高強(qiáng)度氣囊在運(yùn)輸風(fēng)電塔筒鋼基樁系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)

胡婷，王為林

(1.鄭州科潤機(jī)電工程有限公司，鄭州 450046;2.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 450015)

0 引言

風(fēng)能作為一種極具商業(yè)潛力與活力的可再生綠色能源，已引起全球范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注與研究，尤其在歐美等發(fā)達(dá)國家，風(fēng)能的開發(fā)和利用已發(fā)展到相對成熟的階段。近年來，鑒于資源豐富、風(fēng)速大、主導(dǎo)風(fēng)向穩(wěn)定、不占用土地資源、受環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)［1－2］，海上風(fēng)電的發(fā)展非常迅猛，從而也推動了海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(以下簡稱風(fēng)機(jī))運(yùn)輸問題的研究與發(fā)展［3］。海上風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)多采用單鋼樁形式，單鋼樁自重大(最重達(dá)800 t以上)、外型尺寸大(最大直徑達(dá)6.5 m、長度達(dá)89.0 m)，帶來了運(yùn)輸困難、運(yùn)輸成本高等問題。

1 海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的運(yùn)輸現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)海上風(fēng)電項(xiàng)目的鋼基樁大部分采用運(yùn)輸船運(yùn)載，如圖1所示。

圖1 運(yùn)輸船運(yùn)輸鋼樁Fig.1 Transporting steel piles by a transport ship

船運(yùn)方案目前主要存在以下不足：

(1)對運(yùn)輸船的承載能力要求較高;

(2)受海上天氣和施工進(jìn)度的影響較大，占用運(yùn)輸船的時間較長，運(yùn)輸費(fèi)用高，增加了施工成本。

國外海上風(fēng)電項(xiàng)目多采用密封鋼樁兩端、結(jié)合拖船在海上漂浮運(yùn)輸?shù)姆桨?，如圖2—3所示，圖2為2個直徑4.00 m的鋼基樁上端密封。

圖2 鋼基樁端部密封Fig.2 Steel piles with sealed ends

圖3 鋼樁漂浮運(yùn)輸Fig.3 Steel piles floating transportation

漂浮運(yùn)輸方案目前也存在不足：

(1)該方案的密封方式只適合于不帶法蘭的鋼樁，而目前國內(nèi)鋼樁上部大多帶連接法蘭，法蘭的安裝、拆除以及法蘭側(cè)密封裝置的安裝均不易實(shí)現(xiàn);

(2)無安全補(bǔ)救措施，兩端密封處任何一位置泄漏都可能導(dǎo)致鋼樁進(jìn)水、下沉;

(3)對不同直徑的鋼樁需要制作不同規(guī)格的密封裝置。

目前國內(nèi)外風(fēng)機(jī)鋼樁運(yùn)輸?shù)某Ｒ姺桨妇嬖诔杀靖?、密封難等缺點(diǎn)。為解決以上鋼樁運(yùn)輸方案存在的不足，本文擬采用一種在鋼樁內(nèi)部放置高強(qiáng)度氣囊使其漂浮、并配合拖船的運(yùn)輸方式。

2 高強(qiáng)度氣囊基本介紹及運(yùn)輸方案設(shè)計(jì)

2.1 氣囊基本介紹

橡膠充氣氣囊是根據(jù)滾木原理設(shè)計(jì)的柔性重物運(yùn)載工具，充氣后的氣囊具有質(zhì)量小、易操作、浮力大、耐海水腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于擱淺/失事船只施救打撈、沉箱下水助浮、大型管道助浮及水下安裝工程助浮等領(lǐng)域。

橡膠充氣氣囊由囊嘴和囊體組成，囊嘴采用Q235熱鍍鋅材料，具有很好的耐海水腐蝕性。錐形囊體包裹著囊嘴，采用無縫隙纏繞工藝和圓柱形囊體形成一個整體，保證了氣囊的密封性、承載力和安全性等性能;氣囊的骨架采用生產(chǎn)汽車輪胎的錦綸簾子布;氣囊內(nèi)層有氣密性好的橡膠層，用于密封囊體受到高壓時形生的壓縮氣體，外層有高耐磨性、耐屈撓性、耐腐蝕、抗老化的橡膠層。氣囊在使用過程中抗撕裂強(qiáng)度高，耐拉伸程度強(qiáng)，使用壽命也非常長。氣囊下水技術(shù)現(xiàn)已在美國、歐洲及東南亞等國家和地區(qū)得到了大范圍的推廣。

2.2 高強(qiáng)度氣囊運(yùn)輸方案設(shè)計(jì)

以某400 MW海上風(fēng)電場#1鋼基樁為例，利用高強(qiáng)度氣囊對其漂浮運(yùn)輸方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

#1鋼基樁直徑為6 500 mm，長度為89 530 mm，質(zhì)量為866.76t，使用壽命為8年。常見的氣囊工作參數(shù)見表1。

2.2.1 氣囊浮力及其個數(shù)計(jì)算

根據(jù)阿基米德公式，單個氣囊的浮力

式中：Dn為氣囊充滿氣直徑，m;ln為氣囊的有效長度，m;ρ為海水的密度，1025 kg/m3。

結(jié)合鋼基樁實(shí)際尺寸，現(xiàn)擬采用1個2號的氣囊(氣囊1)和6個1號氣囊(氣囊2和氣囊3)對鋼基樁進(jìn)行運(yùn)輸，同時為了防止鋼基樁在海上漂浮運(yùn)輸時發(fā)生翻滾，將2個3號氣囊(氣囊4)固定在鋼樁兩側(cè)，氣囊布置如圖4所示。

圖4中，A端為法蘭端，B端為遠(yuǎn)離法蘭端。計(jì)算氣囊實(shí)際浮力，結(jié)果見表2。

表1 高強(qiáng)度氣囊工作參數(shù)Tab.1 High-strength airbags operating parameters

表2 氣囊實(shí)際浮力計(jì)算Tab.2 Actual buoyancy calculation of the airbags

由表2可知鋼基樁系統(tǒng)在海中大約可上浮至直徑一半處。單只氣囊的浮力均是按表2中有效長度計(jì)算的。從圖4中可以看出，氣囊的實(shí)際長度均比有效長度長，所以氣囊浮力的計(jì)算留有安全裕度。

2.2.2 起吊時鋼樁吃水深度及壓強(qiáng)計(jì)算

鋼基樁水平放置在海水中，達(dá)到目的地之后，需要進(jìn)行起吊、安裝。為計(jì)算起吊時鋼基樁系統(tǒng)的吃水深度，應(yīng)確定此處的壓強(qiáng)。圖5為鋼基樁起吊時的平衡受力圖。

圖5 鋼基樁系統(tǒng)起吊時平衡受力圖Fig.5 Balanced free-body diagram of steel pile system during lifting

此處，起吊力F1=m g- ρg Ah，浮力F2= ρg Ah。由力矩平衡可得則吃水深度，式中：L為鋼樁的長度，89530 mm;m為鋼樁的質(zhì)量866760 kg;A為鋼樁沿長度方向剖面面積，mm2。由上式可得，此處h為2 175 mm，吃水深度占比為0.33，此處壓強(qiáng)為0.02 MPa，小于氣囊最小許用工作壓力0.07 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 高強(qiáng)度氣囊運(yùn)輸鋼基樁系統(tǒng)的實(shí)施流程

3.1 氣囊的布置

先用卸扣和綁帶將1個2號氣囊和6個1號氣囊進(jìn)行連接，再用卷揚(yáng)機(jī)將連在一起的氣囊從A端牽引到鋼樁內(nèi)，直到7個氣囊全部到位;然后將兩端的氣囊分別與鋼樁外壁的小吊耳進(jìn)行固定;接著將2個3號氣囊通過綁帶與卸扣固定在鋼樁兩側(cè)。

3.2 氣囊充氣保壓

將充氣軟管與氣囊分別進(jìn)行連接，然后將所有充氣軟管引到B端，用充氣裝備給所有的氣囊充氣并觀察壓力表，充到額定工作壓力后關(guān)閉氣囊閥門。讓氣囊靜止24 h后檢查氣囊的壓力是否在正常范圍內(nèi)。試驗(yàn)合格后，將所有充氣軟管進(jìn)行綁扎，然后在充氣軟管靠近B端處安裝1個總閥，如圖6所示。

圖6 充氣軟管總閥門Fig.6 The main valve for inflating hoses

3.3 鋼樁下水連接拖船

將綁扎好的充氣軟管固定好，鋼基樁下水。待鋼基樁在水中穩(wěn)定后，與拖船進(jìn)行連接，將充氣管與拖船進(jìn)行固定并與拖船上的空氣壓縮機(jī)(以下簡稱空壓機(jī))和真空泵進(jìn)行連接，如圖7所示。拖船上的空壓機(jī)和真空泵都設(shè)有單獨(dú)控制總閥，可以靈活地轉(zhuǎn)換操作模式［4］。

圖7 鋼基樁與拖船連接系統(tǒng)圖Fig.7 Steel pile and tugboat connection system diagram

3.4 連接測試安全裝置

拖船開動，在港口側(cè)和遠(yuǎn)離港口側(cè)分別進(jìn)行拖航試驗(yàn)，對安全裝置進(jìn)行測試［5］，試驗(yàn)中注意觀察空壓機(jī)壓力檢測表和鋼基樁在海上漂浮的狀態(tài)［6］。

3.5 拖運(yùn)鋼樁到目的地

拖航試驗(yàn)合格后，將鋼樁拖到目的地，通過鋼基樁上的吊耳將鋼基樁固定在打樁船上，將充氣軟管與拖船進(jìn)行分離，接著與打樁船上的空壓機(jī)和真空泵進(jìn)行連接，等待安裝鋼基樁［7］。

3.6 氣囊收回

采用專用工具起吊鋼樁，待吊鉤受力后，將氣囊從鋼樁上拆除，接著用真空泵給氣囊放氣。氣囊內(nèi)層橡膠的密度是1.200 g/cm3、外層橡膠密度是1.130 g/cm3，而海水密度是 1.025 g/cm3，氣囊排凈空氣之后會自然滑落、沉于水下，待鋼基樁起吊到豎直狀態(tài)下，再通過卷揚(yáng)機(jī)將氣囊從鋼樁內(nèi)牽引出。此時可適當(dāng)給氣囊充氣，以減輕卷揚(yáng)機(jī)受力。待氣囊完全脫離鋼樁，將其與拖船固定，再次運(yùn)到岸邊，進(jìn)行下一個鋼基樁的運(yùn)輸［8］。

4 結(jié)束語

本文以某風(fēng)電場為例，對高強(qiáng)度氣囊漂浮運(yùn)輸鋼基樁的方案進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，并對方案的具體實(shí)施過程作了詳細(xì)說明。高強(qiáng)度氣囊配合拖船運(yùn)輸風(fēng)電鋼基樁的方案相較傳統(tǒng)運(yùn)輸方案有明顯的優(yōu)勢［9］：不用考慮吊裝翻身，施工難度小;鋼基樁內(nèi)放置多個氣囊，即使鋼基樁有破損也不會下沉，大大提高了運(yùn)輸?shù)陌踩?且此種方案受天氣影響小，能加快施工速度，極大地降低海上風(fēng)電場的建設(shè)成本。該運(yùn)輸方案使海上風(fēng)電安裝工程更具備標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化開發(fā)的條件，具有很好的應(yīng)用前景。