国产卡桩器在南鹏岛风电场中的应用

◎ 张亚生 马美琴 河北省深海桩基配套装备技术创新中心 衡橡科技股份有限公司

1.概述

随着海上油气平台和海上风电平台向由浅海向着深海迈进、平台功能由单一化向着综合化、大型化发展，导管架的体量也随之迅速增加。为减轻结构重量并节约海上安装时间，采用整体裙桩、水下打桩的导管架项目数量增长迅速。常规的水上吊装机、焊接临时楔形块等简易的临时固定和水上调平的方式已无法适用。

中节能阳江南鹏岛海上风电项目有广州打捞局承建，规划总装机容量为30万千瓦，拟安装单机容量5.5兆瓦的风力发电机组55台，同时建设220千伏海上升压站、陆上集控中心各一座。其中，海上升压站导管架为裙桩套筒形式结构。根据海上安装作业指导书的要求，导管架安装完成后，对角调平的精度要求很高，仅依靠打桩顺序调平、吊机调平无法达到设计精度。且海上导管架安装时间为8月份底，安装船档期较满，大风工况又使得施工船被迫中途回港，水泥浆固化前，卡桩器对导管架的临时固定功能显得尤为重要。

我国渤海、南海的导管架平台采用的卡桩器是均国外产品，成本高、供货周期长、规格单一无法满足设计要求，若南鹏岛风电平台采用进口卡桩器，会严重拖延施工周期，无法满足快速开展的要求。为解决这一制约深海导管架发展的难题，我们经过了大量的设计分析，设计出了能独立生产、可根据项目定制化设计的国产卡桩器产品，其性能和安全性均达到了国外产品水平。

2.国产卡桩器

南鹏岛卡桩器规格：

型号∶2600-SPG 5.0

承载力∶5.0 MN（双向）

外型尺寸∶外径2960mm，壁厚60m，高650 mm

材质∶Q355B

质量∶5250 kg

工作压力∶20 MPa

动力方式：油压

2.1 卡桩器组成

卡桩器由厚壁筒、液压油缸、高强齿状结构、液压泵站、ROV 快速接口组件、蓄能器和液压软管等组成，如图1所示。其中液压油缸呈辐射状均匀分布在套筒上，卡桩器是一种由液压驱动的设备,预先安装在导管架套筒顶部。

2.2 卡桩器作用机理

液压泵站提供动力，液压油由软管传递到油缸，油缸在压力作用下进行伸缩，带动高强齿状结构卡紧/松开钢桩，从而实现导管架和桩的临时固定。通过油缸的反复伸缩，来满足整个打桩灌浆过程中的多次调平作业的需求。

图1 卡桩器模型示意图

高强齿状结构在油缸推力作用下，其前端会刺入钢桩表面，可对钢桩提供稳固、强大的抱紧力。泵站和油缸间配置有阻断阀，阻断阀和油缸之间有蓄能器。泵站运作时，阻断阀打开，由泵站为系统提供压力；泵站不运作时，阻断阀关闭，由蓄能器为油缸稳定系统动力。

RO V 快速接头组件可应对：由施工（或不可预期的事故）造成的ROV接收器与泵站间长管线（近70m）破损泄漏的特殊工况。通过潜水员或水下机器人，通过更换ROV快速接头来恢复卡桩器的使用。

2.3 液压控制管线

为了保证在位于平台顶部的控制泵站可以操作水下卡桩器，每套卡桩器上设有4根直径为20.0mm、壁厚为5mm的弹性体包塑（高耐海水腐蚀）液压控制管线和ROV接头。4根液压管线属主控制管线，ROV接头等辅助备用线路，万一主控制管线失灵，可以通过ROV在浮吊上直接控制液压卡桩器。整个导管架设有16根液压管线，分为4束放入固定在导管架外壁上的导向管内。

2.4 液压泵站

液压泵站设计出口压力为31.5MPa，采四套泵用1件油箱的1拖4结构设置，如图2所示。泵站所有电压为380V，所用液压油为42#高耐磨机油。泵站中设置有高/低压过滤器、压力表、压力变送器、压力报警装置、自动泄压装置、进出口压力转换手柄、进出口压力调节阀、截止阀、急停开关、过载保护器等。可为液压油缸的伸缩提供动力。

3.陆地安装调试

卡桩器厚壁筒焊接在导管架裙桩套筒顶部，液压管线穿过导管架上的导向管连接位于海底的卡桩器油缸和位于导管架顶部的液压泵站。卡桩器出海前，需对整套系统进行组装，并测试油路密封性能。

3.1 焊接厚壁筒和导向圈

将卡桩器底部焊接在裙桩套筒顶部，焊缝强度不得低于主体结构的80%。卡桩器顶部锥形导向圈由薄钢板卷制而成，其承担着下桩是桩尖接收器的功能。

3.2 压力试验

3.2.1 测试条件

测试前，卡桩器系统的油缸、油源支架、油管和泵站已按照设计图纸进行连接。

3.2.2 测试方法

卡桩器油缸伸缩测试过程是对卡桩器油缸的是否可以完全伸出进行的检查。并检查卡桩器是否能在规定的时间内伸出所有活塞杆。

系统压力测试共为三个相同的测试过程。一个测试过程为：油缸进油查看油缸是否完全伸出 油缸回油查看油缸是否完全缩回。

3.2.3 测试结果及判定

整个测试过程主要是通过目测来判定活塞杆伸缩是否顺畅。从第一个活塞杆开始伸出，到系统压力到达最大，此过程时长不应该大于15min。

4.海上使用

海洋平台导管架在海上建造过程中，会经历起吊、摆正、就位、插桩、打桩、调平和灌浆七个步骤。当完成插桩工序后，打桩和调平在同时进行，该期间通过选择性使用卡桩器，固定四个桩腿中的某一个或者两个，通过打桩和吊机可有效的进行调平操作。打桩和调平工序均完成后，需要将所有卡桩器均投入使用将导管架临时固定，来保证钢桩和套筒的相对位置。卡桩器为套筒和钢桩间稳固的位置关系，是灌浆工序可以顺利完成的有力保障。

4.1 下水前的确认工作

导管架下水前，需对卡桩器状态进行最后的确认。主要是检查所有的油缸护板是否完好，油缸活塞杆是否均收在油缸中、液压管线是否固定紧实。

4.2 使用时的操作事项

因导管架下水和落桩过程中导管架晃动幅度较大，液压泵站需等插桩完成后，再吊装到导管架顶部进行安装固定。使用时根据导管架调平要求进行使用。

4.3 长时间的临时固定

环境温度、液压油的分子运动等因素都会对系统内油压会产生一定影响。如临时固定的时间超过12h，就需在初始投入使用的环境进行针对性的加压或减压操作，以保证系统的稳定运行。

4.4 ROV备用系统的选用

当进油管线压力或回油管线压力长时间无法达到设计要求，就应对现场工况进行评估，判定是否发生了某些错误的操作或不可预估的恶劣工况造成了液压管线的损坏。待判定管线损坏后，ROV被用系统即可投入使用。由水下机器人或潜水员携带备用的ROV插头和管线，下到海底将原有ROV接头拔下，将备用ROV接头插入即可。值得一提的，ROV接收器和ROV快速接头间的密封主要通过格莱圈进行，两者间表面均作了润滑处理，拉拔力不超过10kgf，操作便利。

图2 液压泵站实物图

图3 卡桩器焊接位置实物图

5.应用情况

国产卡桩器在南鹏岛海上风电场升压站上的成功应用，标志着卡桩不再受国外产品制约，供货周期长、型号单一、需要根据进口卡桩器调整导管架结构的窘境得到了很大程度的缓解。该项目吊装船回港避风时间超过了7天，期间卡桩器压力稳定、效果良好，为导管架成功安装提供了有力的保障。国产卡桩器的应用，可为以后其他平台项目制定设计方案、施工工序、操作方案均提供经验。