包覆法鋼樁水下防腐修復(fù)自動(dòng)化施工技術(shù)與裝備方案

張繼彪，李靖

（中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200032）

0 引言

目前已有許多碼頭鋼管樁到了防腐修復(fù)期，且隨著時(shí)間的推移，會(huì)有越來越多的碼頭鋼管樁和海上風(fēng)電水下基礎(chǔ)進(jìn)入維護(hù)修復(fù)期，而目前全世界范圍內(nèi)的鋼管樁水下防腐修復(fù)均為全人工操作，施工條件極為惡劣，因此會(huì)受到很多因素的限制。目前尚沒有任何防腐修復(fù)類自動(dòng)化成套設(shè)備應(yīng)用于鋼樁水下防腐修復(fù)的實(shí)際工程之中。

隨著越來越多的水下鋼樁基礎(chǔ)進(jìn)入維修保養(yǎng)階段，相應(yīng)的自動(dòng)化施工技術(shù)與設(shè)備的市場(chǎng)前景也越來越廣闊。由于人工施工的效率低，鋼管樁的二次修復(fù)效果不佳，且潛水員施工的成本越來越高；另外，國(guó)家大力推行的《中國(guó)制造2025》及新技術(shù)的發(fā)展，如智能化、新工藝、新材料的發(fā)展，開發(fā)自動(dòng)化鋼樁防腐修復(fù)設(shè)備的需求也會(huì)越來越強(qiáng)烈[1-7]。本方案是采用自動(dòng)化手段把防腐材料在水下實(shí)現(xiàn)包裹，完成鋼管樁水下防腐修復(fù)施工作業(yè)，經(jīng)檢索，目前為止未見任何相關(guān)報(bào)道。

1 施工工藝及總體方案

1.1 施工工藝

目前大多采用的防腐修復(fù)手段主要有2種：一種是表面清理干凈重新噴涂防腐涂料，另外一種是采用包覆材料把水和空氣與鋼管樁隔離的物理防腐手段。由于采用防腐涂料噴涂的工藝進(jìn)行鋼管樁防腐修復(fù)，其噴涂過程中風(fēng)干、防爆、稀釋劑回收及環(huán)保等一系列的問題依然很難解決且成本極高。相比之下，目前市面上采用包覆的方法進(jìn)行物理防腐來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的噴涂防腐，其實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化設(shè)備施工作業(yè)的可能性更易實(shí)現(xiàn)，且成本也可大大降低。因此，針對(duì)包覆材料物理防腐的自動(dòng)化施工工藝需要進(jìn)行深入研究，并開發(fā)實(shí)現(xiàn)其功能需求的自動(dòng)化設(shè)備。具體施工工藝流程是：鋼管樁表面處理—自動(dòng)包覆設(shè)備固定—包覆防腐層—包覆保護(hù)層—設(shè)備脫離—防腐材料固化。

1.2 總體方案

根據(jù)施工工藝防腐修復(fù)要求，結(jié)合包裹材料特性，研究的防腐材料自動(dòng)化包裹機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了自動(dòng)化包覆設(shè)備總體方案。由于防腐材料的包裹不需要在干式環(huán)境下進(jìn)行，因此設(shè)備主體結(jié)構(gòu)不需要形成密閉空間。此方案采用3片弧形框架打開閉合的方式，包括1片225°異形固定瓣（艉段）和2片67.5°弧形活動(dòng)瓣（艏部），構(gòu)成1個(gè)繞樁環(huán)形框架，弧形框架間不需要密封；且在每片弧形框架上部設(shè)浮力倉(cāng)，確保本套設(shè)備在海水中具備自浮性，包覆法鋼樁水下防腐修復(fù)施工自動(dòng)設(shè)備總體方案見圖1。由于主體結(jié)構(gòu)不具有自航能力，因此需要其他輔助機(jī)構(gòu)來輔助抱樁、脫樁。輔助機(jī)構(gòu)把主體拖至目標(biāo)位置，再由主體結(jié)構(gòu)關(guān)閉左右2片活動(dòng)瓣。待抱樁完成，通過2個(gè)啟閉油缸鎖死2片活動(dòng)瓣，再撤出輔助設(shè)備。包覆作業(yè)全部完成時(shí)，主體打開2片活動(dòng)瓣，在輔助機(jī)構(gòu)的輔助下，完成脫樁，并拖至下一個(gè)待施工位置。

圖1 包覆法鋼樁水下防腐修復(fù)施工自動(dòng)設(shè)備總體方案圖Fig.1 General scheme of automatic equipment for underwater anti-corrosion repair construction of coated steel piles

主體結(jié)構(gòu)基本尺寸：型長(zhǎng)3.50 m；型寬3.50 m；結(jié)構(gòu)總高5.50 m；弧形翼最大開口寬度1.60 m；樁徑φ1 200 mm；作業(yè)高度3.50 m；作業(yè)水深≥5 m。

輔助機(jī)構(gòu)示意圖如圖2所示，輔助機(jī)構(gòu)具有兩大主要功能，輔助抱樁和輔助脫樁。該機(jī)構(gòu)具有的主要?jiǎng)幼鳛槠鸱鼊?dòng)作、升降動(dòng)作及旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，幫助包覆機(jī)構(gòu)完成直樁及斜樁的抱、脫樁工藝。該機(jī)構(gòu)分別由幾大部分構(gòu)成：一艘具有自航能力的小船、變幅架、升降架以及旋轉(zhuǎn)架等。變幅、升降及旋轉(zhuǎn)動(dòng)作都是由油缸控制完成。輔助機(jī)構(gòu)通過1根圓管與包覆機(jī)構(gòu)上的卡槽相連接，圓管兩側(cè)安裝有限位裝置，防止設(shè)備旋轉(zhuǎn)時(shí)，包覆機(jī)構(gòu)從設(shè)備上脫落。

圖2 輔助機(jī)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of auxiliary mechanism

輔助機(jī)構(gòu)參數(shù)：變幅架（前+/后-）：+18°/-12°；旋轉(zhuǎn)架（左右）：±25°；升降架（行程）700 mm。

1.3 抱樁方案

包覆法鋼樁水下防腐修復(fù)施工自動(dòng)化設(shè)備抱樁時(shí)，采用施工輔助船的起吊裝置吊起主體設(shè)備，左右活動(dòng)瓣弧翼打開到預(yù)定位置，內(nèi)部工作平臺(tái)回到設(shè)備頂部的起始位置，其圓周軌道翻起，形成進(jìn)樁開口。設(shè)備調(diào)整到合適位置，主體左右弧翼的啟閉根據(jù)指令由甲板上2個(gè)單出桿雙作用油缸驅(qū)動(dòng)完成需求的動(dòng)作。2瓣弧形翼的啟閉口設(shè)制4個(gè)被動(dòng)式垂向運(yùn)動(dòng)的聯(lián)動(dòng)鎖扣完成閉鎖和開啟，其執(zhí)行元件為2個(gè)設(shè)于主體甲板的單出桿雙作用油缸通過傳動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。針對(duì)潮位漲落引起的水位差，設(shè)備主體抱樁后的垂向運(yùn)動(dòng)約束采用甲板及底部?jī)蓪铀皆O(shè)置8個(gè)定位油缸頂實(shí)現(xiàn)自動(dòng)包覆設(shè)備主體與樁身的固定，完成設(shè)備的抱樁動(dòng)作，包覆法鋼樁水下防腐修復(fù)施工自動(dòng)設(shè)備抱樁過程見圖3。

圖3 包覆法鋼樁水下防腐修復(fù)施工自動(dòng)設(shè)備抱樁示意圖Fig.3 Diagram of automatic equipment for construction of underwater corrosion repair of coated

1.4 施工作業(yè)水域與工況要求

作業(yè)水域：近海、鋼管樁潮差段區(qū)域。

海況：流速≤1.0 m/s；風(fēng)力≤5級(jí)（蒲氏）；波高≤0.80 m；水深≥5.00 m。

鋼樁間距：為保證包裹作業(yè)機(jī)構(gòu)能順利進(jìn)入并完成抱樁作業(yè)，直徑1.2 m鋼樁間距需≥3.00 m。

鋼樁斜度：抱樁輔助機(jī)構(gòu)中的變幅架最大變幅角度為+18°，鋼樁傾斜角度需≤18°，即1∶3。

本方案可適用于維護(hù)對(duì)象為碼頭或海上風(fēng)電直徑為1 200 mm，間距不小于3 m，斜度不大于1∶3的所有水下鋼樁基礎(chǔ)。

2 包覆法鋼樁水下防腐修復(fù)自動(dòng)化設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研究

包覆法鋼樁水下防腐修復(fù)施工自動(dòng)化設(shè)備能否實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化施工，主要取決于內(nèi)部工作平臺(tái)能否實(shí)現(xiàn)自動(dòng)包覆的工藝動(dòng)作，對(duì)于包覆法鋼樁水下防腐修復(fù)施工自動(dòng)化設(shè)備的研究必須解決以下關(guān)鍵技術(shù)：

2.1 內(nèi)部工作平臺(tái)設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)的工藝過程以及工藝要求決定了系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能，首先要實(shí)現(xiàn)抱樁工藝要求，則內(nèi)部行走機(jī)構(gòu)要滿足抱樁和脫樁工藝動(dòng)作，故內(nèi)部工作平臺(tái)必須為可圓周行走，且有一定的開口，使鋼樁通過開口順利進(jìn)入內(nèi)部，其次由于防腐層和保護(hù)層的包裹等工藝動(dòng)作均自動(dòng)完成，而完成該動(dòng)作，必須實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管樁360°圓周面進(jìn)行作業(yè)，故包裹機(jī)構(gòu)不僅要能圍繞鋼樁做圓周運(yùn)動(dòng)，而且還要可沿著鋼樁軸線方向上下移動(dòng)。

內(nèi)部工作平臺(tái)圓周方向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌采用三段式，其中兩段采用包樁后翻轉(zhuǎn)的方法來實(shí)現(xiàn)整個(gè)圓周導(dǎo)軌的成形。防腐材料包裹機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成一個(gè)周圍行走的小車，小車上集成包裹機(jī)構(gòu)，防腐材料包裹小車可在工作平臺(tái)上沿圓周導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)360°圓周行走，內(nèi)部工作平臺(tái)方案見圖4。

圖4 內(nèi)部工作平臺(tái)示意圖Fig.4 Diagram of the internal working platform

2.2 螺旋包裹軌跡設(shè)計(jì)

內(nèi)部工作平臺(tái)工作時(shí)，集成了包裹機(jī)構(gòu)的圓周運(yùn)動(dòng)與上下行動(dòng)，圓周運(yùn)動(dòng)的小車與環(huán)形導(dǎo)軌間采用齒輪的方式行走，上下運(yùn)動(dòng)采用鏈輪與鏈條的方式行走，可以避免滾輪打滑現(xiàn)象，以精確控制其移動(dòng)距離與速度。根據(jù)帶形防腐包覆材料的寬度，再結(jié)合鋼樁的直徑，設(shè)計(jì)上下和圓周行走的速度，從而達(dá)到螺旋式包裹功能，且通過調(diào)整上下和圓周行走的速度可以控制螺旋軌跡的螺距。圓周和上下行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)軸上分別安裝旋轉(zhuǎn)編碼器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制運(yùn)行速度，以便使螺旋行走軌跡滿足設(shè)計(jì)要求。

此外，所有驅(qū)動(dòng)均采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電池作為圓周運(yùn)動(dòng)小車的動(dòng)力電源，上下行走現(xiàn)場(chǎng)取電，施工作業(yè)時(shí)可以避免包裹小車圓周行走帶來的繞線的麻煩。在包裹作業(yè)前或包裹作業(yè)完成后，包裹小車回到工作平臺(tái)的初始位置，而工作平臺(tái)回到設(shè)備頂部的初始位置，此位置有一個(gè)防水自動(dòng)對(duì)接接頭，能夠自動(dòng)完成充電對(duì)接，確保包裹作業(yè)時(shí)有充足電能供包裹小車完成施工作業(yè)。

3 結(jié)語

包覆法鋼樁水下防腐修復(fù)施工工藝的提出以及自動(dòng)化包裹施工技術(shù)和設(shè)備的總體方案、相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)與研究，填補(bǔ)了目前包覆法水下鋼管樁二次防腐修復(fù)自動(dòng)施工技術(shù)及裝備的空白。提出的包覆法鋼樁水下施工技術(shù)與自動(dòng)化裝備的技術(shù)方案，有效解決了帶形防腐材料在水下鋼管樁上自動(dòng)化施工的技術(shù)難題，為后期的設(shè)備開發(fā)研制明確了研究目標(biāo)與方案形式，已申請(qǐng)國(guó)家專利進(jìn)行知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)（專利號(hào)：201810403149.2）[8]。本方案目前還處于前期方案設(shè)計(jì)階段，仍有諸多關(guān)鍵問題、技術(shù)難點(diǎn)需要解決，課題組將針對(duì)本方案中存在的問題與技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)一步深入研究，爭(zhēng)取早日成功研制出適用于我國(guó)海域環(huán)境的鋼樁水下防腐材料自動(dòng)化包覆成套裝備，應(yīng)用到實(shí)際的鋼樁防腐修復(fù)工程之中，為實(shí)際工程提供解決思路和技術(shù)保障，可對(duì)水下鋼樁基礎(chǔ)的易銹蝕、后期維護(hù)和檢測(cè)困難、修復(fù)費(fèi)用高等問題，提供高效手段和平臺(tái)。成果對(duì)碼頭、橋梁及近海風(fēng)電場(chǎng)等水下鋼樁基礎(chǔ)的安全和使用壽命的延長(zhǎng)有著重要的意義，具有重大的市場(chǎng)推廣價(jià)值。