超大型變直徑單樁穩(wěn)樁平臺設計淺談

方如意

摘要：根據(jù)近年來我國海上風電場統(tǒng)計，海上風電單樁基礎已占據(jù)絕大部分市場，隨著科技的進步，單樁基礎也朝著超大直徑型發(fā)展，以適應更大功率的風機。本文從施工建造出發(fā)，結(jié)合項目特點總結(jié)了超大型變直徑單樁穩(wěn)樁平臺的設計理念和方法，對穩(wěn)樁平臺的結(jié)構(gòu)設計和液壓系統(tǒng)設計做了簡單的介紹，羅列出穩(wěn)樁平臺主要設備參數(shù)，介紹了各個系統(tǒng)的工作原理及簡單工作流程。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)樁平臺 結(jié)構(gòu)設計 液壓系統(tǒng)設計 電控系統(tǒng) 沖洗系統(tǒng)

Abstract： According to the statistics of offshore wind farms in China in recent years， the offshore wind powermono-pile foundation has occupied the majority of the market. Advanced science technology has greatly increased the diameter of mono-pile foundation to match turbines of larger power. Starting from the construction and combined with the characteristics of the project， this essay has drawn a conclusion to the design concept and method of the pile stabilizing platform for super large mono-pile in variable diameter， briefly introduces the structural design and hydraulic system design of the stabilizing platform， lists the main equipment parameters of the stabilizing platform， and introduces the working principle and simple work flow of each system.

Key Words： Pile stabilizing platform; Structure design; Hydraulic system design; Electronic control system; Flushing system

近年來，隨著國內(nèi)海上風電市場的飛速發(fā)展，單臺風機功率越來越大，對應所需要的單樁基礎直徑也越來越大，我司承建的單樁底部最大直徑9.6m，頂部法蘭直徑6m，為市面上最大變直徑單樁。目前市面上已建造投入使用的穩(wěn)樁平臺并不能滿足這超大型變直徑單樁的打樁輔助要求，為此，業(yè)主特委托我司設計建造對應使用的穩(wěn)樁平臺[1]。

1 概述

此次建造的穩(wěn)樁平臺總重量約1573t，高55.1m，長41m，寬28.4m，入水深度30m，定位樁長85m，直徑2.42m。該穩(wěn)樁平臺配備先進的液壓導向糾偏系統(tǒng)，在定位基礎單樁時可通過控制室實時調(diào)整樁身傾斜度;該穩(wěn)樁平臺配備先進的防吸附?jīng)_洗系統(tǒng)，采用4臺潛水泵結(jié)合布置于防沉板的噴嘴對防沉板底部淤泥進行沖洗，破除防沉板與淤泥間吸附力并減少防沉板上淤泥堆積量，減少移位起吊時吊機受力，極大的提高了移位速度。該穩(wěn)樁平臺將滿足國內(nèi)惡劣海況下單樁的施工，能在水深超30m進行直徑10m，單重超過2200t的單樁施工作業(yè) [2]。

穩(wěn)樁平臺主要由主體結(jié)構(gòu)、供電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)及防沉板沖洗系統(tǒng)組成。1.主體結(jié)構(gòu)

穩(wěn)樁平臺主體結(jié)構(gòu)由上部導向結(jié)構(gòu)、底部立柱結(jié)構(gòu)組成，是由Q355D材質(zhì)的鋼板及管材焊接而成[3]。

上部導向結(jié)構(gòu)主要為上抱環(huán)、下抱環(huán)以及抱環(huán)間支架組成的空間立體桁架式結(jié)構(gòu)，上抱環(huán)及下抱環(huán)各布置有4套油缸導向裝置，油缸行程為2.5m，單個油缸頂推力可達200t。油缸導向裝置主要由內(nèi)輪盒及外輪盒組成，外輪盒與上下抱環(huán)之間采用螺栓連接，內(nèi)輪盒放置于外輪盒內(nèi)，通過液壓油缸系統(tǒng)保證內(nèi)輪盒在行程內(nèi)進行伸縮運動。為了減少內(nèi)外輪盒相對滑動的摩擦力，內(nèi)輪盒側(cè)板每邊各設置2道30mm寬的長導向板。特別注意，為了保證打樁時的垂直度，上抱環(huán)及下抱環(huán)的絞點機加工垂直度要求不超過0.5mm，2軸平行度不超過0.25mm[4]。

上抱環(huán)及下抱環(huán)四角設置有定位樁導向裝置，定位樁導向裝置主要由導向板結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)以及定位樁固定裝置組成。定位樁導向裝置與上下抱環(huán)牢固焊接。另外，上抱環(huán)設置有8套插銷式吊耳裝置，主要由于整套設備的起吊轉(zhuǎn)運，浮筒上方設置2套插銷式翻身吊耳，主要用于整套設備翻身[5]。

抱環(huán)間支架主要由鋼管焊接而成，支撐連接上下抱環(huán)，鋼管之間還設有剪刀撐鋼管，確保上部導向結(jié)構(gòu)的鋼性?？拷Лh(huán)方向的鋼管設置有2個儲備浮力各為100t的浮筒，用來調(diào)節(jié)穩(wěn)樁平臺入水后的水平度，保證穩(wěn)樁平臺整體平穩(wěn)，方便打樁。

底部立柱結(jié)構(gòu)為鋼管焊接而成的桁架結(jié)構(gòu)，桁架結(jié)構(gòu)下部鋪設有防沉板，用來保證整體結(jié)構(gòu)工作時平穩(wěn)性，同時避免整個結(jié)構(gòu)陷入海底泥面以下過深。

2.供電系統(tǒng)。

平臺供電系統(tǒng)由柴油發(fā)電機，燃油日用柜及主配電柜組成，柴油發(fā)電機為風量濕式油底殼，燃油日用柜需滿足7日自持力的供油需求，柴油發(fā)電機及相應主配、輔配及油柜置于獨立箱體內(nèi)，箱體內(nèi)設置感煙探頭，箱體內(nèi)需設置相應通風系統(tǒng)以滿足發(fā)電機散熱需求，箱體采用卡板固定于上平臺合適位置。

3.液壓系統(tǒng)。

本穩(wěn)樁平臺液壓頂推系統(tǒng)由8個液壓頂推油缸（上下抱環(huán)各4個）、4個抱環(huán)油缸（上下抱環(huán)各2個）、2個鎖緊油缸（上下抱環(huán)各一個），液壓泵站、控制閥塊及相應液壓管路組成。

3.1主要油缸參數(shù)

3.1.1 頂推油缸

推力：200t。

行程：2500mm。

3.1.2 抱環(huán)油缸

推力：700kN。

行程：1050mm。

3.1.3 鎖緊油缸

行程：1200mm.

頂推油缸與樁身接觸面采用滾輪型式，滾輪材質(zhì)為高強度聚四氟乙烯，滾輪銷軸處和油缸銷軸處均設有牛油嘴，頂推油缸需含壓力傳感器、行程傳感器[6]。

3.2液壓泵站

液壓泵站為集成式液壓泵站，自帶液壓油柜（含注入、透氣、放泄、檢修孔等）、液壓泵（2臺，一用一備），控制閥塊（數(shù)量及型號按系統(tǒng)設計選型）、油溫監(jiān)測探頭、油位高低位報警浮球，浮子式液位計，液壓泵站置于獨立集裝箱內(nèi)，集裝箱用卡板或地鎖固定于上平臺合適位置，泵站內(nèi)設置感煙探頭，泵站內(nèi)需設置相應通風系統(tǒng)，以滿足液壓泵站散熱需求。

閥塊組部分的主要功能是對各油缸的執(zhí)行動作起到控制作用。穩(wěn)樁平臺閥塊組件采用集成安裝的方式，簡潔美觀，并設有集油盤，操作維護方便。各個閥塊采用選用45鍛件，調(diào)質(zhì)處理，表面鎳磷處理，油缸液壓鎖緊，保證設備安全可靠。油缸位置控制采用伺服閥，開環(huán)、閉環(huán)及手動操作，分步或多步實施，滿足打樁的精度要求。

3.3液壓控制系統(tǒng)

穩(wěn)樁平臺液壓系統(tǒng)是通過方向閥、節(jié)流閥、壓力閥等共同控制油缸的伸縮，確定各個油缸（位移傳感器）的伸出長度，樁就位或者夾緊，通過開環(huán)、閉環(huán)及人工手動操作調(diào)整控制后，檢測樁是否處于豎直狀態(tài)，如在要求的豎直公差范圍內(nèi)，即可操作打樁。

本液壓控制系統(tǒng)包括供油裝置、閥塊組兩大部分。供油裝置既是一個動力源，也是一個油液貯存和處理中心，通過它系統(tǒng)可得到所必需的工作介質(zhì)——礦物油;閥塊組部分的主要功能是對各油缸的執(zhí)行動作起到控制作用。

供油裝置主要為系統(tǒng)提供動力，主要包括油箱組件、泵出口組件、底架、電機泵組、過濾器組件、風冷卻器、端子箱等元器件。

液壓控制系統(tǒng)需要能夠?qū)崿F(xiàn)手動控制即自動控制，手動控制與自動控制分別位于兩個獨立的控制屏，分別互鎖，手動控制與自動控制要能完整實現(xiàn)頂推油缸、抱環(huán)油缸、鎖緊油缸的伸出、縮回及鎖定等功能，并實時顯示油缸行程，如系統(tǒng)工作壓力超過設計壓力時，管路壓力傳感器需反饋信號至控制臺，并提供蜂鳴報警并切斷供油電磁閥，液壓控制系統(tǒng)控制屏為觸摸屏并提供鼠標及鍵盤。

4.電控系統(tǒng)

本穩(wěn)樁平臺電控系統(tǒng)分為液壓控制系統(tǒng)及柴油發(fā)電機控制系統(tǒng)，兩系統(tǒng)需提供獨立的控制屏，置于一個控制臺上?？刂婆_位于液壓泵站集裝箱內(nèi)與液壓泵站之間采用“鋼質(zhì)+隔音+內(nèi)裝板型式”隔離，控制室需要經(jīng)過隔音處理。

5.防沉板沖洗系統(tǒng)。

本穩(wěn)樁平臺設置防沉板沖洗系統(tǒng)，用于清除防沉板表面淤積淤泥，以破壞防沉板與泥面接觸面的吸附力，本系統(tǒng)由4臺沖水泵、防沉板沖洗環(huán)管、安全閥及相應管路組成[7]。沖水泵具體數(shù)據(jù)如下。

流量：80m3/h;揚程：100m，泵體：球墨鑄鐵;葉輪：硅黃銅;泵軸：不銹鋼;密封：機械密封;功率：～37kW。

6 結(jié)語

為了保證海上風機的平穩(wěn)運行，要求風機單樁基礎沉樁時垂直度不得大于3/1000，而穩(wěn)樁平臺是保證單樁基礎沉樁精度的關(guān)鍵設備。筆者所在公司曾建造過類似的較小穩(wěn)樁平臺，實際使用中配合優(yōu)化的打樁工藝，可以控制單樁垂直度在1/1000以內(nèi)，最高達到過5/10000的垂直精度。本穩(wěn)樁平臺專為特定項目特定區(qū)域海況設計，針對更復雜的海況，可以研究可變性穩(wěn)樁平臺，將下段拆分為活動式的三部分，通過法蘭用螺栓連接，更具不同的水深采用不同的組合，增大穩(wěn)樁平臺的普適性。

參考文獻

[1] 毛金銳.外海超大型鋼管樁沉樁穩(wěn)樁平臺設計與應用[J].鐵道建筑技術(shù)，2021（6）：85-89.

[2] 畢宇.海上風電單樁穩(wěn)樁平臺研究[J].中國設備工程，2019，（1）：164-165.

[3] 《材料與焊接規(guī)范》2018年綜合文本發(fā)布[J].船舶標準化工程師，2018，51（4）：38.

[4] 鄒天城，劉星.海上風電超大型單樁沉設垂直度控制[J].中國港灣建設，2018，38（2）：35-38.

[5] 潘曉煒.海上風電大直徑單樁翻身鉗溜尾吊裝工藝優(yōu)化[J].海洋開發(fā)與管理，2018，35（S1）：123-125.

[6] 董鵬.海上風電大直徑鋼管樁沉樁精度控制措施研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2020（4）：150-154.

[7] 孫小釬，曹淑剛，等.大直徑植入式單樁在海上風電中的創(chuàng)新型應用[J].太陽能學報，2020，41（8）：295-303.