王营 鲜程 雷俊卿
(中交三航（上海）新能源工程有限公司 ，上海200137)
摘 要：随着国内海上风电行业大兆瓦风机机型的不断推出，钢管桩直径也不断的变大。而现有的蒙克 MHU1900S液压锤3.75米直径的桩帽已经无法满足后续5MW风机机型的后续施工需求。为了解决6米直径单桩施工问题，在原有基础的3.75米直径的桩帽升级改造成6米直径桩帽的设计方案，投入到海上风电基础施工当中。
关键词：海上风电；大直径；桩帽；改造
引言
随着海上风电工程不断发展，国内的风机机型也在不断的增大，海上桩基基础的直径也在不断的变大。那么，海上桩基基础的沉桩工作对液压锤的要求也越来越高，所使用到的液压锤桩帽的直径也需要不断的变大。基于目前国内市场所使用到的液压锤进口液压锤还普遍存在桩帽直径较小的情况下，无法满足目前国内超长超大直径的钢管桩沉桩施工任务。因此，为了解决满足于大直径单桩沉桩施工和长期受制于国外厂家的技术垄断等问题。现在，经过一系列的市场调查和深入研究，决定通过增加内部铁砧环直径和在桩帽内壁加装筋板的方式，来升级改造使用液压锤系统，达到满足大直径的单桩沉桩的施工任务。
1 液压锤简介
1.1MENCK MHU 1900S 液压锤简介
MENCK MHU 1900S 液压打桩锤是一种高效、环保、机电 液气一体的沉桩工程设备，集优良的动力学特性和可控制性于一身，已是当前工程打桩应用的主流方向。MENCK MHU1900S液压锤是由 MHU1900S 锤体、控制系统、动力柜这三大系统有机结合的。该液压打桩锤系 统具备先进的监控系统和友好的人机交互界面，实现了动力站、打桩锤的精密监控和操作。具有可替换插入系统、无级功率转换、双向运动系统、偏心对中系统、安全止停装置、悬挂系统、压力补偿系统( 用于水下打桩) 等优越性。
1.2原装MHU1900S液压锤系统
锤体部分主要是由锤体、转接法兰、3.8米铁砧环和3.75米桩帽组成。如下图所示：
.png)
图3 3.8米铁砧环
.png)
图5 组装完成的液压锤体
以协鑫如东 H15#海上风电场项目为依托，进行单 桩沉桩分析，本项目海上风电场所使用到的单桩直径一般在5.5m-6m。钢管桩直径大于现有MHU1900S桩帽直径，故现有桩帽不能满足现场单桩沉桩施工要求，需要对现有锤帽进行改造升级。
2 液压锤改造方案
2.1市场调查分析
蒙克 MHU 1900S液压锤6米直径桩帽改造思路是借鉴于IHC S-1800液压锤7米直径桩帽改造方案。
在2018年新能源公司组织船机精干力量经过大量调研，充分吸收了国内外桩帽制作的先进理念和思想。将IHC S-1800液压锤桩帽直径从原有基础直径 5.5 米（桩尖 6.5米变径至桩顶5.5米）增加到了直径7米（桩尖8.5米变径至桩顶7米），并在2018年在五公司三峡新能源江苏大丰300兆瓦海上风电项目中投入使用7米直径桩帽，完成了 6.45MW 风机基础大直径钢管桩沉桩施工，为后续大型桩帽的完全国产化研制打下了基础。
蒙克 MHU 1900S 液压锤6米大直径桩帽改造思路：
改造方案充分吸收国内外桩帽制作的先进理念和思想，将桩帽分为三大件：（1）与锤连接的上桩帽；
（2）传递液压锤打击能量的铁砧；（3）套桩用的下桩帽。方案本着立足于国内装备制造业水平，以性价比高、可靠性强、结构优的原则改造升级成 6 米大直径桩帽。方案保留原 3.8米桩帽的上桩帽与原3.8米铁砧的结构体，新制变径法兰、6米铁砧环、下桩帽结构体。总之，6米大直径桩帽和7米的大直径桩帽升级改造的基础，都是通过增加铁砧环直径的方式来达到大直径单桩任务的目的。
2.2改造方案流程
原有铁砧环的直径3.8米小于协鑫如东H15#风场单桩直径5.5米，满足不了施工需求。因此，需要升级改造成大直径桩帽和大直径铁砧环。原有的铁砧环的改造要求极为苛刻，一方面是很难获取这种外商厂家的设计图纸及达到其基准度要求，另一方面这样子的造价成本也会很高，并且不能够适用于其他锤体。所以需要从根本上解决问题，本项目部采用新制作一个上桩帽、一个下铁砧环、一个下桩帽和一个对中支架。
2.3改造工艺分析
增加的下铁砧环需要明确蒙克MHU1900s液压锤的能量传递要求，根据能量、强度等要求选择设计合适材质的下铁砧环，同时，下铁砧环设计的内部孔直径需要充分考虑上铁砧环的外部直径等要求。原装蒙克MHU1900S液压锤和桩帽通过一个变径法兰直接连接起来，单桩沉桩是铁砧环和单桩上法兰直接接触，通过液压锤液压系统来回摆动锤芯，以2倍加速度锤击上铁砧环，达到能量传递单桩沉桩任务。
原铁砧与下铁砧接触面积为：
以1900液压锤锤芯来计算，锤芯重量为95t，其工作时使用两倍重力加速度锤击，则其最大受力为：
下铁砧最大压应力为：
小于下铁砧的许用压应力431Mpa，强度满足要求。
.png)
图8 下铁砧与上铁砧接触面积图
6米大直径桩帽的升级改造是否成功，它的核心点不仅仅在于加大它的桩帽直径，更重要的问题是选择的这个铁砧环的材质和能量传递所承受的应力是否满足条件。根据协鑫如东H15#风电场项目中的2#机位单桩沉桩检测报告中显示，单桩所接收到的最大压应力为98.9MPa，同样小于6米桩帽下铁砧环所能承受的最大压应力。因此，本此升级改造的6米大直径桩帽是完全满足施工要求的。
.png)
图9 下铁砧环的最大压应力
新制作6米大直径上桩帽代替原有的变径法兰，上法兰和锤体连接，下法兰和新制作6米大直径下桩帽连接，下桩帽代替了原有的3.75米桩帽。新制作的6米下铁砧环则解决了更换3.75米上铁砧环的问题。
3 应用实例与分析
蒙克 MHU 1900S液压锤6米大直径桩帽使用于2020年11月14日晚首次成功应用于协鑫如东H15#海上风电项目2号机位5.5米直径单桩沉桩中，6米直径桩帽应用于5.5米单桩沉桩施工当中，又在下桩帽内壁增加筋板作，保障6米直径桩帽和5.5米直径单桩能够精密结合起来。
液压锤改造主要有两个重要参数为指标：（1）下铁砧压应力是否满足要求；（2）下铁砧能量传递效率是否满足要求。
表1是改造后的6米大直径桩帽沉桩过程中锤体显示的主要能量技术参数。
.png)
即蒙克 MHU 1900S液压锤打击能量为1339kj,最大冲击能量为1637kj，所以能量传递效率为：1339kj/1637kj*100%=81.80%，经多个机位数据对比发现，当桩体锤击能量在1200kj左右时，其最大锤击力在120000kN左右，而根据地质报告分析 协鑫如东H15#海上风电场项目部单桩初打净土阻力最大为50000kN左右，锤击力大于净土阻力，满足现场施工要求。
4总结
升级改造后的6米大直径桩帽成功应用于协鑫如东H15#海上风电场项目部的单桩沉桩施工中。经过桩帽的改造，使得能量满足施工条件，而桩帽直径不够的液压锤，也能够投入到正常的施工当中去。解决了目前国内液压锤资源紧缺的大难题。同时，使得在海上风电市场，单桩直径不断变化的情况下，新能源公司依旧可以利用目前国内有限的液压锤资源，通过改变桩帽直径或者个别在装帽中增加筋板的方式，应对各种直径的单桩沉桩任务。为后续三航局对超大型桩帽的完全国产化研制打下了基础。
参考文献
[1]Mobilization Plan MHU 1900S P06777WS Rev_ 0[S]
[2]李永堂. 液压锤技术及其应用.中国机械工程[J]. 1993, 4(3): 40-41.
[3] 付振涛. 德国蒙克MHU800S液压锤在海上风电工程的应用. 产业与科技论坛[J].2019, 18(11): 64-66.
[4] 郭伟. 海上风电基础钢管桩打桩监测. 工业建筑[J]. 2016，46: 589-591.