海上風電安裝用抱樁器發展綜述

孫遠韜,張敏,張氫,宋豫

(1.同濟大學 機械與能源工程學院,上海 201800;2.上海振華重工(集團)股份有限公司,上海 200120)

風電施工難點之一是樁柱的安裝。海上風機樁柱的基礎結構形式有固定式結構(單樁、重力基礎結構、三角架、導管架、三樁式結構)和浮動式結構(深吃水立柱式、張力腿和導管架結構)。其中單樁結構是使用最普遍的結構,見圖1。

圖1 海上風機的基礎結構形式

對于單樁基礎的風機,在安裝時首先將基礎樁打入海床土壤中,隨后在該基礎樁上套裝過渡樁段,過渡樁可以調節樁體的垂直度和標高,最后在過渡樁上安裝塔筒、風機和葉片。其中基礎樁的安裝是整個單樁風機安裝的關鍵,基礎樁長度在30～70 m,直徑一般在幾m～十幾m不等,需要插入海床30～40 m,以獲得足夠的的穩定性。

海上抱樁器由陸上樁柱穩定裝置演變而來,吸納海上石油、天然氣開采裝置的成熟技術,順應海上風電能源的發展趨勢和廣闊市場,在近10年的時間里取得了巨大成就。海上抱樁器的功能是應對海上多變的環境因素(強風、海浪、洋流、潮汐等)和柔軟的海床土壤,抵御基礎樁在安裝過程中的偏移與傾斜,保證基礎樁安裝的垂直度符合施工規范要求(不能大于0.3%[1])。但是需要注意的是自2021年底開始,隨著產業示范及探索階段已逐步完成,我國中央政府的海上風電補貼逐步取消,市場化因素將成為今后海上風電發展的核心因素之一,風電安裝的效益成為必須要考慮的問題。在安裝海上風力發電機時,基礎樁的施工成本可以占到整體安裝成本的1/3。推進抱樁器相關技術的發展是海上風電施工降本增效的關鍵舉措。

1 抱樁器機體結構的發展歷程

1.1 基本抱樁器結構

自升式平臺是當前單樁安裝最常用的平臺(見圖2a)),平臺上配套的靜態抱樁器得利于導管架平臺良好的穩定性,樁柱安裝時的垂直度可以得到充分保證,因此其結構功能一般比較簡單。如圖2b)為2013年,Houlder公司在英國MPI Discovery導管架平臺上安裝的抱樁器。該抱樁器有2個液壓驅動的機械臂,其上安裝有3個主要油缸:1個用于收放機械臂,2個用于抱樁。司機能夠通過控制油缸,夾緊機械臂,關閉鉗口,抱緊樁柱,保證樁柱錘擊時的垂直度。

圖2 自升式平臺及其抱樁器

1.2 雙層糾偏抱樁器

如圖3,雙層抱樁器分為上下2層,用箱型支柱支撐,在保證抱樁器自身的剛度的同時,防止樁柱偏斜,確保基礎樁的垂直度。同時,上下兩套夾臂既可聯動控制也可分開作業,增加操作的靈活性。

圖3 雙層糾偏抱樁器

1.3 升降式雙層抱樁器

當打樁過程中的抱樁高度不足時,將會導致產生樁柱偏移傾斜、樁柱失穩等惡劣現象[2]。因此,在打樁機設計過程中,還應考慮抱樁器正常工作下的抱樁高度。升降抱樁機能夠根據不同的場合調整抱樁機的樁爪高度,從而實現范圍更大的抱樁功能。如圖4所示,該抱樁器下層臂爪可在3級液壓缸下實現上下升降功能,使樁柱在遇到軟泥的情況下向下繼續沉降,保證樁柱的牢固。

圖4 升降式雙層抱樁器

1.4 雙層四臂抱樁器

四臂抱樁器是在雙臂抱樁器的基礎上研發而來。雙臂抱樁器工作時,抱緊與放松動作均為全行程,作業時間長,由于波浪的影響,在等待過程中抱樁器經常與樁柱發生碰撞,損壞抱樁器結構部件。四臂抱樁器臂爪收放時,只需小臂工作,而大臂可以不參與,這樣可縮短了等待的時間,提高工作效率,提升安全性,大幅降低設備損耗。

一典型的4臂抱樁器的結構布置見圖5,抱樁器左右2臂各由大臂和小臂組成。大臂結構強度較大、行程較長,由長行程液壓缸驅動;小臂結構強度較小、行程更短,由短行程液壓缸驅動。大臂和小臂之間是鉸接的,大臂與龍口結構上的焊接耳板相連[3]。

圖5 雙層四臂抱樁器的布置

1.5 可適應不同直徑樁柱的抱樁器

圖6所示為荷蘭TMS公司制造的抱樁器,可變形以適應不同直徑樁柱。

圖6 TMS公司制造的適應不同直徑樁柱的抱樁器

由圖6可知,該抱樁器的高適應性主要靠2類共5個油缸的伸縮來實現。第一類油缸為大臂驅動油缸,即圖中的1類油缸,2只大臂每只各配備1個;第二類為小臂驅動油缸,即圖中小臂下方的2類油缸,共計3個。在安裝小直徑樁柱時,大臂驅動油缸收縮,小臂驅動油缸外伸,這樣可使3小臂圍成的區域變小;安裝大直徑樁柱時則相反,大臂驅動油缸外伸,小臂驅動油缸收縮。

2 抱樁器控制的研究現狀

2.1 抱樁器抱緊與松開的控制

對于一般的固定式抱樁器,系統的油路控制系統與差動式液壓缸相連接, 通過調節油壓調節樁爪對樁柱的壓力, 從而調節摩擦力。油路控制系統上的測壓元可以顯示油路內瞬時壓力、摩擦力和應力,便于實時控制和保障安全[4],文獻[5]介紹了一種適用于小樁柱打樁船抱樁液壓控制系統,簡化了操作,加快了施工速度,明顯改善施工質量。抱樁器通過臂爪的收放實現對樁柱的抱緊與放松,這是抱樁器最基本的功能之一,技術工藝也都較為成熟,不同設備的液壓系統與控制原理大同小異。

2.2 抱樁器的糾偏控制

打樁過程中若樁柱發生偏斜并超出容差,系統將停止打樁,通過糾偏系統進行糾偏,待樁柱垂直度重新符合要求時再繼續打樁,確保樁柱的安裝質量。對于具有糾偏功能的抱樁器,以前述雙層抱樁器為例,其液壓系統分為液壓站、糾偏系統、大臂開合系統和觸頭抱樁系統。其中糾偏系統主要包括兩組糾偏油缸以及對應的油路控制系統。兩組糾偏油缸分別負責平臺的前后移動及糾偏、左右移動及糾偏。

2.3 抱樁器的動力定位與運動補償

隨著風電技術的發展,單樁安裝的離岸距離越來越遠,需要應對的水深越來越深,同時單樁的體量不斷提高,對平臺的起重能力有了更高要求,因此兼顧靈活和優秀起重能力的浮動式船舶安裝或將成為今后風電安裝等市場的主流。與自升式平臺不同的是,浮船不能提供穩定的基礎,船體的運動會導致單樁響應過大,不利于單樁的安裝,因此在打樁階段,必須設計配套裝置或方案來保持單樁的垂直度。這給現有的固定式抱樁器帶來了挑戰。

為了克服這一難題,有學者研發了一種位移控制模型(DCM),通過理論和實驗證明了DCM在土-樁相互作用問題上的適用性,可以幫助工程師準確預測地面變形的大小和方向。有學者與TemporaryWorks Design BV (TWD) 公司合作研發設計了運動補償式抱樁器(Motion Compensated Pile Gripper (MCPG))[6],在Matlab和Simulink中開發了3個模型:1個非線性單樁模型(見圖7),1個具有站位保持系統的船舶模型(見圖8)和1個運動補償的抱樁機模型(見圖9)并通過AQWA模型對上述模型進行了驗證。之后,得出單樁的運動方程。再根據AQWA收集的水動力數據在Simulink中建立船舶模型。采用Cummins方程來實現時域分析并引入頻域識別方法來描述流體記憶效應。這些信息通過1個PID控制器反饋到船舶模型中,形成一個理想的DP系統。最后由其上述全耦合模型指導油缸控制系統來實現其運動補償功能。有學者探討了用動力定位(DP)船安裝單樁的可行性,設計了相應的模型模擬樁柱安裝過程中受力情況和運動情況,分析了樁柱安裝過程中的振動幅值、頻率等特性數據,驗證了動力定位式船舶安裝單樁的可行性,并且與傳統安裝技術進行了比較,展示了該技術的優越性和良好前景。有學者通過Matlab對運動補償式抱樁器存在不確定性的橫搖液壓缸安裝位置進行了優化計算分析,確定了最佳的鉸接點安裝位置。應用Ansys AQWA軟件對船體進行水動力分析,得出其六自由度RAO運動響應,作為運動補償式抱樁器控制輸入。通過Labview軟件對運動補償式抱樁器進行了前饋、反饋、前饋反饋控制系統模擬,得出不同策略PID控制應用于運動補償式抱樁器時的特點[7]。

圖7 單樁在打樁過程中受力示意

圖8 運動補償抱樁器模型

圖9 浮船坐標示意

TWD公司的MCPG抱樁器見圖10,其臂架根部鉸接在導套上,通過導套上的垂直油缸在H形立柱上上下滑動進行補償。

圖10 運動補償抱樁器

類似的還有英國的MACGREGOR公司開發的運動補償式抱樁器,見圖11。

圖11 MACGREGOR公司開發的運動補償式抱樁器

此外針對用來固定海上導管架平臺的小直徑樁(1～3 m),Houlder公司設計了可以在X-Y平面上運動補償的抱樁器,見圖12。

圖12 Houlder公司的平面運動補償抱樁器

3 未來研究展望

不論是國內還是國外,海上風電的需求市場巨大,抱樁器尤其是可用于浮船的運動補償功能的抱樁器應用前景良好,需要研究人員考慮從結構創新、系統模型建立與耦合、與其他領域技術的交叉融合等角度展開相關的研發工作。

3.1 結構創新

雖然現存的大部分抱樁器的結構已經趨于同質化,但如圖6與圖12所示的異形抱樁器在實際應用過程中取得了不錯的效果。需要針對浮動式船舶研發基于混聯機構的抱樁器,既能補償海浪干擾,又能完成抱樁作業,適應未來海上風電向遠海發展的趨勢。研究者和工程師可以根據施工項目的實際情況,綜合考慮各種因素,對抱樁器的結構進行創新設計;此外,隨著樁柱直徑的與日俱增,抱樁器的體量也隨之增加,帶來了運輸、安裝和應用等方面的不便,需要考慮革新抱樁器的結構,實現設備的輕量化。

3.2 系統模型建立與耦合

抱樁器動力定位和運動補償功能的開發離不開對抱樁器-樁柱-海洋-風系統的建模與綜合性能分析。目前的研究在創建模型時或多或少對模型進行了簡化處理(單樁模型中土壤材料與載荷簡化為鉸點約束、抱樁器模型中框架結構的簡化為質點等),影響分析結果的準確性,未來的相關研究可以對模型進行優化,使其逼近真實情況,增加結果的有效性。

3.3 加快與各領域技術的交叉融合

推進海上抱樁器的發展,必須加快其與多領域技術的交叉融合,不斷更新迭代。例如,將較為成熟的故障檢測、壽命預測等技術應用于抱樁器設備的檢測與維護,增加設備的安全性,提升設備實際使用壽命;將機器視覺技術應用于抱樁器對樁柱的糾偏、為運動補償提供額外信息等。