30 m水深裙樁式導(dǎo)管架海上安裝關(guān)鍵技術(shù)研究

王芳輝，王 浩，張志浩，馬東娜，李文文

中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司，山東青島 266555

海上風(fēng)電具有資源豐富、發(fā)電利用小時數(shù)高、不占用土地、不消耗水資源并適宜大規(guī)模開發(fā)的特點。海上風(fēng)電作為一種可再生的清潔能源，已成為世界各國能源發(fā)展的重要方向，我國也將其劃入戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。對應(yīng)我國東南沿海適宜海上風(fēng)電開發(fā)的優(yōu)勢，自然條件復(fù)雜、海上建造風(fēng)險高、海上風(fēng)電配套產(chǎn)業(yè)服務(wù)體系和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范流程等尚不健全等問題成為海上風(fēng)電發(fā)展的劣勢。特別是廣東、山東等地水深在30 m左右，介于淺水及深水之間，水文及海況條件較差，施工中存在安全風(fēng)險，加強(qiáng)對30 m左右水深海洋平臺導(dǎo)管架關(guān)鍵技術(shù)的研究，形成風(fēng)電建造標(biāo)準(zhǔn)意義重大。

1 項目概況

華能山東半島南4號海上風(fēng)電項目位于半島南風(fēng)電基地西部，山東省海陽市南部海域，風(fēng)電場場址水深29～31 m，一期容量300 MW，配套設(shè)施有：1座220 kV海上升壓站、1座陸上開關(guān)站、58臺風(fēng)機(jī)，是山東省首個海上風(fēng)電項目，具有重要的戰(zhàn)略意義。導(dǎo)管架（見圖1）高度約47 m，總質(zhì)量約1 450 t。4根樁管長70 m，入泥57.2 m。鋼樁直徑2 360 mm，壁厚40～60 mm，設(shè)計入泥深度57.7 m，樁長70.65 m。導(dǎo)管架采用裙樁形式，不同于傳統(tǒng)式淺水導(dǎo)管架設(shè)計形式。本文主要是針對30 m左右水深裙樁形式導(dǎo)管架水下插樁及打樁技術(shù)、送樁器設(shè)計及施工技術(shù)、卡裝器應(yīng)用技術(shù)、半封閉式封隔器應(yīng)用技術(shù)等海上安裝關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，可為后續(xù)類似水深海上風(fēng)電平臺及油氣平臺的導(dǎo)管架安裝提供參考。

圖1 南4號風(fēng)電項目導(dǎo)管架形式

導(dǎo)管架安裝采用“后樁法”，裙樁外套筒式的四樁導(dǎo)管架，樁與導(dǎo)管架采用灌漿連接。導(dǎo)管架海上安裝流程如圖2所示。

圖2 南4號風(fēng)電項目導(dǎo)管架安裝施工流程

2 導(dǎo)管架水下插樁定位技術(shù)

裙樁式導(dǎo)管架套筒的導(dǎo)向口位于水下17.00 m左右。裙樁式導(dǎo)管架插樁過程無參照物可以直觀插入套筒導(dǎo)管，只能通過定位技術(shù)進(jìn)行水下精準(zhǔn)插樁。通過精確的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，采用擬合法通過測量樁管底口與導(dǎo)管架套筒導(dǎo)向相對位置，來指引浮吊船絞錨、起落鉤頭，引導(dǎo)管樁靠近導(dǎo)管架套筒導(dǎo)向口，直至順利進(jìn)入套筒導(dǎo)向內(nèi)；再緩慢下放，松鉤，使之自沉，插入海床；當(dāng)鋼樁初步垂直度滿足設(shè)計要求后，浮吊船再松鉤至樁管不受力，完成插樁入位。導(dǎo)航定位系統(tǒng)界面如圖3所示。

圖3 導(dǎo)航定位系統(tǒng)示意

擬合法的具體實施方法：當(dāng)鋼管樁比較穩(wěn)定后，將全站儀架設(shè)在導(dǎo)管架平臺觀測點上，對中整平儀器，觀測上、下兩個橫切面，每個橫切面上選取8～10個點進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)實時發(fā)送到定位軟件進(jìn)行擬合處理（見圖4）。利用最小二乘原理擬合該橫切面，得到橫切面中心的坐標(biāo)及圓半徑，剔除離擬合圓最遠(yuǎn)點的觀測數(shù)據(jù)，再次擬合該橫切面，得到橫切面中心的坐標(biāo)及圓半徑，通過軟件能夠?qū)崟r計算出鋼管樁傾斜度和傾斜方位。最后，將橫切面圓半徑與樁設(shè)計尺寸對比，如果滿足要求，則認(rèn)為此次測量結(jié)果有效；否則，重復(fù)以上測量操作直到滿足要求為止。必要時，需要進(jìn)行多次測量，比較測量結(jié)果的差異以保證測量質(zhì)量。當(dāng)鋼管樁出現(xiàn)傾斜時，將數(shù)值報給指揮人員，便于調(diào)整鋼管樁的傾斜狀況。

圖4 擬合法測量樁的水平位置

3 導(dǎo)管架送樁器的設(shè)計及應(yīng)用

3.1 送樁器設(shè)計

傳統(tǒng)沉樁采用樁頂焊接預(yù)留替打段（即加長鋼樁長度）水上打樁的形式，等沉樁完成后，切除替打段。

本項目樁頂標(biāo)高位于水下17 m，采用替打段形式樁錘能量損耗過大，不能滿足沉樁要求并且需對替打段進(jìn)行水下切除，切割過程需要浮吊船組配合，因此導(dǎo)致工期長且成本高。為解決上述問題，設(shè)計送樁器進(jìn)行輔助打樁，既滿足打樁能力，又避免樁錘入水。

首先根據(jù)樁錘參數(shù)、鋼樁參數(shù)及水深對送樁器進(jìn)行設(shè)計，然后對送樁器進(jìn)行以下分析。

（1）對送樁器的強(qiáng)度進(jìn)行校核。

（2）送樁器對鋼樁作用分析。

（3）結(jié)合打樁以及地質(zhì)勘查情況進(jìn)行打樁分析。

打樁錘型號為MENCK 1200S，打樁錘最大能量1 200 kN·m，空氣中總質(zhì)量246 t，根據(jù)樁的外徑使用93 in（1 in=25.4 mm）錘套，樁入錘套長度大約4.5 m。結(jié)合項目所處水深及打樁錘參數(shù)，提出送樁器的設(shè)計形式（如圖5所示），送樁器長度14.2 m，設(shè)計吊耳2處、排水孔2處。送樁器及鋼樁參數(shù)如表1所示。

圖5 送樁器示意/mm

表1 送樁器及鋼樁參數(shù)

3.2 送樁器強(qiáng)度分析

3.2.1 建模

采用ANSYS軟件的殼單元SHELL181模擬鋼板。對于強(qiáng)度分析而言，有限元劃分單元的最小尺寸通常控制在3×3到4×4倍鋼板厚大小，以保證應(yīng)力分布和載荷路徑能正確有效地體現(xiàn)出來。對于應(yīng)力梯度比較顯著的地方或應(yīng)力比較集中的地方，則可能需要把單元劃分的更細(xì)小一些。

為了便于更好地對校核結(jié)構(gòu)位置進(jìn)行描述，將送樁器和吊點分別建模，如圖6所示。送樁器由D2360mm×60mm鋼管（粉色），D2365mm×70mm鋼管（藍(lán)色）以及20 mm板（黃色）組成，送樁器上吊柱采用D325mm×20mm鋼管，有效長度250mm。

圖6 有限元結(jié)構(gòu)模型

3.2.2 工況載荷及邊界條件

送樁器質(zhì)量按55 t考慮，2.0倍吊裝系數(shù)，單邊的吊柱設(shè)計載荷FV為539 385 N，另外考慮5%的側(cè)向載荷FH為26 969 N。

打樁過程中，送樁器主要受錘擊作用，傳遞錘擊能量到樁上，根據(jù)打入性分析將72%的錘效作為最大錘擊能量，計算得到錘擊力為74 606 kN。MENCK 1200S錘空氣中質(zhì)量按246 t考慮，傾斜角2°，則作用于送樁器上的軸向載荷為：74 606 000 N+246 000 kg×9.807 N/kg×sin88°=77 017 052 N；側(cè)向載荷為：246 000 kg×9.807 N/kg×sin2°=84 196 N。

吊柱強(qiáng)度校核取送樁器鋼管部分，四周節(jié)點約束3個平動位移UX、UY和UZ。吊裝載荷施加在吊柱下半部節(jié)點上。

送樁器頂部節(jié)點加載送樁器承受軸向力和側(cè)向力，送樁器下端與樁頂接觸位置節(jié)點約束UZ，并在導(dǎo)向位置約束UX、UY。加載及邊界條件如圖7所示。

圖7 加載及邊界條件

3.2.3 許用應(yīng)力

送樁器材質(zhì)為DH36，最小屈服強(qiáng)度為355 MPa。吊柱材質(zhì)為Q355C，最小屈服強(qiáng)度為355 MPa。

對于吊裝工況，設(shè)計許用應(yīng)力系數(shù)取0.7，即許用應(yīng)力為248.5 MPa。對于打樁工況，設(shè)計許用應(yīng)力系數(shù)取0.9，即許用應(yīng)力為319.5 MPa。

3.2.4 有限元分析（FEA）結(jié)果

送樁器在吊裝和打樁過程中，吊柱強(qiáng)度和送樁器自身強(qiáng)度的有限元分析結(jié)果如表2所示。各工況有限元分析結(jié)果等效應(yīng)力云圖見圖8。

表2 FEA分析結(jié)果

圖8 應(yīng)力云圖

通過分析計算可知，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均滿足設(shè)計需要。

3.2.5 送樁器對鋼樁作用分析

現(xiàn)場作業(yè)時，當(dāng)插樁完成后，送樁器通過導(dǎo)向接到鋼樁頂部，完成送樁器安裝后再套錘到送樁器上進(jìn)行打樁作業(yè)。送樁器設(shè)計長度14.9 m，質(zhì)量約55 t，錘在空氣中質(zhì)量為246 t，考慮安裝環(huán)境下，鋼樁在錘和送樁器作用下滿足自由站立強(qiáng)度要求。

無錘工況1：樁自重+送樁器重+波浪&流環(huán)境力×動態(tài)放大系數(shù)（1.455 8） +樁傾斜2°+樁PDelta效應(yīng)（自由入泥深度7.0 m）。

有錘工況2：樁自重+送樁器重+Menck1200S錘自重+波浪&流環(huán)境力×動態(tài)放大系數(shù)（1.134 1）+樁傾斜2°+樁P-Delta效應(yīng)+錘P-Delta效應(yīng)（自由入泥深度13.0 m）。

環(huán)境載荷：作業(yè)工況時，取最大波高為2.6 m，周期為6.35 s，流速為1.12 m/s。

入泥深度：無錘工況（套錘前）下，計算入泥深度約7.6 m，自由站立分析中保守取7.0 m；有錘工況（套錘后）下，計算入泥深度約13.5 m，自由站立分析中保守取13.0 m。

工況計算結(jié)果如表3所示。

表3 工況計算結(jié)果

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果，當(dāng)前送樁器設(shè)計滿足施工強(qiáng)度要求。

3.3 打樁分析

根據(jù)地質(zhì)勘查報告給出的土壤參數(shù)及樁的設(shè)計圖，采用Menck1200S錘對樁的可打入性進(jìn)行分析，根據(jù)現(xiàn)場施工情況，分別考慮連續(xù)打擊、短期停錘和長期停錘三種施工情況，在不同情況下分別考慮土壤阻力折減，各種工況下的打樁錘效均取72%進(jìn)行分析。打樁分析工況如表4所示。

表4 打樁分析工況

按上述工況分別進(jìn)行分析，當(dāng)前送樁器設(shè)計滿足施工強(qiáng)度要求，基于可打入性分析結(jié)果，打樁過程中控制錘效不超過72%，可在各種工況下將樁打入到57.7 m的設(shè)計深度。打樁工況詳見表5。

表5 打樁工況

4 自封閉式封隔器設(shè)計及應(yīng)用技術(shù)

4.1 封隔器

樁管沉樁完畢，需要對接樁管與導(dǎo)管架裙樁套筒之間的區(qū)域進(jìn)行灌漿。灌漿連接段是導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)承上啟下的關(guān)鍵部位，灌漿質(zhì)量的好壞影響到整個導(dǎo)管架的整體安全和穩(wěn)定。封隔器安裝在導(dǎo)管架套筒底部，負(fù)責(zé)封堵灌入的泥漿，直接決定灌漿質(zhì)量的好壞，因此，封隔器的功能及可靠性設(shè)計至關(guān)重要。

以往項目采用傳統(tǒng)封隔器。當(dāng)樁通過該封隔器時，在彈簧張力作用下，封隔器的橡膠表面將緊緊貼在樁外表面上并產(chǎn)生正壓力，從而防止泥土進(jìn)入環(huán)形空間。傳統(tǒng)封隔器多用于淺水，不適用于樁直徑大于或等于84 in的深水導(dǎo)管架。這種封隔器內(nèi)有多個成“弓”字形的鋼筋條穿過，并通過硫化固定于中間的橡膠層。這些鋼筋條很容易受到樁尖外徑垂向運(yùn)動影響以及剪力鍵撞擊的動力負(fù)載而造成損壞，產(chǎn)生漏漿風(fēng)險。

為避免傳統(tǒng)封隔器的漏漿風(fēng)險，并結(jié)合項目特點，提出封隔器功能要求，采用自封閉式封隔器實現(xiàn)灌漿連接段的封堵。

4.2 自封閉式封隔器設(shè)計原理

自封閉式封隔器由鋼結(jié)構(gòu)外套筒、條帶、固定壓板、環(huán)形壓板、螺栓螺母組成。安裝時，將螺柱焊接在套筒上，用螺母將固定壓板和環(huán)形壓板固定在套筒內(nèi)壁上。封隔器內(nèi)部形式如圖9所示。

圖9 封隔器內(nèi)部形式

4.2.1 封隔器參數(shù)要求

（1）使用環(huán)境為水面以下約30 m。

（2）可承受12.5 m高度的高強(qiáng)度灌漿料的重量，且該灌漿料密度預(yù)估2.6 t/m3，灌漿區(qū)域為內(nèi)徑2 600 mm、外徑2 840 mm的環(huán)形區(qū)域。

（3）封隔器外徑2 840 mm（即套筒內(nèi)徑）。

（4）封隔器應(yīng)能承受一次連續(xù)灌漿至少1.5倍的設(shè)計灌漿高度，在灌漿料的凝固期間內(nèi)無明顯滲漏現(xiàn)象發(fā)生。

4.2.2 自封閉式結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)勢

（1）自封閉式封隔器產(chǎn)品的上部與鋼樁下沉方向會形成一個較小的夾角，避免與鋼樁尖端部位正面接觸。

（2）表面進(jìn)行低摩擦處理（涂層處理后，普通金屬板做表面摩擦系數(shù)試驗，表面摩擦系數(shù)從0.076降低到0.027，可減弱鋼樁對封隔器的沖擊/剪切作用，且封隔器自身結(jié)構(gòu)不會阻礙后期的下沉鋼樁工序。

4.2.3 實現(xiàn)的功能

（1）初期密封可擋泥，易落樁。保證水泥漿順利灌滿封隔器橡膠片內(nèi)部，在打樁階段防止污泥進(jìn)入導(dǎo)管架和鋼管樁間隙污染水泥漿。

（2）兩側(cè)壓差使封隔器箍緊鋼樁實現(xiàn)密封。在打樁完成后，水泥漿注入到封隔器產(chǎn)品內(nèi)部，由于水泥漿的密度比海水的密度大從而在橡膠片外表面和內(nèi)表面之間產(chǎn)生壓力差，壓力差在橡膠外表面產(chǎn)生正壓力來增強(qiáng)密封功能，達(dá)到封隔器自密封的功能，該密封功能隨著水泥漿密度增加而增加。

5 卡樁器的應(yīng)用

5.1 卡樁器的組成及應(yīng)用

卡樁器（結(jié)構(gòu)如圖10所示）焊接固定在導(dǎo)管架裙樁套筒頂部，起著輔助調(diào)平導(dǎo)管架（在打樁過程中）和臨時固定鋼樁與導(dǎo)管架（打樁完成后、灌漿之前）的作用，還起到臨時固定導(dǎo)管架（在導(dǎo)管架的鋼樁與套筒之間水泥凝固期間或者海上天氣惡劣不適合導(dǎo)管架施工間隙）的作用，避免導(dǎo)管架與樁發(fā)生相對運(yùn)動，類似于水上插樁導(dǎo)管架皇冠板的作用。卡樁器由油缸、卡爪、泵站、套筒和液壓油管等部件組成。卡樁過程是由油缸推進(jìn)卡爪與鋼樁接觸，通過油缸對卡爪施加壓力，卡爪與鋼樁之間產(chǎn)生摩擦力，保持鋼樁與套筒之間的相對位置，進(jìn)而實現(xiàn)卡樁固定。

圖10 卡樁器示意

導(dǎo)管架調(diào)平時，啟動一個或者多個卡樁器，可以使鋼樁和裙樁套筒連接穩(wěn)固，有輔助調(diào)平的作用。灌漿時，卡樁器能防止導(dǎo)管架與樁管相對運(yùn)動；水泥漿固化時，可有效避免因風(fēng)、浪、涌等因素造成的結(jié)構(gòu)晃動產(chǎn)生水泥漿結(jié)合力降低，減少安全風(fēng)險。

5.2 卡爪摩擦系數(shù)計算

卡樁器卡樁過程中的關(guān)鍵參數(shù)是卡爪與鋼樁的摩擦系數(shù)和油缸壓力。

鋼樁的受力狀態(tài)如圖11所示，鋼樁受到卡爪水平方向的夾持力T，卡爪夾持力在鋼樁表面產(chǎn)生的豎直方向的摩擦力與導(dǎo)管架自重G相互平衡，因此，卡爪夾持力要能夠提供大于導(dǎo)管架自重的摩擦力（μT＞G），才能保證卡爪夾持鋼樁不會發(fā)生滑移，才能確保導(dǎo)管架不會發(fā)生傾斜。

圖11 鋼樁的受力狀態(tài)

根據(jù)目前設(shè)計的卡爪結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模擬計算。有限元計算分為兩個步驟：第一步，卡爪對鋼樁施加10×106N的夾持力（水平推力）；第二步，對鋼樁施加5 mm的豎向位移，此過程中鋼樁的最大豎向支反力即為卡爪夾持力所能承受的最大豎向載荷。

如圖12所示，裙樁套筒需要約1.2×106N的豎向力才可以克服卡爪夾持力產(chǎn)生位移，即卡爪與鋼樁間的等效摩擦系數(shù)μ=1.2×106N/（106N）=1.2。

圖12 位移與支反力曲線

5.3 夾持力計算

華能山東半島南四號卡樁器項目要求，每組油缸夾持力7 350 kN，每組包含9個油缸，實際使用7 350 kN/9=817 kN。

卡樁器油缸直徑220 mm，根據(jù)設(shè)計計算要求，則系統(tǒng)設(shè)計壓力P應(yīng)為：

系統(tǒng)設(shè)計使用壓力21.5 MPa，抓樁器油缸直徑220 mm，現(xiàn)需卡爪與鋼樁之間摩擦系數(shù)為：

因此，卡樁器夾持力滿足使用要求。

6 結(jié)束語

華能山東半島南4號海上升壓站導(dǎo)管架已經(jīng)順利安裝完成，通過業(yè)主及監(jiān)理驗收，運(yùn)行情況良好。通過對30 m左右水深裙樁形式導(dǎo)管架海上安裝關(guān)鍵技術(shù)研究，形成了一套對比于水上插樁淺水導(dǎo)管架安裝的關(guān)鍵技術(shù)及施工方案，并能應(yīng)用于海上石油平臺安裝中，可為今后類似項目導(dǎo)管架設(shè)計及安裝提供參考。