CN103328729B - 用于在海底地层中安装基础元件的打桩机系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在海底地层中安装或移除基础元件如桩部件（23）、锚固件和导体的打桩机（1）系统，所述打桩机系统包括：限定腔（3）的封闭的壳体（2）；容纳在壳体（2）内部的冲击重物（4）；用于使冲击重物（4）往复运动的液压回路，所述液压回路包括一个或多个阀（7，8）、缸部件（9）和容纳在缸部件（9）中且连接到冲击重物（4）的活塞（10）；泵（27），其用于从打桩机（1）的周围环境抽取水并为液压回路提供加压水；和用于使水返回周围环境至少一个出口。液压回路的排出部（18）与腔（3）连通，并且出口（26）设置在壳体（2）的壁中。

Description

用于在海底地层中安装基础元件的打桩机系统和方法

技术领域

本发明涉及用于在海底地层中安装或移除（停用）基础元件如桩部件、锚固件和导体的打桩机系统，所述打桩机系统包括：限定腔的封闭的壳体；容纳在壳体内部，即，在腔中并由壳体封装的冲击重物；和用于使冲击重物往复运动的液压回路。该回路包括一个或多个阀、缸部件和容纳在缸部件中且连接到冲击重物的活塞，例如，与冲击重物形成整体或刚性地连接到冲击重物。系统还包括泵27，以用于从打桩机的周围环境抽取水并向液压回路提供加压水。本发明还涉及安装或去除基础元件的方法。

背景技术

EP675233涉及液压打桩机，其包括外壳(在EP675233的附图中用附图标记1表示)，其中安装有：具有砧块（3）的撞击件（2）、液压动力缸（4）（其杆部件（5）与撞击件（2）相连接），和液压分配器（12）。“由于使用水，包括海水，而不是矿油（其通常用于现有技术的装置）作为工作流体，被提供的装置在生态方面是清洁的”。

互联网上可获得的名为“Lerch Sea Water Hammer”的专利构思（patentproposal）涉及一种打桩机，其“用海水作为液压流体，并消耗（give up）其能量，通过将海水返回到围绕锤部件的大海来进行处理。因而，避免需要在泵和打桩机之间的两个动力传输管。……另外为了使该打桩机更有效地工作，在打桩机的外壳内保持大气环境。”

在根据US4367800的水下打桩设备中，锤部件在壳体中可上、下运动，壳体在工作中填充有流体，流体存在于锤部件的上方和下方，锤部件至少在向上的方向上借助打桩用流体进行打桩工作，打桩用流体通过设置在壳体上或邻近壳体设置的电动泵被加压，并且与锤部件在其中运动的流体是同一流体。“有利地，流体（用其对壳体进行填充）是设备浸没在其中的环境水。”

发明内容

本发明的目的是提供改进的用水作为工作流体的液压打桩机。

为此，液压回路的排出部与腔连通，并且一个或多个出口设置在壳体的壁中。在实施例中，出口设置在壳体的底部附件或在壳体的底部中。

通过使加压水经由腔（优选经由腔的整个长度）返回到周围环境，进入腔内的直接来自周围环境的水和污物的侵入（例如源于使冲击重物往复运动而产生的抽吸作用）被减少或阻止。

在实施例中，打桩机包括：上轴承和/或下轴承，以用于引导冲击重物的上部和/或下部；和设置在轴承的下方、优选在最下面的轴承的下方的出口。通过将用于回水的出口或至少一些出口设置在最下面的轴承下方，（一部分）回水被引导经过轴承，并且利用回水轴承被连续的冲洗和/或润滑。

在其他实施例中，打桩机系统包括设置在阀上游、优选在泵上游的过滤器。过滤器优选去除超过50μm、优选超过25μm且更有选超过10μm的颗粒，即，去除具有大于具体限制的有效直径的颗粒的90%。过滤打桩用的水使能使下游的构件（特别是相对精密的构件，如常用于控制主液压阀的操纵阀）中的公差变得更小（tighter）。而这能使打桩机的操作更有效，即，以与用油作为液压介质的打桩机的效率相接近或相等。

通常，泵和过滤器设置在水面船只的甲板上。但是，如果泵和过滤器设置在浸没的打桩机附近或甚至设置在浸没的打桩机上或其中，就不再需要用于加压水的供给管线，简化了例如脐带部件。

在实施例中，冲击重物借助加压水向上然后向下进行打桩工作。在该实施例中，一个或多个阀布置成交替地将加压水引导到活塞的相对侧，特别是引导到活塞的所谓提升和加速表面。相比于具有包括气弹簧的液压回路的打桩机，这种打桩机能用较小的泵来操作。

本发明还涉及一种用于在海底地层中安装或移除基础元件如桩部件、锚固件和导体的方法，所述方法包括步骤：将打桩机安装在基础元件上；填充，例如用水注满腔；通过将取自周围环境的水用作液压介质而使冲击重物分别背离和朝向基础元件交替地提升和加速来将基础元件分别打桩入地层或从地层出来；和使水经由腔返回周围环境。在实施例中，至少一部分水经由壳体的底部返回到周围环境，因而水围绕冲击重物流动并优选经过上轴承和下轴承。

出于完整性的原因，将注意力集中到以下的背景技术。

GB2078148涉及落锤设备，其中锤（E）借助活塞杆与活塞（B）互连。立式缸部件（A）在其上端开口，活塞在缸部件内可滑动，并且活塞杆可滑动经过缸部件的下端。在缸部件内活塞下方的空间被选择性地连接到加压流体（例如水）源并借助阀（D）被排出。在完全浸没的情况下，周围环境的水用作液压流体并且被泵入缸部件内并借助阀D被排放回周围环境的水中。

GB2069902涉及用于打桩的浸没的锤部件（21），其包括与撞击件（30）协作地设置以便当活塞被提升时向上移动撞击件的活塞(36)和缸(35)的组件。海水作为动力介质以超过环境压力的压力被供给。排出阀（51）排出海水，从而允许活塞和撞击件下落，直到撞击件冲击桩部件的上端，以将撞击件打桩入海床。

US4089165涉及水压动力打桩锤。打桩锤的活塞借助液压（水）压力被提起。涉及水下打桩的其他现有技术包括EP301114,EP301116和US4043405。US5662175涉及利用海水或淡水作为工作流体且包括中空（外部）撞击件的打桩锤。

US4601349涉及液压打桩机，其包括：壳体（1），该壳体具有安装在其中用于进行往复运动的冲击重物（2）；和缸部件（8），该缸部件在上侧开口并与围绕该缸部件（8）的气体填充室（9）连通。“在图2的实施例中，壳体1中的室9通过连接通道31与壳体1中的室32（容纳冲击重物2）连通。由此，第二压力介质的体积被大大增加，这对于尽可能恒定地在冲击重物2上施加加速力来说是重要的。”

US4333492公开了流体惯性工具，其中通过使流体流动减速和将惯性力引导到水中抵靠容纳流体流动的结构中的活动元件（而其抵靠工件运动），流动的液体的动能被转化为有用功。

附图说明

现在参考附图更详细地说明本发明。应注意，附图本质上是示意图，并且对于理解本发明不必要的细节已经被省略。

具体实施方式

附图示出根据本发明的用于在海底地层中安装或移除基础元件如桩部件、锚固件和导体的打桩机1的实施方式，打桩机包括：限定腔3的封闭的壳体2；容纳在壳体2内部的冲击重物4，即，该冲击重物在腔中并被壳体封装、并且滑动安装在上轴承5和下轴承6中；用于使冲击重物4往复运动的液压回路；和泵单元，其用于从海中抽取和过滤水并为液压回路提供加压水。

在该实例中，液压回路包括两个阀7，8，液压缸9和容纳在缸部件中且通过在上轴承5中被引导的活塞杆10A被连接到冲击重物的活塞10。通常优选的是，活塞和活塞杆形成冲击重物的一体部分。液压缸在其壁上在上端附近设有开口11，通过该开口，缸部件与一个或多个室连通，在该实例中，环形室12完全围绕缸部件。

第一管路13直接将泵单元连接到液压缸9的在活塞10下方的空间，以将加压水提供到活塞的下表面或提升表面和容纳在室12中的高压蓄压器14。本身已知的蓄压器抑制液压回路中压力的极端变化。

第二管路15通过第一或供给压力阀7将泵连接到液压缸9中活塞10上方的空间，或者，在该实例中，连接到活塞和活塞杆内的管腔，以将加压水供给到活塞的（有效）上表面，即，管腔的横截面。活塞的（有效）上表面比活塞的下表面大，以便当活塞上方的压强等于活塞下方的压强时，产生向下的合力，顺便提及，活塞的下表面由在活塞10和活塞杆10A之间的过渡处的环形凹口16限定。

第三管路17通过第二或返回压力阀8将第二管路15连接到围绕液压缸9的环形室12。

环形室12通过例如平行于上轴承5延伸的一个或多个通道18与壳体2的容纳冲击重物4的腔3连通。其他通道19将腔与下轴承6下方的空间连接，在该实例中，该空间容纳本身已知的减振部件20和冲击板21。在包括一个或多个轴承和与轴承平行地布置的通道的实施例中，经过轴承的流量能通过节流阀部件，例如定位在轴承中的节流阀，进行设置和调节。

打桩机的下端设有套管22，利用套管，打桩机1被安装在基础元件上，在单个桩部件23的情况下，砧部件24设置在套管和桩部件之间。接近式传感器25定位在腔3的内壁上，以确定冲击重物4的位置和速度。最后，打桩机包括设置在冲击板上的多个排出口26，以将打桩用的水返回到周围环境，在该实例中返回到套管。

泵单元布置在水面船只的甲板上并包括高压正排量泵27、设置在高压泵上游的过滤器28和过滤器上游的低压供给泵29。过滤器包括三级，即，去除超过50μm的颗粒的自动过滤器，去除超过25μm的颗粒的中间过滤器，去除超过10μm的颗粒的袋式过滤器。

当打桩机1被浸没、注满且安装在桩部件23上时，其进行如下操作。首先，阀7、8被打开并且泵27、29被开启。因此，水从周围环境被抽取、过滤和泵送经过供给压力阀7、环形室12、上轴承5和将环形室连接到腔3的通道18，经过冲击重物4，以及穿过下轴承6、相应的通道19和排出口26，到达周围环境。活塞10的两侧受到回路中的压力，将冲击重物保持在其最低位置。

当供给压力阀7关闭时，只有加压水被引导到液压缸9中活塞10下方的空间和蓄压器14，压力增大并且冲击重物4被提升。容纳在液压缸中活塞上方的水被排入环形室并通向腔3，引起在腔3内并沿着冲击重物4的向下的流量，该流量不仅仅补偿重物向上运动的抽吸作用。当经过预定时间或到达预定行程时，供给压力阀7被打开，冲击重物停止向上运动。接着，返回压力阀8关闭并且加压水被引导到活塞10的（有效）上表面，冲击重物4向桩部件23加速直到撞击砧部件24。容纳在液压缸中活塞下方的水被排入液压回路，大部分进入蓄压器。在冲击后，重新开始循环。

通过使加压水经由腔返回到周围环境，进入腔内的直接来自周围环境的水和污物的侵入被减少或阻止。另外，因为本发明的系统提供了受控的环境，在实际操作时的结果更接近地对应于在实验室中进行试验时获得的结果。而这有利于工作条件和设置的优化以及打桩机的进一步发展。最后，由于系统持续地分别从周围环境抽取水和将水返回到周围环境，原则上就不需要用于低压液压介质的容器或低压蓄压器和用于再生液压介质的所谓的清除器。

当然，本发明公开的内容不限于以上公开的实施例，实施例可以不同的方式在本发明的精神和范围内进行改变。

Claims (21)

1.一种用于在海底地层中安装或移除基础元件的打桩机(1)系统，所述打桩机系统包括：

限定腔(3)的封闭的壳体(2)，

容纳在壳体(2)内部的冲击重物(4)，

用于使冲击重物(4)往复运动的液压回路，所述液压回路包括一个或多个阀、缸部件(9)和容纳在缸部件(9)中且连接到冲击重物(4)的活塞(10)，

泵(27)，其用于从打桩机(1)的周围环境抽取水并为液压回路提供加压水，和

用于使水返回周围环境的至少一个出口，

其特征在于，液压回路的排出部与腔(3)连通，并且所述至少一个出口(26)设置在壳体(2)的壁中。

2.根据权利要求1所述的打桩机(1)系统，其中所述至少一个出口(26)设置在壳体(2)的底部(21)附近或在壳体的底部中。

3.根据权利要求1或2所述的打桩机(1)系统，其包括上轴承(5)和/或下轴承(6)，以用于引导冲击重物(4)的上部和/或下部，其中出口(26)布置在轴承的下方。

4.根据权利要求3所述的打桩机(1)系统，其包括与轴承平行地布置的一个或多个通道。

5.根据权利要求4所述的打桩机(1)系统，其中通道设有节流阀。

6.根据权利要求1所述的打桩机(1)系统，其包括设置在阀上游的过滤器(28)。

7.根据权利要求1所述的打桩机(1)系统，其包括设置在泵(27)上游的过滤器(28)。

8.根据权利要求7所述的打桩机(1)系统，其中，在打桩工作期间，过滤器(28)布置成从抽取自周围环境的水中移除超过50μm的颗粒。

9.根据权利要求6或7所述的打桩机(1)系统，其包括设置在过滤器(28)上游的进给泵(29)。

10.根据权利要求1所述的打桩机(1)系统，所述基础元件为桩部件、锚固件或导体。

11.根据权利要求8所述的打桩机(1)系统，其中，在打桩工作期间，过滤器(28)布置成从抽取自周围环境的水中移除超过25μm的颗粒。

12.根据权利要求8所述的打桩机(1)系统，其中，在打桩工作期间，过滤器(28)布置成从抽取自周围环境的水中移除超过10μm的颗粒。

13.根据权利要求3所述的打桩机(1)系统，其中出口(26)布置在最下面的轴承下方。

14.一种用于借助打桩机(1)在海底地层中安装或移除基础元件的方法，所述打桩机包括：限定腔(3)的封闭的壳体(2)；容纳在壳体(2)内部的冲击重物(4)；和用于使冲击重物(4)分别背离和朝向基础元件提升和/或加速的液压回路，所述方法包括步骤：

将打桩机(1)安装在基础元件(23)上，

通过将取自周围环境的水用作液压介质而使冲击重物(4)分别背离和朝向基础元件(23)交替地提升和加速来将基础元件(23)打桩入地层或从地层出来，

其特征在于，使水经由腔(3)返回周围环境。

15.根据权利要求14所述的方法，其中至少一部分水经由壳体(2)的底部(21)返回到周围环境。

16.根据权利要求14或15所述的方法，其中打桩机(1)包括上轴承(5)和/或下轴承(6)，以用于引导冲击重物(4)的上部和/或下部，并且至少一部分回水被引导经过上轴承和下轴承中的至少一个轴承。

17.根据权利要求14或15所述的方法，其中取自周围环境的水在被供给到液压回路之前被过滤。

18.根据权利要求14或15所述的方法，其中，超过50μm的颗粒从水中被去除。

19.根据权利要求14所述的方法，所述基础元件为桩部件、锚固件或导体。

20.根据权利要求18所述的方法，其中，超过25μm的颗粒从水中被去除。

21.根据权利要求18所述的方法，其中，超过10μm的颗粒从水中被去除。