浅谈水下切桩技术在海上风电的应用

林志庞

摘 要：水下切割技术主要用在废弃桥桩、码头、水下管道、海难救捞和核污染结构件的水中解体。本文针对在进行海上风电建设时，导管架基础未能沉桩至设计要求标高的钢管桩进行水下切割。为确保导管架能够按设计要求进行安装，对沉桩完成后钢管桩高于设计标高部分进行水下切割。本文针对近海区海上风电项目，导管架基础桩基施工中因拒锤而需要进行工程桩水下切割的问题，切割采用水下电氧切割与金刚钻石链锯切割相结合方法。对金刚石绳锯技术的发展现状进行了概述，分析了水下金刚石绳锯机与电弧-氧切割的研究对海上风电建设、维修技术的重要性。

关键词：海上风电建设;钢管桩水下切割;电弧-氧切割;金刚钻石链锯切割

中图分类号：TU753 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）20-0154-02

0 引言

目前常用的切割方式有：（1）火焰切割：水中火焰切割采用氢气作为可燃气体乙炔。乙炔切割主要是依靠乙炔燃烧氧气助燃产生的高温使金属材料融化，海水里燃烧不能发生。因为乙炔在水深15m左右的压力下就要分解而导致爆炸，所以未能被应该到水下施工。（2）电弧-氧切割：借助空心割条产生的电弧把工件熔化，并用空心割条中喷射出的氧气把熔化金属吹开，形成割口空心割条用钢管或碳化硅等陶瓷管，外涂稳弧剂并覆以防水漆或环氧树脂。切割氧气压力应比水深压力高0.5～0.7兆帕。电弧-氧切割速度比火焰切割高，技术要求低，设备简单，是水中解体最常用的方法。（3）熔化极水喷射电弧切割：借助高压喷射水把由电弧熔化的金属吹开。这种切割割口表面清洁，背面挂渣少。熔化极连续送进，切割电流大，切割速度高，又不需要氧气，是一种很有发展的水下快速切割方法。（4）等离子弧切割：由于水压对等离子弧的压缩和冷却作用，水下等离子弧的切割电源的空载电压要求高达180伏以上，一般采用遥控切割以确保安全。主要用于核污染结构件的水中解体。依据各种水下切割法的基本原理和切割状态不同，大体上可将现有的水下切割法分为两大类，即水下热切割法和水下冷切割法。水下热切割法是利用热源对金属进行加热，或在纯氧气中燃烧，使金属熔化，并采取某种措施将熔化金属或熔渣去除而形成切口的切割方法，如水下氧-火焰切割、水下电弧切割、水下电弧-氧切割等。热切割法又可分为氧化切割法、熔化切割法及熔化-氧化切割法。氧化切割法是先利用火焰将待割金属预热到燃点，然后供氧气使金属燃烧，并吹掉熔渣而形成切口的切割方法，如水下氧-火焰切割。熔化切割法是利用热源将待割金属熔化，靠熔化金属自重或采取某种措施将熔化金属及熔渣除掉而形成切口的切割方法，如水下等离子切割、熔化极气体保护切割及熔化极水喷射切割等。熔化-氧化切割法是利用热源对待割金属预热使其熔化，然后供氧使金属燃烧，并将燃烧产生的熔渣及剩余的熔化金属吹掉而形成切口的切割方法，如水下电弧-氧切割、热割矛切割及热割缆切割。水下冷切割法是利用某种器具或某种高能量，在金属处于固态情况下直接破坏分子间的结合而形成切口的切割方法，如水下机械切割法、水下高压水切割法等。

本项目针对导管架基础未能沉桩至设计要求标高的钢管桩。为确保导管架能够按设计要求进行安装，对沉桩完成后钢管桩高于设计标高部分进行水下切割。钢管桩直径2.4m，作业水深在25-30m左右，切割采用水下电氧切割与金刚钻石链锯切割相结合方案。

1 作业内容

1.1 定位切割线

根据要求基准切割线在水下精确测量定位，使用相关测量仪完成钢管桩周长限位线标记，安装切割限位卡箍以保证切割精度。

1.2 水下切割

使用水下切割设备对钢桩在限位线上进行切割，切割工具选用水下电氧切割设备与金刚链切割工具。在钢桩顶部选择对称二个点使用电氧切割的方式，开割二个孔（满足8T卸扣安装并吊装的要求），完成顶部钢桩悬挂固定于固定架上，防止后续链锯切割完成时的钢桩移位和安全保障。钢桩于导向架外侧方向开割一个孔（满足8T卸扣安装并吊装的要求），该孔与吊机连接，用于切割完成后将桩头移除。

2 水下切割作业主要作业工具及安装

（1）切割方式概述。采用鏈锯和电氧两种工艺对钢桩进行切割。链锯切割设备安装在一个管卡支架上，初步切割开口定位后，开始金刚石链锯切割剩下的部分。以下是切割工具的照片。（2）金刚石链锯切割作业金刚石链锯切割设备，以一个固定的管卡、在钢桩切割限位点上支撑架为载体上。调平支撑固定妥当金刚石链锯后，链锯切割机对钢桩进行切割作业。

2.1 链锯安装步骤

2.1.1 链锯限位卡箍定位测量步骤

（1）根据设计要求在钢管桩外侧，找到一个标高点;（2）根据这个标高点参照钢管桩上最近的环形焊缝，画出8个标高点（标高点如与环形焊缝重叠，应避向下开环形焊缝10-20mm，以切割机安装位置为第1个点，每45°为1个标高点）;（3）根据支撑架的设计，现在钢管桩上安装一个限位架（定位架）;（4）把主支架安装在限位架上（限位架位置已定高）;（5）利用水平尺和下支撑点，调节切割线和8个标高点一致。

2.1.2 钢管桩限位切割装置组成

（1）切割机，链锯主机;（2）链锯绳;（3）收紧固定装置;（4）上支撑点（橡胶板）;（5）下支撑点，可微调支架角度;（6）链锯绳导向轮（每10cm一个定位，导向轮可随割线进度逐步调整，以确保链锯处于不被卡住的角度）;（7）主支架（上面安装固定切割机）。

2.2 链锯安装步骤

（1）机将半边管卡预安装在切割基准线，潜水员在水下配合用收紧器固定管卡。另半边管卡再吊装到安装位置，潜水员在水下配合对另半边管卡固定，用螺栓穿引两个管卡后初步固定，调整管卡的水平度与切割基准线误差，微调至可接受范围误差，紧固管卡螺栓完成安装;（2）确认管卡限位切割线符合范围后开始安装金刚石链锯，也需要使用吊机将其吊装入水，由潜水员引导到安装位置，然后由潜水员将其安装在管卡链锯架安装位置上，并相对固定并调整精确位置;（3）在链锯架的180°钢桩位置链子切割线上，使用电氧切割将钢桩切割10cm宽度，作为链锯绳起始的口子;（4）设置好链锯长度，预设扭劲，安装完成后，检查确认链子在预设切割标准线上，保证链子在同一个水平面上;（5）链锯切割机下方外侧的两个轮子，回收到最高处;（6）液压管标记编号，潜水员判断现场水流情况，当水流条件允许时，对应接头连接液压管线并确认无误;（7）支撑架的支撑螺杆缩回到最短;（8）测试运行链锯切割机各项功能;（9）准备若干扁形锲块，在完成切割后的钢管桩割缝里插入并敲紧锲块，防夹链锯保障持续正常运转切割;（10）安装并调整摄像头角度，对准切割处;（11）测试运转动力马达和上下驱动马达（停机）;（12）安装链锯到导向轮上，确认后启动上下动作的驱动马达，链锯预张紧;在切割达到将近一半之后，开始调整外置定滑轮，由潜水员确认链锯绳符合调整角度时不间断，根据需求调整，逐步向链锯架方向左右同步调整定滑轮;（13）潜水员清理脐带，上升10m回避观察链锯正常进行。

3 切割过程

3.1 切割步骤

（1）启动链锯开始切割;（2）状态正常后，潜水员回吊笼;（3）视频监控切割过程中，下一名潜水员保持待命并随时根据需要调整左右定滑轮的合理位置，保障链锯绳均匀旋转并工作;（4）同步将扁型锲块根据链锯推进距离，在已经切割开的槽内插入并敲击到槽内最里面，防止切割过程中的卡链;（5）切割至剩余三分之一时，吊机需配合吊装挂钩上部钢桩的开孔（开孔由电氧切割完成），吊索连接手拉葫蘆微带固定于导向筒上，略微带力，防止钢桩受海流的影响发生偏倒，在切割断裂的瞬间迅速吊离（链锯的对面方向）;（6）解除液压管并回收，吊机起吊链锯架出水到甲板并进行维保工作;（7）吊机回收管卡到甲板;（8）吊机挂钩桩头，解除桩头与导向筒的连接，吊机起吊桩头出水;（9）检查管卡后进入下一根钢桩的定位安装。

链锯切割注意事项：（1）严格按照金刚石链锯切割机的操作规程执行所有的作业;（2）液压管为高压管线，应做好隔离警示，所有接头应安装防脱链;链锯切割机的链子外围，须安装保护罩，防止断链甩出来;（3）链锯正常运转切割的时候，潜水员必须上升到安全高度，并检查确认脐带安全;（4）液压管束必须进行防护，特别是在水流较快时，确保通讯畅通，没有得到潜水员的确切指令，液压动力不能有任何动作。

3.2 电氧切割作业步骤

（1）水面连接设备并测试，割把线做长度标记;（2）潜水员将地线夹在钢桩上，割把线入水保持畅通和直线状态并相对固定在所需的切割位置上;（3）潜水员准备完成后，通知潜水监督开氧开电，根据物件结构特点，需采取保底割线水平方式，保证在限位线误差范围内切割;（4）为防止切割时产生爆炸风险，切割点或割把线上方不得有任何遮挡物;（5）潜水员切割时，每换一根割条，先用手扇动水流，减少可燃气体聚集;（6）切割至即将完成时，特别是剩余最后10cm长度以内时，吊机要有正常吊力（初定10吨）。切割至断开时，潜水员快速避让远离至安全范围，等到割下钢桩吊除后回收切割工具到甲板。

3.3 电氧切割作业注意事项

（1）本次作业计划采用的电氧切割作业且在受限空间内作业，属于潜水高风险作业，作业前，潜水监督需认真确认是否存在气体聚集的可能。并针对本次作业制定专项JSA，具体文件请参照《阳江空气潜水服务项目水下吸泥及水下切割作业JSA》;（2）切割吊耳时需严格按照事先制定的顺序切割，作业时，潜水员需时刻关注吊耳内部及周边是否有气体聚集，如发现气体聚集应该马上暂停作业。用消防水清理聚集气体后方可再次启动作业;（3）作业潜水员下水作业时，潜水监督需确认待命潜水员已经准备到位。机电员需坚守岗位并确保通讯畅通，在收到水下异常信号时第一时间关停切割设备。

4 结语

在水下作业时由于海况等环境因素的影响，使得钢管桩的切割工作变得尤为困难。因此在选择切割工具时，尽量避免选择安装复杂的切割工具。制定合理的作业方案及作业工艺，能大大提高项目的完成效率。作为海上风电桩基施工的应急备选方案，水下切桩作业在未来将有一定的市场份额。

参考文献

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