液壓打樁錘水下打樁改造設計及其控制方法

李林山 張飛躍 黃成成 馮炎焜

摘要：隨著海上風電施工由潮澗帶、淺水（10米左右水深），到目前深水區的發展，原有的單樁基礎在深水使用由于自重大設備要求高，已有大部分被水下四樁基礎所代替，國內原有引進國外的打樁錘，只具備水面之上打樁功能，論文詳細介紹了如何將水上打樁錘改造下水及如何控制的方法，為我國海上風電產業發展提供了參考依據。

關鍵詞：海上風電；水下打樁；水下打樁改造；控制方法；

1.引言

我國海上風力發電從2008年開始起步，從2015年開始進入快速發展的時期，從起初的水泥承臺、多樁導管架基礎、高樁承臺基礎，大直徑單樁基礎，到現在為了適應水深20-40多米深水區的水下四樁導管架施工，原有的水面以上液壓錘已經無法適應目前時局的需求，早期的海上施工技術人員在不斷的專研和創新，結合目前的形式，理論聯系實際，采用科學的改造方法和反復的試驗實現了液壓錘水下打樁功能。為我國的海上風電發展做出貢獻，擺脫了國外的技術壟斷，節省了成本。

2.打樁錘水下施工改造總述

如圖0所示，國內目前的液壓打樁錘只有錘桿，錘帽、動力站、控制室等四部分。不具備下水的條件隨著國內風電由淺水到深水邁進，水下四樁導管架也應運而生，本設計通過對液壓打樁錘改造設計通過在液壓打樁水下打樁設備上增加水位檢測傳感器、配重、錘頂供氣管、錘頂供氣管連接頭、多通連接頭、水位檢查及氣壓控制箱、高壓空壓機氣動站、空壓機控制系統，水位監測傳感器實時檢測打樁錘錘帽中的水位情況，液壓打樁設備錘帽進入水中后，通過高壓空氣氣動站將氣體充入錘體內，錘體和錘帽有氣管連接，高壓空氣既保護了錘體內的電控設備，同時又有氣體去排空替打和樁之間的夾水使液壓打樁水下打樁設備在進行水下打樁的時候阻力減小，本裝置設計合理，有效降低裝置在水下打樁的阻力，同時保護了錘體內部電控設備降低設備工作消耗的能量，增加設備的使用壽命。

3.技術方案

為實現上述液壓錘水下打樁目的，提供如下技術方案：液壓打樁錘水下打樁改造設計，如圖1所示包括增加水位檢測傳感器、配重、錘頂供氣管、錘頂供氣管連接頭、多通連接頭、水位檢查及氣壓控制箱、高壓空壓機氣動站、空壓機控制系統，所述液壓打樁水下打樁設備在原打樁錘機構上進行設備和部件安裝，如圖1.在錘體上部安裝了三通閥門，三通閥門一頭通過氣管33連接到高壓空氣動站19，作為供氣源，一頭連接到錘頂供氣接口11在打樁之前切換閥門到錘頂供氣側通過氣控裝置如圖二給錘頂腔供氣提供反作用力，保證液壓錘實現雙倍重力加速度。另一頭接到在打樁錘的側壁上的錘體氣體保護導管8，錘體氣體保護導管通過固定件安裝在錘殼的側壁上，錘體氣體保護導管接到錘殼上的三通塊上，三通塊一頭進氣到錘體里，另一頭通過錘帽進氣管13接到錘帽上，從氣控箱17引出兩路控制線路，1路線通到高壓空氣站29，控制內部氣控站內的電磁閥給錘體供氣，同時反饋氣體壓力信號給壓力變送器21，另一路線通過與錘體控制線并聯，將水位檢測傳感器的信號傳送給氣控站，氣控站內設計了電控線路，電控線路通過反饋回來的信號，反應到了氣控箱上的指示燈上，氣控箱上的指示燈能夠反饋給操作者信號知道水位情況，如圖一中，水位檢測管5安裝在錘帽側壁上，一頭通過氣管連接到錘殼，行成U型管原理，水位檢測管里的水位及是錘帽內的水位情況，水位檢測管里安裝了水位檢測傳感器，線路通過氣管連接到錘體接線口處，線路與錘體內的控制線路并線，最終通過錘體總的控制線路反饋信號回氣控站17.

如圖1在錘體上部設置三通閥門，在打樁前通過閥門切換給錘頂供氣，實現了給錘頂腔供氣提供反作用力，保證液壓錘實現雙倍重力加速度，在打樁時切換到另一側給錘體供氣進行電氣保護同時也給錘帽供氣，排除了替打與樁之間的夾水。

所述錘桿的兩側側壁上對稱設有配重如圖2，根據浮力計算錘體進入水深10米后會出現懸浮狀態無法繼續打樁，計算水下50米壓強，通過浮力公式算出配重所需重量抵消浮力作用，配重均勻布置在錘殼上能防止偏心作用力。所述配重的兩側對稱設有固定連接件，固定連接件上設有螺絲孔，所述固定連接件與配重本體為一體結構。

所述如圖3氣動控制箱內設有電源控制系統，數字顯示儀表系統，閥值電路系統與控制電路系統。可以控制高壓空氣氣控站給錘體供氣，同時在高壓空氣氣動站內設有壓力傳感器，可以反饋輸出氣體壓力值，根據錘體下水深度每10米增加1公斤氣壓保證錘帽的水能排除，同時錘帽外水位傳感器反饋的信號也能送到氣動控制箱，經過閾值電路計算，可以反映錘帽內的水位情況，能夠及時排水保證替打和樁之間沒有夾水。

高壓氣控站內設計有空壓機如圖4，各種管路和壓力檢測傳感器，氣瓶組。1，能夠保證水下打樁時氣體源源不斷供應，2設有各種減壓閥更具不同水深設定輸出氣壓值。3，在供氣路上設計電磁閥，可以遠程控制供氣。4.在氣路上設計旁通閥門，保證電磁閥壞了能夠繼續供氣。5.設有各種壓力傳感器能夠知曉輸出氣壓值，氣瓶內氣壓值等。

控制器連接頭通過數據線與水位檢查及氣壓控制箱連接，所述水位檢查及氣壓控制箱的底部另一側設有220V外接電源插頭，220V外接電源插頭通過導線與水位檢查及氣壓控制箱接通。

如圖5水位傳感器設計原理：根據并串聯電路原理當水位到不同位置時接通不同的電阻，形成不同的串并聯電路，電路中的電流值也發生變化，在氣控箱里設計了檢測不同電流值的閾值控制電路，控制電路反饋信號接通了各個水位高低過高等指示燈，就能清晰的知道錘帽內水位的狀態，為后面的操作提供依據。

U型管設計原理，通過管路連接使檢測管和錘體錘帽間形成聯通器結構，檢測管內的水位就是錘帽的水位。

備注：圖中：（1、錘帽下口；2、錘體外殼；3、上錘體（氣腔）；4、錘帽內部；5、水位檢測傳感器；6、錘殼；7、錘頂供氣管；8、錘體氣體保護導管；9、進油供油管連接頭；10、錘頂卸扣；11、錘頂供氣管連接頭；12、三通閥門；13、錘帽供氣管；14、進油供油管；15、供油管；16、回油管；17、水位檢查及氣壓控制箱；18、打樁錘動力站；19、高壓空壓機氣動動站；20、220V外接電源插頭；21、壓力變送器；22、空氣系統；23、氣閥顯示燈；24、頂蓋供氣按鈕；25、錘帽供氣按鈕；26、蜂鳴器；27、空壓壓機控制器連接頭；28、打樁錘操控系統；29、高壓空壓機氣動站；30、卸扣A；31、液壓錘控制線進出線口B；32、打樁錘機構；33、排氣管。）

4.控制方法

當液壓錘錘帽入水之后，水位檢測傳感器檢測到水位時，當氣控箱上的顯示燈會從低-高—過高開始亮，這些顯示燈實際顯示的是樁帽內的水位，正常狀態下傳感器過高點距離替打下部20CM，一般狀態下我們要將水位控制在低點，這樣才能保證替打和樁之間不存夾水造成能量損失。當低點燈亮時，我們通過氣控箱加氣開關，向錘帽內供氣，保證水位不向上漲。液壓錘帽下到不同的水深需要不同壓力的空氣才能排除水，在打樁前通過減壓閥要設定氣控站輸出最大水深時所需氣壓。在氣動站出口安裝了壓力傳感器，壓力值信號反饋在氣控箱上，根據同一管線中壓力處處相等，實際錘帽進氣口的壓力就是氣動站出口壓力，通過供氣時間長短能達到想要的氣壓。才能達到排水效果。

5.結語

從上文所述的方法已通過實際水下打樁驗證，達到理想的要求，我國海上風電發展過程中面臨問題和挑戰，我們要勇于思考，面對問題迎難而上，敢于創新。同時也要吸收國外好的經驗方法為之所用，這樣才能促進國內技術的發展。

作者簡介：李林山（1986～），男，江蘇海安人，大學本科學歷，助理工程師，從事海上施工設備和船機設備管理及維護，從事設備改進更新研究10年。

（作者單位：江蘇龍源振華海洋工程有限公司）