海上風電大直徑單樁基礎浮運封堵系統設計研究*

劉玉霞，張晨天

(中交三航(上海)新能源工程有限公司，上海 200137)

0 引 言

單樁基礎為目前國內海上風電工程中使用最為廣泛的一種基礎型式，國內在建的三峽大豐、三峽莊河、國華東臺、大唐濱海等風電場中均采用單樁基礎。單樁基礎從碼頭至海上風電機位的運輸是單樁基礎施工過程一個重要的環節。國內海上風電大直徑單樁通常采用運輸駁運輸，此種運輸方式需要大型運輸駁船和拖輪，船舶租賃費用高，對于缺乏合適出運基地的制樁點及淺水區，使用駁船運輸較為不便，需要探索一種新的單樁基礎運輸技術即浮運技術。

單樁浮運的基本原理為單樁在運輸前使用封堵器將兩個端口封住，使單樁內存有一定量的空氣，以保持在海面運輸時有足夠的浮力，采用拖船將封堵好的單樁基礎浮運拖拽至風場并安裝。國內對鋼管樁的浮運封堵技術也做了一些探索。王厚強將“空心鼓軸式汽車內胎充氣”的堵頭結構，用于北侖港10 萬噸級礦石中轉碼頭鋼管樁(φ1 200 mm，長度53.4～60 m，自重30 t)的運輸中[1]。吳開銳等采用充氣膠囊堵頭技術，實現菲律賓達沃電廠碼頭工工程的1.2 m 的鋼管樁運輸[2]。專利“氣囊浮運管狀構件的方法”則公開了一種在管樁內腔放置氣囊封閉或在內腔中穿入氣囊使構件滿足漂浮要求[3]。國外海上風電的大直徑單樁浮運技術發展較早，如圖1所示，并已應用于英國的愛爾蘭海Walney海上風場[4]。國外其封堵器的主要制作商為荷蘭IHC公司，如圖2所示，該公司研制的單樁封堵器有三種形式，分別為封堵器V1、封堵器V2、封堵器V3，封堵器適用的單樁最大直徑可達8 m。

圖1 國外單樁浮運技術 圖2 IHC公司單樁浮運封堵器

目前，國內單樁基礎應用較多的規格為外徑5.5～6.5 m，長度為60～75 m，重量為500～800 t。國內現有封堵器技術均用于小直徑的鋼管樁，且大直徑的充氣膠囊制造困難，無法用于大直徑單樁基礎的封堵；另外，國內鋼管樁樁頂有內法蘭和替打法蘭，無法使用國外封堵器進行封堵，且國外封堵器價格昂貴，不利降低施工成本。因此開展海上風電大直徑單樁基礎封堵系統(下文簡稱“封堵系統”)的設計研究，可擴充我國海上風電裝備，推動浮運技術在海上風電單樁基礎運輸中的運用進程，實現海上風電單樁運輸降本增效。

1 國內單樁基礎結構

以江蘇東臺某200 MW海上風電項目16#風機單樁基礎為原型，開展單樁浮運封堵器的設計研究。該單樁基礎的結構參數如表1所列，單樁基礎主要由樁頂法蘭(見圖2)、樁頂、吊耳和樁尖組成，如圖3所示。樁頂法蘭(如圖4所示)與替打法蘭(如圖5所示)通過螺栓連接，在單樁出運前安裝完成，替打法蘭在打樁時起到保護樁頂法蘭的作用，打樁后拆除替打法蘭，在樁頂法蘭安裝風機。

表1 單樁基礎結構參數

圖3 單樁結構

圖4 樁頂法蘭樣式示意圖 圖5 替打樣式示意圖

2 封堵系統設計

封堵系統主要由封堵器結構部分和控制部分組成，其中，封堵器結構、密封方式、控制方式設計及選型應作為研究的重點。

2.1 技術參數提出

封堵系統主要技術參數如表2所列，封堵系統的設計圍繞技術參數的要求開展。

表2 封堵系統技術參數

2.2 封堵器結構與密封方式設計

根據東臺某200 MW海上風電項目16#風機單樁基礎具體結構，設計樁尖封堵器、樁頂封堵器結構與密封方式。樁尖封堵器結構主要由本體、橡膠圈、油缸、壓環組成，封堵器主體外側上下分別裝有一道200 mm厚的環狀橡膠圈，該橡膠圈作用于單樁基礎內壁，橡膠圈上方均勻布置了一圈小油缸，為了使橡膠圈均勻受力，油缸與橡膠圈之間還裝有一塊壓環；封堵器本體上端設計有3個L形的鉤爪，用于安裝封堵器時鉤住單樁基礎邊緣，對封堵器進行限位。封堵器與單樁基礎內壁額定間隙為15～20 mm，可承受最大拉力為23 t；封堵器頂部預留750 mm間隙，用于安裝吊具，如圖6所示。

圖6 樁尖封堵器結構設計示意圖

封堵器與單樁基礎裝配時，將封堵器整體吊入樁尖內，開啟液壓油缸動作，壓縮橡膠圈使其產生形變，貼緊樁尖單樁基礎內壁，產生密封。橡膠圈設計為兩道，當一道橡膠圈發生泄漏時，另一道仍能正常封堵，使單樁基礎不至于沉沒，提高了安全系數。

樁頂封堵器設計時，由于樁頂為法蘭面，無法將封堵器放入單樁基礎內部，故采用外部封堵的方式。樁頂封堵器主要結構由本體、橡膠圈、油缸、壓環組成，封堵器主體內部裝有一道200 mm厚的環狀橡膠圈，該橡膠圈作用于單樁基礎外壁，橡膠圈上方均勻布置了一圈小油缸，為了使橡膠圈均勻受力，油缸與橡膠圈之間還裝有一塊壓環；樁頂封堵器利用樁頂法蘭的底面進行限位，在本體內部裝有一圈徑向油缸，這些油缸的軸位于法蘭底面下方，油缸動作時，將與軸相連的卡板送出，抵住法蘭底面，形成限位，如圖7所示。

圖7 樁頂封堵器結構設計示意圖

樁頂封堵器裝配時，將封堵器整體吊起，套在樁頂外部，先使徑向油缸工作，推出活塞桿連接卡板，將樁頂封堵器卡在樁頂法蘭下，防止其軸向運動；再使壓縮液壓油缸動作，壓縮橡膠圈使其產生形變，貼緊樁尖鋼管內壁，產生密封。

2.3 橡膠圈與單樁基礎筒壁摩擦力核算

由于從陸地安裝到海上運輸存在較大溫差，封堵的單樁基礎內部會產生氣壓變化，這部分壓力由封堵器與單樁基礎之間的摩擦力來克服。由公式：

pV=nRT

最大溫差ΔT為15 ℃，初始氣壓P0為一個大氣壓，陸地溫度T0為常溫(25 ℃)，因而產生的壓力變化Δp為：

橡膠圈與單樁基礎之間的摩擦力f為：

式中：A為單樁基礎空腔截面積。安全系數取2，則封堵器所能承受極限摩擦力為23 t。

2.4 控制設計與選型

由于相較于氣壓控制，液壓控制方式更穩定可靠，適用于海上作業，故封堵系統采用液壓方式進行控制，根據封堵器的結構型式，分別設計樁尖封堵器、樁頂封堵器的液壓控制方式，并對液壓油缸進行選型計算。

樁尖封堵器的液壓原理如圖8所示，整個液壓系統通過動力柜給兩個液壓泵提供動力，每個液壓泵驅動9個并聯的液壓油缸，每條油路上都裝有一個油壓表用于觀察油管內油壓，以及一個蓄能器蓄積壓力能以保證整個系統壓力正常，在液壓油缸進油處裝有平衡閥起保壓作用。

圖8 樁尖封堵器液壓原理圖

整個樁尖封堵器與液壓泵站之間僅有油管相連，完成封堵動作后，利用平衡閥可以實現液壓油缸的保壓，同時使用的油缸為機械自鎖式油缸，即使平衡閥泄壓，機械自鎖式油缸的油缸軸由于自鎖不會回縮，仍能頂住橡膠圈。封堵完成后便可切斷封堵器與外部泵站的連接，便于單樁基礎浮運。

樁頂封堵器的液壓原理如圖9所示。整個液壓系統分為兩個部分，樁頂封堵油缸以及樁頂徑向油缸，都通過動力柜提供動力。兩部分結構類似，通過液壓泵驅動多個并聯的液壓油缸，每條油路上都裝有一個油壓表、蓄能器和平衡閥。完成封堵動作后，利用平衡閥和機械自鎖可以實現液壓油缸的保壓，然后便可切斷封堵器與外部泵站的連接，同時使封堵器保持封堵狀態。

圖9 樁頂封堵器液壓原理圖

在利用液壓缸擠壓橡膠圈實現封堵的方式中，為了保證對單樁基礎內壁有足夠的壓力，需對液壓缸的壓力進行計算，并依此來對液壓缸進行選型。

以樁尖封堵器為例，根據封堵器橡膠圈所能承受極限摩擦力f為23 t，橡膠與鋼之間摩擦系數μ為0.8，所以得到橡膠圈與單樁基礎內壁最大壓力N為：

則橡膠圈與單樁基礎最大壓強P0為：

式中：A′為橡膠圈的與單樁基礎筒壁接觸面積。

由于橡膠圈與單樁基礎筒壁之間的間隙為25 mm，橡膠圈被壓縮后，徑向需變形25 mm，才能包裹住單樁基礎，實現密封，橡膠圈徑向變形25 mm，所需液壓缸總推力為F，經計算總推力F為1 295 kN，計算過程如下，在橡膠圈上取一微元，對應小角度θ，寬dR，如圖10(b)所示。

圖10 橡膠圈微元應力示意圖

依據廣義胡克定律：

式中：E為橡膠的等效彈性模量；ν為橡膠的等效泊松比；ε為微元三個方向的應變；σ為對應的應力。

當橡膠表面均勻受壓力F時：

1.4.1 研究方法 搜集76例自2009年10月至2016年6月于本院確診AL并經誘導治療達血液學CR后監測過MRD的成人患者資料，對AML及ALL患者在CR后3、6、12及12個月后MRD陽性及陰性組復發率及RFS進行統計學分析。

式中：A為橡膠圈水平截面積；Δh為橡膠圈豎直方向的變形量。

對圖8分析，在徑向力平衡則有：

σ3dR=dσ2R+σ2dR

對式(1)求微分有：dσ2+dσ3=0

由于徑向形變已知:

式中：Δl為橡膠圈徑向變形量；R1為橡膠圈外徑；R0為橡膠圈內徑。另有橡膠圈對樁壁的壓力設計要求P0，所以：

σ2|R1=P0

由于堵器主體限制，R0處周向應變為0，即：

ε3|R0=0

計算得：

(4)

對于橡膠材料，其剪切彈性模量G主要取決于材料的硬度，不因橡膠種類或成分的不同而有明顯的變化。

G=0.117e0.03HS(MPa)

式中:HS為橡膠的邵氏硬度。

在實用范圍內，橡膠材料的彈性模量E與其剪切彈性模量的關系可用下面公式計算：

E≈3G

選用邵氏硬度為60的丁腈橡膠，計算得E=2.1 MPa，將ν=0.499，橡膠圈設計參數R1=2 665 mm，R0=2 420 mm，Δl=25 mm，P0=42.9 kPa帶入式(4)中得到：

=-4.39×105(Pa·m2)

油缸施加總壓力為：

F=-σ1A=3.31×105×π×(2.6652-2.422)

=1 295 (kN)

由于封堵器需用壓縮液壓缸的數量為18個，故每個壓縮液壓缸的推力應不小于72 kN，故選用YS-10T型機械自鎖式油缸，其機械自鎖噸位為10 t，內徑為φ100 mm，桿徑為φ80 mm，最大行程為1 300 mm。

3 密封性試驗方案設計

由于對封堵器應進行海水環境下的密封性測試，需要動用船機設備，且單樁基礎內若產生積水或濕度大，容易造成腐蝕，故采用更便捷的空氣試驗封堵器的密封性，并設計氣密試驗管路原理如圖11所示。

圖11 氣密試驗管路原理圖

依據《壓力管道規范工業管道檢驗與試驗》(GB20801.5-2006)“氣壓試驗壓力應為設計壓力的1.15倍”，由于單樁浮運的所有工況中，封堵器受到最大壓力為75 kPa，故試驗壓力設定為87 kPa。

試驗過程中，應避免外在因素影響單樁基礎內氣壓，試壓范圍內的管道系統不可進行任何形式的沖擊負荷，如榔頭敲擊等；實驗過程中管道系統不得有任何形式的塑性變形；實驗環境應保持恒溫，利用紅外溫度計檢測溫度變化。

單樁基礎內氣壓應緩慢上升，達到試驗壓力50%時，觀察壓力表，使用發泡劑檢驗管道系統是否泄漏，檢查無誤后按試驗壓力10%逐級升壓，每級穩壓3分鐘，直至試驗壓力；至試驗壓力后應保壓與運輸作業相同的時間，每隔半小時檢測壓力表讀數，記錄壓力表讀數，并同步使用紅外溫度計測量樁身3處以上溫度讀數并記錄；依據所得數據判斷泄露情況，計算泄漏率，評價封堵器的密封性能。

4 總 結

海上風電大直徑單樁浮運技術目前國內正持續開展研究，公司申請的專利“一種用于海上單樁浮運的樁頂封堵器”(專利號201920925940.X)與“一種用于海上單樁浮運的樁尖封堵器”(專利號201920925138.0)已獲得授權。文章詳細介紹了現有常用的海上風電單樁基礎的結構型式；分別研究探索了樁尖封堵器與樁頂封堵器的各自結構；闡述了液壓控制方式原理圖，通過計算密封圈達到設計變形量所需壓力，選取了合適的油缸型號；初步提出了封堵器的密封性試驗方案，選取了試驗壓力值；能夠為今后開展海上風電單樁浮運技術提供一定的技術借鑒，進一步推動海上風電單樁基礎浮運技術的運用進程。