CN105604063B - 海上风电导管架的灌浆工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于特种施工技术领域，提供海上风电导管架的灌浆工艺，包括以下步骤：1）在海上打入管桩和安装导管架之后，所述导管架的腿柱与管桩相套接且所述腿柱与管桩之间形成环形空间；2）将所述环形空间的底部封堵，并设置连通所述环形空间的灌浆管线；3）再将灌浆料浆体经灌浆管线通过泵送压浆，对环形空间进行灌浆；4）灌浆后的环形空间内灌浆料完全灌满后，静置一段时间，进行压力屏浆；5）压力屏浆后，结束灌浆并进行养护。本发明提供的海上风电导管架的灌浆工艺，填补国内空白，推动技术进步，工程应用效果良好，可广泛应用于海上风电基础施工、海洋平台导管架结构维修加固等，对于推动我国海上风电基础施工技术进步有重大意义。

Description

海上风电导管架的灌浆工艺

技术领域

本发明属于特种施工技术领域，涉及海上风电导管架的灌浆工艺。

背景技术

目前，在重力式、单桩式、吸力式、三桩(多桩)导管架式和浮体式等多种海上风电基础结构形式中，导管架作为一种重量轻、海床地质条件适应性好、稳定性好、适合较深海域的海上风电基础，在欧洲海上风电场得到了广泛应用。风电机组、波浪和洋流等载荷主要通过导管架结构经灌浆料传递至钢管桩，钢管桩再把载荷传递到海床。而导管架基础和钢管桩连接主要通过灌浆方式进行，灌浆质量直接影响到导管架的整体稳定性能和安全性。

目前，灌浆技术作为导管架安装的重要关键技术，越来越受到业界的关注。海上风电导管架基础施工中，水下灌浆技术是施工难点，导管架基础和钢管桩连接主要通过灌浆方式进行。灌浆连接是由两个同心管状部分组成的结构连接件，外部和内部管之间的环形区域被填充灌浆。根据国外经验，在海上风电项目中，导管架灌浆连接通常采用泵送压浆的方式将灌浆料灌注到海平面以下的灌浆连接段。在灌浆施工中，要求在海上恶劣施工条件下较短时间内完成水下灌浆，对材料的工作性、可泵送性和早期强度提出较为苛刻的技术要求。风机基础是海上风电建设的重要分部工程，导管架基础结构具有稳定性好，海床地质适应性强等特点，风电机组、波浪和洋流等荷载作用在导管架上，导管架将荷载传递至钢管桩，再传递至海床，作为连接钢管桩和导管架的灌浆施工质量直接影响到风机的整体结构安全。

根据结构形式和灌浆连接段标高的不同，灌浆施工分为水上灌浆和水下灌浆。由于波浪、海流等水文环境较为复杂，可操作性差，导致水下灌浆作业难度高，特别对于海况恶劣的海域，施工窗口期短，影响海上风电机组基础支撑结构的安装，容易引起风电场建设项目的滞后。

国外海上风电导管架灌浆技术成熟，并有欧洲大量海上风电场的成功应用案例。我国目前灌浆连接技术的应用主要是在江苏如东潮间带风电场，采用的是水上灌浆的方法，对于水深较深的海域，主要采用水下灌浆的方法。在海上石油平台导管架施工有类似灌浆经验，但这类灌浆对材料、设备和工艺要求较低，采用普通水泥浆，并且灌浆工艺也较为简单。但对于海上风电基础导管架灌浆，由于其结构型式与采油平台的差别导致灌浆材料、灌浆工艺更为复杂，目前国内没有成熟的经验可以借鉴。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供海上风电导管架的灌浆工艺，用于提供解决外海恶劣工况条件下快速进行导管架灌浆施工的方法，针对海上风电导管架灌浆外海施工和设计施工提出的极为苛刻的特殊灌浆要求，解决水下灌浆容易堵管和难于灌注的难题，并以克服普通灌浆工艺技术的不足，弥补国内海上风电导管架灌浆施工技术空白。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供海上风电导管架的灌浆工艺，包括以下步骤：

1)在海上打入管桩和安装导管架之后，所述导管架的腿柱与管桩相套接且所述腿柱与管桩之间形成环形空间；

较佳地，所述导管架的腿柱与管桩相套接为腿柱套接在管桩外侧(外套式)或腿柱插入到钢管桩内部(内插式)，即外套或内插两种连接方式。

优选地，所述管桩为中空钢管桩。

优选地，所述导管架的腿柱为中空钢套筒(外套式)或闭口钢管腿柱(内插式)。

较佳地，所述安装导管架要将导管架调平。所述导管架调平，在导管架的腿柱与管桩之间形成环形空间后进行，使导管架固定且其顶部法兰面倾斜度满足规定要求，具体为上部风机塔筒与导管架顶部法兰盘对接后，使上段塔筒垂直度偏差小于3‰。

较佳地，所述环形空间两侧的腿柱与管桩表面设有剪切键。所述剪切键在灌浆时，能够增大灌浆料与腿柱、管桩表面之间的剪切粘结强度，通过灌浆料与腿柱、管桩表面剪切键等机械装置之间的粘合和密闭摩擦综合作用，将导管架与桩基础连接成一个有机整体，使基础连接更加可靠，风电机组运行更加平稳。

2)将步骤1)所述环形空间的底部封堵，并设置连通所述环形空间的灌浆管线；

较佳地，所述环形空间的底部封堵采用橡胶片或钢板通过螺栓连接或焊接方式进行封闭堵塞。所述环形空间的底部封堵能够确保灌浆时浆料不泄漏。

较佳地，所述灌浆管线包括有主灌浆管线和备用灌浆管线。

优选地，所述主灌浆管线为低位注浆管线，所述主灌浆管线中的灌浆管一端延伸到水面标高以上的导管架上部平台，通过法兰盘与转接口连接，再通过快速接头与灌浆软管连接，然后通过灌浆软管与灌浆泵相连通，所述灌浆管的另一端与环形空间底部的灌浆孔相连通。

优选地，所述备用灌浆管线为高位注浆管线，所述备用灌浆管线中的灌浆管一端延伸到水面标高以上的导管架上部平台，通过法兰盘与转接口连接，再通过快速接头与灌浆软管连接，然后通过灌浆软管与灌浆泵相连通，所述灌浆管的另一端与环形空间中部的灌浆孔相连通。

更优选地，所述灌浆软管为橡胶软管。

更优选地，所述灌浆管线中的灌浆管为钢管。

更优选地，所述灌浆软管直径不小于2.5寸，耐压性能不低于85bar。

更优选地，所述灌浆管的内径不小于2.5寸。

更优选地，所述灌浆管不存在缩径或变径。

更优选地，所述灌浆管在任何情况下的弯曲半径不得小于700mm。

更优选地，所述灌浆管与灌浆软管相连接的一端设有定制转接口。

进一步优选地，所述定制转接口一端设置法兰盘与灌浆管连接，另外一端设有快速接头能够与灌浆软管快速连接，所述快速接头内径不存在缩径。

进一步优选地，所述转接口上设置有阀门，所述阀门为不缩径的蝶阀。所述阀门不能采用球阀。

更优选地，所述灌浆管上的弯头为圆弧形弯头，所述弯头内径不小于软管内径。所述灌浆管上的弯头不能是直角弯头。

3)再将灌浆料浆体经灌浆管线通过泵送压浆，对环形空间进行灌浆；

较佳地，所述灌浆前，要对需要灌浆的环形空间进行清理检查。所述清理检查为检查环形空间底部封堵和灌浆管线连接情况，清除环形空间内泥沙、油污等有害物质，检查和核实灌浆管路是否通畅，确认环形空间的内外侧的腿柱与管桩采取临时锁定措施，使腿柱与管桩之间没有相对较大的位移和扰动。

较佳地，所述灌浆前，采用润管料对灌浆管线进行润管。所述润管过程能够防止压浆过程可能发生的堵管现象。

优选地，所述润管料为材料供应商提供的专用润管料浆体或者水胶比不大于0.5的水泥浆体。

更优选地，所述专用润管料浆体按照润管料使用说明所规定在干料中加入水后搅拌制备。更优选地，所述润管料干料的加水搅拌时间不少于5min。

优选地，所述润管是将润管料通过泵送压浆输入灌浆管线。根据具体工程灌浆管线设置情况，可不将润管料浆体压入环形空间，但采用润管料对灌浆管线的润管程序必不可少。

更优选地，所述润管时，泵送压浆的压力小于15bar，泵送速度为0.3-0.4t/min，流量为140-160L/min。进一步优选地，所述润管时，泵送压浆的压力小于15bar，泵送速度为0.35t/min，流量为150L/min。

更优选地，所述润管后的润管料经灌浆管线压入环形空间。

更优选地，所述润管料的用量为0.2～0.4吨/环空。

更优选地，所述润管料的入泵控制标准为：流动度：320～350mm；温度：5～30℃。所述润管料的流动度根据国家标准GB/T 50448-2008中规定的灌浆料流动度试验方法进行测定。

较佳地，所述灌浆料为材料供应商提供的专用灌浆料浆体，并按照灌浆料使用说明所规定在干料中加入水后搅拌制备。

优选地，所述灌浆料为专利申请号201410242676.1中所述的海上风电导管架灌浆材料。所述灌浆料不同于普通的水泥基灌浆料，其具有大流动性、高早强、超高强、微膨胀等优异性能。

更优选地，所述灌浆料中，干料与水的质量比为：1：0.078-0.082。

优选地，所述灌浆料干料采用吨包包装后存放，所述一个吨包的净重为1吨。

更优选地，所述吨包包装使用敞口集装箱存放，并将集装箱上口采用油布遮挡。所述吨包包装需要防雨、防潮、防晒。

优选地，所述灌浆料干料的加水搅拌时间为5～7min。

优选地，所述灌浆料采用立轴式强制式搅拌机进行搅拌。所述立轴式强制式搅拌机优选为桨叶搅拌机。具体搅拌时，将灌浆料干料采用吨包包装后，起吊破袋后干料加入搅拌机后启动搅拌机，再在1min内将规定用量的水连续加入搅拌机，进行搅拌。

更优选地，所述立轴式强制式搅拌机的搅拌条件为一次搅拌至少1000kg；发动机最小功率为25KW；搅拌前搅拌机及叶片用水润湿，并除去流动的水分。

上述润管料和灌浆料根据施工现场需要，由专业技术人员根据现场的温度和天气条件，调整用水量和搅拌时间。上述润管料和灌浆料制备时，在夏季高温环境中施工，可以采用冰水搅拌，但水中不能有冰块；在冬季低温环境施工，可以采用温水搅拌，但水温不得高于40℃；拌合水的称量精度应准确到±1.0％(按重量计)。

较佳地，所述灌浆料的入泵控制标准为：流动度：290～320mm，温度：5～30℃。所述灌浆料的流动度根据国家标准GB/T 50448-2008中规定的灌浆料流动度试验方法进行测定。由现场质量控制人员(QC人员)取样测试，确认符合入泵控制标准后，方可入泵。

较佳地，所述灌浆，包括以下步骤：

A)将灌浆料通过泵送压浆经主灌浆管线，由低位灌浆管路顶推灌注入环形空间，将环形空间内海水和/或润管料挤出；

优选地，所述顶推灌注是指灌浆料浆体从水下在灌浆泵压力作用下沿主灌浆管线从环形空间下部的灌浆孔灌入，在环形空间内从下向上顶推灌注填满环形空间，并将环形空间内海水和/或润管料挤出。由于海上风电导管架灌浆料的密度比海水和润管料大，环形空间灌浆腔内的海水和润管料逐渐从海底桩顶端管口排出，灌浆料浆体不会被稀释，不容易产生空洞，从而保证了灌浆施工质量。

B)当主灌浆管线发生堵管时，将灌浆料通过泵送压浆经备用灌浆管线，由环形空间中部的高位灌浆孔向下灌注入环形空间。

当主灌浆管线出现堵管或者其他原因导致主灌浆管线无法进行正常灌浆作业，使用备用灌浆管线从环形空间中部的灌浆孔灌入，可以确保环形空间一次性完成灌浆作业，确保灌浆施工的顺利进行。

较佳地，所述灌浆的压力不大于55bar。优选地，所述灌浆的压力为10～40bar。

较佳地，所述灌浆的施工温度为5～35℃。优选地，所述灌浆的施工温度为15～30℃。当施工环境温度超过35℃，不能进行灌浆施工。当施工环境温度超过30℃，使用灌浆料进行灌浆作业时，需要采取措施降低设备和材料的温度，对灌浆施工设备采取遮阳网进行防晒处理，对灌浆软管需要包覆白色土工布材料并洒水降低管线温度；对灌浆料存放也必须采取通风和遮阳措施，不能受阳光直射，也不能将灌浆料置于通风不畅的场地，避免材料温度过高。

较佳地，所述灌浆时间控制在2小时以内(针对单个环形空间)。由于海上风电导管架灌浆料具有早强特性，浆体具备可泵送和良好的自密实特性的时间有限，尤其是在高温季节施工时更要尽可能缩短单个环空的灌浆时间。

较佳地，所述灌浆必须连续一次性灌注完成(针对单个环形空间)。所述灌浆的过程不得中断，从而保证灌浆连接质量。

较佳地，所述灌浆采用两台搅拌机交替为灌浆泵喂料，进行连续灌浆作业，泵送压浆的速度根据搅拌机供料情况进行调整。所述泵送速度要尽可能稳定，并且连续不断。

优选地，所述灌浆的初始泵送速度为0.3-0.4t/min，流量为140-160L/min。所述初始泵送速度为高流量快速泵送速度。更优选地，所述灌浆的初始泵送速度为0.34t/min，流量为140L/min。

优选地，所述灌浆的正常泵送速度为0.15-0.20t/min，流量为60-80L/min。更优选地，所述灌浆的正常泵送速度为0.17t/min，流量为70L/min。所述正常泵送速度是泵送灌浆料压入环形空间1～2吨后，将初始泵送速度降低后的泵送速度。

较佳地，所述灌浆采用的设备包括有两台搅拌机、二个灌浆泵、主灌浆管线、备用灌浆管线和一套自动控制系统。确保灌浆过程中，一旦某一个设备出问题，启动另一个设备使灌浆施工不中断。

较佳地，所述灌浆料在搅拌机中放置较长时间仍未泵送，需要每隔5～10min重新搅拌，并且单次搅拌时间应少于1min。

4)确定步骤3)灌浆后的环形空间内灌浆料完全灌满后，静置一段时间，进行压力屏浆；

较佳地，所述环形空间内灌浆料完全灌满，需要同时满足以下条件：

a)灌浆料的实际泵送用量超过理论计算用量；

b)通过水下ROV或潜水员探摸，观察确认环空顶部出现溢浆。

所述水下ROV为水下潜水机器人。

较佳地，所述环形空间灌浆过程中需要对入泵的灌浆料浆体进行取样检测。

具体的，每个环空灌浆开始时，前三包灌浆的取样检测在平台上方搅拌机内直接取样，之后在灌浆过程和灌浆快要结束前的灌浆取样检测是在平台下方的灌浆泵喂料口处取样检测。

优选地，对于干施工环境的水上灌浆工况，需要对溢浆口溢出的灌浆料进行取样检测。

优选地，所述取样检测的检测项目包括流动度、含气量、表观密度、抗压强度、温度。具体取样检测的频率和要求见下表1。

表1导管架灌浆现场检测项目和频次

较佳地，所述静置时间为14-16min。优选地，所述静置时间为15min。

较佳地，所述压力屏浆是指在确定环空顶部出现溢浆后，静置一段时间后，采用低泵速、低流量缓慢泵送，或间隔缓慢泵送。所述压力屏浆，能够通过灌入环形空间内部的浆体充分排出气泡并使浆体更加密实，提高灌浆质量。

较佳地，所述压力屏浆的条件为：泵速：0.04-0.06t/min；流量：15-25L/min；压力屏浆时间：2-6min。优选地，所述压力屏浆的条件为：泵速：0.05t/min；流量：20L/min；压力屏浆时间：3-5min。

5)压力屏浆后，结束灌浆并进行养护。

较佳地，所述养护是指在灌浆结束后，对灌浆连接段进行保护，确保灌注好的浆体不受外界较大的扰动并避免冰冻影响。所述养护能够避免影响灌浆料产品的固化和使用效果。

较佳地，所述养护的时间不低于24小时，或同条件养护试块的抗压强度不小于50MPa。

较佳地，所述灌浆结束后，要对灌浆设备进行清洗。

本发明进一步提供海上风电导管架的灌浆工艺在海上风电基础单桩、三桩、四桩和多桩导管架结构中的应用。

本发明还进一步提供海上风电导管架的灌浆工艺在海上风电或海上石油平台采用管钳修复方式进行灌浆维修加固中的应用。

如上所述，本发明的海上风电导管架的灌浆工艺，在风电基础施工过程中完成打桩、导管架安装、导管架调平之后，制备灌浆料浆体并采用灌浆泵通过橡胶软管和灌浆管线将灌浆料浆体注入钢管桩与导管架腿柱之间的环形空间，灌浆料硬化后将上部结构与钢管桩基础连接成一个整体。本发明提供的海上风电导管架的灌浆工艺，具有以下有益效果：

(1)本发明提供在外海恶劣工况条件下快速进行导管架灌浆施工的方法，针对海上风电导管架灌浆外海施工和设计施工提出的极为苛刻的特殊灌浆要求，解决了海上风电导管架水下灌浆时灌浆料浆体遇水易分散难于灌注、压浆过程易堵管等技术难题，克服普通灌浆工艺技术的不足，弥补国内海上风电导管架灌浆施工技术空白。

(2)本发明方法适用于海上风电基础单桩、三桩、四桩以及多桩导管架结构的灌浆连接施工。既适用于水上干施工环境，也适用于水下灌浆工况。同时本发明也适用于通过水下或水上灌浆工艺采用管钳修复方式对既有海上平台破损钢桁架结构进行维修加固。

(3)本发明为解决海上风电导管架基础灌浆连接施工问题，经多次大型陆上灌浆、海上风电导管架灌浆原型试验和类似工程钢套筒灌浆修复应用，并经江苏响水近海风电场220KV海上升压站上部组块灌浆施工实际工程检验和实践，形成一套海上风电导管架灌浆工艺。该工艺方法填补国内空白，推动技术进步，工程应用效果良好，可广泛应用于海上风电基础施工、海洋平台导管架结构维修加固等，具有极佳的应用价值，对于推动我国海上风电基础施工技术进步有重大意义。

附图说明

图1显示为本发明中大型陆上灌浆试验灌浆工艺流程图。

图2显示为本发明中大型陆上灌浆试验灌浆工艺原理示意图。

图3显示为采用本发明的灌浆工艺方法对某码头有外观缺陷的PHC管桩采用钢套筒进行灌浆修复的工艺流程图。

图4显示为采用本发明的海上风电导管架灌浆工艺方法对江苏近海响水海上风电场220KV海上升压站进行灌浆时现场的设备布置图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

须知，下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置；所有压力值和范围都是指相对压力。

此外应理解，本发明中提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还可以存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤，除非另有说明；还应理解，本发明中提到的一个或多个设备/装置之间的组合连接关系并不排斥在所述组合设备/装置前后还可以存在其他设备/装置或在这些明确提到的两个设备/装置之间还可以插入其他设备/装置，除非另有说明。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例1

为了验证本发明中海上风电导管架灌浆工艺方法，进行陆上小型灌浆试验。陆上小型灌浆试验包含平板模具灌浆和模拟小型钢管环空灌浆试验。试验设备采用一台搅拌机、一个灌浆泵。灌浆料采用现场配制的方式，材料制备过程包含原材料现场称量、上料、搅拌和泵送压浆。

陆上小型灌浆试验采用平板模型的尺寸为2m*1.5m*0.15m，即模板长度1.5m，高度2m，灌浆厚度0.15m。灌浆口位于距离模板底部5cm的位置，灌浆口由直径2.5寸的钢管和一个球阀组成。小型钢管环空模型尺寸为外侧钢管内径1.8m，内侧钢管外径1.5m，高度2.5m，模型形成的环形空间模拟海上风电导管架灌浆的环形空间。2011年7月～9月进行的陆上小型平板和圆型环空灌浆试验情况见下表2。

表2陆上小型平板和圆形环空灌浆试验

上述陆上小型灌浆试验，包括设计灌浆模型、设置灌浆管线、清理检查环形空间、润管、灌浆、溢浆、压力屏浆、养护、设备清理等工序。本次灌浆试验采用现场配制的普通灌浆料模拟海上风电导管架灌浆使用的导管架灌浆材料，材料的工作性与海上风电导管架灌浆料类似，但灌浆料的浆体稳定性与风电灌浆料存在差距，硬化浆体上表面存在浮浆层，同时硬化浆体的力学性能也与导管架灌浆料存在较大差距。本次试验中，灌浆模具底部设置的灌浆口阀门采用球阀，导致灌浆试验过程中灌浆泵的压力较大，灌浆速度缓慢。通过试验验证灌浆管路不能使用球阀，球阀位置处内径小于灌浆软管内径，增大灌浆压力。

实施例2

为了验证本发明中海上风电导管架灌浆工艺方法，进行陆上大型水下灌浆模拟试验。具体在2013年2月1日，在南通尧盛钢结构加工厂进行一次陆上大型水下灌浆模拟试验。试验采用水下灌浆方式进行，试验采用吨包灌浆材料通过专用灌浆搅拌机、压浆泵施工，成功实现远距离、导管架实际高度灌浆试验，试验条件模拟海上导管架灌浆施工工况。

其中，试验模具灌浆厚度25～125mm、高度7m。灌浆料浆体通过100m长、直径2.5寸橡胶管线泵送压浆。灌浆试验采用两台搅拌机和一个灌浆泵及控制系统组成的灌浆装置完成。

试验过程为：先向模板内灌水，然后向模板内水下灌注润管料浆体，再泵入灌浆料浆体。随着灌浆料不断泵入模板，模板顶部先溢出清水，然后溢出润管料，再溢出灌浆料浆体，具体过程见图1-2。

本次试验时，环境温度较低，气温3～13℃。试验时采用润管料用水量19.5％，初始流动度大于370mm，含气量1.7～1.8％，表观密度大约2100kg/m³，28天抗压强度100～110MPa。润管料从顶部溢出时，与润管料接触的水不是特别浑浊，润管料具有抗水分散性。灌浆料用水量8.0％～9.0％，初始流动度290mm～310mm，28天抗压强度92.0～110MPa，180天抗压强度110～122.7MPa。所使用灌浆料具有低用水量、大流动性和高强度等特点。

试验中对灌浆过程中泵口管道压力、温度等指标进行测试。试验过程中，随着灌浆料在模板内顶升高度的增加，灌浆泵口处的压力逐渐增大，开始灌浆时泵口压力15～20bar，溢浆时大约25～30bar。本次试验采用吨包灌浆料施工，完成润管料搅拌、灌浆料搅拌、泵送润管料、泵送灌浆料、水下灌浆、压力屏浆等关键的灌浆工序。

实施例3

为了验证本发明中海上风电导管架灌浆工艺方法，进行珠海桂山海上风电导管架灌浆原型试验。珠海桂山海上风电场示范项目基础结构形式为四桩内插式导管架结构，桩基与导管架采用高强度灌浆材料进行灌浆连接，是国内首次采用的导管架灌浆施工工艺。中交上海三航科学研究院有限公司和上海申航基础工程有限公司按照南方风电开发有限公司和中能建广东省电力设计研究院提出的技术要求于2014年9月～12月在珠海高栏港海重钢管厂完全模拟珠海桂山海上风电导管架灌浆施工工况，成功完成水下灌浆原型试验。

试验时预制一高4m钢桩和高3.2m模拟导管架腿柱，导管架腿柱上设置一套钢制灌浆管线并预制在导管架腿柱内部，钢制灌浆管线引到水面以上。内钢管(模拟导管架腿柱)外侧和外钢管(模拟钢管桩)内侧预制剪切键，剪切键设置与桂山海上风电导管架灌浆图纸一致。外钢管上部在3.2米高度处(内钢管上沿位置)开孔作溢浆孔。外钢管高度4m，内钢管高度3.2m，导管架腿柱内插钢管桩内，形成高度3.2m的环形空间。在环空底部，在内钢管外侧采用环形橡胶封堵器，封堵器下方设置底模板，将内外钢管固定，内外钢管之间形成环形空间。为防止灌浆过程内外钢管之间产生相对位移，在内钢管顶部的溢浆位置采用焊接方式将内外钢管临时固结，结构试验前将临时固结切开。

试验在环境温度30℃～35℃温度条件下进行。本试验选取珠海海重钢管厂码头边上进行，模拟桂山海上风电导管架灌浆施工工况。试验过程为：试验时先将灌浆模型完全沉入海水中，通过橡胶软管连接到预制的钢管上，钢管底部连接到模具环空底部的灌浆口。灌浆试验结束后拆除软管，灌浆结束7天后将灌浆模型起吊上岸，28天龄期之后进行结构拉拔试验。

在水下灌浆原型试验时，先向环空内灌水，然后向模板内水下灌注水泥浆润管，再泵入灌浆料浆体。原型试验采用UHPG灌浆料初始流动度290～300mm，灌浆料出机温度27～30.0℃，含气量2.2～2.6％，表观密度2360～2405kg/m³。灌浆过程中泵口显示的最大压力28bar。在30～35.0℃的现场环境条件下，材料1天(大约30小时)龄期抗压强度67.7～77.2MPa。试块1天之后放入标准养护室养护，3天强度82.7～91.8MPa，7天强度91.8～98.7MPa，28天强度111.5～116.2MPa。溢浆口取样留样试块28天抗压强度111.4MPa。根据对灌浆模型硬化浆体剥开的外观观察，灌注的环空灌浆模型硬化浆体均较为密实。两种材料灌注的灌浆连接结构抗拔承载能力均高出设计值。

本次试验采用吨包灌浆料施工，完成润管料搅拌、灌浆料搅拌、泵送润管料、泵送灌浆料、水下灌浆、压力屏浆等关键的灌浆工序。经上海港湾工程质量检测有限公司结构拉拔试验测定3.2m长灌浆连接段承载能力大于19200KN，超出中国能源建设集团广东省电力设计研究院提出的设计要求。中交上海三航科学研究院有限公司研发的灌浆料具有大流动性、超早强、超高强和微膨胀特点，水下灌浆的硬化浆体结构密实、力学性能优异。原型灌浆试验对珠海桂山海上风电导管架灌浆施工指导意义重大。

实施例4

为了验证本发明中海上风电导管架灌浆工艺方法，进行码头PHC管桩套筒灌浆修复试验。某油田位于渤海辽东湾北部，距离最近海岸约17km的前海地区。该码头PHC管桩在使用过程中发现有19根PHC管桩多处出现竖向裂缝，另有3根PHC管桩与上部梁帽连接处出现脱离现象。根据业主要求，需要对PHC管桩进行修复。中交上海三航科学研究院有限公司和上海申航基础公司提出PHC管桩的修复方案的具体工序步骤：先对PHC管桩进行裂缝修补，然后在PHC管桩外部包覆钢套筒，在环形空腔内灌注高强水泥砂浆处理。包覆钢套筒并灌浆施工工艺流程见图3。

根据PHC管桩实际情况，钢套筒包覆长度按照桩顶标高至设计低水位下1.0m区间，即桩顶标高至-2.74m，或如遇抛石区域，则钢套筒底面至抛石面结束。钢套筒的加工根据现场实际情况，加工定制钢套筒，以满足现场19根不同斜率、不同长度管桩需要。根据项目特点，选用的水泥砂浆材料具备大流动性、高可泵性、微膨胀和超高强等特点。所选取的灌浆设备应能够适应材料性能，并具备满足该工程项目作业工期短、工作量大的特点。

中交上海三航科学研究院有限公司和上海申航基础公司于2013年9月～2013年12月在对该码头PHC管桩钢套筒内部环空进行灌浆时，采用本发明的灌浆工艺方法，克服了水下灌浆的不利工况，在环境温度8～15℃的相对较低的气温条件下，成功对该码头19根PHC管桩进行钢套筒灌浆修复。

根据现场修复施工及修复后码头使用情况，采用这种特殊方式对PHC管桩灌浆修复成本较低，修复效果良好，取得较好的社会经济效益，在类似结构修补工程中具有推广应用价值。

实施例5

为了验证本发明中海上风电导管架灌浆工艺方法，进行响水海上升压站导管架灌浆试验。江苏响水近海风电场项目位于响水县灌东盐场、三圩盐场外侧海域，风电场中心与岸线最近点的直线距离约10km，沿海岸线方向长约13.4km，垂直于海岸线方向宽约2.6km，风电场涉海面积34.7km²，场区水深8～12m(平均海平面起算)。风电场总装机规模202MW，风电场配套建设一座220kV海上升压站和一座陆上集控中心，场区中部新建一座100m高自立式海上测风塔。其中，需进行灌浆连接施工的海上升压站位于26号和38号风机之间的海域。

本工程海上升压站灌浆施工作业在船上进行，在升压站安装之后进行。其施工范围为上部组件钢平台四根钢腿柱插入到四根钢管桩之后形成的四个环形空间的灌浆施工。海上升压站灌浆工程所处海域为开敞的无掩蔽海域，施工区受风浪影响大，作业条件差。施工海域属非正规半日潮海区，受黄海旋转潮波的影响较大，特别是大潮汐时期，海流流速快，高底潮位流向转换快，海上作业船摇摆大，不利于海上起重作业。

在恶劣的施工条件下，升压站灌浆于11月15日晚～11月16日凌晨顺利完成升压站灌浆施工。本次响水海上升压站灌浆作业时，施工现场平面布置图见图4。用于灌浆作业的191号船在升压站边上抛锚，靠近船的两根桩为Z2、Z1，远离船的两根桩Z3、Z4。其中Z2、Z1两根桩没有爬梯，Z3、Z4两根桩有爬梯。在灌浆前，将升压站平台上方的四个灌浆入口处通过法兰连接将法兰盘接口变为可以与灌浆软管快速接头连接的接口。灌浆前预先在靠近191号船一侧第一个腿柱(桩号Z2)与第二个腿柱(桩号Z1)之间铺设准备好灌浆软管。等第一个腿柱(桩号Z2)灌浆结束后，将软管与硬管断开，并将软管与预先准备好的灌浆软管快速接管，管子接好后将灌浆料浆体打入灌浆软管，直到与第二个腿柱(Z1)连接处的灌浆软管出口泵出正常灌浆料后，在升压站平台上方将第二个腿柱(Z1)平台上方的软管与硬管通过快速接头连接。第二个腿柱灌浆结束后再将平台上方的灌浆软管与第三个腿柱(桩号Z3)通过快速接头连接。第三个腿柱灌浆结束后再将平台上方的灌浆软管与第四个腿柱(桩号Z4)通过快速接头连接。

响水海上升压站灌浆施工是国内首次外海采用国产灌浆材料、设备和工艺进行海上升压站灌浆施工。施工作业在夜间施工，在有限的作业时间内仅用8小时完成海上升压站四个腿柱的灌浆作业。施工效率达到国外同类施工技术水平，对今后海上风电导管架灌浆施工积累经验，对于推动海上风电导管架灌浆施工技术具有重要的意义。

升压站灌浆具体特点如下：

(1)响水海上升压站灌浆是国内首次采用自主研发的材料、设备和工艺，在外海施工不利工况条件下成功完成的灌浆作业。

(2)海上升压站灌浆采用2.5寸灌浆软管泵送和输送灌浆料，灌浆克服大高差(10m～12m)、长距离(大于100m)等不利工况条件。灌浆料浆体经历“过山车”式输送的路径，先通过2.5寸灌浆软管抬升12m高，再通过内径60mm预制灌浆管线向下5m，然后在环空底部入口之下而上灌注顶推施工，在环空最低处灌浆入口向上顶推3m高后从溢浆口溢出。

(3)本次升压站灌浆施工克服夜间施工不利条件，并伴随下雨和风力相对较大的恶劣天气下，仅用8个小时完成升压站4个腿柱共55吨灌浆料的灌浆施工，施工效率达到国外同等水平，为今后海上风电导管架灌浆施工积累经验。

(4)根据升压站施工过程中现场检测和留样试块的三方送检试验结果。本次升压站灌浆使用的中交上海三航科学研究院有限公司自主研发的UHPG-120海上风电导管架灌浆材料性能指标不仅满足恶劣工况条件下的施工要求，并且材料的力学性能指标远远超出设计提出的技术要求。

(5)本次升压站灌浆施工为夜间施工，环境温度较低，并且施工过程中伴有降雨，现场留样制作的试块成型质量受到影响。根据灌浆施工现场检测数据，UHPG-120海上风电导管架灌浆材料在8～16℃环境温度条件下，材料用水量8.3～8.5％时，灌浆料出机流动度290mm～310mm、含气量2.0～2.5％，表观密度2350～2380kg/m³，1天抗压强度37.5～43.5MPa(8～16℃)，3天抗压强度79.8～83.8MPa(8～16℃)，7天抗压强度93.0～103.5MPa，28天抗压强度118～121.8MPa。

实施例6

通过上述实施例1-5(三次模型试验和两次实际工程实践)，形成并完善灌浆工艺。其中，实施例1是对灌浆设备、工艺和工况的初步探索试验。实施例2是模拟导管架灌浆工况设计的超长管线(超100m)、导管架实际高度(7m)的灌浆试验，并模拟水下灌浆的工况进行水下灌浆试验。实施例3是针对实际珠海桂山海上风电导管架灌浆工程进行的一次足尺寸的导管架灌浆原型试验，并测试灌浆完成结构的拉拔试验，验证灌浆连接的受力性能。实施例4是某码头PHC管桩的修复，修复的方法采用外包钢护套，内部灌注高强灌浆料的灌浆修复方式，经工程实际效果检验，采用该工艺方法效果良好。实施例5是响水海上风电升压站上部结构与钢管桩之间的灌浆连接。经过实际的工程检验，灌浆工艺效果良好。具体实施例的比较分析结果见表3。

表3海上风电导管架灌浆试验与实际工程实例对比分析

根据实施例1-5，总结确定了润管料制备与控制指标，灌浆料浆体的入泵标准，制定了环空清洗、润管、泵送压浆灌浆、溢浆、屏浆等关键灌浆工序，形成并完善灌浆工艺。

本发明中的灌浆工艺方法，具体如下：

在海上打入中空钢管桩和安装导管架，将导管架调平之后，使导管架的腿柱与管桩互为套接，腿柱套接在管桩外侧(即外套式)或腿柱插入钢管桩内部(即内插式)，从而在腿柱与管桩之间形成环形空间。环形空间两侧的腿柱与管桩表面设有剪切键。

然后，将环形空间的底部采用橡胶片或钢板通过螺栓连接或焊接方式进行封闭堵塞，确保灌浆时浆料不泄漏。设置连通环形空间的灌浆管线，灌浆管线包括有主灌浆管线和备用灌浆管线，其中，主灌浆管线为低位注浆管线，主灌浆管线中的灌浆管一端延伸到水面标高以上的导管架上部平台，通过法兰盘与转接口连接，再通过快速接头与灌浆软管连接，然后通过灌浆软管与灌浆泵相连通，所述灌浆管的另一端与环形空间底部的灌浆孔相连通。备用灌浆管线中的灌浆管一端延伸到水面标高以上的导管架上部平台，通过法兰盘与转接口连接，再通过快速接头与灌浆软管连接，然后通过灌浆软管与灌浆泵相连通，所述灌浆管的另一端与环形空间中部的灌浆孔相连通。灌浆软管为橡胶软管，灌浆管为钢管；灌浆软管直径不小于2.5寸，耐压性能不低于85bar；灌浆管的内径不小于2.5寸，并且不存在缩径或变径。灌浆管在任何情况下的弯曲半径不得小于700mm。灌浆管与灌浆软管相连接的一端设有定制转接口，灌浆管与软管上设置有阀门，所述阀门为不缩径的蝶阀。灌浆管上的弯头为圆弧形弯头，弯头内径不小于软管内径。

再对环形空间进行清理检查后，采用润管料对灌浆管线进行润管，防止压浆过程可能发生的堵管现象。润管料为灌浆料供应商提供的专用润管料浆体，并按照供应商提供的使用说明使用，或者采用水胶比不大于0.5的水泥浆体，润管料干料的加水搅拌时间不少于5min。针对单个环形空间相连通的灌浆管线，润管料的用量为0.2～0.4吨/环空。润管料的入泵控制标准为：流动度：320～350mm；温度：5～30℃。润管时，泵送压浆的压力小于15bar，泵送速度为0.3-0.4t/min，流量为140-160L/min。优选为泵送压浆的压力小于15bar，泵送速度为0.35t/min，流量为150L/min。

加入润管料对灌浆管线进行润管后，迅速加入灌浆料经灌浆管线通过泵送压浆，对环形空间进行灌浆。所述灌浆料为专利申请号201410242676.1中所述的海上风电导管架灌浆材料，干料与水的质量比为：1：0.078-0.082。灌浆料干料的加水搅拌时间为5～7min。所述灌浆料采用立轴式强制式搅拌机进行搅拌。灌浆料的入泵控制标准为：流动度：290～320mm，温度：5～30℃。

灌浆时，将灌浆料通过泵送压浆经主灌浆管线，由低位灌浆孔顶推灌注入环形空间，当主灌浆管线发生堵管时，将灌浆料通过泵送压浆经备用灌浆管线，由环形空间中部的高位注浆孔向下灌注入环形空间。灌浆的压力不大于55bar，优选为10～40bar。灌浆的施工温度为5～35℃，优选为15～30℃。针对单个环形空间，灌浆时间控制在2小时以内，并且灌浆必须连续一次性灌注完成，过程不得中断。灌浆料在搅拌机中放置较长时间仍未泵送，需要每隔5～10min重新搅拌，并且单次搅拌时间应少于1min。灌浆的初始泵送速度为0.3-0.4t/min，流量为140-160L/min；优选为初始泵送速度为0.34t/min，流量为140L/min。灌浆的正常泵送速度为0.15-0.20t/min，流量为60-80L/min；优选为正常泵送速度为0.17t/min，流量为70L/min。

当同时满足以下条件确认环空内部灌浆料灌满：(1)灌浆料的实际泵送用量超过理论计算用量；(2)通过水下ROV或潜水员探摸，观察确认环空顶部出现溢浆。确认环空内部灌浆料灌满后，停泵静置14-16min，优选为15min后进行压力屏浆。压力屏浆的条件为：泵速：0.04-0.06t/min；流量：15-25L/min；压力屏浆时间：2-6min。优选为泵速：0.05t/min；流量：20L/min；压力屏浆时间：3-5min。压力屏浆后对灌浆设备进行清洗，结束灌浆后对灌好的环空进行养护不低于24小时或或同条件养护试块的抗压强度不小于50MPa。上述工艺方法既适用于海上风电基础单桩、三桩、四桩和多桩导管架结构，也适用于采用管钳修复方式进行灌浆维修加固的海上风电或海上石油平台。

在灌浆施工时，需要由现场质量控制(QC)技术人员进行质量控制，现场测试材料的温度、流动度、表观密度、含气量等指标。现场QC人员根据施工环境确定用水量和搅拌时间，并留样制作试块测试抗压强度作为评定灌浆施工质量的依据，留样试块需要委托具有相关资质的第三方检测单位进行测试。环形空间灌注完毕后应根据现场留样同条件养护试块的抗压强度达到设计允许强度后方可去除外力的临时固定设备，灌浆连接不得在未达到指定强度之前承受外力。具体现场测试的频率和要求见表1，现场检测和留样试块三方送检试验结果需要满足设计要求。

综上所述，本发明提供的海上风电导管架灌浆工艺，结合多次陆上灌浆试验，导管架灌浆原型试验和响水海上升压站灌浆工程实践检验，建立海上风电导管架灌浆工艺，包括环形空间清理、润管、泵送灌浆、溢浆、屏浆等灌浆工艺程序，可适用于水下灌浆和水上灌浆各种工况。该发明可满足海上风电导管架灌浆施工技术要求，可广泛应用于海上风电场基础水下灌浆，具有施工效率高，灌浆质量好，节省灌浆施工成本等优点，值得广泛推广和应用。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.海上风电导管架的灌浆工艺，包括以下步骤：

1)在海上打入管桩和安装导管架之后，所述导管架的腿柱与管桩相套接且所述腿柱与管桩之间形成环形空间；

2)将步骤1)所述环形空间的底部封堵，并设置连通所述环形空间的灌浆管线；

3)再将灌浆料浆体经灌浆管线通过泵送压浆，对环形空间进行灌浆；

4)确定步骤3)灌浆后的环形空间内灌浆料完全灌满后，静置一段时间，进行压力屏浆；

5)压力屏浆后，结束灌浆并进行养护；

步骤4)中，所述静置时间为14-16min；所述压力屏浆的条件为：泵速：0.04-0.06t/min，流量：15-25L/min，压力屏浆时间：2-6min；

步骤5)中，所述养护的时间不低于24小时，或同条件养护试块的抗压强度不小于50MPa；

步骤3)中，所述灌浆前，采用润管料对灌浆管线进行润管；

所述润管料对灌浆管线进行润管，包括以下条件：

A1)所述润管料为材料供应商提供的专用润管料浆体或者水胶比不大于0.5的水泥浆体；

A2)所述润管料的入泵控制标准为：流动度：320～350mm；温度：5～30℃；

A3)所述润管时，泵送压浆的压力小于15bar，泵送速度为0.3-0.4t/min，流量为140-160L/min；

A4)所述润管料的用量为0.2～0.4吨/环空；

步骤4)中，所述灌浆包括以下条件：

B1)所述灌浆料为材料供应商提供的专用灌浆料浆体，并按照灌浆料使用说明所规定在干料中加入水后搅拌制备；

B2)所述灌浆料的入泵控制标准为：流动度：290～320mm，温度：5～30℃；

B3)所述灌浆的压力不大于55bar，所述灌浆的施工温度为5～35℃；

B4)针对单个环形空间，所述灌浆必须连续一次性灌注完成，所述灌浆时间控制在2小时以内；

B5)所述灌浆的初始泵送速度为0.3-0.4t/min，流量为140-160L/min；

B6)所述灌浆的正常泵送速度为0.15-0.20t/min，流量为60-80L/min；

B7)所述灌浆料在搅拌机中放置较长时间仍未泵送，需要每隔5～10min重新搅拌，并且单次搅拌时间应少于1min。

2.根据权利要求1所述的海上风电导管架的灌浆工艺，其特征在于，步骤1)中，所述导管架的腿柱与管桩相套接为外套或内插两种连接方式，即腿柱套接在管桩外侧或腿柱插入到钢管桩内部。

3.根据权利要求1所述的海上风电导管架的灌浆工艺，其特征在于，步骤2)中，所述灌浆管线包括有主灌浆管线和备用灌浆管线。

4.根据权利要求3所述的海上风电导管架的灌浆工艺，其特征在于，所述主灌浆管线为低位注浆管线，所述主灌浆管线中的灌浆管一端延伸到水面标高以上的导管架上部平台，通过法兰盘与转接口连接，再通过快速接头与灌浆软管连接，然后通过灌浆软管与灌浆泵相连通，所述灌浆管的另一端与环形空间底部的灌浆孔相连通。

5.根据权利要求3所述的海上风电导管架的灌浆工艺，其特征在于，所述备用灌浆管线为高位注浆管线，所述备用灌浆管线中的灌浆管一端延伸到水面标高以上的导管架上部平台，通过法兰盘与转接口连接，再通过快速接头与灌浆软管连接，然后通过灌浆软管与灌浆泵相连通，所述灌浆管的另一端与环形空间中部的灌浆孔相连通。

6.根据权利要求1所述的海上风电导管架的灌浆工艺，其特征在于，步骤4)中，所述灌浆，包括以下步骤：

A)将灌浆料通过泵送压浆经主灌浆管线，由低位灌浆管路顶推灌注入环形空间，将环形空间内海水和/或润管料挤出；

B)当主灌浆管线发生堵管时，将灌浆料通过泵送压浆经备用灌浆管线，由环形空间中部的高位灌浆孔向下灌注入环形空间。

7.根据权利要求1所述的海上风电导管架的灌浆工艺，其特征在于，步骤4)中，所述环形空间内灌浆料完全灌满，需要同时满足以下条件：

C1)灌浆料的实际泵送用量超过理论计算用量；

C2)通过水下ROV或潜水员探摸，观察确认环空顶部出现溢浆。

8.根据权利要求1-7任一所述的海上风电导管架的灌浆工艺，在海上风电基础单桩和多桩导管架结构中的应用。

9.根据权利要求1-7任一所述的海上风电导管架的灌浆工艺，在海上风电或海上石油平台采用管钳修复方式进行灌浆维修加固中的应用。