港珠澳大桥背后的“自我研发”

    发布时间:2014-11-15

  在港珠澳大桥的建设工地,到处有振华的身影,起重浮吊船、碎石整平船、沉管安装船、大钢圆筒、节管制作模板……年幼的中国海洋工程装备制造业,正全力托起世纪工程的建造。装备技术自我研发和交建能力的提升,受益于中国庞大的基础设施投资。


  工程实现的保障由人才、技术和装备组成,这是陆地工程的概念;而当往深海发展时,一定是装备先行,没有设备做载体,技术也无用武之地。拥有何种等级的装备又决定了完成施工难度的等级。“某种意义上,海洋工程的施工水平取决于装备的能力”,中国交通建设股份有限公司副总裁、上海振华重工董事长宋海良说。


  上海振华重工是名声在外的重型设备制造商,主要生产岸边集装箱起重机、门座起重机、浮吊和工程船舶等,在大多数国有企业为如何走出去而焦虑时,振华港机设备已多年占据全球港口机械75%的市场份额。以高标准高门槛著称的德国制造,其港口装备都是来自中国振华,这是德国唯一退出的重型设备制造领域。但是振华并没有停下脚步,在过去几年中,他们开始从港口设备制造向海洋工程制造转型。


  宋海良说:“全球港机市场每年只有40亿美元,而海洋工程全球市场份额有500亿美元,随着汇率的变化,成本要素上升,以及创新速度放缓,逼着我们向海工制造转型。我们锁定的目标是海洋工程装备制造的欧美第一梯队。”


  在振华南通基地,可以见到正在建造的1.2万吨全回转起重船,起吊吨位突破了由振华创造的“蓝鲸”号7500吨全回转起吊船的世界记录。他们不断地创造世界纪录,随后又不断刷新纪录。而韩国釜山大桥当年正是由于受到起重船3000吨浮吊上限的制约,无法将23个9573吨深水桥墩放置在水下31米的地方,只能把沉箱分成两个部分制作。除此之外,在这里你还可以看见振华正在建造第二个海洋石油平台。


  沉管调整装置凸显自我技术创新


  振华海洋工程的精细制造与在海洋工程设备创新的能力,在港珠澳大桥的建设中接受了实战的检验。港珠澳大桥工程属于深海施工,特别是海底隧道沉管预埋,无疑需要多种海工专用设备。林鸣早已想好:建设港珠澳大桥工程,一定要使用中国的海工装备,这将是提升中国海工制造的机会。“当林总决定港珠澳大桥使用中国海工装备时,我们甚至都没有见过他让我们做的设备长什么样!”振华重工海上重工设计研究院生产设计所副所长何可耕说。


  何可耕所在的振华将承担建造港珠澳大桥最重要的设备,两艘“沉管安装船”。为此,工程师们来到韩国。韩国釜山跨海大桥已经建成,曾经铺设18个沉管构件的“功臣”已经退休。中国工程师们没有被允许登上这艘船,只是围着船远远地绕了一圈就回来了。大宇集团在釜山隧道尚没有完工时曾表示,“有信心携此技术,开辟跨出国门的沉管隧道工程”。而何可耕则说:“从一开始就没打算用他们的技术”。


  沉管安装船的工作是把沉管运到施工海域并进行沉放安装。安装船上放置了一个至关重要的设备——沉管调整装置(Equipment Position System,EPS),这项专利属于荷兰斯特拉顿公司(Strukton)。要建造自己的船有两种选择:购买该公司的专利,或者自己创新。前者要付专利费,但因之前未能合作,对方直言不转让专利。而对这套设备非常了解的日本专家花田坦言:EPS并不好用,并建议中国工程师应该想别的办法。只剩一条路:在方法和技术上创新,超越EPS。


  何可耕是创新者之一,他介绍了两种技术路线的比较。荷兰的EPS由一个门型框架、两套液压油缸将沉管外部定位系统放到海床上,一套800吨垂直千斤顶顶起沉管,一套200吨水平千斤顶负责左右摆动,以调整沉管的位置。而我们借用了微寸动(Micro inching)原理,在船上配置了8台大型绞车收放钢绳,辅以寸动钮及数位计时器,根据管节上安装的GPS系统反馈管节与基准线的偏差,以收放精度2.5厘米的节奏控制绞车钢绳的收放,而管节最小移动速度可以达到每秒钟不到1厘米。在水下施工,管节在水中一动就停不下来,要保证对接精度,关键是“让管节慢下来”。


  值得一提的是,当初为确保施工万无一失,选择了两套备选方案:其一是在沉管安装船上放置一台纵向调节绞车,可在纵向水流流速过大时拖动沉管;其二是在沉管里安装一套纠偏装置,以调整对接精度。但这两套备案至今没有使用过。对于沉管安装船的精准度,花田认为,“这是一艘非常专业的沉管沉放设备”。


  形象地比喻,EPS是个不断纠错的工作原理,振华选择的是一次到位的技术。而一次到位精准“寸动”的创意,正是来自何可耕岸桥工程的经验。“每当台风来临时,港口的岸桥起重机要移到固定的位置,使用插销让起重机和地面合为一体。每次对接销子孔时,按下一次按钮它自己就走5公分,然后就自动落下来。为了完成这个动作,要有测量系统,控制马达的转速,安装编码器,还有电控等等。我们就把这台原理移植到沉管安装船了。”何可耕介绍说。


  “三个宝贝”吸引业内的密切关注


  在港珠澳大桥岛隧工地几乎人人皆知,林鸣有三个宝贝,它们是两艘沉管安装船“津安2”和“津安3”号,另一个是“津平1”号——高精度深水自升式整平平台,工程师们更愿意称它为碎石整平船。如果说“津安2”和“津安3”是对振华创新能力的检验,“津平1号”则是对振华海工设备制造工艺水准的测试。


  33节沉管要被放置在事前挖好深水基槽的碎石基床上。先由抓斗式挖泥船巨大的抓斗,在水下挖出48米宽、最大48.5米水深的垄沟,之后铺上2米厚的大块石,使用振动锤把块石夯平后,再平整铺上一层1.3米厚的小碎石。5664米沉管基床需铺设约56万方碎石,平整度要求控制在小于40毫米,而工程师们不愿仅满足于设计要求,不断地精益求精,E13基床的精度甚至达到了2毫米。


  港珠澳大桥岛隧工程E1碎石基床,受施工环境制约,只能采用人工铺设作业,22名专业潜水员分成11组潜入14米水下作业,首先在海底放置导轨,高程误差控制在±5毫米之间。可以设想,如果整个隧道的沉管基床以这种方式作业,安全、效率、精度成为最大的不确定因素。


  此前,总承包商中国交建曾经考虑引进专业设备提高铺设效率。经考察发现,国外只有两艘能担当此任的施工船,一艘在丹麦,曾在建造厄勒海峡沉管隧道中使用过;另外一艘在韩国,用于釜山海底隧道。但是这两艘船都不符合港珠澳建设海底隧道建设的要求,工作水深分别是25米、40米。而港珠澳最深水深为48.5米。中交港珠澳大桥岛隧工程项目部决定建造一艘新的碎石整平船。振华接受了建船的任务。


  首先是工程对铺设碎石的精度要求。“韩国的船采用飘浮作业方式,船体在水里受到波浪的干扰将直接影响铺设精度,我们引入了石油钻井平台抬升系统的工艺,用四个桩柱把工作平台抬出水面强化稳定性,保证了整平的精度要求。”振华重工海上设计研究院项目经理尹刚说。


  “津平1号”碎石整平船于2012年3月16日下水,他见证了E1与E2的对接。站在船舶并不算宽敞的平台上,一艘运送碎石的泥驳泊在旁边,在俄罗斯格洛纳斯系统定位下,通过一根几十米长钢结构的导管深入水下将碎石喷射而出,达到96%的抛石精度:即在碎石基床上,随机选取100个检测点,96个点的平整精度达到要求。基层精度控制在正负4公分之内。尹刚说:“这个是沉管安装成功的一个先决条件,一旦碎石基床某处出现不平整,将直接影响整个隧道的质量,只有高精度的基床才有高精度的沉管对接”。


  实现精度的关键在于船上的抛石管及附着其上的声纳,这让抛石作业变得智能。就像水下探头,基床上某一处坑深,抛石管就会多停一会,多倒些石料。其出色的表现让船上的日本专家冲山惊叹:“这样的精度在世界上也是首屈一指”。


  “津平1”以十天铺一个沉管基床的节奏,每天完成一个船位的作业移动,移动频率远远高于石油平台。这就对抬升系统的动力与材料提出要求。为了加快抬升的速度,他们研制了电动抬升系统,每爬升一次只需20多分钟,而液压系统则需要3-4小时;为了制造具有高强度及优良低温冲击韧性的四根齿条,振华挑战精细加工的极限:四根90米长的齿条钢,实现加工垂直直线度210毫米,或者说只有1厘米的误差。尹刚说,“当整个桩腿焊接、制造完成了以后,我们用浮吊往筒里面插入90米长的齿条,四根齿条一次性顺畅地插下去,这说明振华制造的精度非常高”。


  被命名为“津安2”和“津安3”的两艘沉管安装船,以及“津平1”碎石整平船,在服役的过程中已经受到业内的密切关注。中国已经完成港珠澳大桥沉管隧道一半的工程,而筹建中的费马恩海峡丹麦-德国沉管隧道也进入了最后的采购阶段,该大桥总长是港珠澳大桥的三倍,其中包括79节标准沉管,每个标准沉管长217米,宽42米,高9米,重达73500吨。


  丹麦国企Fermern A/S负责这项造价高达76亿美元的工程。公司技术总监Steen Lykke表示:这一流程旨在确保(中国承包商)了解我们的要求,而且我们也了解他们的提议,他补充说明是否能够竞标成功,取决于承包商的设计是否能在各种限制下发挥创造性。


  何可耕刚刚访问了德国、丹麦两个总承包商(两个隧道的承包商会从相隔18公里的海岸两端动工),五个标段中的三个标段对振华的沉管安装船以及碎石整平船表达了合作意向。


  在港珠澳大桥的建设工地,到处有振华的身影,起重浮吊船、碎石整平船、沉管安装船、大钢圆筒、节管制作模板……年幼的中国海洋工程装备制造业,以全力托起世纪工程的建造。

 

     (本文章摘自11月8日《21世纪经济报道》)