自升式风电平台冲桩系统设计与研究

王 乐 李康康

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

随着近年来可再生清洁能源越来越被重视，亟需大力开发海上风电市场，对先进的自升式风电平台的需求也越来越迫切。自升式风电平台是当前近海大型作业施工项目的主要装备之一，对于近海的风电安装、起吊作业等工程有着重要作用。［1］

自2014年7月以来，展开了多个海上风电平台项目的设计和建造，已经完成设计和建造并交付的项目包括以“精铟1号”为代表的无航行能力的自升式风电安装平台，以及以“福船三峡号”为代表的具备推进能力的自升式风电安装平台。

冲桩系统是自升式风电平台十分重要的系统，当平台需要从起升状态切换至漂浮状态的时候，冲桩系统担负着将深插入海底的桩靴拔出的任务。工作状态良好的冲桩系统可以使平台顺利及时地完成状态切换；如果冲桩效果不佳，不仅会极大的延长平台进入下一个作业区域的时间，更有可能影响平台的安全性。

1 冲桩系统概述

冲桩系统的作用是使桩靴能顺利从海床泥土中拔出。基于经验公式，拔桩总阻力由桩靴底部吸附力（真空层）、桩靴侧面摩擦力、桩靴上部覆土的重力和桩靴土体的剪切破坏力几部分组成［2］：

式中：P1为桩靴上部土体质量，kN；P2为扩散角引起的桩靴上部土体质量，kN。

式中：B为桩靴的直径，m；d为桩靴的高度；Su为桩靴侧面土体平均不排水抗剪强度，kPa。

式中：Fs为土体破坏时的剪切力；Sui为第i层土的平均不排水抗剪强度，kPa；Ai为第i层土的土体锥形面侧面积，m2。

当土体的超静水孔压消散时，Ft为桩靴底部吸附力，为：

式中：D为桩靴等效圆直径，m；H为插桩深度（包括桩靴高度d），即桩靴最终入泥深度，m；L为桩靴底面宽度，m。如果桩靴为圆形，则L=B。

当土体没有结固时：

冲桩系统就是为了克服以上三种力，以辅助拔桩作业，利用平台上的水或者压缩空气［3］冲刷桩靴上下表面的泥土，填充桩靴底部的真空层，破坏桩靴上部和桩腿周围泥土的吸附力。桩靴上下表面设置多个喷嘴，用上下两根环管连接各个喷嘴［4］，环管由上下贯穿桩腿的管路连接至平台上的管路，如图1和下页图2所示。

图1 桩腿桩靴内管系侧视示意图

目前，最新一代自升式风电平台的冲桩系统按照系统配置分类有四种类型：高压冲水系统、压缩空气系统、压缩空气结合高压水系统、压缩空气结合低压水系统。

1.1 高压冲水系统

高压冲水系统是最常见的冲桩系统类型，其主要设备是高压冲水泵，原理是利用高压冲水泵提供的高压水直接冲刷桩靴上下表面的泥土，系统原理如下页图3所示。高压水压力一般为5 MPa。

图2 桩靴顶、底平面冲桩管系示意图

图3 高压水冲桩系统原理图

1.2 压缩空气冲桩系统

压缩空气冲桩系统是利用空气压缩机为冲桩空气瓶充气，冲桩空气瓶出口接至冲桩管系，系统原理如图4所示。压缩空气冲桩系统对于破坏桩靴底部真空度有非常好的效果。压缩空气压力一般为3 MPa。

图4 压缩空气冲桩系统原理图

1.3 压缩空气结合高压水冲桩系统

该系统主要特点是利用同样的管路，采用两种不同介质（高压水和压缩空气）切换冲桩。压缩空气用于破坏桩靴底部的真空层，高压水用于破坏桩靴上部和桩腿周围泥土的吸附力。系统原理如图5所示。高压水压力一般为5 MPa，压缩空气压力一般为3 MPa。

图5 压缩空气结合高压水冲桩系统原理图

1.4 压缩空气结合低压水冲桩系统

该系统的特点是有两种介质用于冲桩，所需设备简单，利用压缩空气和船上已有的消防水即可。与压缩空气结合高压水冲桩系统类似，只是用消防水取代高压水。在实际的使用中，消防水的压力往往只有0.7 MPa左右，对于目前作业水深往往达到约50 m，且插桩深度可达10 m左右的插桩情况，单独使用消防水不能达到冲桩效果，需要在使用一段时间消防水之后，再用压缩空气增加消防水的压力。

2 各种冲桩系统配置方案比较与分析

以上四种最为常见的冲桩系统的主要差别是设备的配置不同，他们的主要设备、理论冲桩效果、适用情况、系统配置成本的对比见下页表1。

拔桩过程中，桩靴顶部被泥沙覆盖，拔桩阻力比较大，需要利用高压力的水柱或者压缩空气对桩靴顶部的板结泥沙进行切割破土，此时不需要很大流量，但对压力要求比较高；桩靴底部与泥面接触，产生很大的吸附力，此时利用高压水或者压缩空气在桩靴和泥面之间形成一个非真空层，以破坏吸附力，减轻拔桩阻力，此时不需要特别高的压力。从表1可以看出，大排量空压机和高压水泵是该系统可能配置的最主要设备。

空气是可压缩介质，而水不可压缩，理论上两者的作用存在区别。当压缩空气从喷头冲出来之后，因其压力较高（一般为3 MPa），作用在桩靴底部表面时（外部压力主要是水压），气体会快速膨胀，很容易破坏桩靴底部的吸附力和真空层。但作用于桩靴上表面的压缩空气由于空气扩散相对更快，一旦冲开一条通道，空气可能会从该通道大量流失，不利于破坏桩靴上表面和桩腿表面泥土的吸附力和板结效果。

表1 四种自升式风电平台冲桩系统配置对比表

高压水的特点是切割破坏能力强，其压力一般为5 MPa，无论是破坏桩靴下表面泥土吸附力和真空层，还是破坏桩靴上表面及桩腿周围泥土的板结效应都很有效，虽然在破坏真空层方面可能没有压缩空气速度快，但由于喷嘴设置得比较多，理论效果同样理想，在破坏板结效应方面，高压水则比压缩空气更具优势。由于水不可压缩，高压水压力往往又高于压缩空气，利用高压水的切割效果，在多喷头同时作用的情况下，板结效应很容易被破坏。

因此，理论上高压水作为冲桩介质已经能满足冲桩系统的全部要求，压缩空气可以略微改善桩靴底部的冲桩效果，但是相较高压水并没有明显优势。

另外，在某些特殊情况下（比如泥土层特别坚硬、平台站立时间特别长导致板结效应特别明显或者多个喷头被挤压变形甚至被堵塞等），就需要通过增加持续冲桩时间来完成拔桩工作，采用高压冲水泵可进行持续冲桩。如果采用压缩空气冲桩，为达到持续冲桩的能力，需配置大排量的工作空压机和冲桩空气瓶。由于仅用压缩空气或者压缩空气结合低压水进行冲桩效果可能不佳，高压水结合压缩空气的方案较高压水方案并没有提高多少冲桩效率，但却带来设备繁冗的问题。因此，高压水冲桩方案是理论上最合适的方案。

3 高压水冲桩系统在平台上应用实例

由于高压水冲桩系统的理论冲桩效果好，所需配置的设备简单，因此包括“精铟1号”、“福船三峡号”、“韩通HY069”、“黄埔800吨”等多个风电平台均采用高压水冲桩系统。

目前“精铟1号”和“福船三峡号”已经交船并投入了实际使用，本文收集了“精铟1号”关于冲桩系统的实船数据。

拔桩作业与海床土质的关系很大，土质结构是拔桩作业是否顺利的决定性因素之一［5］。2018年4到5月，“精铟1号”风电平台在江苏响水近海作业，该海域某些海床土质勘测结果如下页图6和图7所示。

平台上工作人员记录的站桩桩腿记录表如下页图8所示。从图8可以看出，平台在12点完成降船，13点即开始移船，整个冲桩加拔桩时间不超过1 h，可见冲桩效果极佳。

2018年5～6月，“精铟1号”风电平台在福建莆田南日海域作业。根据平台上工作人员反馈，平台从第一天23点10分开始降平台拔桩，第二天2点40分拔桩完毕开始移平台。从开始降平台到拔桩完毕一共用时3小时30分，除去降平台和收桩腿时间，实际用于冲桩时间在2 h左右，高压水冲桩系统表现十分优异。

图6 江苏响水海域土质剖视典型图

图7 江苏响水海域土质钻孔柱状图

图8 “精铟1号”在江苏响水海域作业站桩桩腿记录表

4 结 语

自升式风电平台冲桩系统工作效果决定了平台从站立状态切换到漂浮状态的时间长短，用更少的时间完成切换，对于平台的经济性甚至安全性有着极其重要的意义。本文根据目前主流的几种冲桩系统的设备配置，将冲桩系统分为四种类型，通过对比分析，得到如下结论：在未配置大排量空压机的风电平台上，高压水冲桩系统方案性价比较高，同时冲桩效果也较好；并且，以“精铟1号”在江苏和福建海域实际作业时的数据作为支撑，可证实类似风电平台在这两个海域正常作业时，采用高压水冲桩系统可以达到很好的冲桩效果。

高压水冲桩系统所需设备相对精简，可持续冲桩，虽然在破除桩靴下表面的真空层方面可能略逊于压缩空气冲桩方案，但是对于破坏桩靴上表面和桩腿外的板结效应有着很好效果。综合看来，高压水冲桩系统效果好、性价比高，应是今后自升式风电平台首选的冲桩方案。至于如何设计桩靴上下表面喷嘴的数量和位置，需要增设哪些附加结构以使得喷嘴不容易堵塞，以及如何使用最小流量、最小扬程的高压水来达到理想的冲桩效果，将是今后研究的主要方向。