液压打桩锤在海洋工程中的应用

2015-07-10丁全智邱成国

建筑机械化 2015年11期

关键词：海洋工程柴油风电

丁全智，邱成国，孙福

(太重（天津）滨海技术中心海工所，天津 300457)

液压打桩锤在海洋工程中的应用

丁全智，邱成国，孙福

(太重（天津）滨海技术中心海工所，天津 300457)

主要介绍了当今国内外液压打桩锤的发展现状、趋势及具有自主知识产权的TZ系列液压打桩锤的工作原理及其创新点，并分别从作业范围、效率、锤体特征、节能环保性等方面对液压打桩锤与柴油锤进行对比分析，同时指出液压打桩锤在海洋结构物、海上风电基础安装等海洋工程中的应用前景。

液压打桩锤；柴油锤；海洋工程

1 引言

根据Frost Sullivan发布的《全球风能行业研究报告》显示，截至2011年12月，欧盟成员国已完成的、正建的、项目获批的及正在编制计划中的海上风电装机总容量可以满足欧盟1.3亿户家庭的用电需求，相当于欧洲总发电量的13.1%。2011年3月，美国能源部发布了《国家海上风电战略：创建美国海上风电产业》，计划到2030年海上风电容量将至5400万kW。根据Pike Research研究报告，全球海上风电装机容量预计会从2011年的410万kW增加到2017年的7010万kW。

中国是全球最大的风电市场，海上风电处于起步阶段，极具开发潜力，到2020年海上风电装机容量超过3200万kW。按5MW单机容量计算，到2020年，中国至少需要6400台风机。风电机组向大型化发展，这对风电基础安装提出了更高的要求，迫切需要能量传递率高、调控方便准确、噪音低、污染小的大型化打桩设施，因此液压打桩锤也就应运而生。

2 液压打桩锤大型化发展

液压打桩锤重量轻，效率高，操作平稳，能在水下打桩。国际上主流的液压打桩锤供应商为荷兰IHC和德国MENCK，只有这两家公司可设计制造性能优良的液压打桩设备。英国BSP公司、日本车辆公司、芬兰永腾公司也是液压打桩锤的主要生产厂家，但经过多年工程验证其打击能量低，技术水平相对落后。就国内而言，目前还没有一套真正意义上的大中型液压打桩锤投入使用。表1为MENCK大中型液压打桩锤的基本参数。

表1 MENCK大中型液压打桩锤

目前世界上已有较多地区使用液压锤，国内几家公司为提升总承包能力，相继从国外进口大中型液压打桩锤。中海油安装公司由于打大型桩需要，先后购置MHU1200和MHU1900液压打桩锤；中交三航局为巩固海上风电业务也从IHC购置S-1200和S-1800液压打桩锤，国内施工单位购置大中型液压打桩锤如表2。

表2 国内施工单位购置的大中型液压打桩锤

3 液压打桩锤

3.1 液压打桩锤的组成

在国产液压打桩锤的研制方面，笔者公司研发了具有自主知识产权的TZ系列液压打桩锤。在继承了压缩氮气双作用液压锤的基础上，TZ系列液压打桩锤增加了空气蓄能器及抽真空室，打桩锤时有4个力驱使。相比较IHC、MENCK的双作用打桩锤，具有一定先进性，且最大加速度、打击效率和最大打击功都有所提高。图1为液压打桩锤的系统总成。

TZ系列液压打桩锤由锤体、液压动力站和电气控制系统单元等几个部分组成，其中锤体由储气舱、配油舱、锤筒上锤芯、下锤芯、替打、桩套筒、提升油缸、蓄能器等组成；液压动力站由集装箱、柴油发动机、供油泵组、分动箱、液压油箱、液压控制集成块、冷却循环装置和管路附件等组成；控制系统单元由空压机、控制室、控制系统电气单元、撬底座等组成；脐带由进油管、回油管、控制电缆、空气补偿管、钢丝绳等组成。

图1 液压打桩锤系统总成

液压打桩锤工作原理为：根据用户设置好的打桩能量，控制系统计算出锤芯所需要提升的高度，并通过控制锤体上液压阀的通断和通断时间长短来使上锤芯和提升油缸一起向上移动到该提升高度并下落，最终上锤芯以一定的速度捶击下锤芯，从而使下锤芯以设定能量将桩体向地下贯入。提升油缸上装有位移传感器，以控制和监测上锤芯的提升高度。

3.2 液压打桩锤与柴油锤的性能对比

液压打桩锤与柴油打桩锤的施工适用范围如表3所示。柴油打桩锤与液压打桩锤工作效率损失比较如表4所示。通过对比列表说明：液压打桩锤和柴油打桩锤不只在适用范围方面存在差异，而且在工作效率方面也有着显著的差异。液压打桩锤同柴油锤比较具有以下优点。

表3 液压打桩锤与柴油打桩锤的施工适用范围

表4 柴油打桩锤与液压打桩锤工作效率损失比较

1）可根据土质情况及桩材质的强度，合理选择冲击力，以保证冲击能量的发挥而不损坏桩身，施工时可省去桩垫。

2）在打桩过程中，同时可获得下打冲击力和贯入度指标，因而可有效地确定桩是否已进入预定的土层上，并能直观地知道桩的允许承载力。

3）液压锤特别适应打斜桩作业及水下桩基施工，液压锤不存在软土起动困难的问题，而且能适应各种气候下的施工作业。

4）液压打桩锤的公害较小，基本无污染绿色环保，噪音低，能适应城市桩基础的施工作业。

5）液压打桩锤系统性能，安全、可靠性高，坚固耐用，可抗拒恶劣的海上环境，相比柴油锤具有，防爆、工作可控性强等优点。

4 液压打桩锤在海洋工程中的应用

4.1 应用于海上结构物安装施工

导管架是海洋石油平台中传递载荷的主要部件，其主体是钢制桁架结构，是海洋石油平台的固定基础。导管架的主要作用是为平台的海上施工提供条件，打完桩以后，桩和圆管之间的环向内用水泥浆固结，把各单桩连成一个整体，详见图2。随着南海的开发，更多的钻井平台将被应用，这就意味着液压打桩锤拥有广阔的市场前景。

图2 液压打桩锤在导管架安装中打桩

中海油在2002年从国外引进了五套适用于不同桩径的系列液压打桩锤，该系列液压打桩锤能安全运行的年限是10年，近两年中海油应该会需要更换其拥有的液压打桩锤（根据《海洋石油工程股份有限公司招股说明书》－2013年预测的）。而国内海洋石油施工企业纷纷涉足海洋工程，国内三大石油公司中，除了中海油海洋工程公司此类装备配备较全外，其他施工企业几乎为空白，尤其是在开辟海外市场方面，装备的需求是迫在眉睫。

4.2 应用于海港及跨海大桥桩基工程施工

跨海大桥及海港工程日益趋向深水和大型化发展，基桩的断面逐步增大。0.7m×0.7m钢筋砼方桩，直径1.2～1.4m砼管桩和直径1.2～2.5m的钢管桩已被采用，预计今后基桩单桩垂向极限承载力15000～20000kN，甚至20000kN以上。另外为满足弹性长桩的设计要求，需要穿越标贯值较大的土层，使之达到较大的入土深度。假设这样大断面大直径高承载力的长桩，仍沿用目前拥有的大型柴油锤恐怕难以胜任，因此应根据海港工程的需要，选备更加大型、环保、高效的液压打桩锤，详见图3。

4.3 应用于海上风电场的桩基施工

海上风力发电机重量大、建造位置高，整个上部结构所受风荷载大，对风机基础的要求除了竖直方向所受的向下压力外，还存在着很大的水平力和抗拔力。为了海上施工方便，现在已经运行的风电场风机基础有单桩基础、重力式基础、导管架群桩基础和零星装备四种形式，除重力式基础外，其他三种方式均需要用到液压打桩锤。海上有丰富的风能资源和广阔平坦的区域，使得近海风力发电技术成为近年来研究和应用的热点。我国近海风能资源预计可达7.5亿kW，是陆上风能资源3倍，海上风力发电场将成为未来发展的重点。

海上风电安装主要将液压打桩锤配备在装运海上风电机组的自升式风电安装平台和风电安装船上，平台到达目的地后进行打桩施工作业，具体原理如图4。