包覆法鋼樁水下防腐修復(fù)自動化施工技術(shù)與裝備方案

張繼彪，李靖

（中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200032）

0 引言

目前已有許多碼頭鋼管樁到了防腐修復(fù)期，且隨著時間的推移，會有越來越多的碼頭鋼管樁和海上風(fēng)電水下基礎(chǔ)進入維護修復(fù)期，而目前全世界范圍內(nèi)的鋼管樁水下防腐修復(fù)均為全人工操作，施工條件極為惡劣，因此會受到很多因素的限制。目前尚沒有任何防腐修復(fù)類自動化成套設(shè)備應(yīng)用于鋼樁水下防腐修復(fù)的實際工程之中。

隨著越來越多的水下鋼樁基礎(chǔ)進入維修保養(yǎng)階段，相應(yīng)的自動化施工技術(shù)與設(shè)備的市場前景也越來越廣闊。由于人工施工的效率低，鋼管樁的二次修復(fù)效果不佳，且潛水員施工的成本越來越高；另外，國家大力推行的《中國制造2025》及新技術(shù)的發(fā)展，如智能化、新工藝、新材料的發(fā)展，開發(fā)自動化鋼樁防腐修復(fù)設(shè)備的需求也會越來越強烈[1-7]。本方案是采用自動化手段把防腐材料在水下實現(xiàn)包裹，完成鋼管樁水下防腐修復(fù)施工作業(yè)，經(jīng)檢索，目前為止未見任何相關(guān)報道。

1 施工工藝及總體方案

1.1 施工工藝

目前大多采用的防腐修復(fù)手段主要有2種：一種是表面清理干凈重新噴涂防腐涂料，另外一種是采用包覆材料把水和空氣與鋼管樁隔離的物理防腐手段。由于采用防腐涂料噴涂的工藝進行鋼管樁防腐修復(fù)，其噴涂過程中風(fēng)干、防爆、稀釋劑回收及環(huán)保等一系列的問題依然很難解決且成本極高。相比之下，目前市面上采用包覆的方法進行物理防腐來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的噴涂防腐，其實現(xiàn)自動化設(shè)備施工作業(yè)的可能性更易實現(xiàn)，且成本也可大大降低。因此，針對包覆材料物理防腐的自動化施工工藝需要進行深入研究，并開發(fā)實現(xiàn)其功能需求的自動化設(shè)備。具體施工工藝流程是：鋼管樁表面處理—自動包覆設(shè)備固定—包覆防腐層—包覆保護層—設(shè)備脫離—防腐材料固化。

1.2 總體方案

根據(jù)施工工藝防腐修復(fù)要求，結(jié)合包裹材料特性，研究的防腐材料自動化包裹機構(gòu)，設(shè)計了自動化包覆設(shè)備總體方案。由于防腐材料的包裹不需要在干式環(huán)境下進行，因此設(shè)備主體結(jié)構(gòu)不需要形成密閉空間。此方案采用3片弧形框架打開閉合的方式，包括1片225°異形固定瓣（艉段）和2片67.5°弧形活動瓣（艏部），構(gòu)成1個繞樁環(huán)形框架，弧形框架間不需要密封；且在每片弧形框架上部設(shè)浮力倉，確保本套設(shè)備在海水中具備自浮性，包覆法鋼樁水下防腐修復(fù)施工自動設(shè)備總體方案見圖1。由于主體結(jié)構(gòu)不具有自航能力，因此需要其他輔助機構(gòu)來輔助抱樁、脫樁。輔助機構(gòu)把主體拖至目標(biāo)位置，再由主體結(jié)構(gòu)關(guān)閉左右2片活動瓣。待抱樁完成，通過2個啟閉油缸鎖死2片活動瓣，再撤出輔助設(shè)備。包覆作業(yè)全部完成時，主體打開2片活動瓣，在輔助機構(gòu)的輔助下，完成脫樁，并拖至下一個待施工位置。

圖1 包覆法鋼樁水下防腐修復(fù)施工自動設(shè)備總體方案圖Fig.1 General scheme of automatic equipment for underwater anti-corrosion repair construction of coated steel piles

主體結(jié)構(gòu)基本尺寸：型長3.50 m；型寬3.50 m；結(jié)構(gòu)總高5.50 m；弧形翼最大開口寬度1.60 m；樁徑φ1 200 mm；作業(yè)高度3.50 m；作業(yè)水深≥5 m。

輔助機構(gòu)示意圖如圖2所示，輔助機構(gòu)具有兩大主要功能，輔助抱樁和輔助脫樁。該機構(gòu)具有的主要動作為起伏動作、升降動作及旋轉(zhuǎn)動作，幫助包覆機構(gòu)完成直樁及斜樁的抱、脫樁工藝。該機構(gòu)分別由幾大部分構(gòu)成：一艘具有自航能力的小船、變幅架、升降架以及旋轉(zhuǎn)架等。變幅、升降及旋轉(zhuǎn)動作都是由油缸控制完成。輔助機構(gòu)通過1根圓管與包覆機構(gòu)上的卡槽相連接，圓管兩側(cè)安裝有限位裝置，防止設(shè)備旋轉(zhuǎn)時，包覆機構(gòu)從設(shè)備上脫落。

圖2 輔助機構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of auxiliary mechanism

輔助機構(gòu)參數(shù)：變幅架（前+/后-）：+18°/-12°；旋轉(zhuǎn)架（左右）：±25°；升降架（行程）700 mm。

1.3 抱樁方案

包覆法鋼樁水下防腐修復(fù)施工自動化設(shè)備抱樁時，采用施工輔助船的起吊裝置吊起主體設(shè)備，左右活動瓣弧翼打開到預(yù)定位置，內(nèi)部工作平臺回到設(shè)備頂部的起始位置，其圓周軌道翻起，形成進樁開口。設(shè)備調(diào)整到合適位置，主體左右弧翼的啟閉根據(jù)指令由甲板上2個單出桿雙作用油缸驅(qū)動完成需求的動作。2瓣弧形翼的啟閉口設(shè)制4個被動式垂向運動的聯(lián)動鎖扣完成閉鎖和開啟，其執(zhí)行元件為2個設(shè)于主體甲板的單出桿雙作用油缸通過傳動系統(tǒng)來實現(xiàn)。針對潮位漲落引起的水位差，設(shè)備主體抱樁后的垂向運動約束采用甲板及底部兩層水平設(shè)置8個定位油缸頂實現(xiàn)自動包覆設(shè)備主體與樁身的固定，完成設(shè)備的抱樁動作，包覆法鋼樁水下防腐修復(fù)施工自動設(shè)備抱樁過程見圖3。

圖3 包覆法鋼樁水下防腐修復(fù)施工自動設(shè)備抱樁示意圖Fig.3 Diagram of automatic equipment for construction of underwater corrosion repair of coated

1.4 施工作業(yè)水域與工況要求

作業(yè)水域：近海、鋼管樁潮差段區(qū)域。

海況：流速≤1.0 m/s；風(fēng)力≤5級（蒲氏）；波高≤0.80 m；水深≥5.00 m。

鋼樁間距：為保證包裹作業(yè)機構(gòu)能順利進入并完成抱樁作業(yè)，直徑1.2 m鋼樁間距需≥3.00 m。

鋼樁斜度：抱樁輔助機構(gòu)中的變幅架最大變幅角度為+18°，鋼樁傾斜角度需≤18°，即1∶3。

本方案可適用于維護對象為碼頭或海上風(fēng)電直徑為1 200 mm，間距不小于3 m，斜度不大于1∶3的所有水下鋼樁基礎(chǔ)。

2 包覆法鋼樁水下防腐修復(fù)自動化設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研究

包覆法鋼樁水下防腐修復(fù)施工自動化設(shè)備能否實現(xiàn)自動化施工，主要取決于內(nèi)部工作平臺能否實現(xiàn)自動包覆的工藝動作，對于包覆法鋼樁水下防腐修復(fù)施工自動化設(shè)備的研究必須解決以下關(guān)鍵技術(shù)：

2.1 內(nèi)部工作平臺設(shè)計

由于系統(tǒng)的工藝過程以及工藝要求決定了系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能，首先要實現(xiàn)抱樁工藝要求，則內(nèi)部行走機構(gòu)要滿足抱樁和脫樁工藝動作，故內(nèi)部工作平臺必須為可圓周行走，且有一定的開口，使鋼樁通過開口順利進入內(nèi)部，其次由于防腐層和保護層的包裹等工藝動作均自動完成，而完成該動作，必須實現(xiàn)對鋼管樁360°圓周面進行作業(yè)，故包裹機構(gòu)不僅要能圍繞鋼樁做圓周運動，而且還要可沿著鋼樁軸線方向上下移動。

內(nèi)部工作平臺圓周方向運動導(dǎo)軌采用三段式，其中兩段采用包樁后翻轉(zhuǎn)的方法來實現(xiàn)整個圓周導(dǎo)軌的成形。防腐材料包裹機構(gòu)設(shè)計成一個周圍行走的小車，小車上集成包裹機構(gòu)，防腐材料包裹小車可在工作平臺上沿圓周導(dǎo)軌實現(xiàn)360°圓周行走，內(nèi)部工作平臺方案見圖4。

圖4 內(nèi)部工作平臺示意圖Fig.4 Diagram of the internal working platform

2.2 螺旋包裹軌跡設(shè)計

內(nèi)部工作平臺工作時，集成了包裹機構(gòu)的圓周運動與上下行動，圓周運動的小車與環(huán)形導(dǎo)軌間采用齒輪的方式行走，上下運動采用鏈輪與鏈條的方式行走，可以避免滾輪打滑現(xiàn)象，以精確控制其移動距離與速度。根據(jù)帶形防腐包覆材料的寬度，再結(jié)合鋼樁的直徑，設(shè)計上下和圓周行走的速度，從而達到螺旋式包裹功能，且通過調(diào)整上下和圓周行走的速度可以控制螺旋軌跡的螺距。圓周和上下行走機構(gòu)驅(qū)動軸上分別安裝旋轉(zhuǎn)編碼器，實時監(jiān)測和控制運行速度，以便使螺旋行走軌跡滿足設(shè)計要求。

此外，所有驅(qū)動均采用伺服電機驅(qū)動，電池作為圓周運動小車的動力電源，上下行走現(xiàn)場取電，施工作業(yè)時可以避免包裹小車圓周行走帶來的繞線的麻煩。在包裹作業(yè)前或包裹作業(yè)完成后，包裹小車回到工作平臺的初始位置，而工作平臺回到設(shè)備頂部的初始位置，此位置有一個防水自動對接接頭，能夠自動完成充電對接，確保包裹作業(yè)時有充足電能供包裹小車完成施工作業(yè)。

3 結(jié)語

包覆法鋼樁水下防腐修復(fù)施工工藝的提出以及自動化包裹施工技術(shù)和設(shè)備的總體方案、相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計與研究，填補了目前包覆法水下鋼管樁二次防腐修復(fù)自動施工技術(shù)及裝備的空白。提出的包覆法鋼樁水下施工技術(shù)與自動化裝備的技術(shù)方案，有效解決了帶形防腐材料在水下鋼管樁上自動化施工的技術(shù)難題，為后期的設(shè)備開發(fā)研制明確了研究目標(biāo)與方案形式，已申請國家專利進行知識產(chǎn)權(quán)保護（專利號：201810403149.2）[8]。本方案目前還處于前期方案設(shè)計階段，仍有諸多關(guān)鍵問題、技術(shù)難點需要解決，課題組將針對本方案中存在的問題與技術(shù)難點進一步深入研究，爭取早日成功研制出適用于我國海域環(huán)境的鋼樁水下防腐材料自動化包覆成套裝備，應(yīng)用到實際的鋼樁防腐修復(fù)工程之中，為實際工程提供解決思路和技術(shù)保障，可對水下鋼樁基礎(chǔ)的易銹蝕、后期維護和檢測困難、修復(fù)費用高等問題，提供高效手段和平臺。成果對碼頭、橋梁及近海風(fēng)電場等水下鋼樁基礎(chǔ)的安全和使用壽命的延長有著重要的意義，具有重大的市場推廣價值。