83 m打桩船吊桩吊锤能力的提升改造

张 京，顾福振

(中交一航局第一工程有限公司，天津 300456)

0 引言

近年来，国家大力发展清洁能源，海上风电项目得到快速发展，现有打桩船的桩架结构及起重系统性能已经无法满足风电市场需要，因而打桩工艺需要不断发展。崔建平对原桩架结构与起重系统进行了改造研究，尽可能地发挥桩架的性能。 彭晨阳等指出随着海上施工条件和人类开发活动范围的不断变化，老旧船舶的打桩作业能力难以与实际市场需求匹配。

为了满足风电市场对100 m以下的打桩船吊桩吊锤能力不断增大的要求，本文对某83 m打桩船的桩架结构强度、稳定性、液压缸能力、打桩作业等进行必要的计算和研究，利用原船结构与设备进行吊桩吊锤能力提升改造，达到提升打桩船能力的目的。

1 改造方案

83 m打桩船于2007年建造完工，属于沿海打桩作业、无限航区拖航的非自航打桩船。该船总长64.6 m，型宽26 m，型深5 m，设计吃水2.3 m，桩架高83 m，最大吊桩重量1 000 kN，最大吊锤重量480 kN，挂D180柴油打桩锤。

根据某风电项目桩基的尺寸和重量，改造目标为：吊桩能力增大至1 300 kN，吊锤能力增大至1 000 kN。此2项数据较原船大幅增大，对桩架强度和变幅液压缸的能力是较大的考验。

1.1 改造基本原则

改造基本原则为：该船结构及打桩设备性能状态与原船初始状态相同，保持原有桩架高度、龙口结构、装机功率及液压泵站配置；打桩能力由800 kN/70 m/

Φ

2 500 mm提升为1 300 kN /70 m/

Φ

2 500 mm；主吊由2×1 000 kN提升至2×1 300 kN；副吊由2×500 kN提升至2×600 kN；吊锤由480 kN柴油锤提升至966 kN液压锤。

1.2 改造主要内容

改造主要内容有：桩架强度有限元分析计算、吊点装置强度计算、液压缸能力校核、起重系统设计及改造、液压系统改造、改造后吊重试验验证。

2 改造方案设计论证

2.1 桩架有限元强度计算

桩架布置在船首象鼻梁上，其结构为三角桁架式，架顶布置吊锤平台和吊桩平台。依据《船舶与海上设施起重设备规范》(2007)，本计算采用有限元分析的方法，应用挪威船级社(DNV)的SESAM软件进行建模和静力分析。打桩船桩架有限元强度按无风和有风作业工况进行计算。

2.1.1 有风与无风作业状态及作业工况

有风作业状态有2种：20 m/s风力沿船长方向(纵向风)、20 m/s风力沿船宽方向(横向风)。有风和无风状态下进行有限元计算时均应考虑作业时船舶横倾5°、纵倾2°，以及船舶倾斜和风向均依据工况选择不利倾角及方向。5个作业工况见表1。

表1 作业工况

2.1.2 桩架杆件强度有限元计算结果

在上述5个工况下，无论有风或者无风作业状态，最严重的情况发生在工况2。平台8与吊桩平台连接处的2个前主杆由于应力集中，杆件受压最大应力达到349 MPa，不满足规范许用应力255 MPa要求。平台标号见图1。工况2有风作业臂架应力云图见图2。

图1 平台标号(单位：mm)

图2 工况2有风作业臂架应力云图

2.1.3 解决方案

根据桩架强度有限元计算结果，如果将集中应力大的舷杆规格增大，桩架直立的情况下施工难度非常大，安全风险高，对成本和进度不利。在充分评估施工条件、确保安全和质量的条件下，将平台8与吊桩平台间2个前主杆沿船长方向前后每侧各1根T型加强筋进行结构加强，布置情况见图3。T型加强筋腹板宽度300 mm×厚度12 mm，面板宽度150 mm×厚度20 mm，材质CCSB，屈服强度为235 MPa，重量总计15.60 kN。添加加强模型后，再次计算应力，结果满足规范要求；在5个工况下作业满足使用要求，而且加强方案可操作性强，表明此解决方案是可行的，同时成本和进度上最为有利。

①—主杆背部加强材(T型材)； ②—主杆前部加强材(T型材)；③—肘板(角钢)；④主杆前部加强材。

2.2 其他结构部位强度校核

采用有限元方法对吊锤平台、吊桩平台和两平台间的桩架结构(以下简称“附架结构”)进行局部强度校核。吊桩平台及吊锤平台局部强度校核各工况下，吊桩平台、吊锤平台结构的Mises应力均小于许用应力，拉力、压力、剪力均满足规范对失效应力的要求。同时校核桩架铰链轴强度、抗剪强度、挤压强度、支座板强度，校核结果均满足规范要求。考虑桩架结构重量增加少于20 kN，导向滑轮重量增加40 kN，其他均与原结构相同，改动不大，因此不再做搁置状态下桩架结构的强度校核。

各工况下，只有在两平台之间主斜撑杆件底部与吊桩平台连接位置出现局部应力集中情况，其他位置应力均小于校核标准157 MPa，满足《船舶与海上设施起重设备规范》(2007)许用应力的要求。原附架结构已经进行了局部加强，改造方案下的原吊锤平台、附架及吊装平台强度满足规范要求，计算结果见表2。

表2 强度校核汇总表

2.3 桩架变幅液压缸能力校核

液压缸性能参数：内径900 mm，活塞杆外径540 mm，行程11 470 mm，工作压力25 MPa，液压缸理论推力11 000 kN，理论拉力8 600 kN。

对工况4和工况5这2个极限工况的液压缸能力进行校核。桩架载荷：自重3 720.7 kN；上下滑车重量51.2 kN×2+91 kN×2、钩头重量44 kN×2+77 kN×2、吊桩重量1 300 kN、锤加替打重量1 000 kN。

工况4：桩架前倾11.5°植桩，主钩及桩架下部抱桩器共同支撑1 300 kN桩重量，锤加替打重量1 000 kN置于吊锤平台，有风作业。经计算，此工况下液压缸受拉力7 850 kN，小于液压缸最大拉力8 600 kN，裕度8.7%。

工况5：桩架后倾11.5°植桩，主钩及桩架下部抱桩器共同支撑1 300 kN桩重量植桩，锤加替打重量1 000 kN置于吊锤平台，有风作业。经计算，此工况下液压缸受压力4 430 kN，小于液压缸最大压力11 000 kN，裕度59.7%。

校核结果显示：液压缸能力满足设计及使用要求，但工况4受拉状态已经比较接近设计极限，不得过度使用。在此工况变幅下需慢速操作，利用水深植桩，桩锤随桩下降，降低桩架总体重心高度，确保安全。

2.4 1 300 kN吊点强度校核

原1 000 kN吊点挂板的材质AH36，屈服强度355 MPa，抗拉强度490 MPa，板厚40 mm。经计算，强度满足规范要求，计算后需验证吊点挂板与两连接腹板的角接主焊道的最小有效焊喉厚度是否≥14 mm，在桩架顶部挂板处开工艺孔进行检测，主焊道有效焊喉尺寸15 mm，主焊道长度800 mm，原1 000 kN主挂点的强度满足1 300 kN吊重要求。

2.5 起升系统计算

2.5.1 主起升载荷核算

吊桩载荷核算工况：桩架前倾12.5°、横摇角5°、纵倾角2°，桩重心距船艏(96#)水平21.8 m。经计算，主起升钢索安全工作负荷为302 kN，安全系数为4，起升钢丝绳最小破断负荷为1 208 kN。起升钢丝绳选取规格：42 mm-6×37WS+FC-1960 MPa-1 230 kN-710 m，实际安全系数4.074。

2.5.2 吊锤载荷核算

经计算,吊锤钢索安全载荷为348 kN，安全系数为4，吊锤钢索最小破断载荷为1 392 kN。吊锤钢丝绳选取规格：

Φ

46 mm-6×37WS+FC-1 960 MPa-1 480 kN-590 m，实际安全系数为4.258。

2.6 起重系统滑轮设计选型

2.6.1 主吊桩滑轮配置

主吊桩滑轮缠绕示意图见图4。

(1)主吊桩钢丝绳固定导向滑轮适用钢索

Φ

42 mm。其主要参数为：安全工作载荷305 kN，滑轮槽底

Φ

554 mm，强制油脂润滑。每个主吊桩有2个导向挂轮，其中1个在桩架腰身垂直安装(见图4①)，滑轮轴

Φ

160 mm，重量4.26 kN；另1个在吊桩平台底面倒挂安装可摆角(见图4②)，滑轮轴

Φ

160 mm，主挂点轴

Φ

100 mm，重量4.64 kN。

①—导向滑轮(位于桩架腰身的第一导向)；②—导向滑轮(位于吊桩平台的第二导向)；③—动滑轮(主钩钩头动滑轮组)；④—定滑轮(主钩天灵定滑轮组)。

(2)1 300 kN动滑轮组带钩头(见图4③)适用钢索

Φ

42 mm。其主要参数为：安全工作载荷1 274 kN，滑轮槽底

Φ

634 mm，4饼滑轮，滑轮销轴

Φ

170 mm，强制油脂润滑；每个主吊桩各1套，重量47 kN。(3)1 300 kN定滑轮组配旋转葫芦(见图4④)适用钢索

Φ

42 mm，其主要参数为：安全工作载荷1 274 kN，滑轮槽底

Φ

634 mm，4饼滑轮，滑轮销轴

Φ

170 mm，主销轴

Φ

180 mm，强制油脂润滑;可前后左右约15°摆角，每个主吊桩1套，重量32 kN。

2.6.2 吊锤滑轮配置

吊锤系统滑轮缠绕示意图见图5。吊锤钢丝绳固定导向滑轮适用钢索

Φ

48 mm。其主要参数为：滑轮安全工作载荷405 kN，滑轮槽底

Φ

548 mm，滑轮销轴

Φ

190 mm，强制油脂润滑；带滑轮支座及防止跳绳装置，共10个，重量约4.60 kN/个。

①—桩架腰身的第一导向滑轮 ；②—吊桩平台的第二导向滑轮 ；③—吊锤平台的第三导向滑轮 ；④—吊锤平台的定滑轮 ⑤—吊锤平台的平衡滑轮。

3 主要改造施工项目

3.1 起重系统施工内容

本船在码头施工，桩架保持后仰3°，维持在较为合适的桩架施工状态。起重系统施工内容如下：

(1)原副吊桩绞车及吊锤绞车拆除，购置200 kN主吊桩绞车、320 kN吊锤绞车，底座进行加强及安装工作。

(2)原2×160 kN(绳径

Φ

37.3 mm×710 m)主吊桩绞车系统改装到原副吊桩绞车位置。

(3)重新设计制作桩架滑轮、1 300 kN定动滑轮组，吊桩平台主副吊桩定滑轮组(2个)及导向滑轮(4个)换新，吊锤平台导向滑轮换新(10个)；根据计算选型，换新锤绳和主钩绳。

(4)钩头改装要点：每个主吊钩增加10 kN配重铁，有助于空钩下降。

3.2 液压系统施工内容

完成新安装的液压绞车管路与原液压泵站管路的对接，以及新液控制回路与原系统的对接。根据新绞车相关油口位置，重新制作安装以下管路：

(1)阀组A、B口到马达A、B口管路；阀组C口到刹车管路；马达泄油管路。

(2)根据新的马达双速电磁阀块油口，重新制作到新马达变量口管路。

(3)重新连接新起重平台上的超高保护信号；连接新绞车过松、过卷信号。

(4)重新连接双速电磁阀；安装绞车厂家提供的原6MB650操作阀组上的PA阀件，以提高原阀组流量。

80 m打桩船改造后的吊锤能力由480 kN提升到966 kN，绞车额定拉力由2×130 kN提升至2×320 kN，吊挂柴油锤升级为吊挂液压锤。液压系统在原有基础上改造较为复杂。在完成管路重新布置的基础上，取消了驾驶室面板上吊锤绞车溜桩保护相关功能的按钮、开关功能，操作上主动跟随控制确保安全。

上述项目改造后，对桩架结构进行局部加强，并重新校核桩架结构强度及船舶稳性，制定改造后吊重曲线表。

4 吊重试验

打桩船施工完成后，进行了调试和空载运行，结果均为合格。根据设计能力及吊重曲线，利用吊重水袋进行了吊重试验。吊桩吊重工况部分负荷见表3。在桩架前倾5°下，锤在顶工况吊锤系统吊重1 065 kN，吊桩系统吊重1 430 kN，调整了起重检测系统整定值。吊重试验后检查桩架结构，未见缺陷且液压缸能力、起升系统、液压系统运行良好，本次改造满足设计要求。

表3 吊桩、吊重工况部分负荷表

5 改造后操作关键点

(1)打桩工况(包括吊桩和植桩)为锤在顶工况，锤/替打/桩帽总重量≤966 kN，适用钢管桩径

Φ

800～

Φ

2 500 mm，作业风速<7.9 m/s，有义波高≤0.5 m；静横倾角度≤5°，静纵倾角度≤2°。

(2)桩架变幅操作时，应微速启动和停车，缓慢均匀加速和减速，变幅油缸线速度≤0.38 m/min，以避免桩架震颤；观察和记录油缸高压腔的油压。

(3)移船操作时，应微速启动和停车，缓慢均匀加速和减速，移船绞车线速度≤4 m/min，以引起桩架震颤，并规避与固定物或他船撞击事件发生。

(4)一主钩和一副钩联合最大吊重为1 300 kN(含吊具重量)，此时桩架最大前倾角度≤9°。

6 结论

(1)利用现有打桩船进行适当的经济性改造，解决了打桩船性能不足的问题，从而尽早进行投标及施工，提高了船舶利用率，符合市场经营需求。

(2)锤在顶工况力矩最大，导致变幅液压缸受拉接近极限能力，证明了吊锤能力大幅度提升是改造性能极限的重要因素。

(3)如起重系统增加动滑轮组数、钢丝绳增大直径，会使滑轮间动摩擦阻力加大，所以需考虑对钩头增加配重，有助于空钩顺利下降。