包覆法鋼樁水下防腐修復自動化施工技術與裝備方案

張繼彪，李靖

（中交第三航務工程局有限公司，上海 200032）

0 引言

目前已有許多碼頭鋼管樁到了防腐修復期，且隨著時間的推移，會有越來越多的碼頭鋼管樁和海上風電水下基礎進入維護修復期，而目前全世界范圍內的鋼管樁水下防腐修復均為全人工操作，施工條件極為惡劣，因此會受到很多因素的限制。目前尚沒有任何防腐修復類自動化成套設備應用于鋼樁水下防腐修復的實際工程之中。

隨著越來越多的水下鋼樁基礎進入維修保養階段，相應的自動化施工技術與設備的市場前景也越來越廣闊。由于人工施工的效率低，鋼管樁的二次修復效果不佳，且潛水員施工的成本越來越高；另外，國家大力推行的《中國制造2025》及新技術的發展，如智能化、新工藝、新材料的發展，開發自動化鋼樁防腐修復設備的需求也會越來越強烈[1-7]。本方案是采用自動化手段把防腐材料在水下實現包裹，完成鋼管樁水下防腐修復施工作業，經檢索，目前為止未見任何相關報道。

1 施工工藝及總體方案

1.1 施工工藝

目前大多采用的防腐修復手段主要有2種：一種是表面清理干凈重新噴涂防腐涂料，另外一種是采用包覆材料把水和空氣與鋼管樁隔離的物理防腐手段。由于采用防腐涂料噴涂的工藝進行鋼管樁防腐修復，其噴涂過程中風干、防爆、稀釋劑回收及環保等一系列的問題依然很難解決且成本極高。相比之下，目前市面上采用包覆的方法進行物理防腐來代替傳統的噴涂防腐，其實現自動化設備施工作業的可能性更易實現，且成本也可大大降低。因此，針對包覆材料物理防腐的自動化施工工藝需要進行深入研究，并開發實現其功能需求的自動化設備。具體施工工藝流程是：鋼管樁表面處理—自動包覆設備固定—包覆防腐層—包覆保護層—設備脫離—防腐材料固化。

1.2 總體方案

根據施工工藝防腐修復要求，結合包裹材料特性，研究的防腐材料自動化包裹機構，設計了自動化包覆設備總體方案。由于防腐材料的包裹不需要在干式環境下進行，因此設備主體結構不需要形成密閉空間。此方案采用3片弧形框架打開閉合的方式，包括1片225°異形固定瓣（艉段）和2片67.5°弧形活動瓣（艏部），構成1個繞樁環形框架，弧形框架間不需要密封；且在每片弧形框架上部設浮力倉，確保本套設備在海水中具備自浮性，包覆法鋼樁水下防腐修復施工自動設備總體方案見圖1。由于主體結構不具有自航能力，因此需要其他輔助機構來輔助抱樁、脫樁。輔助機構把主體拖至目標位置，再由主體結構關閉左右2片活動瓣。待抱樁完成，通過2個啟閉油缸鎖死2片活動瓣，再撤出輔助設備。包覆作業全部完成時，主體打開2片活動瓣，在輔助機構的輔助下，完成脫樁，并拖至下一個待施工位置。

圖1 包覆法鋼樁水下防腐修復施工自動設備總體方案圖Fig.1 General scheme of automatic equipment for underwater anti-corrosion repair construction of coated steel piles

主體結構基本尺寸：型長3.50 m；型寬3.50 m；結構總高5.50 m；弧形翼最大開口寬度1.60 m；樁徑φ1 200 mm；作業高度3.50 m；作業水深≥5 m。

輔助機構示意圖如圖2所示，輔助機構具有兩大主要功能，輔助抱樁和輔助脫樁。該機構具有的主要動作為起伏動作、升降動作及旋轉動作，幫助包覆機構完成直樁及斜樁的抱、脫樁工藝。該機構分別由幾大部分構成：一艘具有自航能力的小船、變幅架、升降架以及旋轉架等。變幅、升降及旋轉動作都是由油缸控制完成。輔助機構通過1根圓管與包覆機構上的卡槽相連接，圓管兩側安裝有限位裝置，防止設備旋轉時，包覆機構從設備上脫落。

圖2 輔助機構示意圖Fig.2 Schematic diagram of auxiliary mechanism

輔助機構參數：變幅架（前+/后-）：+18°/-12°；旋轉架（左右）：±25°；升降架（行程）700 mm。

1.3 抱樁方案

包覆法鋼樁水下防腐修復施工自動化設備抱樁時，采用施工輔助船的起吊裝置吊起主體設備，左右活動瓣弧翼打開到預定位置，內部工作平臺回到設備頂部的起始位置，其圓周軌道翻起，形成進樁開口。設備調整到合適位置，主體左右弧翼的啟閉根據指令由甲板上2個單出桿雙作用油缸驅動完成需求的動作。2瓣弧形翼的啟閉口設制4個被動式垂向運動的聯動鎖扣完成閉鎖和開啟，其執行元件為2個設于主體甲板的單出桿雙作用油缸通過傳動系統來實現。針對潮位漲落引起的水位差，設備主體抱樁后的垂向運動約束采用甲板及底部兩層水平設置8個定位油缸頂實現自動包覆設備主體與樁身的固定，完成設備的抱樁動作，包覆法鋼樁水下防腐修復施工自動設備抱樁過程見圖3。

圖3 包覆法鋼樁水下防腐修復施工自動設備抱樁示意圖Fig.3 Diagram of automatic equipment for construction of underwater corrosion repair of coated

1.4 施工作業水域與工況要求

作業水域：近海、鋼管樁潮差段區域。

海況：流速≤1.0 m/s；風力≤5級（蒲氏）；波高≤0.80 m；水深≥5.00 m。

鋼樁間距：為保證包裹作業機構能順利進入并完成抱樁作業，直徑1.2 m鋼樁間距需≥3.00 m。

鋼樁斜度：抱樁輔助機構中的變幅架最大變幅角度為+18°，鋼樁傾斜角度需≤18°，即1∶3。

本方案可適用于維護對象為碼頭或海上風電直徑為1 200 mm，間距不小于3 m，斜度不大于1∶3的所有水下鋼樁基礎。

2 包覆法鋼樁水下防腐修復自動化設備關鍵技術研究

包覆法鋼樁水下防腐修復施工自動化設備能否實現自動化施工，主要取決于內部工作平臺能否實現自動包覆的工藝動作，對于包覆法鋼樁水下防腐修復施工自動化設備的研究必須解決以下關鍵技術：

2.1 內部工作平臺設計

由于系統的工藝過程以及工藝要求決定了系統要實現的功能，首先要實現抱樁工藝要求，則內部行走機構要滿足抱樁和脫樁工藝動作，故內部工作平臺必須為可圓周行走，且有一定的開口，使鋼樁通過開口順利進入內部，其次由于防腐層和保護層的包裹等工藝動作均自動完成，而完成該動作，必須實現對鋼管樁360°圓周面進行作業，故包裹機構不僅要能圍繞鋼樁做圓周運動，而且還要可沿著鋼樁軸線方向上下移動。

內部工作平臺圓周方向運動導軌采用三段式，其中兩段采用包樁后翻轉的方法來實現整個圓周導軌的成形。防腐材料包裹機構設計成一個周圍行走的小車，小車上集成包裹機構，防腐材料包裹小車可在工作平臺上沿圓周導軌實現360°圓周行走，內部工作平臺方案見圖4。

圖4 內部工作平臺示意圖Fig.4 Diagram of the internal working platform

2.2 螺旋包裹軌跡設計

內部工作平臺工作時，集成了包裹機構的圓周運動與上下行動，圓周運動的小車與環形導軌間采用齒輪的方式行走，上下運動采用鏈輪與鏈條的方式行走，可以避免滾輪打滑現象，以精確控制其移動距離與速度。根據帶形防腐包覆材料的寬度，再結合鋼樁的直徑，設計上下和圓周行走的速度，從而達到螺旋式包裹功能，且通過調整上下和圓周行走的速度可以控制螺旋軌跡的螺距。圓周和上下行走機構驅動軸上分別安裝旋轉編碼器，實時監測和控制運行速度，以便使螺旋行走軌跡滿足設計要求。

此外，所有驅動均采用伺服電機驅動，電池作為圓周運動小車的動力電源，上下行走現場取電，施工作業時可以避免包裹小車圓周行走帶來的繞線的麻煩。在包裹作業前或包裹作業完成后，包裹小車回到工作平臺的初始位置，而工作平臺回到設備頂部的初始位置，此位置有一個防水自動對接接頭，能夠自動完成充電對接，確保包裹作業時有充足電能供包裹小車完成施工作業。

3 結語

包覆法鋼樁水下防腐修復施工工藝的提出以及自動化包裹施工技術和設備的總體方案、相關關鍵技術的設計與研究，填補了目前包覆法水下鋼管樁二次防腐修復自動施工技術及裝備的空白。提出的包覆法鋼樁水下施工技術與自動化裝備的技術方案，有效解決了帶形防腐材料在水下鋼管樁上自動化施工的技術難題，為后期的設備開發研制明確了研究目標與方案形式，已申請國家專利進行知識產權保護（專利號：201810403149.2）[8]。本方案目前還處于前期方案設計階段，仍有諸多關鍵問題、技術難點需要解決，課題組將針對本方案中存在的問題與技術難點進一步深入研究，爭取早日成功研制出適用于我國海域環境的鋼樁水下防腐材料自動化包覆成套裝備，應用到實際的鋼樁防腐修復工程之中，為實際工程提供解決思路和技術保障，可對水下鋼樁基礎的易銹蝕、后期維護和檢測困難、修復費用高等問題，提供高效手段和平臺。成果對碼頭、橋梁及近海風電場等水下鋼樁基礎的安全和使用壽命的延長有著重要的意義，具有重大的市場推廣價值。