液壓錘長距離柔性管束防護技術

高亞麗，崔郎郎，曹立鋼，苗軍克，趙紅紅

（中信重工機械股份有限公司，河南 洛陽 471003）

風能作為清潔能源在調整我國能源結構和環境保護方面起重要作用。近年來根據國家的決策部署，我國風電產業尤其是海上風電產業得到快速發展。國家《可再生能源發展“十三五”規劃》提出，到2020年，海上風電開工建設1 000萬kW，確保建成500萬kW。市場前景極為廣闊。海上風力發電機組安裝施工的關鍵環節是利用大型或超大型液壓打樁錘施工裝備將近千噸的整體鋼管基礎樁植入到海床里[1-4]。

液壓打樁錘是一種利用液壓油傳遞動力驅動錘芯運動實現打樁作業的設備。柔性管束作為液壓油的傳輸主體，其完整性至關重要，管束折彎、破損等現象都不是人們愿意看到的。

1 液壓打樁錘柔性管束使用現狀

液壓打樁錘進行打樁作業時，錘體放置在鋼管基礎樁上，動力站放置在施工船或工作平臺上，兩者相距較遠且存在高度差，錘體與動力站間柔性管束有效工作長度呈懸掛狀態，冗余長度盤放在施工船或工作平臺上，隨著鋼管基礎樁的不斷下沉，柔性管束有效工作長度也隨之變化。

以中信重工機械股份有限公司設計制作的LK-3000液壓打樁錘為例：LK-3000液壓打樁錘額定擊打能量為3 000 kJ，依據工作流量需求，進出油管共8根通徑為DN65的軟管（以下簡稱為液壓管束），其中單根軟管最小彎曲半徑為800 mm。該液壓打樁錘動力站與錘體相距160 m，其中懸掛高度約100 m，懸掛部分柔性管束自重加管內液壓油重量可達10 t左右，管束接頭受力較大，存在安全隱患；其冗余部分需要人工收放，由于受其長度與質量的影響，造成了大量人力資源浪費；此外，液壓打樁錘進行打樁作業時，常常用吊機直接起吊管束，管束最小彎曲半徑難以保證，存在管束折斷風險；同時工作現場易出現拖拽管束等現象，增加管束磨損，降低使用壽命。

2 長距離柔性管束防護裝置

結合液壓打樁錘工況，本文研究設計以下裝置，以實現長距離柔性管束的防護：（1）將長距離柔性管束進行分段設計，施工方可以根據工況自主調節柔性管束長度，將冗余長度控制在最小范圍內，最大程度降低管束磨損及節約人力資源；融入鋼纜受拉保護裝置，減少管束接頭受力，通過接頭與鋼纜受拉保護裝置配套使用，實現管束連接和鋼纜保護一體化；（2）增加耐磨柔性外套，減少管束磨損、延長使用壽命；（3）研制管束放折彎起吊工具，保證管束起吊彎曲半徑，降低管束折斷風險。

2.1 分段管束和鋼纜保護裝置

每根軟管（進油管或回油管）分為若干特定長度的軟管總成并用專用接頭連接一體，綜合考慮體積、重量和可行性，分段管束采用螺紋連接。

若將單根進油管等分為n段軟管總成，每段軟管總成長度為L。將分割后的n件柔性管兩端分別與2n件扣壓接頭、2n件螺母扣壓一體，扣壓前，先將扣壓接頭與螺母裝配一體。扣壓后，柔性管端面與螺母光孔外端面有一定距離。將n件扣壓后柔性管與n-1件專用過渡接頭裝配一體，即將扣壓接頭24°錐面插入專用過渡接頭內部24°錐面內，利用螺母內螺紋和專用過渡接頭外螺紋把合，將分段進油管連接起來。管束連接結構如圖1所示。

圖1 軟管分段連接結構示意圖

將單根回油管分長度為L的軟管總成n-1件和長度為L/2的軟管總成2件，共計n+1件軟管總成，將n+1件柔性管兩端分別與2n+2件扣壓接頭、2n+2件螺母扣壓一體，扣壓前，先將扣壓接頭與螺母裝配一體。扣壓后，柔性管端面與螺母光孔端面有一定距離。將n+1個扣壓后柔性管與n件專用過渡接頭裝配一體，即將扣壓接頭24°錐面插入專用過渡接頭內部24°錐面內，利用螺母內螺紋和專用過渡接頭外螺紋把合。長度為L的柔性管設置在回油管中間，長度為L/2的柔性管設置在回油管的兩端。

鋼纜受拉保護裝置包括連接雙環扣、鏈條鎖具、繩梨形繩套、C型快速卸扣和吊具裝配，結構如圖2所示。吊具裝配又包括鋼絲繩、鋼絲繩壓套、夾板和軸套，結構如圖3所示。

圖2 鋼纜受拉保護裝置結構示意圖

圖3 鋼纜受拉保護裝置-吊具裝配結構示意圖

鋼纜受拉保護裝置總長為（n-1/2）L，將鋼絲繩分為2n+1段，每段鋼絲繩與鋼絲繩壓套、夾板和軸套壓制一體。鋼絲繩中間壓制軸套，夾板套在軸套上，夾板上下兩側用壓套定位，其中鋼絲繩與鋼絲繩壓套、軸套無相對移動，夾板可繞軸套360°自由轉動，其中每段相同位置夾板間的距離為L/2-50 mm；夾板數量與油管數量相同。鋼絲繩兩端分別與梨形繩套壓制一體，梨形繩套通過C型快速卸扣連接，鋼纜受拉保護裝置一端的梨形繩套與鏈條鎖具、連接雙環扣壓制一體。裸露在外的鋼絲繩應用耐磨橡膠套包裹。

將4根進油管和4根回油管呈圓形分布放置，鋼纜受拉保護裝置放置在圓中心軸線位置，鋼纜受拉保護裝置上緊挨鏈條鎖具鋼絲繩上的夾板套在回油管過渡接頭上，第二段鋼絲繩上的夾板套在進油管過渡接頭上，第三段鋼絲繩上的夾板套在回油管過渡接頭上，依此類推，交錯安裝，鋼纜受拉保護裝置和進出油管裝配結構如圖4所示。

圖4 軟管連接和鋼纜保護裝置示意圖和展開圖

鋼纜受拉保護裝置上夾板內徑與管束過渡接頭圓柱面外徑配合，夾板的內徑大于過渡接頭圓柱面外徑，鋼纜受拉保護裝置上的鋼絲繩長度小于柔性管束長度。

2.2 耐磨柔性外套

選用滌綸或其他耐磨材料的單繩，編織成網格密度不同的繩網，如圖5所示。耐磨柔性外套設置在柔性管束和鋼纜受拉保護裝置形成圓柱體的外表面，利用單繩將耐磨柔性外套兩側交錯纏繞編織一體，使耐磨柔性外套呈圓筒狀，將柔性管束和鋼纜受拉保護裝置包裹起來，利用耐磨柔性外套端部單根繩纏繞固定。在管束接頭處繩網密度應適當變大，以方便觀察管束接頭使用情況，便于維護和更換。在軟管處繩網密度應適當變小，以更好保護軟管外層橡膠。

圖5 耐磨柔性外套-繩網結構示意圖

2.3 管束防折彎起吊工具

管束防折彎起吊工具包括起吊架、銷軸、銷軸軸套、擋板和螺栓，其結構如圖6所示。

圖6 管束防折彎起吊工具結構示意圖

起吊架是由鋼板、槽鋼焊接形成截面為U字形的半圓柱面。第一塊鋼板呈半圓柱狀放置，用第二塊鋼板連接第一塊鋼板兩側，第二塊鋼板平面平行于水平面；兩件第三塊鋼板對稱焊接在第一塊鋼板的兩側，呈類V狀；第三塊鋼板與第一塊鋼板有一定夾角；第四塊鋼板設置成呈半圓環狀，半圓頂部有圓滑過渡的尖角，兩件第四塊鋼板焊接在兩件第三塊鋼板上并呈豎直狀態。第一塊鋼板、兩件第三塊鋼板和兩件第四塊鋼板都外切于耐磨柔性外套包裹的柔性管束和鋼纜受拉保護裝置形成的圓。第四塊鋼板內徑小于第三塊鋼板上頂部所在圓直徑。兩件第四塊鋼板上設置有光孔，用于安裝銷軸；銷軸與銷軸軸套裝配后，銷軸軸套外徑外切于耐磨柔性外套包裹的柔性管束和鋼纜受拉保護裝置形成的圓。其中一件第四塊鋼板上設置螺紋孔，螺紋孔呈矩形分布。兩件槽鋼對稱焊接在兩塊第四塊鋼板的外側，槽鋼呈半圓狀，槽鋼內徑大于第四塊鋼板內徑。在槽鋼內徑和第四塊鋼板的內徑之間設置支撐槽鋼。第一件鋼板與第二件鋼板之間設置支撐鋼板。

銷軸是兩段階梯狀的圓柱體，第一臺階外徑大于第四塊鋼板上光孔直徑，第二臺階直徑略小于第四塊鋼板上光孔直徑；銷軸第二臺階長度大于兩塊第四塊鋼板間距離；銷軸第二臺階端部設置有溝槽，溝槽內側面到第一臺階側面距離略小于兩塊第四塊鋼板間距離。

銷軸軸套為中空管狀結構，銷軸軸套內徑大于銷軸直徑，軸套外徑沿軸線方向設置有起吊鋼板，起吊鋼板與軸套焊接一體。起吊鋼板上設置有光孔。

擋板為矩形鋼板，矩形鋼板厚度小于銷軸上溝槽寬度。矩形鋼板上設置有光孔。

設備裝配時，進油柔性管束和回油柔性管呈圓形分布放置，鋼纜受拉保護裝置放置在圓中心軸線位置，鋼纜受拉保護裝置上緊挨鏈條鎖具鋼絲繩上的夾板套在回油管過渡接頭上，第二段鋼絲繩上的夾板套在進油管過渡接頭上，第三段鋼絲繩上的夾板套在回油管過渡接頭上，依此類推，交錯安裝。耐磨柔性外套包裹在柔性管束和鋼纜受拉保護裝置形成的圓柱體外表面上。最后將柔性管束與設備接頭對接，通過鋼纜受拉保護裝置上的連接雙環扣掛在設備專用吊耳上。

耐磨柔性外套、柔性管束和鋼纜受拉保護裝置形成的圓柱體放置在管束起吊過渡工具的起吊架內，銷軸第二臺階穿過起吊架上的兩件第四塊鋼板光孔和銷軸軸套內孔；擋板插入銷軸第二臺階溝槽內，用螺栓將擋板把合在吊架上的兩件第四塊鋼板的螺紋孔內，并保證銷軸軸套起吊鋼板豎直放置。

設備工作時，用兩臺吊具吊住兩件管束起吊過渡工具，兩件管束起吊過渡工具有一定距離，使柔性管束呈雙駝峰狀布置，保證管束彎曲半徑。

3 結論與展望

（1）管束分段設計與鋼纜受拉保護裝置一體化設計，解決了大通徑管束豎直工況接頭受力問題，可有效降低管束接頭受力。

（2）使用耐磨柔性外套可以有效降低在施工中拖拽對管束外層的磨損。

（3）液壓錘施工時，吊具防折保護的使用，可以保證管束彎曲半徑，降低折斷風險，降低管束損壞風險，延長使用壽命。

通過以上技術綜合應用，可以實現長距離柔性管束的防護。防護裝置不僅滿足液壓打樁錘施工需要，還可以應用于其他設備，特別是海洋工程設備。

近年，國內海洋工程設備技術正在快速發展，相信不久的將來，我國海洋工程裝備可以擺脫技術制約，能夠有效支撐我國海洋工程的高質量發展。