海上風電嵌巖鉆機創新設計及應用研究

任俊杰，楊廣健

（1. 中交天和機械設備制造有限公司，江蘇 常熟 215500；2. 上海真砂隆福機械有限公司，上海 200040）

近年來，隨著國家對綠色清潔能源開發的重視，海上風電建設項目日趨增多，相應的風電樁孔嵌巖鉆機設備需求大增，原有的風電樁孔鉆機設備無論從鉆孔直徑上還是從施工效率上都已經不能滿足目前現狀。為此本項目通過聯合創新，研制了新型海上風電嵌巖強力鉆機。該鉆機汲取現有鉆機設備優點的同時，在多方面細節技術進行了突破創新。

該設備上下動作采用門架內雙側雙油缸同步伸縮頂升，回轉采用變頻電機驅動動力頭形式。設備提升力最大為900t，最大扭矩4000kNm，轉速0～9r/min。該設備采用氣舉反循環法原理，相較于業內常規嵌巖鉆機具體體現在以下創新設計及應用：大扭矩電驅、強力嵌巖鉆進、高效吸排渣、智能化鉆進控制。我司共研制了2臺設備，分別應用于福建平潭I型（坐樁）和莆田III型海上風電單樁嵌巖施工（穩樁平臺）。

1 設備總體介紹及原理

豎向復合式掘進機利用驅動部輸出的扭矩、油缸輸出的推力，通過鉆桿傳遞到刀盤上達到破巖的效果。利用氣舉反循環系統將切削下的渣土排出，并通過泥漿過濾系統進行過濾，達到泥漿循環和排渣的目的。針對破巖和排渣兩方面，利用現有盾構、豎井鉆機等技術條件達到破巖效率高、排渣速度快的施工要求。

反循環指的是泥漿在樁孔和導管中循環的一種方式，與之對應的是泥漿正循環。如圖1所示，泥漿由孔口補給，由導管排出的方式屬于反循環，反之為正循環。

圖1 正、反循環示意圖

兩者的區別在于：（1）當泥漿循環流量相同時，通過導管（樁孔）返上漿液的速度不同，攜帶鉆渣的能力差別很大。（2）反循環對漿液的抽吸作用產生負壓，對孔壁穩定性有不良影響。而正循環對孔壁產生正壓。

由于反循環在導管中排漿速度大、攜渣能力強，常被用作孔底清渣或者塌孔清渣。目前常見的是氣舉反循環清渣，該工藝在采礦、采油等行業應用廣泛，對氣舉反循環壓力、流量、風管布置等內容都有深入的研究。

高壓氣體噴出風管后與泥漿混合，分散在導管內形成許多（密度?。馀?。這些氣泡受到泥漿向上的浮力并帶動泥漿（粘滯力）向上運動，并且在上升過程中壓力降低，體積增大。因此在氣液混合段下方形成負壓，由該段下部的泥漿不斷補充?？椎壮猎谀酀{運動的帶動下進入導管，隨泥漿排出孔外，形成一個連續穩定的運動過程。

2 創新性設計

2.1 超大扭矩驅動系統

該設備驅動部采用了6臺280kW大功率電機連接減速機直接驅動形式，不同于常規鉆機通過電機連接液壓泵驅動液壓馬達形式，這種電驅形式進一步提高了驅動效率。該驅動部的設計具有輸出扭矩大、效率高、調速平穩、變速范圍廣、承受載荷大、結構強度高、密封性能好等優點。

驅動部的調速范圍為0～9rpm，可無極調速，額定輸出扭矩為3000kNm，脫困扭矩可達4000kNm，輸出扭矩遠高于業內同類風電嵌巖施工設備。驅動部結構見圖2。

圖2 驅動部結構圖

壓縮空氣沿著b通道向下輸送，然后切削巖石產生的巖石碎屑沿著泥漿上返通道a向上輸送。

殼體采用箱式結構，殼體材料采用低合金高強度鋼，多筋板布置，內部圓形結構件均采用鍛鋼材料，結合現代先進的加工工藝，從而保證足夠的剛度和精度。

2.2 高效吸排渣系統

嵌巖鉆進的效率很大程度上依賴于及時快速地吸排渣，因此高效的吸排渣系統設計對于嵌巖鉆機顯得尤為重要。整個系統采用氣舉反循環原理進行排渣，空壓機通過進氣通道將高壓空氣送至連接筒下部的排漿管內，空氣與管內的液體混合導致液體密度變小。此時管內壓力小于外部壓力并形成壓差，液體在排漿通道內發生流動，同時控制液面高度和揚程從而達到排漿目的。

鉆具系統（見圖3）采用3個獨立進氣通道和收渣口設計，將鉆頭、導向器、鉆桿等部件通過過渡接頭和配風裝置結合起來。配風裝置處設置2處進氣通道，驅動部設置1處進氣通道。各進氣通道互相獨立，空壓機分別供氣。鉆頭面板設置3處收渣口，鉆頭、連接筒、導向器對應設置3處排漿通道，并在過渡接頭處匯集，泥漿通過鉆桿和驅動部中心設置的排渣通道排出。

圖3 鉆具系統

鉆頭面板設置的3處長腰形排渣口基本覆蓋整個開挖面，保證刀具切削出的渣土盡快被收集。3處獨立排渣通道和進氣通道的設置，避免各排渣口因某1個口堵塞造成壓力不均衡和排渣失效。相較于常規鉆機，這種獨有的排渣系統設計極大提高了系統的排渣效率。下面簡要介紹相關部件的結構組成。

刀盤采用平底式設計，可承受較大鉆壓，提高破巖效率。球齒合金滾刀在刀盤面板上呈螺旋線布置。刀盤結構采用3個獨立排渣口設計，各排渣通道互不干涉。排渣口采用矩形長腰形口，回轉過程中3個排漿口能基本覆蓋整個刀盤面，及時清掃掌子面切削下的巖屑，達到很好的排渣效果。

為了防止泥漿循環過程中發生“短路”情況，首先整個刀盤面板呈封閉狀設計，僅在刀盤邊緣預留4處進漿通道。其次，進漿口與排渣口距離盡量遠些，泥漿在掌子面流動時可盡量多地帶走掌子面的巖屑。

過渡接頭是連接導向器和鉆桿的過渡裝置，與二者連接均采用法蘭型式，上下法蘭采用鑄件加工。過渡接頭的中間部分是排漿通道和進氣通道，同時也是排漿通道的合流段。過渡段焊件、機加工完成后須做氣密試驗，保證排漿管和進氣管不會發生漏漿、漏氣現象。

2.3 強力提升及鉆進系統

該設備鉆頭的提升及鉆進通過雙側門架內雙油缸同步伸縮動作來實現。電比例大流量柱塞泵作為主泵，小排量恒壓泵作為輔助泵為整個液壓系統提供動力源?？刂撇糠种饕捎闷放齐姶艙Q向閥、電液換向閥、調壓閥、流量調節閥及插裝閥，結合電氣控制實現油缸的速度控制和壓力控制。

主油缸額定提升力為900t，下壓力為550t，可實現0～400t的減壓鉆進模式，提升力及下壓力在業內嵌巖施工設備中能力最強。

鉆桿是動力輸出軸，傳遞扭矩和鉆壓，必須有足夠的強度、剛度和壓桿穩定性。本系統鉆桿外徑1.1m，為國內最大直徑風電嵌巖用鉆桿，采用法蘭式結構，雙層結構，中心管為排漿通道，管壁之間預埋3根通風管（見圖4）。鉆桿法蘭之間采用高強度螺栓和銷軸聯結。

圖4 鉆桿結構

2.4 智能化鉆進控制系統

該設備在人機操作和電控方面進行了針對性的創新設計，相較于常規鉆機操作更加簡單方便。在各個子系統全面配置了多種傳感器，使設備更加智能化、集成化。簡化了操作臺手柄及按鈕，集成到觸摸屏操作界面，實現一鍵啟動運行。新增了施工數據曲線實時存儲及報表系統，可以對關鍵施工數據進行實時存儲并形成趨勢曲線，并可按時間查詢歷史施工數據。開發了鉆進超限自動回提系統，操作人員在設定好鉆壓、扭矩和進尺速度后，可一鍵啟動鉆進施工，遇到扭矩和鉆壓超限時自動停機，避免因操作人員的誤操作損壞設備。自動減壓鉆進控制界面見圖5。

圖5 自動減壓鉆進控制界面

3 與常規嵌巖鉆機性能參數比較

通過與其他幾家風電嵌巖鉆機設備的性能參數對比可以看出，我司研制設備HT-4000在鉆孔直徑、嵌巖鉆進效率、額定扭矩、提升能力方面均有較大的提升（見表1）。

4 結束語

通過2臺海上風電嵌巖鉆機的創新設計和應用，解決了大直徑嵌巖鉆孔施工中因破巖能力弱、排渣不及時導致的綜合效率低的問題。超大扭矩驅動系統為快速掘進提供動力支持，強力提升及鉆進系統為掘進中的高效破巖提供足夠鉆壓，獨立3通道高效吸排渣系統為高效率的排渣提供了技術保障，破巖、排渣效率較一般鉆機有顯著提升，在同類型設備中具有先進性。智能化鉆進控制系統的設備操作便捷性、數據實時監測、施工數據存儲等特點對同行業具有重要的借鑒意義。下一步將對鉆桿材料和結構形式、刀具材料和類型進行深層次研究，以期實現鉆壓和輸出扭矩的進一步提高，達到更高的掘進效率。

表1 與其他嵌巖鉆機性能參數比較表