◎ 張亞生 馬美琴 河北省深海樁基配套裝備技術(shù)創(chuàng)新中心 衡橡科技股份有限公司

1.概述

隨著海上油氣平臺(tái)和海上風(fēng)電平臺(tái)向由淺海向著深海邁進(jìn)、平臺(tái)功能由單一化向著綜合化、大型化發(fā)展，導(dǎo)管架的體量也隨之迅速增加。為減輕結(jié)構(gòu)重量并節(jié)約海上安裝時(shí)間，采用整體裙樁、水下打樁的導(dǎo)管架項(xiàng)目數(shù)量增長(zhǎng)迅速。常規(guī)的水上吊裝機(jī)、焊接臨時(shí)楔形塊等簡(jiǎn)易的臨時(shí)固定和水上調(diào)平的方式已無(wú)法適用。

中節(jié)能陽(yáng)江南鵬島海上風(fēng)電項(xiàng)目有廣州打撈局承建，規(guī)劃總裝機(jī)容量為30萬(wàn)千瓦，擬安裝單機(jī)容量5.5兆瓦的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組55臺(tái)，同時(shí)建設(shè)220千伏海上升壓站、陸上集控中心各一座。其中，海上升壓站導(dǎo)管架為裙樁套筒形式結(jié)構(gòu)。根據(jù)海上安裝作業(yè)指導(dǎo)書的要求，導(dǎo)管架安裝完成后，對(duì)角調(diào)平的精度要求很高，僅依靠打樁順序調(diào)平、吊機(jī)調(diào)平無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)精度。且海上導(dǎo)管架安裝時(shí)間為8月份底，安裝船檔期較滿，大風(fēng)工況又使得施工船被迫中途回港，水泥漿固化前，卡樁器對(duì)導(dǎo)管架的臨時(shí)固定功能顯得尤為重要。

我國(guó)渤海、南海的導(dǎo)管架平臺(tái)采用的卡樁器是均國(guó)外產(chǎn)品，成本高、供貨周期長(zhǎng)、規(guī)格單一無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求，若南鵬島風(fēng)電平臺(tái)采用進(jìn)口卡樁器，會(huì)嚴(yán)重拖延施工周期，無(wú)法滿足快速開(kāi)展的要求。為解決這一制約深海導(dǎo)管架發(fā)展的難題，我們經(jīng)過(guò)了大量的設(shè)計(jì)分析，設(shè)計(jì)出了能獨(dú)立生產(chǎn)、可根據(jù)項(xiàng)目定制化設(shè)計(jì)的國(guó)產(chǎn)卡樁器產(chǎn)品，其性能和安全性均達(dá)到了國(guó)外產(chǎn)品水平。

2.國(guó)產(chǎn)卡樁器

南鵬島卡樁器規(guī)格：

型號(hào)∶2600-SPG 5.0

承載力∶5.0 MN（雙向）

外型尺寸∶外徑2960mm，壁厚60m，高650 mm

材質(zhì)∶Q355B

質(zhì)量∶5250 kg

工作壓力∶20 MPa

動(dòng)力方式：油壓

2.1 卡樁器組成

卡樁器由厚壁筒、液壓油缸、高強(qiáng)齒狀結(jié)構(gòu)、液壓泵站、ROV 快速接口組件、蓄能器和液壓軟管等組成，如圖1所示。其中液壓油缸呈輻射狀均勻分布在套筒上，卡樁器是一種由液壓驅(qū)動(dòng)的設(shè)備,預(yù)先安裝在導(dǎo)管架套筒頂部。

2.2 卡樁器作用機(jī)理

液壓泵站提供動(dòng)力，液壓油由軟管傳遞到油缸，油缸在壓力作用下進(jìn)行伸縮，帶動(dòng)高強(qiáng)齒狀結(jié)構(gòu)卡緊/松開(kāi)鋼樁，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管架和樁的臨時(shí)固定。通過(guò)油缸的反復(fù)伸縮，來(lái)滿足整個(gè)打樁灌漿過(guò)程中的多次調(diào)平作業(yè)的需求。

圖1 卡樁器模型示意圖

高強(qiáng)齒狀結(jié)構(gòu)在油缸推力作用下，其前端會(huì)刺入鋼樁表面，可對(duì)鋼樁提供穩(wěn)固、強(qiáng)大的抱緊力。泵站和油缸間配置有阻斷閥，阻斷閥和油缸之間有蓄能器。泵站運(yùn)作時(shí)，阻斷閥打開(kāi)，由泵站為系統(tǒng)提供壓力；泵站不運(yùn)作時(shí)，阻斷閥關(guān)閉，由蓄能器為油缸穩(wěn)定系統(tǒng)動(dòng)力。

RO V 快速接頭組件可應(yīng)對(duì)：由施工（或不可預(yù)期的事故）造成的ROV接收器與泵站間長(zhǎng)管線（近70m）破損泄漏的特殊工況。通過(guò)潛水員或水下機(jī)器人，通過(guò)更換ROV快速接頭來(lái)恢復(fù)卡樁器的使用。

2.3 液壓控制管線

為了保證在位于平臺(tái)頂部的控制泵站可以操作水下卡樁器，每套卡樁器上設(shè)有4根直徑為20.0mm、壁厚為5mm的彈性體包塑（高耐海水腐蝕）液壓控制管線和ROV接頭。4根液壓管線屬主控制管線，ROV接頭等輔助備用線路，萬(wàn)一主控制管線失靈，可以通過(guò)ROV在浮吊上直接控制液壓卡樁器。整個(gè)導(dǎo)管架設(shè)有16根液壓管線，分為4束放入固定在導(dǎo)管架外壁上的導(dǎo)向管內(nèi)。

2.4 液壓泵站

液壓泵站設(shè)計(jì)出口壓力為31.5MPa，采四套泵用1件油箱的1拖4結(jié)構(gòu)設(shè)置，如圖2所示。泵站所有電壓為380V，所用液壓油為42#高耐磨機(jī)油。泵站中設(shè)置有高/低壓過(guò)濾器、壓力表、壓力變送器、壓力報(bào)警裝置、自動(dòng)泄壓裝置、進(jìn)出口壓力轉(zhuǎn)換手柄、進(jìn)出口壓力調(diào)節(jié)閥、截止閥、急停開(kāi)關(guān)、過(guò)載保護(hù)器等?？蔀橐簤河透椎纳炜s提供動(dòng)力。

3.陸地安裝調(diào)試

卡樁器厚壁筒焊接在導(dǎo)管架裙樁套筒頂部，液壓管線穿過(guò)導(dǎo)管架上的導(dǎo)向管連接位于海底的卡樁器油缸和位于導(dǎo)管架頂部的液壓泵站。卡樁器出海前，需對(duì)整套系統(tǒng)進(jìn)行組裝，并測(cè)試油路密封性能。

3.1 焊接厚壁筒和導(dǎo)向圈

將卡樁器底部焊接在裙樁套筒頂部，焊縫強(qiáng)度不得低于主體結(jié)構(gòu)的80%。卡樁器頂部錐形導(dǎo)向圈由薄鋼板卷制而成，其承擔(dān)著下樁是樁尖接收器的功能。

3.2 壓力試驗(yàn)

3.2.1 測(cè)試條件

測(cè)試前，卡樁器系統(tǒng)的油缸、油源支架、油管和泵站已按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行連接。

3.2.2 測(cè)試方法

卡樁器油缸伸縮測(cè)試過(guò)程是對(duì)卡樁器油缸的是否可以完全伸出進(jìn)行的檢查。并檢查卡樁器是否能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)伸出所有活塞桿。

系統(tǒng)壓力測(cè)試共為三個(gè)相同的測(cè)試過(guò)程。一個(gè)測(cè)試過(guò)程為：油缸進(jìn)油查看油缸是否完全伸出 油缸回油查看油缸是否完全縮回。

3.2.3 測(cè)試結(jié)果及判定

整個(gè)測(cè)試過(guò)程主要是通過(guò)目測(cè)來(lái)判定活塞桿伸縮是否順暢。從第一個(gè)活塞桿開(kāi)始伸出，到系統(tǒng)壓力到達(dá)最大，此過(guò)程時(shí)長(zhǎng)不應(yīng)該大于15min。

4.海上使用

海洋平臺(tái)導(dǎo)管架在海上建造過(guò)程中，會(huì)經(jīng)歷起吊、擺正、就位、插樁、打樁、調(diào)平和灌漿七個(gè)步驟。當(dāng)完成插樁工序后，打樁和調(diào)平在同時(shí)進(jìn)行，該期間通過(guò)選擇性使用卡樁器，固定四個(gè)樁腿中的某一個(gè)或者兩個(gè)，通過(guò)打樁和吊機(jī)可有效的進(jìn)行調(diào)平操作。打樁和調(diào)平工序均完成后，需要將所有卡樁器均投入使用將導(dǎo)管架臨時(shí)固定，來(lái)保證鋼樁和套筒的相對(duì)位置?？镀鳛樘淄埠弯摌堕g穩(wěn)固的位置關(guān)系，是灌漿工序可以順利完成的有力保障。

4.1 下水前的確認(rèn)工作

導(dǎo)管架下水前，需對(duì)卡樁器狀態(tài)進(jìn)行最后的確認(rèn)。主要是檢查所有的油缸護(hù)板是否完好，油缸活塞桿是否均收在油缸中、液壓管線是否固定緊實(shí)。

4.2 使用時(shí)的操作事項(xiàng)

因?qū)Ч芗芟滤吐錁哆^(guò)程中導(dǎo)管架晃動(dòng)幅度較大，液壓泵站需等插樁完成后，再吊裝到導(dǎo)管架頂部進(jìn)行安裝固定。使用時(shí)根據(jù)導(dǎo)管架調(diào)平要求進(jìn)行使用。

4.3 長(zhǎng)時(shí)間的臨時(shí)固定

環(huán)境溫度、液壓油的分子運(yùn)動(dòng)等因素都會(huì)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)油壓會(huì)產(chǎn)生一定影響。如臨時(shí)固定的時(shí)間超過(guò)12h，就需在初始投入使用的環(huán)境進(jìn)行針對(duì)性的加壓或減壓操作，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4.4 ROV備用系統(tǒng)的選用

當(dāng)進(jìn)油管線壓力或回油管線壓力長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，就應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工況進(jìn)行評(píng)估，判定是否發(fā)生了某些錯(cuò)誤的操作或不可預(yù)估的惡劣工況造成了液壓管線的損壞。待判定管線損壞后，ROV被用系統(tǒng)即可投入使用。由水下機(jī)器人或潛水員攜帶備用的ROV插頭和管線，下到海底將原有ROV接頭拔下，將備用ROV接頭插入即可。值得一提的，ROV接收器和ROV快速接頭間的密封主要通過(guò)格萊圈進(jìn)行，兩者間表面均作了潤(rùn)滑處理，拉拔力不超過(guò)10kgf，操作便利。

圖2 液壓泵站實(shí)物圖

圖3 卡樁器焊接位置實(shí)物圖

5.應(yīng)用情況

國(guó)產(chǎn)卡樁器在南鵬島海上風(fēng)電場(chǎng)升壓站上的成功應(yīng)用，標(biāo)志著卡樁不再受國(guó)外產(chǎn)品制約，供貨周期長(zhǎng)、型號(hào)單一、需要根據(jù)進(jìn)口卡樁器調(diào)整導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的窘境得到了很大程度的緩解。該項(xiàng)目吊裝船回港避風(fēng)時(shí)間超過(guò)了7天，期間卡樁器壓力穩(wěn)定、效果良好，為導(dǎo)管架成功安裝提供了有力的保障。國(guó)產(chǎn)卡樁器的應(yīng)用，可為以后其他平臺(tái)項(xiàng)目制定設(shè)計(jì)方案、施工工序、操作方案均提供經(jīng)驗(yàn)。