风电安装船用纠偏式抱桩器液压系统

　　摘要：研究提出了海上风电安装船用纠偏式抱桩器液压系统的设计方法, 提供了纠偏式抱桩器机械结构方案与液压系统方案, 介绍了液压系统各组成部分的性能与作用, 并且基于海上风电安装工艺, 详细阐述了纠偏式抱桩器液压系统的工作流程, 实现了抱桩器的对中、抱桩、纠偏、导向功能。该产品的研究与开发, 提高了抱桩器产品的综合性能, 促进了我国风电安装装备的发展。

　　关键词：风电安装船; 抱桩器; 液压系统; 纠偏;

　　Abstract：The design method of hydraulic system is put forward of rectifying type hold pile machine in the offshore wind power installed marine. The structure scheme and hydraulic system scheme of hold pile machine is provided. This paper introduces the performance and function of the components of hydraulic system, and based on the offshore wind installation process, this paper elaborated the rectifying type hold pile machine working process of hydraulic system in detail, achieves the alignment, hold in the pile, rectifying and guidance function of the hold pile machine. The research and development of this product has improved comprehensive performance of hold pile machine and promoted development of wind power installation equipment in China.

　　Keyword：Offshore wind power installed marine; Hold pile machine; Hydraulic system; Rectifying;

　　风能是取之不尽用之不竭的清洁能源, 而风力发电较其他新型可再生能源发电相比的优势在于技术相对成熟、单位发电功率成本低、单机发电功率高;而与传统的火力发电相比, 大幅减少了有害气体的排放、降低了环境污染。随着各国对环境保护问题的不断重视, 风力发电得到了青睐, 也随之发展起来。我国海岸线绵长, 具有开发大功率海上风电的天然优势, 其中东部沿海地区风力资源丰富, 其风能总量约是陆上的3倍, 具有广阔的发展前景[1-9]。

　　海上风电安装用抱桩器装置欧洲研究和开发的时间较早, 其中主要有荷兰的Ulstein Equipment公司开发的可翻转式抱桩器, 英国的Houlder公司开发的直径7 m抱桩器安装在MPI起重船上, 荷兰的TMS公司开发的可适应不同直径桩柱的抱桩器, 荷兰的KCI公司开发的可平行移动对中抱桩器。

　　国内的海上风电安装随着国家对海上风电产业的政策支持逐渐起步与发展, 安装船及辅助设备的制造刚刚起步。2007年中海油投资建设的第一座海上风电站正式投入运行, 这是世界上首次采用海上风电为海上平台供电, 是我国海上风电发展的一个里程碑。随后哈尔滨工程大学[10]和振华重工先后研究和开发了抱桩器并得到应用[11]。

　　上述抱桩器装备各自拥有独特特点, 能够适用于不同条件下的风电桩的安装, 随着风电装机功率的不断提高, 桩柱直径与高度也不断增大, 对抱桩器设备提出的要求越来越复杂。

　　1、纠偏式抱桩器系统方案

　　海上风电机组主要安装在浅水海域或潮间带, 一般水深不超过20 m, 其风能资源丰富并且便于安装与维护。单桩基础类的海上风机, 其桩柱通常由三部分组成, 分别为基础桩、过渡段、塔筒、机舱、叶片。第一部分基础桩的安装需要抱桩器进行配合, 其长度一般为30~70 m, 直径约为3~8 m, 重量最大500 t以上, 其中约30~40 m被插入海床以下, 确保具有足够的抗拔、抗弯能力。第二部分过渡段作为调整段, 调整桩柱的垂直度及高度, 确保满足发电设备的安装要求。第三部分是风电机组核心的发电部分, 将风能转化为电能。

　　海上风电较陆上风电施工难度更大, 成本更高, 而其中第一部分基础桩的安装成本就占总成本的1/3以上。海上风机由于安装于海上, 其自然条件更为复杂, 会受到海浪、潮汐、强风等不定因素的影响, 并且海床组成材质复杂, 基础桩安装中易受上述因素影响而产生偏斜, 最终影响上部设备的安装甚至产生弃桩。因此, 施工前海床地质分析是必要的, 而后根据分析结果制定打桩工艺, 考虑到基础桩垂直度要小于4‰, 抱桩器设备的采用是十分必要的, 抱桩器在打桩中提供导向及纠偏功能, 一旦在桩柱入泥一定深度后出现偏斜将无法纠正, 只能弃桩[11], 造成巨大的损失。因此, 研究具有纠偏功能的抱桩器具有重要的意义。

　　1.1、纠偏式抱桩器机械结构方案

　　纠偏式抱桩器采用上下两层臂结构, 且抱桩器平台可前后、左右移动, 满足5~8 m直径的桩柱的抱桩、纠偏操作。结构如图1所示。

　　1.2、纠偏式抱桩器液压系统方案

　　根据纠偏式抱桩器的设计要求与实际工况, 设计液压原理如图2所示。纠偏式抱桩器液压系统包括液压站、纠偏油缸、触头油缸、定位油缸、锁臂油缸、开合油缸等。

图1 纠偏式抱桩器结构

图2 纠偏式抱桩器液压原理

　　纠偏式抱桩器液压系统各部分组成与功能:

　　第一, 液压站。

　　液压站为各油缸提供动力油源, 主要包括两组主泵及高压过滤器, 一组应急与循环泵, 一台回油过滤器, 一台冷却器, 液压站阀组及其他相关附件。

　　主泵组为各油缸供油, 主泵选用远程控制型恒压变量泵, 当系统中需要不同的供油压力时, 通过主泵远程压力控制的比例阀设置主泵的压力设定值。

　　应急与循环泵当系统正常工作时始终处于低压循环工作状态, 通过回油过滤器与冷却器对油箱内的油液状态进行控制。当系统处于应急状态时, 经过换向阀将高压油送入主系统, 并手动操作相关的换向阀实现大臂开合系统油缸的运动。

　　第二, 纠偏系统。

　　纠偏系统完成抱桩器平台的前后、左右平移与纠偏, 主要包括一组纠偏油缸及油缸控制阀组。

　　X方向纠偏油缸完成平台的前后移动及纠偏。在前后大范围移动时, 控制器通过X方向纠偏油缸位移传感器信号, 控制X方向纠偏油缸动作, 平台在前后方向逐级运动。

　　Y方向纠偏油缸完成平台的左右移动及纠偏。在左右大范围移动时, 控制器通过Y方向纠偏油缸位移传感器信号, 控制Y方向纠偏油缸动作, 平台在左右方向逐级运动。

　　第三, 大臂开合系统。

　　大臂开合系统完成抱桩器上下层桩爪的开合、锁止, 主要包括两组开合油缸、两组锁臂油缸及油缸控制阀组。

　　开合油缸上下层桩爪各一组, 完成桩爪的开合。当开合桩爪到指定位置时触发限位开关, 停止运动。

　　锁臂油缸上下层桩爪各一组, 当桩爪闭合至指定位置后完成桩爪的锁止, 使打桩过程中桩爪受到打开方向的力由机械结构承受, 保护开合油缸。当锁臂油缸伸缩到指定位置时触发限位开关, 停止运动。

　　第四, 触头抱桩系统。

　　触头抱桩系统完成抱桩及承受打桩过程中的冲击力, 主要包括一组定位油缸, 两组触头油缸及油缸控制阀组。

　　定位油缸上下层桩爪各一台, 当桩柱直径确定后, 控制器通过定位油缸位移传感器信号, 控制油缸伸出到指定位置, 作为桩柱吊入的参考定位点, 并且在打桩过程中承受桩柱的冲击力。

　　触头油缸上下层桩爪各一组, 当桩爪闭合后伸出触头油缸, 碰触到桩柱后锁止, 在打桩过程中承受桩柱的冲击力。同时, 在纠偏时纠偏系统的纠偏力通过触头油缸传递至桩柱。

　　为便于操作人员精确控制各油缸位置, 确保纠偏、定位与抱桩位置的精确可调, 特设置了微动开关 (微动调速阀) , 油缸需要大范围运动时, 可按正常速度运行, 当接近目标时, 可以切换到微动工况, 低速运行接近目标, 便于操作者观察与操作。

　　1.3、纠偏式抱桩器电气方案

　　纠偏式抱桩器电气控制柜与操作台设置在抱桩器平台上, 可单独或同时控制上、下抱桩器的动作, 本地操作台配备人机交互界面, 实现各传感器信号状态显示、限位开关状态显示、蝶阀开关状态显示、故障显示和定位油缸位置设定、纠偏油缸位置设定。同时, 配备了手持式无线远程控制器, 方便操作者在安全的区域进行遥控操作。

　　2、纠偏式抱桩器工艺过程设计

　　纠偏式抱桩器具备对中、抱桩、纠偏、导向等功能, 并且纠偏能力满足直径8 m桩柱的需求, 其打桩流程如图3所示。

　　大纠偏力抱桩器分上下两层, 每层有独立的控制站均设置于抱桩器平台的本地操作台上, 每层的控制系统功能类似。限于油箱容积及液压泵功率, 通常每次只允许某层的一个或两个油缸同时动作, 其余油缸保压锁定待命。每次抱桩操作前, 需先确认桩体直径, 根据不同直径, 设定定位油缸位置, 为桩柱的吊入进行大致定位, 由操作者在控制台输入桩柱直径, 将定位油缸动作选择旋钮旋至自动档位, 并按下自动定位按钮, 定位油缸自动运行到指定位置。此时吊入桩柱至抱桩器中心位置, 而后进行抱桩操作。

图3 纠偏式抱桩器工作流程图

　　抱桩工作由每层抱桩器开合油缸、触头油缸、锁臂油缸等组合动作实现。开合油缸实现桩爪的闭合与打开, 当桩爪打开后可进行桩柱的吊入与退出抱桩器动作, 当桩爪闭合后, 锁臂油缸伸出将桩爪锁止, 触头油缸伸出、缩回实现触头的运动, 由操作人员调整触头接触到桩柱后停止。上述操作实现桩柱的初步定位与抱桩, 确保入泥前桩柱的垂直度。此时, 抱桩器的抱桩动作结束, 设备已进入打桩准备状态。

　　抱桩器平台的对中运动与纠偏均由纠偏油缸实现。纠偏系统控制抱桩器平台的前后、左右移动, 可以同时操作实现斜向移动。由操作控制伸出、缩回按钮实现油缸向外向内动作。当打桩时, 由于桩柱各处会出现受力不均状态, 因此可能会产生桩柱的偏斜, 产生偏斜后, 触头油缸会顶住桩柱防止倾斜, 当产生较小倾斜时, 上述的油缸中的一个或几个会被压缩, 安全溢流阀会溢流保护系统安全, 当倾斜角度达到一定值后, 需要系统进行纠偏。当打桩过程中出现桩柱偏斜情况时, 停止打桩, 通过纠偏油缸的运动进行大推力的桩柱纠偏, 待桩柱恢复到垂直状态时再继续打桩, 确保桩柱的安装质量。即便本系统设置了大吨位的纠偏系统, 但纠偏能力仍有限制, 因此现场作业时, 仍要在打桩初期将桩体垂直度调节到位, 否则就会造成桩体倾斜而抱桩器无法纠偏的状况。而且需要打桩过程实时监控桩体垂直度, 尽量将纠偏作业控制在打桩前期。

　　其中, 在海上施工时, 当桩柱吊桩到位后, 缓慢等桩柱自沉到位, 启动纠偏油缸进行打桩前的初次纠偏, 待桩柱垂直后锁定抱桩器平台位置。触头油缸抱紧桩柱, 开始打桩。注意, 锤启动时, 抱桩器一定要脱离桩柱一定间隙, 确保桩柱的震动不会传递到抱桩器, 否则液压油缸及管路极易损坏。

　　3、结论

　　风电安装船用纠偏式抱桩器作为风电安装过程中必不可少的装备, 其工作性能直接影响风电安装施工的可靠性与高效性。本研究针对传统抱桩器设备不可平移对中、纠偏能力不足的问题展开针对性的设计, 通过增加了大吨位的纠偏系统, 不但可以在桩柱位置对中过程中灵活调整, 也可以在桩柱偏斜时进行大纠偏力的纠偏, 确保打桩安装质量, 大幅降低弃桩率, 提高施工综合效率。该产品的研究与开发, 提高了抱桩器产品的综合性能, 促进了我国风电安装装备的发展。

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