83 m打樁船吊樁吊錘能力的提升改造

張 京，顧福振

(中交一航局第一工程有限公司，天津 300456)

0 引言

近年來，國家大力發(fā)展清潔能源，海上風(fēng)電項(xiàng)目得到快速發(fā)展，現(xiàn)有打樁船的樁架結(jié)構(gòu)及起重系統(tǒng)性能已經(jīng)無法滿足風(fēng)電市場需要，因而打樁工藝需要不斷發(fā)展。崔建平對原樁架結(jié)構(gòu)與起重系統(tǒng)進(jìn)行了改造研究，盡可能地發(fā)揮樁架的性能。 彭晨陽等指出隨著海上施工條件和人類開發(fā)活動范圍的不斷變化，老舊船舶的打樁作業(yè)能力難以與實(shí)際市場需求匹配。

為了滿足風(fēng)電市場對100 m以下的打樁船吊樁吊錘能力不斷增大的要求，本文對某83 m打樁船的樁架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定性、液壓缸能力、打樁作業(yè)等進(jìn)行必要的計算和研究，利用原船結(jié)構(gòu)與設(shè)備進(jìn)行吊樁吊錘能力提升改造，達(dá)到提升打樁船能力的目的。

1 改造方案

83 m打樁船于2007年建造完工，屬于沿海打樁作業(yè)、無限航區(qū)拖航的非自航打樁船。該船總長64.6 m，型寬26 m，型深5 m，設(shè)計吃水2.3 m，樁架高83 m，最大吊樁重量1 000 kN，最大吊錘重量480 kN，掛D180柴油打樁錘。

根據(jù)某風(fēng)電項(xiàng)目樁基的尺寸和重量，改造目標(biāo)為：吊樁能力增大至1 300 kN，吊錘能力增大至1 000 kN。此2項(xiàng)數(shù)據(jù)較原船大幅增大，對樁架強(qiáng)度和變幅液壓缸的能力是較大的考驗(yàn)。

1.1 改造基本原則

改造基本原則為：該船結(jié)構(gòu)及打樁設(shè)備性能狀態(tài)與原船初始狀態(tài)相同，保持原有樁架高度、龍口結(jié)構(gòu)、裝機(jī)功率及液壓泵站配置；打樁能力由800 kN/70 m/

Φ

2 500 mm提升為1 300 kN /70 m/

Φ

2 500 mm；主吊由2×1 000 kN提升至2×1 300 kN；副吊由2×500 kN提升至2×600 kN；吊錘由480 kN柴油錘提升至966 kN液壓錘。

1.2 改造主要內(nèi)容

改造主要內(nèi)容有：樁架強(qiáng)度有限元分析計算、吊點(diǎn)裝置強(qiáng)度計算、液壓缸能力校核、起重系統(tǒng)設(shè)計及改造、液壓系統(tǒng)改造、改造后吊重試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 改造方案設(shè)計論證

2.1 樁架有限元強(qiáng)度計算

樁架布置在船首象鼻梁上，其結(jié)構(gòu)為三角桁架式，架頂布置吊錘平臺和吊樁平臺。依據(jù)《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》(2007)，本計算采用有限元分析的方法，應(yīng)用挪威船級社(DNV)的SESAM軟件進(jìn)行建模和靜力分析。打樁船樁架有限元強(qiáng)度按無風(fēng)和有風(fēng)作業(yè)工況進(jìn)行計算。

2.1.1 有風(fēng)與無風(fēng)作業(yè)狀態(tài)及作業(yè)工況

有風(fēng)作業(yè)狀態(tài)有2種：20 m/s風(fēng)力沿船長方向(縱向風(fēng))、20 m/s風(fēng)力沿船寬方向(橫向風(fēng))。有風(fēng)和無風(fēng)狀態(tài)下進(jìn)行有限元計算時均應(yīng)考慮作業(yè)時船舶橫傾5°、縱傾2°，以及船舶傾斜和風(fēng)向均依據(jù)工況選擇不利傾角及方向。5個作業(yè)工況見表1。

表1 作業(yè)工況

2.1.2 樁架桿件強(qiáng)度有限元計算結(jié)果

在上述5個工況下，無論有風(fēng)或者無風(fēng)作業(yè)狀態(tài)，最嚴(yán)重的情況發(fā)生在工況2。平臺8與吊樁平臺連接處的2個前主桿由于應(yīng)力集中，桿件受壓最大應(yīng)力達(dá)到349 MPa，不滿足規(guī)范許用應(yīng)力255 MPa要求。平臺標(biāo)號見圖1。工況2有風(fēng)作業(yè)臂架應(yīng)力云圖見圖2。

圖1 平臺標(biāo)號(單位：mm)

圖2 工況2有風(fēng)作業(yè)臂架應(yīng)力云圖

2.1.3 解決方案

根據(jù)樁架強(qiáng)度有限元計算結(jié)果，如果將集中應(yīng)力大的舷桿規(guī)格增大，樁架直立的情況下施工難度非常大，安全風(fēng)險高，對成本和進(jìn)度不利。在充分評估施工條件、確保安全和質(zhì)量的條件下，將平臺8與吊樁平臺間2個前主桿沿船長方向前后每側(cè)各1根T型加強(qiáng)筋進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，布置情況見圖3。T型加強(qiáng)筋腹板寬度300 mm×厚度12 mm，面板寬度150 mm×厚度20 mm，材質(zhì)CCSB，屈服強(qiáng)度為235 MPa，重量總計15.60 kN。添加加強(qiáng)模型后，再次計算應(yīng)力，結(jié)果滿足規(guī)范要求；在5個工況下作業(yè)滿足使用要求，而且加強(qiáng)方案可操作性強(qiáng)，表明此解決方案是可行的，同時成本和進(jìn)度上最為有利。

①—主桿背部加強(qiáng)材(T型材)； ②—主桿前部加強(qiáng)材(T型材)；③—肘板(角鋼)；④主桿前部加強(qiáng)材。

2.2 其他結(jié)構(gòu)部位強(qiáng)度校核

采用有限元方法對吊錘平臺、吊樁平臺和兩平臺間的樁架結(jié)構(gòu)(以下簡稱“附架結(jié)構(gòu)”)進(jìn)行局部強(qiáng)度校核。吊樁平臺及吊錘平臺局部強(qiáng)度校核各工況下，吊樁平臺、吊錘平臺結(jié)構(gòu)的Mises應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，拉力、壓力、剪力均滿足規(guī)范對失效應(yīng)力的要求。同時校核樁架鉸鏈軸強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、擠壓強(qiáng)度、支座板強(qiáng)度，校核結(jié)果均滿足規(guī)范要求。考慮樁架結(jié)構(gòu)重量增加少于20 kN，導(dǎo)向滑輪重量增加40 kN，其他均與原結(jié)構(gòu)相同，改動不大，因此不再做擱置狀態(tài)下樁架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核。

各工況下，只有在兩平臺之間主斜撐桿件底部與吊樁平臺連接位置出現(xiàn)局部應(yīng)力集中情況，其他位置應(yīng)力均小于校核標(biāo)準(zhǔn)157 MPa，滿足《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》(2007)許用應(yīng)力的要求。原附架結(jié)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)行了局部加強(qiáng)，改造方案下的原吊錘平臺、附架及吊裝平臺強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，計算結(jié)果見表2。

表2 強(qiáng)度校核匯總表

2.3 樁架變幅液壓缸能力校核

液壓缸性能參數(shù)：內(nèi)徑900 mm，活塞桿外徑540 mm，行程11 470 mm，工作壓力25 MPa，液壓缸理論推力11 000 kN，理論拉力8 600 kN。

對工況4和工況5這2個極限工況的液壓缸能力進(jìn)行校核。樁架載荷：自重3 720.7 kN；上下滑車重量51.2 kN×2+91 kN×2、鉤頭重量44 kN×2+77 kN×2、吊樁重量1 300 kN、錘加替打重量1 000 kN。

工況4：樁架前傾11.5°植樁，主鉤及樁架下部抱樁器共同支撐1 300 kN樁重量，錘加替打重量1 000 kN置于吊錘平臺，有風(fēng)作業(yè)。經(jīng)計算，此工況下液壓缸受拉力7 850 kN，小于液壓缸最大拉力8 600 kN，裕度8.7%。

工況5：樁架后傾11.5°植樁，主鉤及樁架下部抱樁器共同支撐1 300 kN樁重量植樁，錘加替打重量1 000 kN置于吊錘平臺，有風(fēng)作業(yè)。經(jīng)計算，此工況下液壓缸受壓力4 430 kN，小于液壓缸最大壓力11 000 kN，裕度59.7%。

校核結(jié)果顯示：液壓缸能力滿足設(shè)計及使用要求，但工況4受拉狀態(tài)已經(jīng)比較接近設(shè)計極限，不得過度使用。在此工況變幅下需慢速操作，利用水深植樁，樁錘隨樁下降，降低樁架總體重心高度，確保安全。

2.4 1 300 kN吊點(diǎn)強(qiáng)度校核

原1 000 kN吊點(diǎn)掛板的材質(zhì)AH36，屈服強(qiáng)度355 MPa，抗拉強(qiáng)度490 MPa，板厚40 mm。經(jīng)計算，強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，計算后需驗(yàn)證吊點(diǎn)掛板與兩連接腹板的角接主焊道的最小有效焊喉厚度是否≥14 mm，在樁架頂部掛板處開工藝孔進(jìn)行檢測，主焊道有效焊喉尺寸15 mm，主焊道長度800 mm，原1 000 kN主掛點(diǎn)的強(qiáng)度滿足1 300 kN吊重要求。

2.5 起升系統(tǒng)計算

2.5.1 主起升載荷核算

吊樁載荷核算工況：樁架前傾12.5°、橫搖角5°、縱傾角2°，樁重心距船艏(96#)水平21.8 m。經(jīng)計算，主起升鋼索安全工作負(fù)荷為302 kN，安全系數(shù)為4，起升鋼絲繩最小破斷負(fù)荷為1 208 kN。起升鋼絲繩選取規(guī)格：42 mm-6×37WS+FC-1960 MPa-1 230 kN-710 m，實(shí)際安全系數(shù)4.074。

2.5.2 吊錘載荷核算

經(jīng)計算,吊錘鋼索安全載荷為348 kN，安全系數(shù)為4，吊錘鋼索最小破斷載荷為1 392 kN。吊錘鋼絲繩選取規(guī)格：

Φ

46 mm-6×37WS+FC-1 960 MPa-1 480 kN-590 m，實(shí)際安全系數(shù)為4.258。

2.6 起重系統(tǒng)滑輪設(shè)計選型

2.6.1 主吊樁滑輪配置

主吊樁滑輪纏繞示意圖見圖4。

(1)主吊樁鋼絲繩固定導(dǎo)向滑輪適用鋼索

Φ

42 mm。其主要參數(shù)為：安全工作載荷305 kN，滑輪槽底

Φ

554 mm，強(qiáng)制油脂潤滑。每個主吊樁有2個導(dǎo)向掛輪，其中1個在樁架腰身垂直安裝(見圖4①)，滑輪軸

Φ

160 mm，重量4.26 kN；另1個在吊樁平臺底面倒掛安裝可擺角(見圖4②)，滑輪軸

Φ

160 mm，主掛點(diǎn)軸

Φ

100 mm，重量4.64 kN。

①—導(dǎo)向滑輪(位于樁架腰身的第一導(dǎo)向)；②—導(dǎo)向滑輪(位于吊樁平臺的第二導(dǎo)向)；③—動滑輪(主鉤鉤頭動滑輪組)；④—定滑輪(主鉤天靈定滑輪組)。

(2)1 300 kN動滑輪組帶鉤頭(見圖4③)適用鋼索

Φ

42 mm。其主要參數(shù)為：安全工作載荷1 274 kN，滑輪槽底

Φ

634 mm，4餅滑輪，滑輪銷軸

Φ

170 mm，強(qiáng)制油脂潤滑；每個主吊樁各1套，重量47 kN。(3)1 300 kN定滑輪組配旋轉(zhuǎn)葫蘆(見圖4④)適用鋼索

Φ

42 mm，其主要參數(shù)為：安全工作載荷1 274 kN，滑輪槽底

Φ

634 mm，4餅滑輪，滑輪銷軸

Φ

170 mm，主銷軸

Φ

180 mm，強(qiáng)制油脂潤滑;可前后左右約15°擺角，每個主吊樁1套，重量32 kN。

2.6.2 吊錘滑輪配置

吊錘系統(tǒng)滑輪纏繞示意圖見圖5。吊錘鋼絲繩固定導(dǎo)向滑輪適用鋼索

Φ

48 mm。其主要參數(shù)為：滑輪安全工作載荷405 kN，滑輪槽底

Φ

548 mm，滑輪銷軸

Φ

190 mm，強(qiáng)制油脂潤滑；帶滑輪支座及防止跳繩裝置，共10個，重量約4.60 kN/個。

①—樁架腰身的第一導(dǎo)向滑輪 ；②—吊樁平臺的第二導(dǎo)向滑輪 ；③—吊錘平臺的第三導(dǎo)向滑輪 ；④—吊錘平臺的定滑輪 ⑤—吊錘平臺的平衡滑輪。

3 主要改造施工項(xiàng)目

3.1 起重系統(tǒng)施工內(nèi)容

本船在碼頭施工，樁架保持后仰3°，維持在較為合適的樁架施工狀態(tài)。起重系統(tǒng)施工內(nèi)容如下：

(1)原副吊樁絞車及吊錘絞車拆除，購置200 kN主吊樁絞車、320 kN吊錘絞車，底座進(jìn)行加強(qiáng)及安裝工作。

(2)原2×160 kN(繩徑

Φ

37.3 mm×710 m)主吊樁絞車系統(tǒng)改裝到原副吊樁絞車位置。

(3)重新設(shè)計制作樁架滑輪、1 300 kN定動滑輪組，吊樁平臺主副吊樁定滑輪組(2個)及導(dǎo)向滑輪(4個)換新，吊錘平臺導(dǎo)向滑輪換新(10個)；根據(jù)計算選型，換新錘繩和主鉤繩。

(4)鉤頭改裝要點(diǎn)：每個主吊鉤增加10 kN配重鐵，有助于空鉤下降。

3.2 液壓系統(tǒng)施工內(nèi)容

完成新安裝的液壓絞車管路與原液壓泵站管路的對接，以及新液控制回路與原系統(tǒng)的對接。根據(jù)新絞車相關(guān)油口位置，重新制作安裝以下管路：

(1)閥組A、B口到馬達(dá)A、B口管路；閥組C口到剎車管路；馬達(dá)泄油管路。

(2)根據(jù)新的馬達(dá)雙速電磁閥塊油口，重新制作到新馬達(dá)變量口管路。

(3)重新連接新起重平臺上的超高保護(hù)信號；連接新絞車過松、過卷信號。

(4)重新連接雙速電磁閥；安裝絞車廠家提供的原6MB650操作閥組上的PA閥件，以提高原閥組流量。

80 m打樁船改造后的吊錘能力由480 kN提升到966 kN，絞車額定拉力由2×130 kN提升至2×320 kN，吊掛柴油錘升級為吊掛液壓錘。液壓系統(tǒng)在原有基礎(chǔ)上改造較為復(fù)雜。在完成管路重新布置的基礎(chǔ)上，取消了駕駛室面板上吊錘絞車溜樁保護(hù)相關(guān)功能的按鈕、開關(guān)功能，操作上主動跟隨控制確保安全。

上述項(xiàng)目改造后，對樁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部加強(qiáng)，并重新校核樁架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及船舶穩(wěn)性，制定改造后吊重曲線表。

4 吊重試驗(yàn)

打樁船施工完成后，進(jìn)行了調(diào)試和空載運(yùn)行，結(jié)果均為合格。根據(jù)設(shè)計能力及吊重曲線，利用吊重水袋進(jìn)行了吊重試驗(yàn)。吊樁吊重工況部分負(fù)荷見表3。在樁架前傾5°下，錘在頂工況吊錘系統(tǒng)吊重1 065 kN，吊樁系統(tǒng)吊重1 430 kN，調(diào)整了起重檢測系統(tǒng)整定值。吊重試驗(yàn)后檢查樁架結(jié)構(gòu)，未見缺陷且液壓缸能力、起升系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)運(yùn)行良好，本次改造滿足設(shè)計要求。

表3 吊樁、吊重工況部分負(fù)荷表

5 改造后操作關(guān)鍵點(diǎn)

(1)打樁工況(包括吊樁和植樁)為錘在頂工況，錘/替打/樁帽總重量≤966 kN，適用鋼管樁徑

Φ

800～

Φ

2 500 mm，作業(yè)風(fēng)速<7.9 m/s，有義波高≤0.5 m；靜橫傾角度≤5°，靜縱傾角度≤2°。

(2)樁架變幅操作時，應(yīng)微速啟動和停車，緩慢均勻加速和減速，變幅油缸線速度≤0.38 m/min，以避免樁架震顫；觀察和記錄油缸高壓腔的油壓。

(3)移船操作時，應(yīng)微速啟動和停車，緩慢均勻加速和減速，移船絞車線速度≤4 m/min，以引起樁架震顫，并規(guī)避與固定物或他船撞擊事件發(fā)生。

(4)一主鉤和一副鉤聯(lián)合最大吊重為1 300 kN(含吊具重量)，此時樁架最大前傾角度≤9°。

6 結(jié)論

(1)利用現(xiàn)有打樁船進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)性改造，解決了打樁船性能不足的問題，從而盡早進(jìn)行投標(biāo)及施工，提高了船舶利用率，符合市場經(jīng)營需求。

(2)錘在頂工況力矩最大，導(dǎo)致變幅液壓缸受拉接近極限能力，證明了吊錘能力大幅度提升是改造性能極限的重要因素。

(3)如起重系統(tǒng)增加動滑輪組數(shù)、鋼絲繩增大直徑，會使滑輪間動摩擦阻力加大，所以需考慮對鉤頭增加配重，有助于空鉤順利下降。