CN104594293A - 自升式平台船支撑桩腿上拔水力减阻系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自升式平台船支撑桩腿上拔水力减阻系统，包括船体、桩腿和桩靴，桩腿包括插入海水中的桩腿上段部以及插入淤泥中的桩腿下段部，桩腿下段部的管壁上设有多组第一喷头组，第一喷头组包括多个第一喷头；桩靴的上靴壁、侧靴壁和下靴壁上均设有第二喷头组，第二喷头组包括多个第二喷头；多个第一喷头和多个第二喷头均通过高压水管与安装在船体上的高压水泵相连接，当多个第一喷头和多个第二喷头开启后，桩腿下段部的外周和桩靴的外周形成一与海水相连通的水通道。该自升式平台船支撑桩腿上拔水力减阻系统在拔桩时，桩腿下段部的外周和桩靴的外周可形成一与海水相连通的水通道，以消除桩靴底面和淤泥之间的真空吸附力，把上部土重变成浮容重状态，同时减小桩腿桩靴的侧摩阻力，从而大大减少拔桩力。

Description

自升式平台船支撑桩腿上拔水力减阻系统

技术领域

本发明涉及海上风电设备领域，特别是涉及一种用于自升式风电安装船的自升式平台船支撑桩腿上拔水力减阻系统。

背景技术

风能是地球表面大量空气流动所产生的动能，其作为近年来最有商业潜力、最具活力的可再生能源，得到了各国家的大力开发和利用。我国风能储量巨大，约16亿千瓦，其中，海上可开发和利用的风能储量约为7.5亿千瓦，因此，开发海上风电将成为我国沿海地区风电发展的趋势。海上风电开发设备主要包括海上风力发电机组、以及用于运输和吊装海上风力发电机组的自升式风电安装船，自升式风电安装船主要包括船体、多条桩腿和设在每条桩腿底部的桩靴。作业时，自升式风电安装船航行至作业目的地，通过控制装置驱动桩腿垂直下移，直至桩靴和部分桩腿插入海底的淤泥内，从而把船体顶离海面来进行施工作业。当需要变换施工位置时，则需先进行拔桩作业，再通过自升式风电安装船的航行重新调整施工位置，之后再重新使船顶离海面进行施工作业。

目前现有的拔桩力计算模式，桩腿沉入淤泥内20-30米时，且拔桩时遇到的阻力主要包括：淤泥对桩靴下底面的真空吸附力、桩靴上方及拔桩扩散角范围内淤泥重量、桩靴及桩腿侧面的摩擦阻力等。另外，目前所计算所需的上拔力通常小于机械设备的能力，但还是经常会出现桩腿拔不上来的现象，其意味着通过目前的拔桩力计算模式所计算的拔桩力要比实际所需的拔桩力小很多。通过研究发现，目前的拔桩力计算模式中，占抗拔力比重较大的两项是桩靴上覆土的土重和桩靴以上周围土体的抗剪强度，桩靴上覆土土重的计算方式普遍采用的是上覆土的浮容重乘以上覆土的体积，以下通过两个简单的模型来分析比对目前拔桩力计算模式的合理性与否。

如图1所示，图1a和图1b的模型均包括盛满水的圆筒、以及两个直径略小于圆筒且位于圆筒中的橡皮活塞，图1a中，橡皮活塞的底部有水，图1b中，橡皮活塞的底部与圆筒的底部紧贴不透水。在两个橡皮活塞的中心系一根线并往上提橡皮活塞，并分别计算上拔力F1和F2。对于图1a模型，橡皮活塞的上拔力F1为橡皮活塞的浮容重；对于图1b模型，计算橡皮活塞的上拔力F2则有很大的不同，根据物理学的基本概念可知：浮力是由物体上下表面的压力差造成的，对于图1b模型，由于橡皮活塞底部不透水，故所需的上拔力F2不仅要克服橡皮活塞的重量，还要克服作用在橡皮活塞上表面上的压力，该压力为大气压力和水压力的总和。由此可见，图1b模型中橡皮活塞所需的上拔力F2远远大于图1a模型中橡皮活塞所需的上拔力F1。

通过上述内容可知：目前拔桩时拔桩力计算模式非常不合理，主要问题为：1、采用浮容重代替饱和容重来计算上覆土压力；2、忽略了土体表面以上的水压力，从而造成计算结果比实际所需的上拔力小很多，进而影响拔桩的顺利进行。

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一种有效减少拔桩时所需上拔力的自升式平台船支撑桩腿上拔水力减阻系统。

为实现上述目的，本发明提供一种自升式平台船支撑桩腿上拔水力减阻系统，包括船体、呈管状的桩腿和固设在桩腿下端的桩靴，所述桩腿包括插入海水中的桩腿上段部以及插入淤泥中的桩腿下段部，所述桩腿下段部的管壁上设有多组上下分布的第一喷头组，每组第一喷头组均包括多个沿桩腿下段部周向分布的第一喷头，所述第一喷头的喷嘴置于桩腿下段部外；所述桩靴的上靴壁、侧靴壁和下靴壁上均设有第二喷头组，每组第二喷头组均包括多个第二喷头，所述第二喷头的喷嘴置于桩靴外；多个第一喷头和多个第二喷头均通过高压水管与安装在船体上的高压水泵相连接，当多个第一喷头和多个第二喷头开启后，所述桩腿下段部的外周和桩靴的外周形成一与海水相连通的水通道。

进一步地，每个第一喷头的喷嘴处均设有一与桩腿下段部的外表面固定连接的喷头保护盖，每个第二喷头的喷嘴处均设有一与桩靴的外表面固定连接的喷头保护盖；所述喷头保护盖与桩腿下段部之间、喷头保护盖与桩靴之间均形成有一通腔，且喷头保护盖上开设有多个与通腔相连通的通孔。

优选地，所述喷头保护盖为一朝远离第一喷头或远离第二喷头的方向弯曲的弧形板。

进一步地，所述第一喷头的端部、第二喷头的端部均设有第一法兰部，所述高压水管的端部均设有第二法兰部，所述第一法兰部与第二法兰部通过螺栓固定连接。

优选地，所述高压水管包括位于桩靴内的软管和位于桩腿内的硬管，所述软管的端部设有第三法兰部，硬管的端部设有第四法兰部，所述第三法兰部与第四法兰部通过螺栓固定连接。

如上所述，本发明涉及的自升式平台船支撑桩腿上拔水力减阻系统，具有以下有益效果：

该自升式平台船支撑桩腿上拔水力减阻系统在桩腿下段部和桩靴内设置多个第一喷头和第二喷头，在拔桩时，开启多个第一喷头和第二喷头后，在桩腿下段部的外周和桩靴的外周形成一与海水相连通的水通道，以消除桩靴底面和淤泥之间的真空吸附力，让桩靴底面承受压力，把上部土重变成浮容重状态，同时还减少了淤泥与桩靴下段部之间、淤泥与桩靴的上靴壁和侧靴壁之间的摩擦力，从而大大减少拔桩时所需的拔桩力，减阻效果好，最终保证拔桩的顺利进行。另外，该自升式平台船支撑桩腿上拔水力减阻系统结构简单、易于操作、成本低。

附图说明

图1为用于比对目前拔桩力计算模式是否合理的模型图。

图2为本发明的结构示意图。

图3为图2的剖视图。

图4为图3的A圈放大图。

图5为本发明中喷头保护盖与桩腿下段部或桩靴之间的连接结构图。

图6为图2的俯视图。

元件标号说明

1   桩腿上段部

2   桩腿下段部

3   桩靴

31  上靴壁

32  侧靴壁

33  下靴壁

4   第一喷头

5   第二喷头

51  第一法兰部

6   高压水管

61  第二法兰部

62  第三法兰部

7   水通道

8   喷头保护盖

81  通腔

82  通孔

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士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及功效。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以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下，当亦视为本发明可实施的范畴。

本发明提供一种用于自升式风电安装船的自升式平台船支撑桩腿上拔水力减阻系统，包括船体、呈管状的桩腿和固设在桩腿下端的桩靴3。如图2至图4所示，所述桩腿包括插入海水中的桩腿上段部1以及插入淤泥中的桩腿下段部2，所述桩腿下段部2的管壁上设有多组上下分布、且位于桩腿下段部2内的第一喷头组，每组第一喷头组均包括多个沿桩腿下段部2周向分布的第一喷头4，所述第一喷头4的喷嘴置于桩腿下段部2外；所述桩靴3的上靴壁31、侧靴壁32和下靴壁33上均设有位于桩靴3内的第二喷头组，每组第二喷头组均包括多个第二喷头5，所述第二喷头5的喷嘴置于桩靴3外；多个第一喷头4和多个第二喷头5均通过高压水管6与安装在船体上的高压水泵相连接，当多个第一喷头4和多个第二喷头5开启后，所述桩腿下段部2的外周和桩靴3的外周形成一与海水相连通的水通道7。

该自升式平台船支撑桩腿上拔水力减阻系统在桩腿下段部2和桩靴3内设置多个第一喷头4和第二喷头5，在拔桩时，开启多个第一喷头4和第二喷头5后，高压水泵中的高压水由高压水管6输送至第一喷头4处、并由第一喷头4的喷嘴向桩腿下段部2的外周喷射，以清除附着在桩腿下段部2外周的淤泥；高压水泵中的高压水由高压水管6输送至第二喷头5处、并由第二喷头5的喷嘴向桩靴3的外周喷射，以清除附着在桩靴3外周的淤泥；待第一喷头4和第二喷头5全部开启后，在桩腿下段部2的外周和桩靴3的外周会形成一与海水相连通的水通道7。通过所形成的水通道7连通了位于桩腿下段部2上方的海水与桩靴3底面，从而消除了桩靴3底面和淤泥之间的真空吸附力，让桩靴3底面承受压力，同时还减少了淤泥与桩腿下段部2之间、淤泥与桩靴3的上靴壁31和侧靴壁32之间的摩擦力，进而大大减少拔桩时所需的拔桩力，减阻效果好，最终保证拔桩的顺利进行。同时，所形成的水通道7为一高压水通道，具有一定的压力，有效保证被清除的淤泥不会重新附着在桩腿下段部2和桩靴3的外周面上。另外，该自升式平台船支撑桩腿上拔水力减阻系统结构简单、易于操作，且其通过高压水泵抽取海水直接作为输送给第一喷头4和第二喷头5、并形成所述水通道7的高压水，而无需其他的动力源，故其成本低。

进一步地，如图2和图5所示，每个第一喷头4的喷嘴处均设有一与桩腿下段部2的外表面固定连接的喷头保护盖8，每个第二喷头5的喷嘴处均设有一与桩靴3的外表面固定连接的喷头保护盖8；所述喷头保护盖8与桩腿下段部2之间、喷头保护盖8与桩靴3之间均形成有一通腔81，且喷头保护盖8上开设有多个与通腔81相连通的通孔82。所述喷头保护盖8用于防止在插拔桩的过程中，淤泥进入并堵死第一喷头4或第二喷头5，从而防止第一喷头4和第二喷头5损坏；在拔桩时，高压水由第一喷头4的喷嘴或第二喷头5的喷嘴喷出后，直接进入通腔81中、并从通腔81的两侧和通孔82处进入桩腿下段部2的外周和桩靴3的外周。

优选地，见图5，所述喷头保护盖8为一朝远离第一喷头4或远离第二喷头5的方向弯曲的弧形板，该弧形板表面光滑，且喷头保护盖8与桩腿下段部2、桩靴3均为焊接连接，从而减少插拔桩时喷头保护盖8的外周面与海水和淤泥之间的摩擦力。本实施例中，所述弧形板的横截面呈半圆形。

进一步地，如图4所示，本申请中，第一喷头4与高压水管6、第二喷头5与高压水管6的连接结构为：所述第一喷头4的端部、第二喷头5的端部均设有第一法兰部51，所述高压水管6的端部均设有第二法兰部61，所述第一法兰部51与第二法兰部61通过螺栓固定连接，从而将第一喷头4与高压水管6、第二喷头5与高压水管6固定连接。

另外，布置在桩靴3内部的高压水管6需要弯曲设置，为了便于高压水管6的弯曲设置，与第二喷头5相连接的高压水管6包括位于桩靴3内的软管和位于桩腿内的硬管，所述软管的材质为橡胶，且软管的直径为50mm，压力为2MPA，从而便于在桩靴3弯曲设置，所述硬管的材质为钢，其在桩腿内部上下竖直设置；所述软管的端部设有第三法兰部62，硬管的端部设有第四法兰部，所述第三法兰部62与第四法兰部通过螺栓固定连接，从而将软管和硬管固定连接。与第一喷头4相连接的高压水管6均为位于桩腿内、且上下竖直设置的硬管。

在实际应用中，每组第一喷头组所包含第一喷头4的位置和个数、每组第二喷头组所包含第二喷头5的位置和个数、相邻两组第一喷头组之间的距离、第一喷头4的直径、第二喷头5的直径、软管的直径和压力、硬管的直径和压力都可根据实际需求进行设定，以下举一实施例来具体说明第一喷头4和第二喷头5的布置情况。

桩腿下段部2上由下至上依次设至多组上下等距分布的第一喷头组，位于最下端的第一喷头组距桩靴3的距离为2000mm，每隔2000mm再设一组第一喷头组，在桩腿下段部2与桩靴3的连接处也设置一组第一喷头组；每组第一喷头组包括三个第一喷头4，其中，一个第一喷头4位于桩腿下段部2的一侧，另两个第一喷头4并列位于桩腿下段部2的另一侧，所述第一喷头4的直径均为20mm，如图6所示。

桩靴3的上靴壁31上所设的第二喷头组包括四个第二喷头5，其中，两个左右对称设置的第二喷头5的直径为20mm，两个前后对称设置的第二喷头5的直径为30mm、且在前后对称设置的两个第二喷头5处均设置排污装置，用于将打散的淤泥排出；桩靴3的侧靴壁32上所设的第二喷头组包括四个第二喷头5，每个第二喷头5的直径为20mm；桩靴3的下靴壁33上所设的第二喷头组包括四个第二喷头5，每个第二喷头5的直径为20mm。

较优地，每个第一喷头4与每个第二喷头5均采用一控制开关进行单独控制，通过驱动控制开关来控制第一喷头4和第二喷头5的开启或关闭；每个第一喷头4与每个第二喷头5均通过一高压水管6与高压水泵相连接。但为了减少桩腿内部高压水管6的布置，本实施例中，每组第一喷头组所包含的三个第一喷头4分开进行控制，每路高压水管6控制两个第一喷头4，即单喷头侧每路高压水管6控制上下两个第一喷头4，双喷头侧每路高压水管6控制一层两个第一喷头4。

拔桩时，先开启桩腿下段部2上的第一喷头4，且多个第一喷头4由上至下逐步开启，每路每路进行开启，即首先开启最上方的第一喷头4，再开启下部的第一喷头4、同时关闭上部的第一喷头4，直至最下方第一喷头4开启，从而保证每个第一喷头4开启后都具有足够的水压；然后开启桩靴3的上靴壁31上的四路第二喷头5、桩靴3的侧靴壁32上的四路第二喷头5、以及桩靴3的下靴壁33上的四路第二喷头5，以打通通道；最后开启所有的第一喷头4和第二喷头5，使其在桩腿下段部2的外周和桩靴3的外周形成一与海水相连通的水通道7，从而在桩腿拔桩过程中减少拔桩力。上述喷头开启的方式中，在水压足够大的情况下，多个第一喷头4可同时开启；当桩靴3的上靴壁31上两个前后对称设置的第二喷头5处设置排污装置时，则这两个第二喷头5先不开启，待通道打通后，再开启这两个第二喷头5和其余的所有喷头。

综上所述，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 (5)

1.一种自升式平台船支撑桩腿上拔水力减阻系统，包括船体、呈管状的桩腿和固设在桩腿下端的桩靴(3)，所述桩腿包括插入海水中的桩腿上段部(1)以及插入淤泥中的桩腿下段部(2)，其特征在于：所述桩腿下段部(2)的管壁上设有多组上下分布的第一喷头组，每组第一喷头组均包括多个沿桩腿下段部(2)周向分布的第一喷头(4)，所述第一喷头(4)的喷嘴置于桩腿下段部(2)外；所述桩靴(3)的上靴壁(31)、侧靴壁(32)和下靴壁(33)上均设有第二喷头组，每组第二喷头组均包括多个第二喷头(5)，所述第二喷头(5)的喷嘴置于桩靴(3)外；多个第一喷头(4)和多个第二喷头(5)均通过高压水管(6)与安装在船体上的高压水泵相连接，当多个第一喷头(4)和多个第二喷头(5)开启后，所述桩腿下段部(2)的外周和桩靴(3)的外周形成一与海水相连通的水通道(7)。

2.根据权利要求1所述的自升式平台船支撑桩腿上拔水力减阻系统，其特征在于：每个第一喷头(4)的喷嘴处均设有一与桩腿下段部(2)的外表面固定连接的喷头保护盖(8)，每个第二喷头(5)的喷嘴处均设有一与桩靴(3)的外表面固定连接的喷头保护盖(8)；所述喷头保护盖(8)与桩腿下段部(2)之间、喷头保护盖(8)与桩靴(3)之间均形成有一通腔(81)，且喷头保护盖(8)上开设有多个与通腔(81)相连通的通孔(82)。

3.根据权利要求2所述的自升式平台船支撑桩腿上拔水力减阻系统，其特征在于：所述喷头保护盖(8)为一朝远离第一喷头(4)或远离第二喷头(5)的方向弯曲的弧形板。

4.根据权利要求1所述的自升式平台船支撑桩腿上拔水力减阻系统，其特征在于：所述第一喷头(4)的端部、第二喷头(5)的端部均设有第一法兰部(51)，所述高压水管(6)的端部均设有第二法兰部(61)，所述第一法兰部(51)与第二法兰部(61)通过螺栓固定连接。

5.根据权利要求1所述的自升式平台船支撑桩腿上拔水力减阻系统，其特征在于：所述高压水管(6)包括位于桩靴(3)内的软管和位于桩腿内的硬管，所述软管的端部设有第三法兰部(62)，硬管的端部设有第四法兰部，所述第三法兰部(62)与第四法兰部通过螺栓固定连接。