30,m水深裙樁式導管架海上安裝關鍵技術研究

王芳輝，王 浩，張志浩，馬東娜，李文文

中國石油集團海洋工程有限公司，山東青島 266555

海上風電具有資源豐富、發電利用小時數高、不占用土地、不消耗水資源并適宜大規模開發的特點。海上風電作為一種可再生的清潔能源，已成為世界各國能源發展的重要方向，我國也將其劃入戰略性新興產業的重要組成部分。對應我國東南沿海適宜海上風電開發的優勢，自然條件復雜、海上建造風險高、海上風電配套產業服務體系和技術標準、規范流程等尚不健全等問題成為海上風電發展的劣勢。特別是廣東、山東等地水深在30 m左右，介于淺水及深水之間，水文及海況條件較差，施工中存在安全風險，加強對30 m左右水深海洋平臺導管架關鍵技術的研究，形成風電建造標準意義重大。

華能山東半島南4號海上風電項目位于半島南風電基地西部，山東省海陽市南部海域，風電場場址水深29～31 m，一期容量300 MW，配套設施有：1座220 kV海上升壓站、1座陸上開關站、58臺風機，是山東省首個海上風電項目，具有重要的戰略意義。導管架（見圖1）高度約47 m，總質量約1 450 t。4根樁管長70 m，入泥57.2 m。鋼樁直徑2 360 mm，壁厚40～60 mm，設計入泥深度57.7 m，樁長70.65 m。導管架采用裙樁形式，不同于傳統式淺水導管架設計形式。本文主要是針對30 m左右水深裙樁形式導管架水下插樁及打樁技術、送樁器設計及施工技術、卡裝器應用技術、半封閉式封隔器應用技術等海上安裝關鍵技術進行研究，可為后續類似水深海上風電平臺及油氣平臺的導管架安裝提供參考。

圖1 南4號風電項目導管架形式

導管架安裝采用“后樁法”，裙樁外套筒式的四樁導管架，樁與導管架采用灌漿連接。導管架海上安裝流程如圖2所示。

圖2 南4號風電項目導管架安裝施工流程

裙樁式導管架套筒的導向口位于水下17.00 m左右。裙樁式導管架插樁過程無參照物可以直觀插入套筒導管，只能通過定位技術進行水下精準插樁。通過精確的導航定位系統，采用擬合法通過測量樁管底口與導管架套筒導向相對位置，來指引浮吊船絞錨、起落鉤頭，引導管樁靠近導管架套筒導向口，直至順利進入套筒導向內；
再緩慢下放，松鉤，使之自沉，插入海床；
當鋼樁初步垂直度滿足設計要求后，浮吊船再松鉤至樁管不受力，完成插樁入位。導航定位系統界面如圖3所示。

圖3 導航定位系統示意

擬合法的具體實施方法：當鋼管樁比較穩定后，將全站儀架設在導管架平臺觀測點上，對中整平儀器，觀測上、下兩個橫切面，每個橫切面上選取8～10個點進行數據采集，采集的數據實時發送到定位軟件進行擬合處理（見圖4）。利用最小二乘原理擬合該橫切面，得到橫切面中心的坐標及圓半徑，剔除離擬合圓最遠點的觀測數據，再次擬合該橫切面，得到橫切面中心的坐標及圓半徑，通過軟件能夠實時計算出鋼管樁傾斜度和傾斜方位。最后，將橫切面圓半徑與樁設計尺寸對比，如果滿足要求，則認為此次測量結果有效；
否則，重復以上測量操作直到滿足要求為止。必要時，需要進行多次測量，比較測量結果的差異以保證測量質量。當鋼管樁出現傾斜時，將數值報給指揮人員，便于調整鋼管樁的傾斜狀況。

圖4 擬合法測量樁的水平位置

3.1 送樁器設計

傳統沉樁采用樁頂焊接預留替打段（即加長鋼樁長度）水上打樁的形式，等沉樁完成后，切除替打段。

本項目樁頂標高位于水下17 m，采用替打段形式樁錘能量損耗過大，不能滿足沉樁要求并且需對替打段進行水下切除，切割過程需要浮吊船組配合，因此導致工期長且成本高。為解決上述問題，設計送樁器進行輔助打樁，既滿足打樁能力，又避免樁錘入水。

首先根據樁錘參數、鋼樁參數及水深對送樁器進行設計，然后對送樁器進行以下分析。

（1）對送樁器的強度進行校核。

（2）送樁器對鋼樁作用分析。

（3）結合打樁以及地質勘查情況進行打樁分析。

打樁錘型號為MENCK 1200S，打樁錘最大能量1 200 kN·m，空氣中總質量246 t，根據樁的外徑使用93 in（1 in=25.4 mm）錘套，樁入錘套長度大約4.5 m。結合項目所處水深及打樁錘參數，提出送樁器的設計形式（如圖5所示），送樁器長度14.2 m，設計吊耳2處、排水孔2處。送樁器及鋼樁參數如表1所示。

圖5 送樁器示意/mm

表1 送樁器及鋼樁參數

3.2 送樁器強度分析

3.2.1 建模

采用ANSYS軟件的殼單元SHELL181模擬鋼板。對于強度分析而言，有限元劃分單元的最小尺寸通?？刂圃?×3到4×4倍鋼板厚大小，以保證應力分布和載荷路徑能正確有效地體現出來。對于應力梯度比較顯著的地方或應力比較集中的地方，則可能需要把單元劃分的更細小一些。

為了便于更好地對校核結構位置進行描述，將送樁器和吊點分別建模，如圖6所示。送樁器由D2360mm×60mm鋼管（粉色），D2365mm×70mm鋼管（藍色）以及20 mm板（黃色）組成，送樁器上吊柱采用D325mm×20mm鋼管，有效長度250mm。

圖6 有限元結構模型

3.2.2 工況載荷及邊界條件

送樁器質量按55 t考慮，2.0倍吊裝系數，單邊的吊柱設計載荷FV為539 385 N，另外考慮5%的側向載荷FH為26 969 N。

打樁過程中，送樁器主要受錘擊作用，傳遞錘擊能量到樁上，根據打入性分析將72%的錘效作為最大錘擊能量，計算得到錘擊力為74 606 kN。MENCK 1200S錘空氣中質量按246 t考慮，傾斜角2°，則作用于送樁器上的軸向載荷為：74 606 000 N+246 000 kg×9.807 N/kg×sin88°=77 017 052 N；
側向載荷為：246 000 kg×9.807 N/kg×sin2°=84 196 N。

吊柱強度校核取送樁器鋼管部分，四周節點約束3個平動位移UX、UY和UZ。吊裝載荷施加在吊柱下半部節點上。

送樁器頂部節點加載送樁器承受軸向力和側向力，送樁器下端與樁頂接觸位置節點約束UZ，并在導向位置約束UX、UY。加載及邊界條件如圖7所示。

圖7 加載及邊界條件

3.2.3 許用應力

送樁器材質為DH36，最小屈服強度為355 MPa。吊柱材質為Q355C，最小屈服強度為355 MPa。

對于吊裝工況，設計許用應力系數取0.7，即許用應力為248.5 MPa。對于打樁工況，設計許用應力系數取0.9，即許用應力為319.5 MPa。

3.2.4 有限元分析（FEA）結果

送樁器在吊裝和打樁過程中，吊柱強度和送樁器自身強度的有限元分析結果如表2所示。各工況有限元分析結果等效應力云圖見圖8。

表2 FEA分析結果

圖8 應力云圖

通過分析計算可知，結構強度均滿足設計需要。

3.2.5 送樁器對鋼樁作用分析

現場作業時，當插樁完成后，送樁器通過導向接到鋼樁頂部，完成送樁器安裝后再套錘到送樁器上進行打樁作業。送樁器設計長度14.9 m，質量約55 t，錘在空氣中質量為246 t，考慮安裝環境下，鋼樁在錘和送樁器作用下滿足自由站立強度要求。

無錘工況1：樁自重+送樁器重+波浪&流環境力×動態放大系數（1.455 8） +樁傾斜2°+樁PDelta效應（自由入泥深度7.0 m）。

有錘工況2：樁自重+送樁器重+Menck1200S錘自重+波浪&流環境力×動態放大系數（1.134 1）+樁傾斜2°+樁P-Delta效應+錘P-Delta效應（自由入泥深度13.0 m）。

環境載荷：作業工況時，取最大波高為2.6 m，周期為6.35 s，流速為1.12 m/s。

入泥深度：無錘工況（套錘前）下，計算入泥深度約7.6 m，自由站立分析中保守取7.0 m；
有錘工況（套錘后）下，計算入泥深度約13.5 m，自由站立分析中保守取13.0 m。

工況計算結果如表3所示。

表3 工況計算結果

根據上述結構強度分析結果，當前送樁器設計滿足施工強度要求。

3.3 打樁分析

根據地質勘查報告給出的土壤參數及樁的設計圖，采用Menck1200S錘對樁的可打入性進行分析，根據現場施工情況，分別考慮連續打擊、短期停錘和長期停錘三種施工情況，在不同情況下分別考慮土壤阻力折減，各種工況下的打樁錘效均取72%進行分析。打樁分析工況如表4所示。

表4 打樁分析工況

按上述工況分別進行分析，當前送樁器設計滿足施工強度要求，基于可打入性分析結果，打樁過程中控制錘效不超過72%，可在各種工況下將樁打入到57.7 m的設計深度。打樁工況詳見表5。

表5 打樁工況

4.1 封隔器

樁管沉樁完畢，需要對接樁管與導管架裙樁套筒之間的區域進行灌漿。灌漿連接段是導管架基礎結構承上啟下的關鍵部位，灌漿質量的好壞影響到整個導管架的整體安全和穩定。封隔器安裝在導管架套筒底部，負責封堵灌入的泥漿，直接決定灌漿質量的好壞，因此，封隔器的功能及可靠性設計至關重要。

以往項目采用傳統封隔器。當樁通過該封隔器時，在彈簧張力作用下，封隔器的橡膠表面將緊緊貼在樁外表面上并產生正壓力，從而防止泥土進入環形空間。傳統封隔器多用于淺水，不適用于樁直徑大于或等于84 in的深水導管架。這種封隔器內有多個成“弓”字形的鋼筋條穿過，并通過硫化固定于中間的橡膠層。這些鋼筋條很容易受到樁尖外徑垂向運動影響以及剪力鍵撞擊的動力負載而造成損壞，產生漏漿風險。

為避免傳統封隔器的漏漿風險，并結合項目特點，提出封隔器功能要求，采用自封閉式封隔器實現灌漿連接段的封堵。

4.2 自封閉式封隔器設計原理

自封閉式封隔器由鋼結構外套筒、條帶、固定壓板、環形壓板、螺栓螺母組成。安裝時，將螺柱焊接在套筒上，用螺母將固定壓板和環形壓板固定在套筒內壁上。封隔器內部形式如圖9所示。

圖9 封隔器內部形式

4.2.1 封隔器參數要求

（1）使用環境為水面以下約30 m。

（2）可承受12.5 m高度的高強度灌漿料的重量，且該灌漿料密度預估2.6 t/m3，灌漿區域為內徑2 600 mm、外徑2 840 mm的環形區域。

（3）封隔器外徑2 840 mm（即套筒內徑）。

（4）封隔器應能承受一次連續灌漿至少1.5倍的設計灌漿高度，在灌漿料的凝固期間內無明顯滲漏現象發生。

4.2.2 自封閉式結構設計優勢

（1）自封閉式封隔器產品的上部與鋼樁下沉方向會形成一個較小的夾角，避免與鋼樁尖端部位正面接觸。

（2）表面進行低摩擦處理（涂層處理后，普通金屬板做表面摩擦系數試驗，表面摩擦系數從0.076降低到0.027，可減弱鋼樁對封隔器的沖擊/剪切作用，且封隔器自身結構不會阻礙后期的下沉鋼樁工序。

4.2.3 實現的功能

（1）初期密封可擋泥，易落樁。保證水泥漿順利灌滿封隔器橡膠片內部，在打樁階段防止污泥進入導管架和鋼管樁間隙污染水泥漿。

（2）兩側壓差使封隔器箍緊鋼樁實現密封。在打樁完成后，水泥漿注入到封隔器產品內部，由于水泥漿的密度比海水的密度大從而在橡膠片外表面和內表面之間產生壓力差，壓力差在橡膠外表面產生正壓力來增強密封功能，達到封隔器自密封的功能，該密封功能隨著水泥漿密度增加而增加。

5.1 卡樁器的組成及應用

卡樁器（結構如圖10所示）焊接固定在導管架裙樁套筒頂部，起著輔助調平導管架（在打樁過程中）和臨時固定鋼樁與導管架（打樁完成后、灌漿之前）的作用，還起到臨時固定導管架（在導管架的鋼樁與套筒之間水泥凝固期間或者海上天氣惡劣不適合導管架施工間隙）的作用，避免導管架與樁發生相對運動，類似于水上插樁導管架皇冠板的作用?？镀饔捎透?、卡爪、泵站、套筒和液壓油管等部件組成?？哆^程是由油缸推進卡爪與鋼樁接觸，通過油缸對卡爪施加壓力，卡爪與鋼樁之間產生摩擦力，保持鋼樁與套筒之間的相對位置，進而實現卡樁固定。

圖10 卡樁器示意

導管架調平時，啟動一個或者多個卡樁器，可以使鋼樁和裙樁套筒連接穩固，有輔助調平的作用。灌漿時，卡樁器能防止導管架與樁管相對運動；
水泥漿固化時，可有效避免因風、浪、涌等因素造成的結構晃動產生水泥漿結合力降低，減少安全風險。

5.2 卡爪摩擦系數計算

卡樁器卡樁過程中的關鍵參數是卡爪與鋼樁的摩擦系數和油缸壓力。

鋼樁的受力狀態如圖11所示，鋼樁受到卡爪水平方向的夾持力T，卡爪夾持力在鋼樁表面產生的豎直方向的摩擦力與導管架自重G相互平衡，因此，卡爪夾持力要能夠提供大于導管架自重的摩擦力（μT＞G），才能保證卡爪夾持鋼樁不會發生滑移，才能確保導管架不會發生傾斜。

圖11 鋼樁的受力狀態

根據目前設計的卡爪結構進行有限元模擬計算。有限元計算分為兩個步驟：第一步，卡爪對鋼樁施加10×106N的夾持力（水平推力）；
第二步，對鋼樁施加5 mm的豎向位移，此過程中鋼樁的最大豎向支反力即為卡爪夾持力所能承受的最大豎向載荷。

如圖12所示，裙樁套筒需要約1.2×106N的豎向力才可以克服卡爪夾持力產生位移，即卡爪與鋼樁間的等效摩擦系數μ=1.2×106N/（106N）=1.2。

圖12 位移與支反力曲線

5.3 夾持力計算

華能山東半島南四號卡樁器項目要求，每組油缸夾持力7 350 kN，每組包含9個油缸，實際使用7 350 kN/9=817 kN。

卡樁器油缸直徑220 mm，根據設計計算要求，則系統設計壓力P應為：

系統設計使用壓力21.5 MPa，抓樁器油缸直徑220 mm，現需卡爪與鋼樁之間摩擦系數為：

因此，卡樁器夾持力滿足使用要求。

華能山東半島南4號海上升壓站導管架已經順利安裝完成，通過業主及監理驗收，運行情況良好。通過對30 m左右水深裙樁形式導管架海上安裝關鍵技術研究，形成了一套對比于水上插樁淺水導管架安裝的關鍵技術及施工方案，并能應用于海上石油平臺安裝中，可為今后類似項目導管架設計及安裝提供參考。