張 京，顧福振

(中交一航局第一工程有限公司，天津 300456)

0 引言

近年來，國家大力發(fā)展清潔能源，海上風電項目得到快速發(fā)展，現(xiàn)有打樁船的樁架結(jié)構(gòu)及起重系統(tǒng)性能已經(jīng)無法滿足風電市場需要，因而打樁工藝需要不斷發(fā)展。崔建平對原樁架結(jié)構(gòu)與起重系統(tǒng)進行了改造研究，盡可能地發(fā)揮樁架的性能。 彭晨陽等指出隨著海上施工條件和人類開發(fā)活動范圍的不斷變化，老舊船舶的打樁作業(yè)能力難以與實際市場需求匹配。

為了滿足風電市場對100 m以下的打樁船吊樁吊錘能力不斷增大的要求，本文對某83 m打樁船的樁架結(jié)構(gòu)強度、穩(wěn)定性、液壓缸能力、打樁作業(yè)等進行必要的計算和研究，利用原船結(jié)構(gòu)與設(shè)備進行吊樁吊錘能力提升改造，達到提升打樁船能力的目的。

1 改造方案

83 m打樁船于2007年建造完工，屬于沿海打樁作業(yè)、無限航區(qū)拖航的非自航打樁船。該船總長64.6 m，型寬26 m，型深5 m，設(shè)計吃水2.3 m，樁架高83 m，最大吊樁重量1 000 kN，最大吊錘重量480 kN，掛D180柴油打樁錘。

根據(jù)某風電項目樁基的尺寸和重量，改造目標為：吊樁能力增大至1 300 kN，吊錘能力增大至1 000 kN。此2項數(shù)據(jù)較原船大幅增大，對樁架強度和變幅液壓缸的能力是較大的考驗。

1.1 改造基本原則

改造基本原則為：該船結(jié)構(gòu)及打樁設(shè)備性能狀態(tài)與原船初始狀態(tài)相同，保持原有樁架高度、龍口結(jié)構(gòu)、裝機功率及液壓泵站配置；打樁能力由800 kN/70 m/

Φ

2 500 mm提升為1 300 kN /70 m/

Φ

2 500 mm；主吊由2×1 000 kN提升至2×1 300 kN；副吊由2×500 kN提升至2×600 kN；吊錘由480 kN柴油錘提升至966 kN液壓錘。

1.2 改造主要內(nèi)容

改造主要內(nèi)容有：樁架強度有限元分析計算、吊點裝置強度計算、液壓缸能力校核、起重系統(tǒng)設(shè)計及改造、液壓系統(tǒng)改造、改造后吊重試驗驗證。

2 改造方案設(shè)計論證

2.1 樁架有限元強度計算

樁架布置在船首象鼻梁上，其結(jié)構(gòu)為三角桁架式，架頂布置吊錘平臺和吊樁平臺。依據(jù)《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》(2007)，本計算采用有限元分析的方法，應(yīng)用挪威船級社(DNV)的SESAM軟件進行建模和靜力分析。打樁船樁架有限元強度按無風和有風作業(yè)工況進行計算。

2.1.1 有風與無風作業(yè)狀態(tài)及作業(yè)工況

有風作業(yè)狀態(tài)有2種：20 m/s風力沿船長方向(縱向風)、20 m/s風力沿船寬方向(橫向風)。有風和無風狀態(tài)下進行有限元計算時均應(yīng)考慮作業(yè)時船舶橫傾5°、縱傾2°，以及船舶傾斜和風向均依據(jù)工況選擇不利傾角及方向。5個作業(yè)工況見表1。

表1 作業(yè)工況

2.1.2 樁架桿件強度有限元計算結(jié)果

在上述5個工況下，無論有風或者無風作業(yè)狀態(tài)，最嚴重的情況發(fā)生在工況2。平臺8與吊樁平臺連接處的2個前主桿由于應(yīng)力集中，桿件受壓最大應(yīng)力達到349 MPa，不滿足規(guī)范許用應(yīng)力255 MPa要求。平臺標號見圖1。工況2有風作業(yè)臂架應(yīng)力云圖見圖2。

圖1 平臺標號(單位：mm)

圖2 工況2有風作業(yè)臂架應(yīng)力云圖

2.1.3 解決方案

根據(jù)樁架強度有限元計算結(jié)果，如果將集中應(yīng)力大的舷桿規(guī)格增大，樁架直立的情況下施工難度非常大，安全風險高，對成本和進度不利。在充分評估施工條件、確保安全和質(zhì)量的條件下，將平臺8與吊樁平臺間2個前主桿沿船長方向前后每側(cè)各1根T型加強筋進行結(jié)構(gòu)加強，布置情況見圖3。T型加強筋腹板寬度300 mm×厚度12 mm，面板寬度150 mm×厚度20 mm，材質(zhì)CCSB，屈服強度為235 MPa，重量總計15.60 kN。添加加強模型后，再次計算應(yīng)力，結(jié)果滿足規(guī)范要求；在5個工況下作業(yè)滿足使用要求，而且加強方案可操作性強，表明此解決方案是可行的，同時成本和進度上最為有利。

①—主桿背部加強材(T型材)； ②—主桿前部加強材(T型材)；③—肘板(角鋼)；④主桿前部加強材。

2.2 其他結(jié)構(gòu)部位強度校核

采用有限元方法對吊錘平臺、吊樁平臺和兩平臺間的樁架結(jié)構(gòu)(以下簡稱“附架結(jié)構(gòu)”)進行局部強度校核。吊樁平臺及吊錘平臺局部強度校核各工況下，吊樁平臺、吊錘平臺結(jié)構(gòu)的Mises應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，拉力、壓力、剪力均滿足規(guī)范對失效應(yīng)力的要求。同時校核樁架鉸鏈軸強度、抗剪強度、擠壓強度、支座板強度，校核結(jié)果均滿足規(guī)范要求?？紤]樁架結(jié)構(gòu)重量增加少于20 kN，導(dǎo)向滑輪重量增加40 kN，其他均與原結(jié)構(gòu)相同，改動不大，因此不再做擱置狀態(tài)下樁架結(jié)構(gòu)的強度校核。

各工況下，只有在兩平臺之間主斜撐桿件底部與吊樁平臺連接位置出現(xiàn)局部應(yīng)力集中情況，其他位置應(yīng)力均小于校核標準157 MPa，滿足《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》(2007)許用應(yīng)力的要求。原附架結(jié)構(gòu)已經(jīng)進行了局部加強，改造方案下的原吊錘平臺、附架及吊裝平臺強度滿足規(guī)范要求，計算結(jié)果見表2。

表2 強度校核匯總表

2.3 樁架變幅液壓缸能力校核

液壓缸性能參數(shù)：內(nèi)徑900 mm，活塞桿外徑540 mm，行程11 470 mm，工作壓力25 MPa，液壓缸理論推力11 000 kN，理論拉力8 600 kN。

對工況4和工況5這2個極限工況的液壓缸能力進行校核。樁架載荷：自重3 720.7 kN；上下滑車重量51.2 kN×2+91 kN×2、鉤頭重量44 kN×2+77 kN×2、吊樁重量1 300 kN、錘加替打重量1 000 kN。

工況4：樁架前傾11.5°植樁，主鉤及樁架下部抱樁器共同支撐1 300 kN樁重量，錘加替打重量1 000 kN置于吊錘平臺，有風作業(yè)。經(jīng)計算，此工況下液壓缸受拉力7 850 kN，小于液壓缸最大拉力8 600 kN，裕度8.7%。

工況5：樁架后傾11.5°植樁，主鉤及樁架下部抱樁器共同支撐1 300 kN樁重量植樁，錘加替打重量1 000 kN置于吊錘平臺，有風作業(yè)。經(jīng)計算，此工況下液壓缸受壓力4 430 kN，小于液壓缸最大壓力11 000 kN，裕度59.7%。

校核結(jié)果顯示：液壓缸能力滿足設(shè)計及使用要求，但工況4受拉狀態(tài)已經(jīng)比較接近設(shè)計極限，不得過度使用。在此工況變幅下需慢速操作，利用水深植樁，樁錘隨樁下降，降低樁架總體重心高度，確保安全。

2.4 1 300 kN吊點強度校核

原1 000 kN吊點掛板的材質(zhì)AH36，屈服強度355 MPa，抗拉強度490 MPa，板厚40 mm。經(jīng)計算，強度滿足規(guī)范要求，計算后需驗證吊點掛板與兩連接腹板的角接主焊道的最小有效焊喉厚度是否≥14 mm，在樁架頂部掛板處開工藝孔進行檢測，主焊道有效焊喉尺寸15 mm，主焊道長度800 mm，原1 000 kN主掛點的強度滿足1 300 kN吊重要求。

2.5 起升系統(tǒng)計算

2.5.1 主起升載荷核算

吊樁載荷核算工況：樁架前傾12.5°、橫搖角5°、縱傾角2°，樁重心距船艏(96#)水平21.8 m。經(jīng)計算，主起升鋼索安全工作負荷為302 kN，安全系數(shù)為4，起升鋼絲繩最小破斷負荷為1 208 kN。起升鋼絲繩選取規(guī)格：42 mm-6×37WS+FC-1960 MPa-1 230 kN-710 m，實際安全系數(shù)4.074。

2.5.2 吊錘載荷核算

經(jīng)計算,吊錘鋼索安全載荷為348 kN，安全系數(shù)為4，吊錘鋼索最小破斷載荷為1 392 kN。吊錘鋼絲繩選取規(guī)格：

Φ

46 mm-6×37WS+FC-1 960 MPa-1 480 kN-590 m，實際安全系數(shù)為4.258。

2.6 起重系統(tǒng)滑輪設(shè)計選型

2.6.1 主吊樁滑輪配置

主吊樁滑輪纏繞示意圖見圖4。

(1)主吊樁鋼絲繩固定導(dǎo)向滑輪適用鋼索

Φ

42 mm。其主要參數(shù)為：安全工作載荷305 kN，滑輪槽底

Φ

554 mm，強制油脂潤滑。每個主吊樁有2個導(dǎo)向掛輪，其中1個在樁架腰身垂直安裝(見圖4①)，滑輪軸

Φ

160 mm，重量4.26 kN；另1個在吊樁平臺底面倒掛安裝可擺角(見圖4②)，滑輪軸

Φ

160 mm，主掛點軸

Φ

100 mm，重量4.64 kN。

①—導(dǎo)向滑輪(位于樁架腰身的第一導(dǎo)向)；②—導(dǎo)向滑輪(位于吊樁平臺的第二導(dǎo)向)；③—動滑輪(主鉤鉤頭動滑輪組)；④—定滑輪(主鉤天靈定滑輪組)。

(2)1 300 kN動滑輪組帶鉤頭(見圖4③)適用鋼索

Φ

42 mm。其主要參數(shù)為：安全工作載荷1 274 kN，滑輪槽底

Φ

634 mm，4餅滑輪，滑輪銷軸

Φ

170 mm，強制油脂潤滑；每個主吊樁各1套，重量47 kN。(3)1 300 kN定滑輪組配旋轉(zhuǎn)葫蘆(見圖4④)適用鋼索

Φ

42 mm，其主要參數(shù)為：安全工作載荷1 274 kN，滑輪槽底

Φ

634 mm，4餅滑輪，滑輪銷軸

Φ

170 mm，主銷軸

Φ

180 mm，強制油脂潤滑;可前后左右約15°擺角，每個主吊樁1套，重量32 kN。

2.6.2 吊錘滑輪配置

吊錘系統(tǒng)滑輪纏繞示意圖見圖5。吊錘鋼絲繩固定導(dǎo)向滑輪適用鋼索

Φ

48 mm。其主要參數(shù)為：滑輪安全工作載荷405 kN，滑輪槽底

Φ

548 mm，滑輪銷軸

Φ

190 mm，強制油脂潤滑；帶滑輪支座及防止跳繩裝置，共10個，重量約4.60 kN/個。

①—樁架腰身的第一導(dǎo)向滑輪 ；②—吊樁平臺的第二導(dǎo)向滑輪 ；③—吊錘平臺的第三導(dǎo)向滑輪 ；④—吊錘平臺的定滑輪 ⑤—吊錘平臺的平衡滑輪。

3 主要改造施工項目

3.1 起重系統(tǒng)施工內(nèi)容

本船在碼頭施工，樁架保持后仰3°，維持在較為合適的樁架施工狀態(tài)。起重系統(tǒng)施工內(nèi)容如下：

(1)原副吊樁絞車及吊錘絞車拆除，購置200 kN主吊樁絞車、320 kN吊錘絞車，底座進行加強及安裝工作。

(2)原2×160 kN(繩徑

Φ

37.3 mm×710 m)主吊樁絞車系統(tǒng)改裝到原副吊樁絞車位置。

(3)重新設(shè)計制作樁架滑輪、1 300 kN定動滑輪組，吊樁平臺主副吊樁定滑輪組(2個)及導(dǎo)向滑輪(4個)換新，吊錘平臺導(dǎo)向滑輪換新(10個)；根據(jù)計算選型，換新錘繩和主鉤繩。

(4)鉤頭改裝要點：每個主吊鉤增加10 kN配重鐵，有助于空鉤下降。

3.2 液壓系統(tǒng)施工內(nèi)容

完成新安裝的液壓絞車管路與原液壓泵站管路的對接，以及新液控制回路與原系統(tǒng)的對接。根據(jù)新絞車相關(guān)油口位置，重新制作安裝以下管路：

(1)閥組A、B口到馬達A、B口管路；閥組C口到剎車管路；馬達泄油管路。

(2)根據(jù)新的馬達雙速電磁閥塊油口，重新制作到新馬達變量口管路。

(3)重新連接新起重平臺上的超高保護信號；連接新絞車過松、過卷信號。

(4)重新連接雙速電磁閥；安裝絞車廠家提供的原6MB650操作閥組上的PA閥件，以提高原閥組流量。

80 m打樁船改造后的吊錘能力由480 kN提升到966 kN，絞車額定拉力由2×130 kN提升至2×320 kN，吊掛柴油錘升級為吊掛液壓錘。液壓系統(tǒng)在原有基礎(chǔ)上改造較為復(fù)雜。在完成管路重新布置的基礎(chǔ)上，取消了駕駛室面板上吊錘絞車溜樁保護相關(guān)功能的按鈕、開關(guān)功能，操作上主動跟隨控制確保安全。

上述項目改造后，對樁架結(jié)構(gòu)進行局部加強，并重新校核樁架結(jié)構(gòu)強度及船舶穩(wěn)性，制定改造后吊重曲線表。

4 吊重試驗

打樁船施工完成后，進行了調(diào)試和空載運行，結(jié)果均為合格。根據(jù)設(shè)計能力及吊重曲線，利用吊重水袋進行了吊重試驗。吊樁吊重工況部分負荷見表3。在樁架前傾5°下，錘在頂工況吊錘系統(tǒng)吊重1 065 kN，吊樁系統(tǒng)吊重1 430 kN，調(diào)整了起重檢測系統(tǒng)整定值。吊重試驗后檢查樁架結(jié)構(gòu)，未見缺陷且液壓缸能力、起升系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)運行良好，本次改造滿足設(shè)計要求。

表3 吊樁、吊重工況部分負荷表

5 改造后操作關(guān)鍵點

(1)打樁工況(包括吊樁和植樁)為錘在頂工況，錘/替打/樁帽總重量≤966 kN，適用鋼管樁徑

Φ

800～

Φ

2 500 mm，作業(yè)風速<7.9 m/s，有義波高≤0.5 m；靜橫傾角度≤5°，靜縱傾角度≤2°。

(2)樁架變幅操作時，應(yīng)微速啟動和停車，緩慢均勻加速和減速，變幅油缸線速度≤0.38 m/min，以避免樁架震顫；觀察和記錄油缸高壓腔的油壓。

(3)移船操作時，應(yīng)微速啟動和停車，緩慢均勻加速和減速，移船絞車線速度≤4 m/min，以引起樁架震顫，并規(guī)避與固定物或他船撞擊事件發(fā)生。

(4)一主鉤和一副鉤聯(lián)合最大吊重為1 300 kN(含吊具重量)，此時樁架最大前傾角度≤9°。

6 結(jié)論

(1)利用現(xiàn)有打樁船進行適當?shù)慕?jīng)濟性改造，解決了打樁船性能不足的問題，從而盡早進行投標及施工，提高了船舶利用率，符合市場經(jīng)營需求。

(2)錘在頂工況力矩最大，導(dǎo)致變幅液壓缸受拉接近極限能力，證明了吊錘能力大幅度提升是改造性能極限的重要因素。

(3)如起重系統(tǒng)增加動滑輪組數(shù)、鋼絲繩增大直徑，會使滑輪間動摩擦阻力加大，所以需考慮對鉤頭增加配重，有助于空鉤順利下降。