液压打桩锤水下打桩改造设计及其控制方法

李林山 张飞跃 黄成成 冯炎焜

摘要：随着海上风电施工由潮涧带、浅水（10米左右水深），到目前深水区的发展，原有的单桩基础在深水使用由于自重大设备要求高，已有大部分被水下四桩基础所代替，国内原有引进国外的打桩锤，只具备水面之上打桩功能，论文详细介绍了如何将水上打桩锤改造下水及如何控制的方法，为我国海上风电产业发展提供了参考依据。

关键词：海上风电;水下打桩;水下打桩改造;控制方法

1.引言

我国海上风力发电从2008年开始起步，从2015年开始进入快速发展的时期，从起初的水泥承台、多桩导管架基础、高桩承台基础，大直径单桩基础，到现在为了适应水深20-40多米深水区的水下四桩导管架施工，原有的水面以上液压锤已经无法适应目前时局的需求，早期的海上施工技术人员在不断的专研和创新，结合目前的形式，理论联系实际，采用科学的改造方法和反复的试验实现了液压锤水下打桩功能。为我国的海上风电发展做出贡献，摆脱了国外的技术垄断，节省了成本。

2.打桩锤水下施工改造总述

如图0所示，国内目前的液压打桩锤只有锤杆，锤帽、动力站、控制室等四部分。不具备下水的条件随着国内风电由浅水到深水迈进，水下四桩导管架也应运而生，本设计通过对液压打桩锤改造设计通过在液压打桩水下打桩设备上增加水位检测传感器、配重、锤顶供气管、锤顶供气管连接头、多通连接头、水位检查及气压控制箱、高压空压机气动站、空压机控制系统，水位监测传感器实时检测打桩锤锤帽中的水位情況，液压打桩设备锤帽进入水中后，通过高压空气气动站将气体充入锤体内，锤体和锤帽有气管连接，高压空气既保护了锤体内的电控设备，同时又有气体去排空替打和桩之间的夹水使液压打桩水下打桩设备在进行水下打桩的时候阻力减小，本装置设计合理，有效降低装置在水下打桩的阻力，同时保护了锤体内部电控设备降低设备工作消耗的能量，增加设备的使用寿命。

3.技术方案

为实现上述液压锤水下打桩目的，提供如下技术方案：液压打桩锤水下打桩改造设计，如图1所示包括增加水位检测传感器、配重、锤顶供气管、锤顶供气管连接头、多通连接头、水位检查及气压控制箱、高压空压机气动站、空压机控制系统，所述液压打桩水下打桩设备在原打桩锤机构上进行设备和部件安装，如图1.在锤体上部安装了三通阀门，三通阀门一头通过气管33连接到高压空气动站19，作为供气源，一头连接到锤顶供气接口11在打桩之前切换阀门到锤顶供气侧通过气控装置如图二给锤顶腔供气提供反作用力，保证液压锤实现双倍重力加速度。另一头接到在打桩锤的侧壁上的锤体气体保护导管8，锤体气体保护导管通过固定件安装在锤壳的侧壁上，锤体气体保护导管接到锤壳上的三通块上，三通块一头进气到锤体里，另一头通过锤帽进气管13接到锤帽上，从气控箱17引出两路控制线路，1路线通到高压空气站29，控制内部气控站内的电磁阀给锤体供气，同时反馈气体压力信号给压力变送器21，另一路线通过与锤体控制线并联，将水位检测传感器的信号传送给气控站，气控站内设计了电控线路，电控线路通过反馈回来的信号，反应到了气控箱上的指示灯上，气控箱上的指示灯能够反馈给操作者信号知道水位情况，如图一中，水位检测管5安装在锤帽侧壁上，一头通过气管连接到锤壳，行成U型管原理，水位检测管里的水位及是锤帽内的水位情况，水位检测管里安装了水位检测传感器，线路通过气管连接到锤体接线口处，线路与锤体内的控制线路并线，最终通过锤体总的控制线路反馈信号回气控站17.

如图1在锤体上部设置三通阀门，在打桩前通过阀门切换给锤顶供气，实现了给锤顶腔供气提供反作用力，保证液压锤实现双倍重力加速度，在打桩时切换到另一侧给锤体供气进行电气保护同时也给

所述锤杆的两侧侧壁上对称设有配重如图2，根据浮力计算锤体进入水深10米后会出现悬浮状态无法继续打桩，计算水下50米压强，通过浮力公式算出配重所需重量抵消浮力作用，配重均匀布置在锤壳上能防止偏心作用力。所述配重的两侧对称设有固定连接件，固定连接件上设有螺丝孔，所述固定连接件与配重本体为一体结构。

所述如图3气动控制箱内设有电源控制系统，数字显示仪表系统，阀值电路系统与控制电路系统。可以控制高压空气气控站给锤体供气，同时在高压空气气动站内设有压力传感器，可以反馈输出气体压力值，根据锤体下水深度每10米增加1公斤气压保证锤帽的水能排除，同时锤帽外水位传感器反馈的信号也能送到气动控制箱，经过阈值电路计算，可以反映锤帽内的水位情况，能够及时排水保证替打和桩之间没有夹水。

高压气控站内设计有空压机如图4，各种管路和压力检测传感器，气瓶组。1，能够保证水下打桩时气体源源不断供应，2设有各种减压阀更具不同水深设定输出气压值。3，在供气路上设计电磁阀，可以远程控制供气。4.在气路上设计旁通阀门，保证电磁阀坏了能够继续供气。5.设有各种压力传感器能够知晓输出气压值，气瓶内气压值等。

控制器连接头通过数据线与水位检查及气压控制箱连接，所述水位检查及气压控制箱的底部另一侧设有220V外接电源插头，220V外接电源插头通过导线与水位检查及气压控制箱接通。

如图5水位传感器设计原理：根据并串联电路原理当水位到不同位置时接通不同的电阻，形成不同的串并联电路，电路中的电流值也发生变化，在气控箱里设计了检测不同电流值的阈值控制电路，控制电路反馈信号接通了各个水位高低过高等指示灯，就能清晰的知道锤帽内水位的状态，为后面的操作提供依据。

4.控制方法

当液压锤锤帽入水之后，水位检测传感器检测到水位时，当气控箱上的显示灯会从低-高—过高开始亮，这些显示灯实际显示的是桩帽内的水位，正常状态下传感器过高点距离替打下部20CM，一般状态下我们要将水位控制在低点，这样才能保证替打和桩之间不存夹水造成能量损失。当低点灯亮时，我们通过气控箱加气开关，向锤帽内供气，保证水位不向上涨。液压锤帽下到不同的水深需要不同压力的空气才能排除水，在打桩前通过减压阀要设定气控站输出最大水深时所需气压。在气动站出口安装了压力传感器，压力值信号反馈在气控箱上，根据同一管线中压力处处相等，实际锤帽进气口的压力就是气动站出口压力，通过供气时间长短能达到想要的气压。才能达到排水效果。

5.结语

从上文所述的方法已通过实际水下打桩验证，达到理想的要求，我国海上风电发展过程中面临问题和挑战，我们要勇于思考，面对问题迎难而上，敢于创新。同时也要吸收国外好的经验方法为之所用，这样才能促进国内技术的发展。

作者简介：

李林山（1986～），男，江苏海安人，大学本科学历，助理工程师，从事海上施工设备和船机设备管理及维护，从事设备改进更新研究10年。

（作者单位：江苏龙源振华海洋工程有限公司）