(cè)面土體平均不排水抗剪強(qiáng)度，kPa。

式中：Fs為土體破壞時的剪切力；Sui為第i層土的平均不排水抗剪強(qiáng)度，kPa；Ai為第i層土的土體錐形面?zhèn)让娣e，m2。

當(dāng)土體的超靜水孔壓消散時，F(xiàn)t為樁靴底部吸附力，為：

式中：D為樁靴等效圓直徑，m；H為插樁深度（包括樁靴高度d），即樁靴最終入泥深度，m；L為樁靴底面寬度，m。如果樁靴為圓形，則L=B。

當(dāng)土體沒有結(jié)固時：

沖樁系統(tǒng)就是為了克服以上三種力，以輔助拔樁作業(yè)，利用平臺上的水或者壓縮空氣［3］沖刷樁靴上下表面的泥土，填充樁靴底部的真空層，破壞樁靴上部和樁腿周圍泥土的吸附力。樁靴上下表面設(shè)置多個噴嘴，用上下兩根環(huán)管連接各個噴嘴［4］，環(huán)管由上下貫穿樁腿的管路連接至平臺上的管路，如圖1和下頁圖2所示。

圖1 樁腿樁靴內(nèi)管系側(cè)視示意圖

目前，最新一代自升式風(fēng)電平臺的沖樁系統(tǒng)按照系統(tǒng)配置分類有四種類型：高壓沖水系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、壓縮空氣結(jié)合高壓水系統(tǒng)、壓縮空氣結(jié)合低壓水系統(tǒng)。

1.1 高壓沖水系統(tǒng)

高壓沖水系統(tǒng)是最常見的沖樁系統(tǒng)類型，其主要設(shè)備是高壓沖水泵，原理是利用高壓沖水泵提供的高壓水直接沖刷樁靴上下表面的泥土，系統(tǒng)原理如下頁圖3所示。高壓水壓力一般為5 MPa。

圖2 樁靴頂、底平面沖樁管系示意圖

圖3 高壓水沖樁系統(tǒng)原理圖

1.2 壓縮空氣沖樁系統(tǒng)

壓縮空氣沖樁系統(tǒng)是利用空氣壓縮機(jī)為沖樁空氣瓶充氣，沖樁空氣瓶出口接至沖樁管系，系統(tǒng)原理如圖4所示。壓縮空氣沖樁系統(tǒng)對于破壞樁靴底部真空度有非常好的效果。壓縮空氣壓力一般為3 MPa。

圖4 壓縮空氣沖樁系統(tǒng)原理圖

1.3 壓縮空氣結(jié)合高壓水沖樁系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要特點(diǎn)是利用同樣的管路，采用兩種不同介質(zhì)（高壓水和壓縮空氣）切換沖樁。壓縮空氣用于破壞樁靴底部的真空層，高壓水用于破壞樁靴上部和樁腿周圍泥土的吸附力。系統(tǒng)原理如圖5所示。高壓水壓力一般為5 MPa，壓縮空氣壓力一般為3 MPa。

圖5 壓縮空氣結(jié)合高壓水沖樁系統(tǒng)原理圖

1.4 壓縮空氣結(jié)合低壓水沖樁系統(tǒng)

該系統(tǒng)的特點(diǎn)是有兩種介質(zhì)用于沖樁，所需設(shè)備簡單，利用壓縮空氣和船上已有的消防水即可。與壓縮空氣結(jié)合高壓水沖樁系統(tǒng)類似，只是用消防水取代高壓水。在實(shí)際的使用中，消防水的壓力往往只有0.7 MPa左右，對于目前作業(yè)水深往往達(dá)到約50 m，且插樁深度可達(dá)10 m左右的插樁情況，單獨(dú)使用消防水不能達(dá)到?jīng)_樁效果，需要在使用一段時間消防水之后，再用壓縮空氣增加消防水的壓力。

2 各種沖樁系統(tǒng)配置方案比較與分析

以上四種最為常見的沖樁系統(tǒng)的主要差別是設(shè)備的配置不同，他們的主要設(shè)備、理論沖樁效果、適用情況、系統(tǒng)配置成本的對比見下頁表1。

拔樁過程中，樁靴頂部被泥沙覆蓋，拔樁阻力比較大，需要利用高壓力的水柱或者壓縮空氣對樁靴頂部的板結(jié)泥沙進(jìn)行切割破土，此時不需要很大流量，但對壓力要求比較高；樁靴底部與泥面接觸，產(chǎn)生很大的吸附力，此時利用高壓水或者壓縮空氣在樁靴和泥面之間形成一個非真空層，以破壞吸附力，減輕拔樁阻力，此時不需要特別高的壓力。從表1可以看出，大排量空壓機(jī)和高壓水泵是該系統(tǒng)可能配置的最主要設(shè)備。

空氣是可壓縮介質(zhì)，而水不可壓縮，理論上兩者的作用存在區(qū)別。當(dāng)壓縮空氣從噴頭沖出來之后，因其壓力較高（一般為3 MPa），作用在樁靴底部表面時（外部壓力主要是水壓），氣體會快速膨脹，很容易破壞樁靴底部的吸附力和真空層。但作用于樁靴上表面的壓縮空氣由于空氣擴(kuò)散相對更快，一旦沖開一條通道，空氣可能會從該通道大量流失，不利于破壞樁靴上表面和樁腿表面泥土的吸附力和板結(jié)效果。

表1 四種自升式風(fēng)電平臺沖樁系統(tǒng)配置對比表

高壓水的特點(diǎn)是切割破壞能力強(qiáng)，其壓力一般為5 MPa，無論是破壞樁靴下表面泥土吸附力和真空層，還是破壞樁靴上表面及樁腿周圍泥土的板結(jié)效應(yīng)都很有效，雖然在破壞真空層方面可能沒有壓縮空氣速度快，但由于噴嘴設(shè)置得比較多，理論效果同樣理想，在破壞板結(jié)效應(yīng)方面，高壓水則比壓縮空氣更具優(yōu)勢。由于水不可壓縮，高壓水壓力往往又高于壓縮空氣，利用高壓水的切割效果，在多噴頭同時作用的情況下，板結(jié)效應(yīng)很容易被破壞。

因此，理論上高壓水作為沖樁介質(zhì)已經(jīng)能滿足沖樁系統(tǒng)的全部要求，壓縮空氣可以略微改善樁靴底部的沖樁效果，但是相較高壓水并沒有明顯優(yōu)勢。

另外，在某些特殊情況下（比如泥土層特別堅(jiān)硬、平臺站立時間特別長導(dǎo)致板結(jié)效應(yīng)特別明顯或者多個噴頭被擠壓變形甚至被堵塞等），就需要通過增加持續(xù)沖樁時間來完成拔樁工作，采用高壓沖水泵可進(jìn)行持續(xù)沖樁。如果采用壓縮空氣沖樁，為達(dá)到持續(xù)沖樁的能力，需配置大排量的工作空壓機(jī)和沖樁空氣瓶。由于僅用壓縮空氣或者壓縮空氣結(jié)合低壓水進(jìn)行沖樁效果可能不佳，高壓水結(jié)合壓縮空氣的方案較高壓水方案并沒有提高多少沖樁效率，但卻帶來設(shè)備繁冗的問題。因此，高壓水沖樁方案是理論上最合適的方案。

3 高壓水沖樁系統(tǒng)在平臺上應(yīng)用實(shí)例

由于高壓水沖樁系統(tǒng)的理論沖樁效果好，所需配置的設(shè)備簡單，因此包括“精銦1號”、“福船三峽號”、“韓通HY069”、“黃埔800噸”等多個風(fēng)電平臺均采用高壓水沖樁系統(tǒng)。

目前“精銦1號”和“福船三峽號”已經(jīng)交船并投入了實(shí)際使用，本文收集了“精銦1號”關(guān)于沖樁系統(tǒng)的實(shí)船數(shù)據(jù)。

拔樁作業(yè)與海床土質(zhì)的關(guān)系很大，土質(zhì)結(jié)構(gòu)是拔樁作業(yè)是否順利的決定性因素之一［5］。2018年4到5月，“精銦1號”風(fēng)電平臺在江蘇響水近海作業(yè)，該海域某些海床土質(zhì)勘測結(jié)果如下頁圖6和圖7所示。

平臺上工作人員記錄的站樁樁腿記錄表如下頁圖8所示。從圖8可以看出，平臺在12點(diǎn)完成降船，13點(diǎn)即開始移船，整個沖樁加拔樁時間不超過1 h，可見沖樁效果極佳。

2018年5～6月，“精銦1號”風(fēng)電平臺在福建莆田南日海域作業(yè)。根據(jù)平臺上工作人員反饋，平臺從第一天23點(diǎn)10分開始降平臺拔樁，第二天2點(diǎn)40分拔樁完畢開始移平臺。從開始降平臺到拔樁完畢一共用時3小時30分，除去降平臺和收樁腿時間，實(shí)際用于沖樁時間在2 h左右，高壓水沖樁系統(tǒng)表現(xiàn)十分優(yōu)異。

圖6 江蘇響水海域土質(zhì)剖視典型圖

圖7 江蘇響水海域土質(zhì)鉆孔柱狀圖

圖8 “精銦1號”在江蘇響水海域作業(yè)站樁樁腿記錄表

4 結(jié) 語

自升式風(fēng)電平臺沖樁系統(tǒng)工作效果決定了平臺從站立狀態(tài)切換到漂浮狀態(tài)的時間長短，用更少的時間完成切換，對于平臺的經(jīng)濟(jì)性甚至安全性有著極其重要的意義。本文根據(jù)目前主流的幾種沖樁系統(tǒng)的設(shè)備配置，將沖樁系統(tǒng)分為四種類型，通過對比分析，得到如下結(jié)論：在未配置大排量空壓機(jī)的風(fēng)電平臺上，高壓水沖樁系統(tǒng)方案性價比較高，同時沖樁效果也較好；并且，以“精銦1號”在江蘇和福建海域?qū)嶋H作業(yè)時的數(shù)據(jù)作為支撐，可證實(shí)類似風(fēng)電平臺在這兩個海域正常作業(yè)時，采用高壓水沖樁系統(tǒng)可以達(dá)到很好的沖樁效果。

高壓水沖樁系統(tǒng)所需設(shè)備相對精簡，可持續(xù)沖樁，雖然在破除樁靴下表面的真空層方面可能略遜于壓縮空氣沖樁方案，但是對于破壞樁靴上表面和樁腿外的板結(jié)效應(yīng)有著很好效果。綜合看來，高壓水沖樁系統(tǒng)效果好、性價比高，應(yīng)是今后自升式風(fēng)電平臺首選的沖樁方案。至于如何設(shè)計(jì)樁靴上下表面噴嘴的數(shù)量和位置，需要增設(shè)哪些附加結(jié)構(gòu)以使得噴嘴不容易堵塞，以及如何使用最小流量、最小揚(yáng)程的高壓水來達(dá)到理想的沖樁效果，將是今后研究的主要方向。