133 m超大型打樁船“三航樁20”的研制

沈火群，孫欽揚，胡靈斌，胡春寶，胡敏

（1.中交第三航務工程局有限公司，上海200032；2.上海佳豪船海工程研究設計有限公司，上海201612）

0 引言

打樁船盡管其功能單一，起重能力不大，但具有施工效率高、操作簡單、維護管理方便等優(yōu)點，還可依靠自身倒豎樁架大幅降低通航高度，廣泛應用于港口碼頭、跨海大橋等水上工程打樁工程中[1-2]。

建國早期，國內(nèi)也設計建造或改造了小型打樁船，船體比較小，船長一般為20～30 m；樁架主要靠絲桿變幅，高30 m左右，基本不超過40 m；最大樁重量20 t，為混凝土方樁；打樁錘以蒸汽錘為主。

1973年，港口建設迎來第一次大發(fā)展。當時引進了十幾條日本設計建造的打樁船，樁架高度54 m，最大樁重量40 t，采用油缸變幅，柴油錘打樁。1981年從日本進口的“三航樁11/12”是當時最大的打樁船，樁架高80.4 m，最大樁重量80 t。這一時期國內(nèi)也設計建造了幾條打樁船，但以進口打樁船為主。

20世紀初，中國加入WTO，進出口貿(mào)易持續(xù)增長，急需港口向深水方向發(fā)展，隨著洋山港、東海大橋等大型工程的建設，迫切需要更大的打樁船。2003年三航局自主研制建造了“三航樁15/16”[3-4]，是當時世界上最先進、樁架最高和最具代表性的打樁船，樁架高度93.5 m，主吊鉤能力120 t，雙鉤抬吊200 t。2009年又建造“三航樁18/19”，樁架高度95 m。同期，一航局建造了“打樁18/19/22”，二航局建造了“航工樁9”，四航局建造了“粵工樁8/9”。另外，其他單位也建造了類似的一批船舶，共近20艘。

近10 a來，海上風電高樁承臺基礎樁長達100 m以上，樁重120～150 t以上，蒼南風電項目甚至達380 t。滿足上述沉樁要求，國內(nèi)設計建成了樁架超過100 m以上的打樁船，如“中建樁7”樁架高100 m；“鐵建樁1”樁架高108 m；“雄程1”[5]樁架高度128 m，其船長78 m，型寬36 m，型深6.2 m，能施打直徑5 m、單樁重量360 t的鋼管樁，樁架最大起重能力360 t。

2020年，在總結(jié)現(xiàn)有打樁船研究成果的基礎上，三航局研制了目前世界上最大的打樁船“三航樁20”，其樁架高133 m，主吊鉤能力450 t，樁架起重能力達700 t，并且在船舶主尺度選擇、樁架系統(tǒng)設計優(yōu)化和液壓系統(tǒng)改進等方面有所創(chuàng)新和突破。

1 總體設計方案

本船的設計以滿足未來海上風電高樁承臺基礎和跨海大橋沉樁為主要目標，在廣東、福建風浪比較惡劣、波浪周期8 s的情況下具有較好的適應能力[6]，圖1為設計方案主視圖。

圖1 133 m打樁船主視圖Fig.1 Main view of 133 m pile driving barge

船舶入級符號：★CSA Pile Driving Barge；R1；In-Water Survey。船舶主尺度：108 m×38 m×7.2 m。樁架最高點與水面距離：133 m。起重平臺與水面距離：105.2 m。二次倒架最低高度：55.8 m。樁架最大起吊能力：700 t。最大樁重量×樁長×直徑：450 t×（110 m+水深）×5 000 mm。主吊鉤能力：450 t×2臺。副吊鉤能力：300 t×1臺。吊錘能力：280 t。移船絞車能力：700 kN，10臺。主柴油機（驅(qū)動油泵）：1 760 kW×2臺。

2 船舶主尺度優(yōu)化選擇

無論海上風場還是跨海大橋都處于遠離陸地的無遮蔽區(qū)域，常年風浪、涌浪大，波長長，施工條件極其惡劣。江蘇沿海海況相對較好，福建、廣東則要惡劣得多，施工十分困難。以廣東陽江為例，有義波高1.5 m時，波浪平均周期不大于7 s的概率為70.92%，不大于8 s的概率為90.8%。根據(jù)經(jīng)驗，風速大于6級以上、波高大于1.5 m、波周期大于8 s，則不能進行海上作業(yè)。所以選取抗風浪性能良好的船舶主尺度是建造船舶面臨的首要課題。

船舶主尺度是描述船舶幾何特征的最基本參數(shù)。打樁船施工作業(yè)性能既取決于外部風浪的大小，也和船體本身的要素有關。因此，在船舶設計中，為了保證良好的耐波性，船舶主尺度和船型的選擇除了考慮靜水中的性能之外，必須兼顧耐波性的要求。

船長越長，可以抵抗波浪平均周期越大。船長一定的船舶，隨著波浪周期的增大，船舶升沉、橫向、縱向運動位移明顯增大。船長增大對橫向運動位移沒影響，對升沉運動位移有利但不明顯，對縱向運動位移有利。在同樣船寬和吃水時，由于樁架的重量和重心位置已基本確定，船長的增加將增加壓載水量，使船舶總體重心降低，對橫搖運動不利，所以在合適的范圍內(nèi)船長不需要太大。經(jīng)計算，波浪周期7 s對應的波長是70.9 m，8 s是99.8 m，選擇船長應大于波長。本船船長選擇99 m和108 m 2個方案進行比較研究。

船舶寬度主要影響穩(wěn)性（包括抗橫傾能力）和橫搖運動，對縱搖和升沉的影響不大。在排水量相差不大的情況下，船寬增大時船舶橫向運動位移增大，對橫搖不利。全面權(quán)衡利弊，本船的船寬應保持在37～40 m之間，因此選擇了船寬37.2 m、38.0 m和39.6 m 3個方案。

型深和吃水需考慮干舷和穩(wěn)性影響，也要考慮橫搖、砰擊和上浪的影響等因素，根據(jù)現(xiàn)有大型打樁船的主尺度，并依據(jù)本船總縱強度計算結(jié)果，本船的型深按船長99 m時選擇為7 m，船長108 m時選擇為7.2 m；國內(nèi)樁架高度在100 m以上的大型打樁船干舷基本為2.4～2.6 m，本船干舷選2.7 m，作業(yè)吃水選擇為4.5 m。

使用三維勢流繞射/輻射的源匯分布法、NAPA、HYDROSTAR、ARIANE 7和MATLAB軟件及其各自二次開發(fā)的接口程序組成的NHAM軟件集成系統(tǒng)對本打樁船耐波性運動響應進行計算分析。為了直觀地反映組合的6個方案耐波性能的優(yōu)劣，對本船運動響應設置閾值，假定作業(yè)時橫搖運動不超過0.5°，縱搖運動不超過0.5°，升沉不超過0.5 m，則船首部樁架平臺頂點（距首端12.3 m，距水面133 m）的橫向運動和縱向運動均不應超過133 m×sin 0.5°=1.1 m；升沉運動不超過0.5 m。對6個方案的運動響應進行時域計算并確定橫向、縱向和升沉不超過閾值的聯(lián)合概率見表1。

表1 三向運動響應不超過閾值的聯(lián)合概率均值及排名Table 1 The probability and ranking of three-dimensional motion response not exceeding the threshold

從表中可看出，6個方案中方案4和方案5是最好的兩個方案。綜合考慮，“三航樁20”主尺度選擇方案5。

3 樁架系統(tǒng)設計優(yōu)化

樁架系統(tǒng)是打樁船的核心，直接關系到沉樁作業(yè)性能和安全性。樁架采用油缸變幅來適應不同角度斜樁的施工要求和實現(xiàn)倒豎樁架的功能，變幅油缸的能力是打樁船向大型化發(fā)展的關鍵和瓶頸。國內(nèi)已建成的大型打樁船，有的樁架重量過大[7-8]，而起重能力卻不高，最大起重能力/樁架自重只有0.3～0.4，受變幅油缸生產(chǎn)能力的限制，起、倒樁架作業(yè)采用3根油缸同時作業(yè)，增加輔助油缸后整個樁架系統(tǒng)為超靜定約束，難以實現(xiàn)完全同步?！叭綐?0”樁架設計采用單根油缸就可以完成全部動作功能，且具有較大的起重能力，主要采取以下技術措施：

1）樁架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

樁架作業(yè)過程中，樁架、樁和樁錘載荷產(chǎn)生的力矩由變幅油缸平衡，當樁架前傾施打最大規(guī)格俯樁時油缸所受拉力最大，此時樁架自重產(chǎn)生的力矩約占油缸總力矩的40%；當樁架放倒至擱架上或從擱置狀態(tài)起架時油缸所受推力最大，此時樁架自重產(chǎn)生的力矩占油缸總力矩的90%以上。可見樁架重量及重心高度對變幅油缸的受力影響很大，在滿足結(jié)構(gòu)強度和剛度要求的前提下，對樁架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，盡可能減輕樁架重量、降低重心高度，是提高油缸使用安全性的主要手段。

采用從整體到局部、再到細節(jié)的原則對樁架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，即首先根據(jù)打樁作業(yè)性能參數(shù)，從樁架抗彎強度的角度出發(fā)，結(jié)合樁架上設備的布置要求，確定吊樁平臺高度和樁架下部前后尺寸等主要樁架尺度，并通過整體受力分析和樁架頂部變形控制來進行驗證。初步確定主要受力管件的基本截面，然后通過有限元建模精確分析，根據(jù)應力分布情況調(diào)整管件的截面尺寸和板厚，大型管件采用等截面變壁厚設計。

樁架整體結(jié)構(gòu)設計確定后，對結(jié)構(gòu)細節(jié)上的處理也尤為重要。樁架下部龍口支撐結(jié)構(gòu)采用桁架形式而不是箱梁結(jié)構(gòu)，桁架結(jié)構(gòu)相對于箱形結(jié)構(gòu)能顯著地增大截面模數(shù)，在同等載荷條件下，結(jié)構(gòu)重量更輕。吊樁平臺和吊錘平臺采用箱梁和拉桿或撐桿的組合結(jié)構(gòu)，使平臺懸臂梁根部所受彎矩大大降低，從而可減小結(jié)構(gòu)截面尺寸，降低重量。龍口根據(jù)其受力特點進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，下部采用箱梁結(jié)構(gòu)以抵抗隨著沉樁深度增大而所受的沖擊載荷，上部采用開梁式結(jié)構(gòu)，腹板開減輕孔，以減輕重量。

通過對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，“三航樁20”整個樁架重量只有874 t，最大起重能力/樁架自重達到了0.80。

2）變幅系統(tǒng)布置優(yōu)化

以油缸上、下鉸點相對于樁架前鉸點的位置尺寸為變量，根據(jù)靜力平衡原理，可分別得到變幅油缸受最大推力和最大拉力的計算公式，為4個變量的函數(shù)。各變量的取值范圍根據(jù)總體布置確定，同時變量組合取值必須滿足空間布置和油缸設計等方面的約束條件。約束條件分為強制約束條件和一般約束條件，強制約束條件包括樁架擱置狀態(tài)下不碰主甲板、油缸最小安裝長度與行程差須滿足油缸結(jié)構(gòu)設計要求，而油缸上鉸點2個安裝位置對應的最大安裝長度近似相等、最小安裝長度近似相等可作為一般約束條件。

采用單一變量研究法，分別研究油缸受力與各變量的關系，將各變量按對油缸受力的影響大小排序，變量取值遵循由主到次的原則優(yōu)先確定。在給定的約束條件下，再綜合分析尋求最優(yōu)組合解。通過上述方法尋找最佳布置可以明顯減少油缸的最大受力，并確定合理的油缸尺寸。

3）合理選擇油缸參數(shù)

提高液壓系統(tǒng)的工作壓力是提高油缸能力的最有效的方法，同時要滿足油缸受壓時活塞桿壓桿穩(wěn)定性的要求，也要考慮目前國內(nèi)外打樁船油缸設備廠的實際加工能力和油缸購置成本。最終選擇油缸缸徑：1 350 mm；桿徑：800 mm；行程：14 900 mm；最小安裝距離：19 100 mm；設計壓力：25 MPa，能提供的最大拉力為2 321 t，最大推力為3 578 t，具有足夠的安全余量。

4 移船和起重絞車液壓系統(tǒng)的改進

早期日本設計建造的打樁船，液壓系統(tǒng)采用定量泵供油，泵和馬達基本一一對應，也有油泵并聯(lián)供油和馬達串聯(lián)使用的，這種系統(tǒng)當馬達的速度小于額定速度時，也是存在油泵供油過剩導致的能量功率損失的。隨著打樁船的大型化，移船絞車和起重絞車越來越大，一臺絞車就要幾臺馬達，采用定量油泵系統(tǒng)需要的油泵數(shù)量就會很多，且油泵之間難以互相備用。于是2000年之后建造的國內(nèi)打樁船，采用歐洲技術設計了恒壓系統(tǒng)。移船絞車和起重絞車采用同一系統(tǒng)，油泵供油壓力為系統(tǒng)的額定壓力，這種系統(tǒng)的好處是一臺泵就可以為所有馬達供油，油泵可互相備用。盡管這種系統(tǒng)采用變量泵按需要供油，但打樁船液壓設備數(shù)量較多，同時投入使用的設備負載差異很大，當設備以低于額定負載低負載運行時，由于油泵供油的壓力大于負載所需要的壓力而產(chǎn)生的能量功率損失十分巨大，如空鉤下降、移船絞車放纜、吊樁絞車實際吊重小于額定負載。由于在很多情況下系統(tǒng)供油壓力大于實際荷載需要的壓力，除導致巨大的能量損失外，還導致配備的柴油機功率大大增加或由于柴油機功率不足而出現(xiàn)“搶油”的現(xiàn)象，移船動作時，不能同時進行樁架變幅或吊樁作業(yè)，工作效率大大降低。因此必須對液壓系統(tǒng)徹底改進。

實現(xiàn)泵站功率與負載所需功率最優(yōu)匹配是液壓系統(tǒng)優(yōu)化設計的重點[9-10]，為了更好地避免定量泵系統(tǒng)由于泵站輸出流量與負載所需流量不匹配造成的功率消耗、恒壓變量泵系統(tǒng)由于泵站輸出壓力與負載所需壓力不匹配造成的功率消耗，“三航樁20”設計了矩陣控制回路，將差異化較大的負載隔開，實現(xiàn)分區(qū)驅(qū)動和控制，達到節(jié)能的目的。圖2為動力及液壓系統(tǒng)構(gòu)成圖。

圖2 動力及液壓系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.2 Composition diagram of power and hydraulic system

移船絞車共10臺由4臺雙聯(lián)泵驅(qū)動，設20 MPa高壓總管和9 MPa低壓總管，收纜絞車由高壓總管供油，放纜絞車由低壓總管供油，發(fā)揮了恒壓系統(tǒng)油泵數(shù)量少的優(yōu)勢，也明顯減少了功率的損失。

2臺主吊起重絞車、1臺副吊起重絞車和起錘絞車由8臺雙聯(lián)泵分別直接供油，保證油泵供油壓力和流量與絞車馬達需要的完全匹配，不產(chǎn)生功率損失。避免了恒壓系統(tǒng)功率損失大的問題，但泵的數(shù)量比較多。

設計的矩陣回路可以保證在特殊的情況下移船絞車油泵向起重絞車馬達供油，起重絞車油泵也可以向移船絞車馬達供油，互為備用，提高了系統(tǒng)的可靠性。

矩陣控制回路與傳統(tǒng)恒壓系統(tǒng)驅(qū)動功率計算結(jié)果見表2。

表2 矩陣控制回路與恒壓系統(tǒng)驅(qū)動功率Table 2 The driving power for matrix control loop and constant pressure system

打樁船從施工地點移船到運樁駁，取樁后返回到施工地點，作為一個取樁循環(huán)。對打樁船而言，系統(tǒng)功率消耗主要出現(xiàn)在取樁循環(huán)階段，沉樁過程系統(tǒng)消耗功率很小。移船靠駁作業(yè)時間按取樁循環(huán)周期的1/3計，則矩陣控制回路系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)恒壓系統(tǒng)節(jié)能約32%。吊樁載荷越小節(jié)能效果越顯著，當樁重量為額定吊重的50%時，節(jié)能約59%。

5 結(jié)語

本船由上海佳豪船海工程研究設計有限公司負責具體設計，招商重工（蛇口）負責生產(chǎn)設計和建造，出廠前進行了樁架770 t吊重試驗和傾斜試驗，實際的空船重量7 043.7 t。該船于2020年5月8日交付使用，出廠后已先后在三峽新能源廣東省陽江市陽西沙扒海上風電項目、象山、蒼南等項目進行沉樁作業(yè)，創(chuàng)造了單日完成4根的沉樁記錄。實際證明，該船達到了設計的要求，具備較好的耐波性能，單油缸完全能滿足各種工況的使用要求，樁架倒架狀態(tài)頂升時油泵壓力僅18 MPa，液壓系統(tǒng)改進也非常成功。