CN103244506A - 海洋结构物水下竖向对接缓冲缓降装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海洋结构物水下竖向对接缓冲缓降装置，包括配合对接头、对接缓冲杆组件、围压缓冲缸组件，其特征是：对接缓冲杆组件中的杆体采用中空结构，其一端连接缓冲对接头，另一端连接活塞；围压缓冲缸组件中的缓冲缸一端设有与杆体滑动配合的通孔，另一端为封闭结构；对接缓冲杆组件中的活塞与围压缓冲缸组件中的缓冲缸形成滑动配合。具有结构简单，缓冲缓降可靠、复位自动、缓冲变形曲线可控等突出优点，特别适应于海上大型结构物水下竖向对接。

Description

海洋结构物水下竖向对接缓冲缓降装置

技术领域

本发明属于海洋工程领域，特别是一种用于海洋结构物水下竖向对接过程中的防撞缓降装置。

背景技术

海洋结构物在海上竖向对接时，由于海面上风和波浪的影响，对接的过程中，海上结构物上下两分体均存在不可避免地振荡；又因海上结构物的体积、重量巨大，这种振荡导致海上结构物对接过程中产生巨大的碰撞力，从而对海上结构物造成损坏。为避免这种情况的发生，海上结构物两分体间对接碰撞过程必须保持平稳，这就需要一套专用的对接缓冲装置来缓解对接过程中的冲击。

常规的海上防撞装置主要是采用弹性体吸收撞击能量，但这些弹性防撞构件在完成对接后无法拆除，破坏结构的刚性连接。海上还有浮装法安装大型上部构件，中间采用的是沙箱缓冲，安装完成后将沙子放出实现上下结构物的刚性接触，缓冲吸能能力较低，且需要事后人工干预。海上还有风电安装用的缓降装置（风力发电机海上安装软着陆系统，ZL200910050458.7），采用了气液蓄能器，比较适合于水上安装，用于水下安装则存在不便。

发明内容

本发明目的是提供一种用于海洋结构物水下竖向对接缓冲缓降装置，解决现有技术中海洋结构物对接过程中的剧烈碰撞问题，使对接体之间实现平稳对接。

本发明通过以下技术方案实现：

海洋结构物水下竖向对接缓冲缓降装置，包括配合对接头、对接缓冲杆组件、围压缓冲缸组件，其特征是：对接缓冲杆组件中的杆体采用中空结构，其一端连接缓冲对接头，另一端连接活塞；围压缓冲缸组件中的缓冲缸一端设有与杆体滑动配合的通孔，另一端为封闭结构；对接缓冲杆组件中的活塞与围压缓冲缸组件中的缓冲缸形成滑动配合。

上述方案中还包括：在围压缓冲缸组件中的缓冲缸封闭结构端设有加深槽，沿加深槽周向分布有多个连通缓冲缸内外的通孔；在缓冲缸内部装入一个或若干个围压缓冲件；所述的围压缓冲件为浮力大于自身重量的气囊和/或弹性体。

设置在缓冲缸封闭结构端的通孔包括至少一个进水孔和数个排水孔，在进水孔内设置单向阀。

配合对接头与缓冲对接头对接配合方式为公头、母头配合，且不限于接触面完全吻合；活塞和缓冲缸封闭结构端对接配合方式为公头、母头配合，且不限于接触面完全吻合；公头和母头包括弧面或锥面、斜面方式。

缓冲缸与活塞的滑动接触面设有防腐涂层，其间采用间隙配合或无间隙配合。

本发明的工作原理如下：

当连接围压缓冲缸组件的拟对接分体沉入海中时，海水通过通孔进入缓冲缸腔内，对接缓冲杆组件在重力和浮力联合作用下逐步探出直至达到活塞杆最大行程位置处，此后便可进行海上结构物的分体对接。海上结构物的两个分体对接时，配合对接头与缓冲对接头发生碰撞，对接缓冲杆组件回缩，使缓冲缸腔内水压力上升，围压缓冲件在周围水压力作用下收缩，吸收能量，产生缓冲效果，当围压缓冲件采用不同材质高弹固体材料和不同充气压力的气囊组合时，将相应于不同的回缩量-受力特性曲线；同时，缸内海水通过通孔（或缓冲缸与活塞的配合间隙）缓慢流出，释放少量压力。碰撞时间很短，碰撞结束后，围压缓冲件膨胀，对接缓冲杆组件在缓冲缸腔内压力及其自身重力、浮力共同作用下产生复位动作或趋势，维持与配合对接头的接触。在风浪作用下对接中的海洋构筑物的两个分体间相对运动引起配合对接头与缓冲对接头间受力变化，围压缓冲件随之胀缩并持续产生补偿作用，上下两分体通过本发明的装置维持接触。持续下放对接中的上部分体，该分体重量通过对接缓冲杆组件逐步施加到缓冲缸内的液体及围压缓冲件上，引发通海孔持续泄流，直至上部分体缓降座落在下部分体上，缓冲缸腔内压力稍后也达到与外部水压平衡，而围压缓冲件的弹性也不再对两对接分体产生作用力。海上结构物两分体至此完成对接。缓冲对接头和配合对接头可以通过公头、母头型结构设计实现自动对中，也可保障水下对接的准确性。

本发明也可以用于对接面在水面以上的场合，如采用浮装法安装固定导管架平台的上部甲板组块，此时仅要求缓冲缸及围压缓冲件没在水中而缓冲对接头露出水面。

本发明具有如下优点：

（1）针对海上结构物水下竖向对接的特点设计，结构简单，易与待对接海洋结构物相配并实现自动对正。

（2）利用环境水体作为压力传递的介质，不仅无需严格控制缓冲缸密封性能，还从根本上消除了传统气液蓄能式缓冲装置可能产生的渗油污染。

（3）围压缓冲件在周围液体均匀压力作用下胀缩，不直接受到碰撞，不易受损，选材方便，使用寿命长。

（4）围压缓冲件固定与否任意选择，材质、大小、数量等可根据需求随意组合，特别是气囊型围压缓冲件可通过不同预充压力调节缓冲弹性模量及其变化范围，缓冲行程大，缓冲杆组件伸缩变形与受力关系曲线几乎可以随意设计，防撞适应能力强。

（5）通孔的存在保证了上下两分体的缓降对接，且无需专门进行控制和干预。

（6）通过重力和浮力实现缓冲杆组件的自动探出，可实现任何一次未达目的的对接尝试后自动复位，确保了水下对接过程中无需人工控制和调整本发明的装置，提高了海上作业效率。

（7）围压缓冲件直接安装在缓冲缸内，不需要缓冲管路，缓冲反应灵敏。

附图说明

图1为本发明一种实施例的结构示意剖面图（对接前）；

图2为本发明一种实施例的结构示意剖面图（对接完成后）；

图3为自升式平台与水下储罐对接实施例的示意图；

图4为重型桩柱与原有水下基础的对接实施例的示意图

图中：1-配合对接头、2-对接缓冲杆组件、3-围压缓冲缸组件、4-缸盖、5-缓冲对接头、6-活塞、7-缓冲缸、8-进水孔、9-排水孔、10-围压缓冲件、11-进水单向阀、12-自升式平台、13-水下储油罐、14-重型桩柱、15-水下基础。

具体实施方式

下面对结合附图对其技术方案进行综合描述：

海洋结构物水下竖向对接缓冲缓降装置包括配合对接头1、对接缓冲杆组件2、围压缓冲缸组件3。对接缓冲杆组件2包括连接在一起的缓冲对接头5、活塞6；围压缓冲缸组件3包括缓冲缸7、缸盖4和围压缓冲件10.缓冲缸7内部装入一个或若干个围压缓冲件10；缓冲缸7内活塞行程收缩限位的封闭端存在加深槽（即空腔）。配合对接头1和围压缓冲缸组件3分别与拟对接的海洋结构物的上下两分体连接，对接缓冲杆组件2与围压缓冲缸组件3滑动连接。

所述的配合对接头1与拟对接的一个分体连接在一起，也可以是该分体本身的构成部分；与此相类似，所述的围压缓冲缸组件3与拟对接的另一个分体连接在一起，也可以是该分体的构成部分。

所述的配合对接头1与缓冲对接头5在外形上相配，典型的配合方式为公头、母头配合。

当所述的配合对接头1的对接面朝下、所述的缓冲对接头5的对接面朝上时，所述的对接缓冲杆组件2设置内部空腔或附设辅助上浮构件，要求其所受浮力大于其重力以实现自复位；安装位置相反时则要求所述的对接缓冲杆组件2重力大于其所受浮力实现自复位。

所述的围压缓冲件10为高弹固体材料或气囊。当围压缓冲件多于1件时，可以为高弹固体材料以及不同充气压力的气囊的任意组合。这些围压缓冲件既可以固定在缓冲缸内活塞无法达到的位置，也可以不固定而任其浮动。

所述的缓冲缸7、活塞6其滑动接触面之间采用间隙配合，配合面不严格要求防渗漏，可以不采取密封措施。当本发明装置需要长期或重复应用时，所述的缓冲缸7、活塞6需要进行有效防腐或直接采用防腐材料制作。

所述的缓冲缸7封闭端一般设有一个或若干通孔9，但当活塞6与缓冲缸7之间间隙较大，足以代替通孔9实现缓冲缸内外水体按要求速度交换时，也可以取消通孔。为了对接缓冲杆组件2能够自动迅速复位同时保障初步对接后上部分体缓降，一般设置较大过流面积的带有控制阀门的进水孔8，这个控制阀门推荐采用单向阀。

所述各构件的尺寸大小均根据海上结构物的质量、缓冲过程加速度的大小、缓冲的时间与距离确定。缓冲缸腔体和对接缓冲杆的缓冲行程根据实时波高造成的海上结构物在对接时轴向上振荡的振幅设置。

下面结合实施例给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1、2和3所示，本实施例为对接缓冲装置应用于自升式平台与水下储油罐的对接施工。包括：配合对接头1、对接缓冲杆组件2、围压缓冲缸组件3、缸盖4、缓冲对接头5、活塞6、缓冲缸7、进水孔8、排水孔9、 围压缓冲件10、进水单向阀11、自升式平台12、水下储油罐13。自升式平台自重为6000吨级（对于更大或更小的海上结构也适应），波浪作用下最大升沉1m，无缓冲碰撞力计算值最大接近30000kN。此次设计采用的围压缓冲件为气囊和实心硅胶块，气囊内部充入气压值为0.1-1.6 MPa的氮气。缓冲缸内径3m，最大行程2m，设1个DN300的进水孔8并配设单项进水阀11、4个通径100的排水孔9。采用本发明后碰撞力降低为5000kN。

具体实施时，先将配合对接头1安装在自升式平台各个桩腿底部，3套预装对接缓冲杆组件2的对接缓冲缸组件3安装在水下储油罐顶部。水下储油罐沉入海底过程中，海水通过进水孔8、进水单向阀11进入缓冲缸7腔内，由于对接缓冲杆组件2和气囊均为空心，提供较大浮力，对接缓冲杆组件2在海水的浮力作用下克服自身重力作用上浮至缸盖4限位的活塞杆最大外伸行程位置处，水下储油罐就位后，自升式平台在拖轮辅助下移至下分体上方海面。自升式平台的桩腿大致对准后下探，整个平台在海浪作用下晃动，配合对接头1与缓冲对接头5发生碰撞，活塞和活塞杆6下压，缓冲缸7腔内海水压力上升，气囊和硅胶块（围压缓冲件10）被压缩，吸收能量，起到缓冲作用；同时，缸内少量海水通过排水孔9流出，平台继续在振摇中下放桩腿，配合对接头1和缓冲对接头5发生了几次碰撞后不再分离，对接缓冲杆组件2在此过程中随缓冲缸7腔内的气囊和硅胶块的胀缩变化准同步伸缩，随着平台桩腿的持续下放，对接缓冲杆组件2非线性持续收缩，缓冲缸7腔内气囊和硅胶块同步压缩，腔内海水通过排水孔9泻出，最终缓冲对接头1坐落在平台下体的支撑腿上，而气囊和硅胶块逐步反弹直至缓冲缸7腔内水压与外界环境水压相同。

实施例2

如图1、2和4所示，本实施例为对接缓冲装置应用于重型桩柱与水原有下基础的对接施工中。包括：配合对接头1、对接缓冲杆组件2、围压缓冲缸组件3、缸盖4、缓冲对接头5、活塞6、缓冲缸7、排水孔9、围压缓冲件10、重型桩柱14、水下基础15。此次应用的围压缓冲件10为直径5-20 cm的空心橡胶球，内部充入气压值为0.1-0.6 MPa的空气。缓冲缸7直接借用重型桩柱的一段结构。

具体实施时与实施例1基本相同，但包含如下主要区别：（1）未设置专用进水孔8及其配套进水单向阀11；（2）配合对接头1在下而缓冲对接头5在上，缓冲对接杆组件重量大于其浮力，重力为对接缓冲杆组件复位力；（3）缓冲缸7利用重型桩柱柱体一部分作为缸体，属于一次性使用；（4）重型桩柱柱体重量较低。

海洋结构物水下竖向对接缓冲缓降装置包括配合对接头、对接缓冲杆组件、围压缓冲缸组件。对接缓冲杆组件包括连接在一起缓冲对接头、活塞杆和活塞；围压缓冲缸组件包括缓冲缸、缸盖和围压缓冲件，缓冲缸内部装入一个或若干个围压缓冲件；缓冲缸内活塞行程收缩限位外存在空腔。配合对接头和围压缓冲缸组件分别与拟对接的海洋结构物的上下两分体连接，对接缓冲杆组件与围压缓冲缸组件滑动连接。

所述的配合对接头与拟对接的一个分体连接在一起，也可以是该分体本身的构成部分；与此相类似，所述的围压缓冲缸组件与拟对接的另一个分体连接在一起，也可以是该分体的构成部分。

所述的配合对接头与缓冲对接头在外形上相配，典型的配合方式为公头、母头配合。

当所述的配合对接头的对接面朝下、所述的缓冲对接头的对接面朝上时，所述的对接缓冲杆组件设置内部空腔或附设辅助上浮构件，要求其所受浮力大于其重力以实现自复位；安装位置相反时则要求所述的对接缓冲杆组件重力大于其所受浮力实现自复位。

所述的围压缓冲件为高弹固体材料或气囊。当围压缓冲件多于1件时，可以为高弹固体材料以及不同充气压力的气囊的任意组合。这些围压缓冲件既可以固定在缓冲缸内活塞无法达到的位置，也可以不固定而任其浮动。

所述的缓冲缸、活塞杆、活塞其滑动接触面之间采用间隙配合，配合面不严格要求防渗漏，可以不采取密封措施。当本发明装置需要长期或重复应用时，所述的缓冲缸、活塞杆、活塞需要进行有效防腐或直接采用防腐材料制作。

所述的缓冲缸一般设有一个或若干通海孔，但当活塞与缓冲缸之间间隙较大，足以代替通海孔实现缓冲缸内外水体按要求速度交换时，也可以取消通海孔。为了对接缓冲杆组件能够自动迅速复位同时保障初步对接后上部分体缓降，一般设置较大过流面积的带有控制阀门的进水通海孔，这个控制阀门推荐采用单向阀。

所述各构件的尺寸大小均根据海上结构物的质量、缓冲过程加速度的大小、缓冲的时间与距离确定。缓冲缸腔体和对接缓冲杆的缓冲行程根据实时波高造成的海上结构物在对接时轴向上振荡的振幅设置。

Claims (5)

1.海洋结构物水下竖向对接缓冲缓降装置，包括配合对接头（1）、对接缓冲杆组件（2）、围压缓冲缸组件（3），其特征是：对接缓冲杆组件（2）中的杆体采用中空结构，其一端连接缓冲对接头（5），另一端连接活塞（6）；围压缓冲缸组件（3）中的缓冲缸（7）一端设有与杆体滑动配合的通孔，另一端为封闭结构；对接缓冲杆组件（2）中的活塞与围压缓冲缸组件（3）中的缓冲缸（7）形成滑动配合。

2.根据权利要求1所述的海洋结构物水下竖向对接缓冲缓降装置，其特征是在围压缓冲缸组件（3）中的缓冲缸（7）封闭结构端设有加深槽，沿加深槽周向分布有多个连通缓冲缸内外的通孔；在缓冲缸（7）内部装入一个或若干个围压缓冲件（10）；所述的围压缓冲件（10）为浮力大于自身重量的气囊和/或弹性体。

3.根据权利要求2所述的海洋结构物水下竖向对接缓冲缓降装置，其特征是设置在缓冲缸（7）封闭结构端的通孔包括至少一个进水孔（8）和数个排水孔（9），在进水孔（8）内设置单向阀（11）。

4.根据权利要求1、2或3所述的海洋结构物水下竖向对接缓冲缓降装置，其特征是配合对接头（1）与缓冲对接头（5）对接配合方式为公头、母头配合，且不限于接触面完全吻合；活塞（6）和缓冲缸（7）封闭结构端对接配合方式为公头、母头配合，且不限于接触面完全吻合；公头和母头包括弧面或锥面、斜面方式。

5.根据权利要求2或3所述的海洋结构物水下竖向对接缓冲缓降装置，其特征是缓冲缸（7）与活塞（6）的滑动接触面设有防腐涂层，其间采用间隙配合或无间隙配合。

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