海上风电安装用抱桩器发展综述

孙远韬,张敏,张氢,宋豫

(1.同济大学 机械与能源工程学院,上海 201800;2.上海振华重工(集团)股份有限公司,上海 200120)

风电施工难点之一是桩柱的安装。海上风机桩柱的基础结构形式有固定式结构(单桩、重力基础结构、三角架、导管架、三桩式结构)和浮动式结构(深吃水立柱式、张力腿和导管架结构)。其中单桩结构是使用最普遍的结构,见图1。

图1 海上风机的基础结构形式

对于单桩基础的风机,在安装时首先将基础桩打入海床土壤中,随后在该基础桩上套装过渡桩段,过渡桩可以调节桩体的垂直度和标高,最后在过渡桩上安装塔筒、风机和叶片。其中基础桩的安装是整个单桩风机安装的关键,基础桩长度在30～70 m,直径一般在几m～十几m不等,需要插入海床30～40 m,以获得足够的的稳定性。

海上抱桩器由陆上桩柱稳定装置演变而来,吸纳海上石油、天然气开采装置的成熟技术,顺应海上风电能源的发展趋势和广阔市场,在近10年的时间里取得了巨大成就。海上抱桩器的功能是应对海上多变的环境因素(强风、海浪、洋流、潮汐等)和柔软的海床土壤,抵御基础桩在安装过程中的偏移与倾斜,保证基础桩安装的垂直度符合施工规范要求(不能大于0.3%[1])。但是需要注意的是自2021年底开始,随着产业示范及探索阶段已逐步完成,我国中央政府的海上风电补贴逐步取消,市场化因素将成为今后海上风电发展的核心因素之一,风电安装的效益成为必须要考虑的问题。在安装海上风力发电机时,基础桩的施工成本可以占到整体安装成本的1/3。推进抱桩器相关技术的发展是海上风电施工降本增效的关键举措。

1 抱桩器机体结构的发展历程

1.1 基本抱桩器结构

自升式平台是当前单桩安装最常用的平台(见图2a)),平台上配套的静态抱桩器得利于导管架平台良好的稳定性,桩柱安装时的垂直度可以得到充分保证,因此其结构功能一般比较简单。如图2b)为2013年,Houlder公司在英国MPI Discovery导管架平台上安装的抱桩器。该抱桩器有2个液压驱动的机械臂,其上安装有3个主要油缸:1个用于收放机械臂,2个用于抱桩。司机能够通过控制油缸,夹紧机械臂,关闭钳口,抱紧桩柱,保证桩柱锤击时的垂直度。

图2 自升式平台及其抱桩器

1.2 双层纠偏抱桩器

如图3,双层抱桩器分为上下2层,用箱型支柱支撑,在保证抱桩器自身的刚度的同时,防止桩柱偏斜,确保基础桩的垂直度。同时,上下两套夹臂既可联动控制也可分开作业,增加操作的灵活性。

图3 双层纠偏抱桩器

1.3 升降式双层抱桩器

当打桩过程中的抱桩高度不足时,将会导致产生桩柱偏移倾斜、桩柱失稳等恶劣现象[2]。因此,在打桩机设计过程中,还应考虑抱桩器正常工作下的抱桩高度。升降抱桩机能够根据不同的场合调整抱桩机的桩爪高度,从而实现范围更大的抱桩功能。如图4所示,该抱桩器下层臂爪可在3级液压缸下实现上下升降功能,使桩柱在遇到软泥的情况下向下继续沉降,保证桩柱的牢固。

图4 升降式双层抱桩器

1.4 双层四臂抱桩器

四臂抱桩器是在双臂抱桩器的基础上研发而来。双臂抱桩器工作时,抱紧与放松动作均为全行程,作业时间长,由于波浪的影响,在等待过程中抱桩器经常与桩柱发生碰撞,损坏抱桩器结构部件。四臂抱桩器臂爪收放时,只需小臂工作,而大臂可以不参与,这样可缩短了等待的时间,提高工作效率,提升安全性,大幅降低设备损耗。

一典型的4臂抱桩器的结构布置见图5,抱桩器左右2臂各由大臂和小臂组成。大臂结构强度较大、行程较长,由长行程液压缸驱动;小臂结构强度较小、行程更短,由短行程液压缸驱动。大臂和小臂之间是铰接的,大臂与龙口结构上的焊接耳板相连[3]。

图5 双层四臂抱桩器的布置

1.5 可适应不同直径桩柱的抱桩器

图6所示为荷兰TMS公司制造的抱桩器,可变形以适应不同直径桩柱。

图6 TMS公司制造的适应不同直径桩柱的抱桩器

由图6可知,该抱桩器的高适应性主要靠2类共5个油缸的伸缩来实现。第一类油缸为大臂驱动油缸,即图中的1类油缸,2只大臂每只各配备1个;第二类为小臂驱动油缸,即图中小臂下方的2类油缸,共计3个。在安装小直径桩柱时,大臂驱动油缸收缩,小臂驱动油缸外伸,这样可使3小臂围成的区域变小;安装大直径桩柱时则相反,大臂驱动油缸外伸,小臂驱动油缸收缩。

2 抱桩器控制的研究现状

2.1 抱桩器抱紧与松开的控制

对于一般的固定式抱桩器,系统的油路控制系统与差动式液压缸相连接, 通过调节油压调节桩爪对桩柱的压力, 从而调节摩擦力。油路控制系统上的测压元可以显示油路内瞬时压力、摩擦力和应力,便于实时控制和保障安全[4],文献[5]介绍了一种适用于小桩柱打桩船抱桩液压控制系统,简化了操作,加快了施工速度,明显改善施工质量。抱桩器通过臂爪的收放实现对桩柱的抱紧与放松,这是抱桩器最基本的功能之一,技术工艺也都较为成熟,不同设备的液压系统与控制原理大同小异。

2.2 抱桩器的纠偏控制

打桩过程中若桩柱发生偏斜并超出容差,系统将停止打桩,通过纠偏系统进行纠偏,待桩柱垂直度重新符合要求时再继续打桩,确保桩柱的安装质量。对于具有纠偏功能的抱桩器,以前述双层抱桩器为例,其液压系统分为液压站、纠偏系统、大臂开合系统和触头抱桩系统。其中纠偏系统主要包括两组纠偏油缸以及对应的油路控制系统。两组纠偏油缸分别负责平台的前后移动及纠偏、左右移动及纠偏。

2.3 抱桩器的动力定位与运动补偿

随着风电技术的发展,单桩安装的离岸距离越来越远,需要应对的水深越来越深,同时单桩的体量不断提高,对平台的起重能力有了更高要求,因此兼顾灵活和优秀起重能力的浮动式船舶安装或将成为今后风电安装等市场的主流。与自升式平台不同的是,浮船不能提供稳定的基础,船体的运动会导致单桩响应过大,不利于单桩的安装,因此在打桩阶段,必须设计配套装置或方案来保持单桩的垂直度。这给现有的固定式抱桩器带来了挑战。

为了克服这一难题,有学者研发了一种位移控制模型(DCM),通过理论和实验证明了DCM在土-桩相互作用问题上的适用性,可以帮助工程师准确预测地面变形的大小和方向。有学者与TemporaryWorks Design BV (TWD) 公司合作研发设计了运动补偿式抱桩器(Motion Compensated Pile Gripper (MCPG))[6],在Matlab和Simulink中开发了3个模型:1个非线性单桩模型(见图7),1个具有站位保持系统的船舶模型(见图8)和1个运动补偿的抱桩机模型(见图9)并通过AQWA模型对上述模型进行了验证。之后,得出单桩的运动方程。再根据AQWA收集的水动力数据在Simulink中建立船舶模型。采用Cummins方程来实现时域分析并引入频域识别方法来描述流体记忆效应。这些信息通过1个PID控制器反馈到船舶模型中,形成一个理想的DP系统。最后由其上述全耦合模型指导油缸控制系统来实现其运动补偿功能。有学者探讨了用动力定位(DP)船安装单桩的可行性,设计了相应的模型模拟桩柱安装过程中受力情况和运动情况,分析了桩柱安装过程中的振动幅值、频率等特性数据,验证了动力定位式船舶安装单桩的可行性,并且与传统安装技术进行了比较,展示了该技术的优越性和良好前景。有学者通过Matlab对运动补偿式抱桩器存在不确定性的横摇液压缸安装位置进行了优化计算分析,确定了最佳的铰接点安装位置。应用Ansys AQWA软件对船体进行水动力分析,得出其六自由度RAO运动响应,作为运动补偿式抱桩器控制输入。通过Labview软件对运动补偿式抱桩器进行了前馈、反馈、前馈反馈控制系统模拟,得出不同策略PID控制应用于运动补偿式抱桩器时的特点[7]。

图7 单桩在打桩过程中受力示意

图8 运动补偿抱桩器模型

图9 浮船坐标示意

TWD公司的MCPG抱桩器见图10,其臂架根部铰接在导套上,通过导套上的垂直油缸在H形立柱上上下滑动进行补偿。

图10 运动补偿抱桩器

类似的还有英国的MACGREGOR公司开发的运动补偿式抱桩器,见图11。

图11 MACGREGOR公司开发的运动补偿式抱桩器

此外针对用来固定海上导管架平台的小直径桩(1～3 m),Houlder公司设计了可以在X-Y平面上运动补偿的抱桩器,见图12。

图12 Houlder公司的平面运动补偿抱桩器

3 未来研究展望

不论是国内还是国外,海上风电的需求市场巨大,抱桩器尤其是可用于浮船的运动补偿功能的抱桩器应用前景良好,需要研究人员考虑从结构创新、系统模型建立与耦合、与其他领域技术的交叉融合等角度展开相关的研发工作。

3.1 结构创新

虽然现存的大部分抱桩器的结构已经趋于同质化,但如图6与图12所示的异形抱桩器在实际应用过程中取得了不错的效果。需要针对浮动式船舶研发基于混联机构的抱桩器,既能补偿海浪干扰,又能完成抱桩作业,适应未来海上风电向远海发展的趋势。研究者和工程师可以根据施工项目的实际情况,综合考虑各种因素,对抱桩器的结构进行创新设计;此外,随着桩柱直径的与日俱增,抱桩器的体量也随之增加,带来了运输、安装和应用等方面的不便,需要考虑革新抱桩器的结构,实现设备的轻量化。

3.2 系统模型建立与耦合

抱桩器动力定位和运动补偿功能的开发离不开对抱桩器-桩柱-海洋-风系统的建模与综合性能分析。目前的研究在创建模型时或多或少对模型进行了简化处理(单桩模型中土壤材料与载荷简化为铰点约束、抱桩器模型中框架结构的简化为质点等),影响分析结果的准确性,未来的相关研究可以对模型进行优化,使其逼近真实情况,增加结果的有效性。

3.3 加快与各领域技术的交叉融合

推进海上抱桩器的发展,必须加快其与多领域技术的交叉融合,不断更新迭代。例如,将较为成熟的故障检测、寿命预测等技术应用于抱桩器设备的检测与维护,增加设备的安全性,提升设备实际使用寿命;将机器视觉技术应用于抱桩器对桩柱的纠偏、为运动补偿提供额外信息等。