全球首创 | 上海振华重工成功研发新型座底自升式打桩船!

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近日,上海振华重工公司全球首创的座底自升式打桩船通过了专家评审,赢得了现场专家、工程技术人员的一致赞扬。下面我们通过图文来一睹它的风采!

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序言

当下开发可再生能源风靡世界,其中风电市场具有举足轻重的地位。据知,英国规划到2030前要将用电30%全部改为风电,其中主要是海上风电。如众已周知:我国党和政府高度重视风能的开发和利用。近年来,陆上风电已趋向饱和,开发海上风电则方兴未艾。我国有1.6万公里海岸线,其岸边蕴藏有巨大的风能,据中央气象局统计,近海水深5米至25米范围的风电潜能有5亿千瓦。按国家十三五规划,海上风电计划为开发1000万千瓦。据知,已经批准的海上风电项目近600万千瓦,而建成的海上风电仅约150万千瓦。由此可知,开发海上风电具有诱人的宽广市场,为完成十三五计划,今后四年开发海上风电任务极为艰巨。


图1 海上插桩式打桩船吊桩作业


现用的海上风电工程船(俗称打桩船)是一种全新的海洋工程船舶,主要由起重机、船体、桩腿和桩靴、抱桩机以及升降系统等组成,主要用于海上风力发电的打桩作业、风机安装和桩柱、桩锤等物料附属设备的运输。现代风电工程船将起重船、海上作业平台和运输船、抱桩机以及生活供给船的各项功能完美地融为一体,便于出海独立工作和工作人员持续近月余的生存。另外还装有先进的动力定位系统和自动控制系统,操作灵活自如,可以独立完成上述桩的安装作业和运输任务,全过程无需其它船舶协助。


图2 现代打桩船的漂浮状态


海上风电场施工难点之一是桩柱的安装。将直径3~8米重达500~2000吨甚至更大的桩柱用桩锤强力打击插入水下泥中,即所谓“打桩”,不仅需满足桩柱的吊高(80~120米左右)、吊重和位置的要求,还要保证桩柱的垂直度,即垂直于海平面。需要指出,因为抱桩机是安装在船体上,因此要求船体在打桩全过程不能移动,过去曾用抛锚绞车等来稳定船体的办法由于它是柔性系统,无法保证船体固定不动,不适用于风电打桩作业,早已被淘汰。当下可行之途有二,其一是将打桩船自身带有桩靴的桩腿深深插入泥中使其在海上风浪涌袭击下保持稳定,其二令打桩船的船体(其实为一中空浮体)“座底”,即下船体(中空浮体)坐在水下泥层面上,由泥层和下船体承载船的重量并依靠与泥层的摩擦力以及同时插入泥中的小桩(无桩靴)保持水平方向的稳定。

  

由于船体座底后又引发一系列新麻烦(见以下叙述),因此,目前,世界上的打桩船,都采用前一种方式即插桩来稳定自身即所谓插桩式打桩船


图3 现代普便采用可抬离水面的插桩式风电安装船


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插桩式打桩船的难题和缺点

由于开发海上风电,是近十年左右的事,比较年青因缺乏实践,对不能迅速插拔桩是采用插桩式打桩船的一大难题,普便认识不足。因而已登埸和将要登埸的数十艘海上风电打桩船,无一不是插桩式。近年,当风埸上数十根桩需要迅速完成栽入任务时,若不能迅速插拔桩将严重影响生产率提上开发海上风电企业的议事日程。普便认识到它是这种安装船自身无法克服的重大缺点。为了说明该点,先谈谈国内外广泛采用的插桩式打桩船的作业过程:

  

如众周知,目前,国内外海上风电装置由于盛行用3~8米直径、厚50~100毫米重达500~2000吨或更高的单桩柱插入海面泥中数十米(即所谓“打桩”),以支承海上风力发电装置(重150~300吨)和承受风压以及涌浪冲击。打这种巨大的桩,如上己述,用锚和缆绳定位的传统打桩船因自身不稳早已被弃用,新诞生的插桩式打桩船的特点是:自身也用桩腿插入泥中(调遣时拔出),并配有起重机和打击力强大(200~400吨米)频率高(30~50/分)的特殊桩锤,以及抱桩机等附属装备。此外,如大家己看到:为了减小海上涌浪对打桩船船体的冲击(冲击力视不同船型可达3000~4000千吨,为躲避此力,用桩腿将打桩船的船体稍抬离水面约4~5米,以令涌浪从其下方穿过),为了满足桩柱垂直度的要求(不成文的规定;桩柱垂直度控制在3‰),必须稳定打桩船,其自身多采用长几十米的大直径(3~4米)桩腿和端部的巨大桩靴插入泥中(软质土壤条件下可能需20~30米)以承受其自重,并稳定它在水中的位置(见图3)。

  

这种插桩式打桩船,虽能较好的实现打桩作业,但作业程序复杂严格,例如:总重达2万吨大型风电工程船(包括外载5000吨),它每只桩腿插到位后,仍需经过加载“预压”工序以保证它有高可靠的地基承载能力。每只单桩预压载荷常需正常承压的一倍(8000~10000吨),为此需先将船体注水,以增加自重,这种设计主船体需具备很大容积的压载舱,对大型打桩船往往难以实现,此时只能采用对角压载的方法完成预压(同时只压两只桩),对主船体结构提出很高要求,导致结构很厚重。而且桩靴必须座落在承载能力为80~100t/m2的硬质土层或者密实的砂层上,才能为船体提供有效支撑,这种优质的地基条件往往需要在海底以下数十米才存在,打桩作业完成后,再拔出被泥砂覆盖的桩靴。这些工序必须一丝不苟认真进行,否则打桩过程船体将会出现地基穿刺,导致歪斜甚至倾翻大祸。要知道现代插桩式打桩船插入泥中的桩靴面积至少为100平米,而桩腿直径为4米左右,两者截面的面积相差六倍,拔桩时,桩靴上覆盖的十几米砂土重量会带来巨大的下压力,拔桩时还要克服这些土体与周围土体相互间的摩擦和粘附载荷,以及桩靴底部上拔时产生的负孔隙水压形成的吸附力和粘聚力,需巨大拔起力。视不同土质,为消除负孔隙水吸附力和底部粘聚力,常常先要用高压水冲桩,以联通桩靴底部孔隙和外界海水,而在泥中插深较深时,外界水不容易补充进来,这种联通更为困难。在特殊情况下,甚至可能冲不动桩。例如:每只桩腿视土质和需插入深度,(20米左右),通常其插入力需2000~3000吨,然后需加1倍于插入力进行“压桩”作业(视土质需保持12~24小时),如果碰上粘性土壤产生粘附力吸注桩靴,常使拔桩力远大于压桩力。有时,千方百计仍拔不出,不得已只好割掉,这是令操作者最为痛心,也是这种插桩式打桩船的致命缺点。

  

还应提到:插桩时,船体本身重量(即便加水)往往不足同时压四只桩以完成预压载,这时,如上文已指出,常使用对角压载(同时只压两只桩),则对船体结构强度提出很高要求,增加了船体结构重量。拔桩时要借用船的浮力,只能一只一只的进行。这些作业耗时久又费力,若不顺利时,插拔需数日、1~2周,甚至更长。

  

在举国上下一派创新热潮的鼓舞下,上海振华重工公司发扬一贯敢于创新,敢于担当,敢为世界先的大无畏精神,积极研发设计了取消桩靴,提高作业工效(提高工效至少一倍),增大市场竞争力,从而增加企业效益的举世无双的“座底抬升式海上风电打桩船”,它涉及海上洋流、海洋地貭、受压容器等诸多方面,我们请教了海上地质专家、海上风浪涌方面专家、曾设计海上座底建筑物的专家等,结合振华重工曾设计制造了多艘插桩式打桩船的经验,设计了这艘取消桩靴的新型座底自升式打桩船(见图4)

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型座底自升式打桩船的性能和基本构造

下图示出座底自升式打桩船的全貌示意图,表中列出了建议的技术性能参数。


图4 新型座底自升式打桩船的外形示意图和基本参数


图4 新型座底自升式打桩船的外形示意图和基本参数


图5 新型无桩靴的座底自升式打桩船的座底状态示意图


新型座底自升式打桩船继承了传统插桩式打桩船全部功能并实现了其技术参数,从外观上看它们的差异是:取消了桩靴和增加了下浮体。在漂浮状态时,下浮体收入船体之内,可以短程调遣也可以拖带远航如图4所示,在工作时,仍由安在下浮体上的四只腿,将它抬离水面4~5米,以减小风、浪、涌对它的冲击(见图5)。

  

目前世界盛行用单桩柱支承发电装置。单桩柱大约在800~2000吨左右,(各别有超过2000吨)。国内目前,则不超过1000吨,估计,在若干年内国内会出现超过2000吨重的大桩柱,本座底船起重量视幅度可达2000~2500吨,其它技术各参数:如可在水深10~50米下工作,有动力定位装置可调遣移动,有3000~4000平米置物面积,有供100人的生活条件,以及直升飞机平台等等,请见示意图所示,这里不再贅述。其技术参数,完全满足国内外市场需要。在十年内不致落伍。


图6 “座底自升式打桩船”上船体俯视示意图


从示意图上看,它与传统插桩式打桩船完全相同,用安有齿条升降机构的四只直径约4米的桩腿将上船体与下浮体联在一起(见图4),需要提到:座底式打桩船的桩腿是不插入泥中的,因而,每只腿上面的齿条也不会沾泥砂,对齿轮驱动机构将起良好的保护作用,再经特殊热处理,基本可实现与整机同寿命。

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座底式打桩船的优点

必须指出:本“座底自升式打桩船”的突出优点是既座底又将上船体抬离水面4~5米,这是命名“座底自升”的原因,是迄今为止世界首创,也是本设计有别于过去所谓座底打桩船的重大区别。如行家周知,不将上船体抬升离开海面,则无法解决海上洋流涌浪的袭击,这也是己有所谓座底打桩船,只宜在滩涂性貭浅水中作业不宜进入有暗流和涌浪等水域作业,此为它因适用性狭窄以至不受欢迎得不到发展的重要原因。

  

还需指出:座底自升式打桩船有别于插桩式打桩船的特征是没有桩靴(见图5)。首先谈谈有无桩靴的优劣。插桩式打桩船每根支承桩的底部均安装有桩靴它的作用是扩大支承面积,以支持打桩船高达1.5~2万吨的自重和外加载荷,若没有桩靴,无论插多么深,仅靠桩与土的摩擦力,是无法支承如此庞大且重的船体。

  

若取消桩靴改为座底式,船的自重是否将全部落在泥面上?海底泥面能支承如此重的船体吗?其实不然,因为座底物是个具有巨大排水量的中空浮体(见图7),从某个意义上说,是这个浮体承受着打桩船的大部分自重(本设计下浮体其排水量共达15000吨以上,四根桩柱仍有近2000吨浮力未计),船的自重减去浮力剩余的重量,才是压在泥面上的力。调节浮体内水量,就可调节其对泥面的载荷。即是泥面上并没有承受船的全部自重,而是部分分载荷,它视不同土质的承压能力可予以调节。

  

座底打桩船取消了插拔困难的桩靴:首先是“打桩”作业全过程,无插拔压桩靴之“苦”,大大提高工效。其次是对海底土的单位面积压力可调节,因而能适宜各种土质,特别是软粘土甚至淤泥土质条件的打桩作业,即对海上风场作业不同土壤的适应性强。其三是桩腿上无桩靴,也不需对桩腿端的桩靴预压(尤其是对角预压载),不只减小了作业时间,也取消了为预压而加强船体结构,简化了船体结构。综合各项优点,其生产效率提高至少一倍甚至更高,从而大大提高其市场竞争力和经济效益。本“座底自升式打桩船”是世界首创,能更好地为我国开发海上风电试验服务。

  

以下回答几个伴生问题:


(1)在下浮体座底后,微沉入泥中,下浮体是否照旧存在浮力?

按照土力学理论,平台下浮体座底后浮力是存在的,原因是海底土壤内部实际上是由土颗粒和空隙组成的,内部存在肉眼看不见的大量孔隙,如同海绵一样,如图7所示。海底的粘土、淤泥等基本都是饱和土(所有孔隙都被水充满),并且含水量非常高,可以高达50%~100%。最重要的是,这些孔隙水通过空隙与外界(海洋)的水是相联通的。因此,海水中的静水压力分布不受土层的影响,如图7和图8所示。因此,下浮体座在海底时,浮体上下表面仍然存在静水压力差,与在海水中一样,从而保持浮力不变。该结论为土力学最基本的结论之一,得到了大量文献和试验的验证。因此,该平台在座底时,下浮体可提供足够的浮力来减轻座底时海底的压力。

图7 土壤的三相组成示意


图8 海底静水压力分布

  

(2)作业完成后如何脱底上浮?

所有与海底土壤接触的结构在上拔时受到海底吸附力的作用,座底船亦然。但有所不同,因为收拢下浮体时,上船体已沉入水中,全船重量皆由上船体的浮力承担,泥层的粘滞力和瞬时局部真空等阻尼作用一般远小于浮体的上浮力,只要排水,浮体可产生1.5万吨巨大浮力即可令下浮体脱离泥层的约束上浮。但也可能有个别情况,即遇到粘滞力特别强的“黄泥巴”土,这时可通过本船备有的高压冲桩系统冲水,或利用四只脚上齿轮系统增加上拔力等措施仍会顺利解决。

  

(3)如何保持下浮体刚性?

本座底船的由钢管构成的下部浮体是个长约70余米,宽36米,高8米的长方形,具有足够大的刚度和强度,其受载后的变形在允许范围之内,己另作校核。由于海底情况复杂,本设计接地面积3000平米是理想情况,实际接触随时间多少有个调整过程(水中泥受压后会流动)由小而大再趋于稳定。其次,四腿是集中载荷不是压于浮体钢管上,而是框架上,为此,下浮体在结构上作了使浮力和载荷较均匀分布措施等等。

  

(4)如何适应有坡度即在斜面上或凸凹不平的场地工作?

座底船的上船体与下浮体通过四只直径为4米的圆筒型桩腿相连接,桩腿的上端被圆形长约六米筒状导向约束,只可作伸缩运动,而下端则用铰接与下浮体相连见图9。


图9 桩腿球铰安装示意图

  

目前揷桩式风电的安装适用于50米以下的水深,风场位于滨海大陆架以内区域,外围深度小于200米。根据资料,大陆架坡度平缓,平均坡度只有1:500。因此座底自升式打桩船作业斜度不会很大。即便如此,该船设计时仍然考虑了坡度的影响,在桩腿和下浮体连接处创新地使用球铰连接方式。至于小凸凹不平地面,因下浮体由大直径钢管构成,刚性极强,不足惧。

  

(5)如何减少齿条传动机构摩损,延长使用寿命?

这是个凡采用齿条传动的插桩式打桩船均感到棘手的问题。有幸的是座底式打桩船的齿条传动机构不似插桩式并不伸入泥中,因而齿面干净,永不会出现因带泥砂而研磨齿面,加之,我们在齿条设计、热处理和润滑方面均采取特殊措施,力争这个系统与整机同寿命。

  

(6)如何调遣到海上风场的固定桩位?

座底船虽由上船体和下浮体两部分构成,但调遣时,下浮体收入上船体之内,与一般航行船无异。按DP2的要求,本机装有4+1只舵浆,2只在前3只在后。每只功率1500KW 它的强大能力可以保证在允许作业的风速(六级风)和浪高(1.5~2米)情况下,自行驶至海上风场的下一个桩位。

  

(7)如何对待恶劣天气?

如众周知:海上航行船在作业时,遇到恶劣天气的传统作法是移泊到锚地,顺风抛锚等候天气好转。即便己停靠码头,也要解缆移泊到锚地。对于插桩式打桩船,因拔桩困难,迅速移泊几无可能,而对于座底式打桩船,如前己叙,它将如一般船泊一样,可迅速转移至锚地或其它指定场所,不惧恶劣天气,这也正是它的另一个优点。

  

(8)如何处理暗流“冲砂”

座落在某些疏松沙土上的不规则建筑物,常因水下暗流的渦旋作用冲刷沙层甚至淘空而使建筑物倾斜产生大事故。

  

由于“扫海”时,己摸清土层情况,遇到这种沙层,我们基本上采用如下措施以防止“冲砂”现象:首先是提高浮力,减小座底力,然后令小桩插入沙中,保持抗水平力的能力,其三是在外围的浮桶间加装可插入泥中约2米的可拆卸的波形扳,它可有效保护承载面上的砂,不致被冲走(见下浮体构造图)。需要提到,在下浮体外围安装的波形版,能极有效的对抗“冲砂”,但当下浮体收入上船体之后,它凸出于下浮体之外,在完成一个风埸作业需转移时,可将它拆下,以减小拖航阻力。

  

同时加强管理,因这时剩余座底力不大,下浮体基本半悬浮在水中如半潜船,又贴近在泥面上,退一万步讲,即便边缘沙层被淘空也无惧,根本不可能倾斜。

  

总之“座底自升式风电打桩船”,是上海振华重工公司总结了生产多艘插装式打桩船的经验,综合各用户和专家的宝贵指教,拟定的初步方案,现示出聆听领导、专家和业内同行指教,以使它更加完善,为广大用户服务。


来源:海工新产品新技术(公众号)

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