海上風(fēng)電安裝用抱樁器發(fā)展綜述

孫遠(yuǎn)韜,張敏,張氫,宋豫

(1.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院,上海 201800;2.上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司,上海 200120)

風(fēng)電施工難點(diǎn)之一是樁柱的安裝。海上風(fēng)機(jī)樁柱的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式有固定式結(jié)構(gòu)(單樁、重力基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、三角架、導(dǎo)管架、三樁式結(jié)構(gòu))和浮動(dòng)式結(jié)構(gòu)(深吃水立柱式、張力腿和導(dǎo)管架結(jié)構(gòu))。其中單樁結(jié)構(gòu)是使用最普遍的結(jié)構(gòu),見(jiàn)圖1。

圖1 海上風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式

對(duì)于單樁基礎(chǔ)的風(fēng)機(jī),在安裝時(shí)首先將基礎(chǔ)樁打入海床土壤中,隨后在該基礎(chǔ)樁上套裝過(guò)渡樁段,過(guò)渡樁可以調(diào)節(jié)樁體的垂直度和標(biāo)高,最后在過(guò)渡樁上安裝塔筒、風(fēng)機(jī)和葉片。其中基礎(chǔ)樁的安裝是整個(gè)單樁風(fēng)機(jī)安裝的關(guān)鍵,基礎(chǔ)樁長(zhǎng)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(wěn)定性。

海上抱樁器由陸上樁柱穩(wěn)定裝置演變而來(lái),吸納海上石油、天然氣開(kāi)采裝置的成熟技術(shù),順應(yīng)海上風(fēng)電能源的發(fā)展趨勢(shì)和廣闊市場(chǎng),在近10年的時(shí)間里取得了巨大成就。海上抱樁器的功能是應(yīng)對(duì)海上多變的環(huán)境因素(強(qiáng)風(fēng)、海浪、洋流、潮汐等)和柔軟的海床土壤,抵御基礎(chǔ)樁在安裝過(guò)程中的偏移與傾斜,保證基礎(chǔ)樁安裝的垂直度符合施工規(guī)范要求(不能大于0.3%[1])。但是需要注意的是自2021年底開(kāi)始,隨著產(chǎn)業(yè)示范及探索階段已逐步完成,我國(guó)中央政府的海上風(fēng)電補(bǔ)貼逐步取消,市場(chǎng)化因素將成為今后海上風(fēng)電發(fā)展的核心因素之一,風(fēng)電安裝的效益成為必須要考慮的問(wèn)題。在安裝海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí),基礎(chǔ)樁的施工成本可以占到整體安裝成本的1/3。推進(jìn)抱樁器相關(guān)技術(shù)的發(fā)展是海上風(fēng)電施工降本增效的關(guān)鍵舉措。

1 抱樁器機(jī)體結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程

1.1 基本抱樁器結(jié)構(gòu)

自升式平臺(tái)是當(dāng)前單樁安裝最常用的平臺(tái)(見(jiàn)圖2a)),平臺(tái)上配套的靜態(tài)抱樁器得利于導(dǎo)管架平臺(tái)良好的穩(wěn)定性,樁柱安裝時(shí)的垂直度可以得到充分保證,因此其結(jié)構(gòu)功能一般比較簡(jiǎn)單。如圖2b)為2013年,Houlder公司在英國(guó)MPI Discovery導(dǎo)管架平臺(tái)上安裝的抱樁器。該抱樁器有2個(gè)液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械臂,其上安裝有3個(gè)主要油缸:1個(gè)用于收放機(jī)械臂,2個(gè)用于抱樁。司機(jī)能夠通過(guò)控制油缸,夾緊機(jī)械臂,關(guān)閉鉗口,抱緊樁柱,保證樁柱錘擊時(shí)的垂直度。

圖2 自升式平臺(tái)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(shí),防止樁柱偏斜,確?；A(chǔ)樁的垂直度。同時(shí),上下兩套夾臂既可聯(lián)動(dòng)控制也可分開(kāi)作業(yè),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(dāng)打樁過(guò)程中的抱樁高度不足時(shí),將會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生樁柱偏移傾斜、樁柱失穩(wěn)等惡劣現(xiàn)象[2]。因此,在打樁機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中,還應(yīng)考慮抱樁器正常工作下的抱樁高度。升降抱樁機(jī)能夠根據(jù)不同的場(chǎng)合調(diào)整抱樁機(jī)的樁爪高度,從而實(shí)現(xiàn)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(jí)液壓缸下實(shí)現(xiàn)上下升降功能,使樁柱在遇到軟泥的情況下向下繼續(xù)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(chǔ)上研發(fā)而來(lái)。雙臂抱樁器工作時(shí),抱緊與放松動(dòng)作均為全行程,作業(yè)時(shí)間長(zhǎng),由于波浪的影響,在等待過(guò)程中抱樁器經(jīng)常與樁柱發(fā)生碰撞,損壞抱樁器結(jié)構(gòu)部件。四臂抱樁器臂爪收放時(shí),只需小臂工作,而大臂可以不參與,這樣可縮短了等待的時(shí)間,提高工作效率,提升安全性,大幅降低設(shè)備損耗。

一典型的4臂抱樁器的結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖5,抱樁器左右2臂各由大臂和小臂組成。大臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較大、行程較長(zhǎng),由長(zhǎng)行程液壓缸驅(qū)動(dòng);小臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較小、行程更短,由短行程液壓缸驅(qū)動(dòng)。大臂和小臂之間是鉸接的,大臂與龍口結(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)不同直徑樁柱。

圖6 TMS公司制造的適應(yīng)不同直徑樁柱的抱樁器

由圖6可知,該抱樁器的高適應(yīng)性主要靠2類共5個(gè)油缸的伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)。第一類油缸為大臂驅(qū)動(dòng)油缸,即圖中的1類油缸,2只大臂每只各配備1個(gè);第二類為小臂驅(qū)動(dòng)油缸,即圖中小臂下方的2類油缸,共計(jì)3個(gè)。在安裝小直徑樁柱時(shí),大臂驅(qū)動(dòng)油缸收縮,小臂驅(qū)動(dòng)油缸外伸,這樣可使3小臂圍成的區(qū)域變小;安裝大直徑樁柱時(shí)則相反,大臂驅(qū)動(dòng)油缸外伸,小臂驅(qū)動(dòng)油缸收縮。

2 抱樁器控制的研究現(xiàn)狀

2.1 抱樁器抱緊與松開(kāi)的控制

對(duì)于一般的固定式抱樁器,系統(tǒng)的油路控制系統(tǒng)與差動(dòng)式液壓缸相連接, 通過(guò)調(diào)節(jié)油壓調(diào)節(jié)樁爪對(duì)樁柱的壓力, 從而調(diào)節(jié)摩擦力。油路控制系統(tǒng)上的測(cè)壓元可以顯示油路內(nèi)瞬時(shí)壓力、摩擦力和應(yīng)力,便于實(shí)時(shí)控制和保障安全[4],文獻(xiàn)[5]介紹了一種適用于小樁柱打樁船抱樁液壓控制系統(tǒng),簡(jiǎn)化了操作,加快了施工速度,明顯改善施工質(zhì)量。抱樁器通過(guò)臂爪的收放實(shí)現(xiàn)對(duì)樁柱的抱緊與放松,這是抱樁器最基本的功能之一,技術(shù)工藝也都較為成熟,不同設(shè)備的液壓系統(tǒng)與控制原理大同小異。

2.2 抱樁器的糾偏控制

打樁過(guò)程中若樁柱發(fā)生偏斜并超出容差,系統(tǒng)將停止打樁,通過(guò)糾偏系統(tǒng)進(jìn)行糾偏,待樁柱垂直度重新符合要求時(shí)再繼續(xù)打樁,確保樁柱的安裝質(zhì)量。對(duì)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(tǒng)分為液壓站、糾偏系統(tǒng)、大臂開(kāi)合系統(tǒng)和觸頭抱樁系統(tǒng)。其中糾偏系統(tǒng)主要包括兩組糾偏油缸以及對(duì)應(yīng)的油路控制系統(tǒng)。兩組糾偏油缸分別負(fù)責(zé)平臺(tái)的前后移動(dòng)及糾偏、左右移動(dòng)及糾偏。

2.3 抱樁器的動(dòng)力定位與運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償

隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展,單樁安裝的離岸距離越來(lái)越遠(yuǎn),需要應(yīng)對(duì)的水深越來(lái)越深,同時(shí)單樁的體量不斷提高,對(duì)平臺(tái)的起重能力有了更高要求,因此兼顧靈活和優(yōu)秀起重能力的浮動(dòng)式船舶安裝或?qū)⒊蔀榻窈箫L(fēng)電安裝等市場(chǎng)的主流。與自升式平臺(tái)不同的是,浮船不能提供穩(wěn)定的基礎(chǔ),船體的運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致單樁響應(yīng)過(guò)大,不利于單樁的安裝,因此在打樁階段,必須設(shè)計(jì)配套裝置或方案來(lái)保持單樁的垂直度。這給現(xiàn)有的固定式抱樁器帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

為了克服這一難題,有學(xué)者研發(fā)了一種位移控制模型(DCM),通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)證明了DCM在土-樁相互作用問(wèn)題上的適用性,可以幫助工程師準(zhǔn)確預(yù)測(cè)地面變形的大小和方向。有學(xué)者與TemporaryWorks Design BV (TWD) 公司合作研發(fā)設(shè)計(jì)了運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償式抱樁器(Motion Compensated Pile Gripper (MCPG))[6],在Matlab和Simulink中開(kāi)發(fā)了3個(gè)模型:1個(gè)非線性單樁模型(見(jiàn)圖7),1個(gè)具有站位保持系統(tǒng)的船舶模型(見(jiàn)圖8)和1個(gè)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)谋稒C(jī)模型(見(jiàn)圖9)并通過(guò)AQWA模型對(duì)上述模型進(jìn)行了驗(yàn)證。之后,得出單樁的運(yùn)動(dòng)方程。再根據(jù)AQWA收集的水動(dòng)力數(shù)據(jù)在Simulink中建立船舶模型。采用Cummins方程來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)域分析并引入頻域識(shí)別方法來(lái)描述流體記憶效應(yīng)。這些信息通過(guò)1個(gè)PID控制器反饋到船舶模型中,形成一個(gè)理想的DP系統(tǒng)。最后由其上述全耦合模型指導(dǎo)油缸控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償功能。有學(xué)者探討了用動(dòng)力定位(DP)船安裝單樁的可行性,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的模型模擬樁柱安裝過(guò)程中受力情況和運(yùn)動(dòng)情況,分析了樁柱安裝過(guò)程中的振動(dòng)幅值、頻率等特性數(shù)據(jù),驗(yàn)證了動(dòng)力定位式船舶安裝單樁的可行性,并且與傳統(tǒng)安裝技術(shù)進(jìn)行了比較,展示了該技術(shù)的優(yōu)越性和良好前景。有學(xué)者通過(guò)Matlab對(duì)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償式抱樁器存在不確定性的橫搖液壓缸安裝位置進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算分析,確定了最佳的鉸接點(diǎn)安裝位置。應(yīng)用Ansys AQWA軟件對(duì)船體進(jìn)行水動(dòng)力分析,得出其六自由度RAO運(yùn)動(dòng)響應(yīng),作為運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償式抱樁器控制輸入。通過(guò)Labview軟件對(duì)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償式抱樁器進(jìn)行了前饋、反饋、前饋反饋控制系統(tǒng)模擬,得出不同策略PID控制應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償式抱樁器時(shí)的特點(diǎn)[7]。

圖7 單樁在打樁過(guò)程中受力示意

圖8 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償抱樁器模型

圖9 浮船坐標(biāo)示意

TWD公司的MCPG抱樁器見(jiàn)圖10,其臂架根部鉸接在導(dǎo)套上,通過(guò)導(dǎo)套上的垂直油缸在H形立柱上上下滑動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。

圖10 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償抱樁器

類似的還有英國(guó)的MACGREGOR公司開(kāi)發(fā)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償式抱樁器,見(jiàn)圖11。

圖11 MACGREGOR公司開(kāi)發(fā)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償式抱樁器

此外針對(duì)用來(lái)固定海上導(dǎo)管架平臺(tái)的小直徑樁(1～3 m),Houlder公司設(shè)計(jì)了可以在X-Y平面上運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)谋镀?見(jiàn)圖12。

圖12 Houlder公司的平面運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償抱樁器

3 未來(lái)研究展望

不論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外,海上風(fēng)電的需求市場(chǎng)巨大,抱樁器尤其是可用于浮船的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償功能的抱樁器應(yīng)用前景良好,需要研究人員考慮從結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、系統(tǒng)模型建立與耦合、與其他領(lǐng)域技術(shù)的交叉融合等角度展開(kāi)相關(guān)的研發(fā)工作。

3.1 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

雖然現(xiàn)存的大部分抱樁器的結(jié)構(gòu)已經(jīng)趨于同質(zhì)化,但如圖6與圖12所示的異形抱樁器在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中取得了不錯(cuò)的效果。需要針對(duì)浮動(dòng)式船舶研發(fā)基于混聯(lián)機(jī)構(gòu)的抱樁器,既能補(bǔ)償海浪干擾,又能完成抱樁作業(yè),適應(yīng)未來(lái)海上風(fēng)電向遠(yuǎn)海發(fā)展的趨勢(shì)。研究者和工程師可以根據(jù)施工項(xiàng)目的實(shí)際情況,綜合考慮各種因素,對(duì)抱樁器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì);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(lái)了運(yùn)輸、安裝和應(yīng)用等方面的不便,需要考慮革新抱樁器的結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)設(shè)備的輕量化。

3.2 系統(tǒng)模型建立與耦合

抱樁器動(dòng)力定位和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償功能的開(kāi)發(fā)離不開(kāi)對(duì)抱樁器-樁柱-海洋-風(fēng)系統(tǒng)的建模與綜合性能分析。目前的研究在創(chuàng)建模型時(shí)或多或少對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理(單樁模型中土壤材料與載荷簡(jiǎn)化為鉸點(diǎn)約束、抱樁器模型中框架結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)等),影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性,未來(lái)的相關(guān)研究可以對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化,使其逼近真實(shí)情況,增加結(jié)果的有效性。

3.3 加快與各領(lǐng)域技術(shù)的交叉融合

推進(jìn)海上抱樁器的發(fā)展,必須加快其與多領(lǐng)域技術(shù)的交叉融合,不斷更新迭代。例如,將較為成熟的故障檢測(cè)、壽命預(yù)測(cè)等技術(shù)應(yīng)用于抱樁器設(shè)備的檢測(cè)與維護(hù),增加設(shè)備的安全性,提升設(shè)備實(shí)際使用壽命;將機(jī)器視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用于抱樁器對(duì)樁柱的糾偏、為運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償提供額外信息等。