CN106245650B - 海底悬空管道双自由度拋砂治理装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋工程领域，具体地，涉及一种海底悬空管道双自由度拋砂治理装置。海底悬空管道双自由度拋砂治装置，安装在驳船上，包括：打包结构、纵向进给结构、横向进给结构、吊装结构和控制结构；其中：打包结构完成对砂子打包成袋工作，纵向进给结构和横向进给结构进行施工定位和横纵向连续施工控制，吊装结构完成砂袋从驳船到海底管道悬空处的转移，控制结构为整个装置的提供电源以及进行施工控制。相对于现有技术，本发明实现了海底悬空管道砂袋法治理施工过程的机械化，相比传统施工方法，打包砂子和抛填砂袋自动化和机械化，抛砂过程中不再需要大量人力，提高了施工效率，带来可观经济效益。

Description

海底悬空管道双自由度拋砂治理装置

技术领域

本发明属于海洋工程领域，具体地，涉及一种海底悬空管道双自由度拋砂治装置，用于治理海底悬空管道。

背景技术

海底管道由于受到复杂的水下环境的影响，很容易产生悬空现象。在海浪、海流作用下，悬空管段会产生涡激振动，引起疲劳损伤，缩短使用寿命，进而带来附加的经济损失。现阶段，工程实践中多采用砂袋法、灰浆气囊、钢结构支撑法、短桩锚固等方法治理悬空管道。其中，工程中普遍采用的砂袋法有操作简单，经济有效等优点，但是，砂袋法的施工方法却非常落后，一般做法是先在岸上人工将砂子打包成袋，然后通过吊车将砂袋装于施工船上，当施工船到达悬空管道上方海面时，再由施工人员将砂袋推下船，填至海底管道悬空处。上述施工需要大量人力来完成，费时费力。此外，砂袋法还存在无法控制砂袋入水后是否撞击管道、是否落入悬空处有效填充等问题。因此，发明一种既精确高效又不过多依赖人力的砂袋法施工装置是非常必要的。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种海底悬空管道双自由度拋砂治装置，装置安装在一艘驳船上，包括打包结构、纵向进给结构、横向进给结构、吊装结构和控制结构组成，实现了砂子打包成袋、砂袋抛填等过程的机械化，砂袋抛填的精确化，以及由横向进给结构和纵向进给结构形成双自由度运动系统实现施工区的全覆盖，解决了现阶段砂袋法治理悬空管道的施工技术问题。

为实现上述目的，本发明所采用技术方案如下：

海底悬空管道双自由度拋砂治装置，安装在驳船上，包括：打包结构、纵向进给结构、横向进给结构、吊装结构和控制结构；其中：打包结构完成对砂子打包成袋工作，纵向进给结构和横向进给结构进行施工定位和横纵向连续施工控制，吊装结构完成砂袋从驳船到海底管道悬空处的转移，控制结构为整个装置的提供电源以及进行施工控制。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、实现了海底悬空管道砂袋法治理施工过程的机械化，相比传统施工方法，打包砂子和抛填砂袋自动化和机械化，抛砂过程中不再需要大量人力，提高了施工效率，带来可观经济效益。

2、可以实现科学有效地施工，相比传统的方法，实现了砂袋水下着地位置的可控，可避免砂袋未丢入施工区或者撞击管道情况。

3、装置通过双自由度运动系统进行抛砂定位和双向施工，实现了悬空区的全覆盖。

4、装置采用了开合式吊桶水下自动开合实现抛填，抛填过程简易可行。

5、装置本身结构简易，制造工艺简单，另只需一艘驳船即可，装置建造成本低。

附图说明

图1是海底悬空管道双自由度拋砂治装置结构示意图；

图2是海底悬空管道双自由度拋砂治装置工作俯视示意图；

图3是海底悬空管道双自由度拋砂治装置工作前视示意图；

图4是打包结构和滑轨架示意图；

图5是装置轮式滑体示意图；

图6是装置旋转架示意图；

图7是装置开合式吊桶示意图；

图8是装置开合式吊桶俯视示意图；

图中：1、驳船，2、打包结构，3、纵向进给结构，4、横向进给结构，5、吊装结构，6、控制结构，201、存砂区，202、吸砂器，203、运砂方管，204、打包机，205、可动辊道传送带，206、传动带滚轮，31、滑轨架，311、滑动轴，312、滑动轴安装台，313、滑轨槽，314、滑轨槽定位孔，32、轮式滑体，321、滑体滑孔，322、旋转架安装槽，323、滑体滚轮，324、滑体定位孔，325、定位销，41、旋转架，411、横伸梁，412、横向进给框，413、旋转架滑孔，414、旋转架滑槽，415、旋转架拉环，42、旋转支撑梁，421、支撑横梁，422、液压推进节，51、开合式吊桶，511、吊装钢丝绳，512、吊耳，513、开合控制钢丝绳，514、开合绳环，515、吊桶转向扣，516、开合门，517、升降控制电机辊轴组，518、开合控制电机辊轴组，52、旋转架滑体，521、旋转架滑体拉环，522、球铰拉环，523、伸缩钢丝绳，524、伸缩控制电机辊轴组，601、控制室

具体实施方式

图1至图8所示，海底悬空管道双自由度拋砂治装置，安装在驳船1上，包括：打包结构2、纵向进给结构3、横向进给结构4、吊装结构5和控制结构6；其中：打包结构2完成对砂子打包成袋工作，纵向进给结构3和横向进给结构4进行施工定位和横纵向连续施工控制，吊装结构5完成砂袋从驳船1到海底管道悬空处的转移，控制结构6为整个装置的提供电源以及进行施工控制。

如图2和图4所示，打包结构2位于驳船1甲板中部，包括：存砂区201、吸砂器202、运砂方管203、打包机204和可动辊道传送带205，由船首至船尾方向顺次沿驳船1纵轴线分布；存砂区201为固接在驳船1甲板上的矩形槽，用于存放砂子，存砂区201内设置吸砂器202，吸砂器202通过运砂方管203与打包机204相连，吸砂器202将砂子从存砂区201经由运砂方管203吸入打包机204中；打包机204将砂子打包成袋，打包机204采用现有技术；可动辊道传送带205采用现有技术，位于打包机204下部，沿驳船1横向放置，满足双向传送，依靠底部传送带滚轮206可移动伸出驳船1侧舷；经由打包机204打包好的砂袋落在位于其下方的可动辊道传送带205上，由可动辊道传送带205输送至吊装结构5。

如图2和图4-5所示，纵向进给结构3，包括：滑轨架31和轮式滑体32，通过轮式滑体32在滑轨架31上纵向滑动实现纵向进给。

如图4所示，滑轨架31固接于驳船1船尾甲板上，纵向对称，滑轨架31为由四条腿和四根横梁组成的支撑架，两矩形滑轨槽313分别设置在两纵向横梁上，滑轨槽313的槽壁上设有滑轨槽定位孔314，两横向横梁上均设置滑动轴安装台312，滑动轴311安装在两滑动轴安装台312上，位于结构纵向对称面。

如图5所示，轮式滑体32为左右两侧边缘向下凸起的矩形平板滑车，其为纵向进给结构的滑体；轮式滑体32中间厚、两边薄，中间厚段中心设有贯穿板体的滑体滑孔321，顶面中部安装有三组电机辊轴组，板面两侧均设贯穿厚度的旋转架安装槽322；两侧凸起底面上设置一组辅助滑动的滑体滚轮323，凸起侧面设置滑体定位孔324，凸起上方滑体表面两侧各设置有旋转架支撑梁42。

如图2所示，滑体滑孔321同心套接在滑动轴311上，滑体滚轮323嵌入滑轨槽313内可滑动，通过定位销325、滑轨槽定位孔314、滑体定位孔324的配合实现滑动结束定位。

如图3和图5-6所示，横向进给结构4，包括：旋转架41和旋转支撑梁42，通过旋转支撑梁42推动旋转架41转动，改变旋转架41横向伸出量实现横向进给。

如图5所示，旋转支撑梁42采用液压推进控制，由可伸缩的液压推进节422和支撑横梁421组成，由液压推进节422伸缩可使支撑横梁421升高或降低，进而推动旋转架41升高降低，改变横向进给。液压推进技术采用现有技术。

如图6所示，旋转架41，包括：两根横伸梁411和矩形横向进给框412组成的框架结构；横伸梁411下端设有旋转架滑孔413，实现旋转架41套接于滑动轴311，绕轴转动；横向进给框412的长边内侧面上有旋转架滑槽414，其为旋转架滑体52的滑槽。

如图2所示，旋转架滑孔413同心套接于滑动轴311上，并且卡于旋转架安装槽322内，纵向进给结构3可带动旋转架41纵向移动；如图3所示，旋转架41的两根横伸梁支于旋转架支撑梁42上，依靠液压推进节422伸缩可绕着滑动轴311转动，改变横向伸出量，带动装置吊装结构实现横向进给。装置两侧对称都有旋转支撑梁42，旋转架41也可转至驳船1另一侧施工。

如图2-3和图6-7所示，吊装结构5由开合式吊桶51、旋转架滑体52、各类钢丝绳和电机辊轴组组成。

如图6所示，旋转架滑体52主体结构是三根圆柱梁组成的“∏”型结构，其为连接横纵向进给结构的进给量传动于吊装结构5的主要部件；旋转架滑体52的两根长梁为滑体，嵌于旋转架滑槽414内，可滑动，牵引吊装结构5其他部件实现吊装功能。

图7-8所示，开合式吊桶51由方形桶体和开合门516通过销孔连接组成，桶体吊耳512上连接有吊装钢丝绳511，开合门516上连接有开合控制钢丝绳513；配合开合绳环524的形状自适应改变，开合门516可绕销钉旋转实现开合。

如图2和图6-8所示，连接开合式吊桶51的吊装钢丝绳511和开合控制钢丝绳513分别穿过旋转架滑体52的三个球铰拉环522、横向进给框412小孔连接于升降控制电机辊轴组517和开合控制电机辊轴组518，组成了吊装结构5的升降控制结构和开合控制结构；起始于旋转架滑体拉环521的伸缩钢丝绳523穿过旋转架拉环415连接于伸缩控制电机辊轴组524，组成了砂袋装载控制结构，开合式吊桶51通过旋转架滑体52沿旋转架滑槽414内的滑动而随动，实现吊装结构5近船装载和远船吊放；旋转架滑体52嵌于旋转架41内，将横纵向进给传动于吊装结构5，实现吊装位置的改变。

如图2-3和图8所示，装置旋转架41转至驳船1另一侧过程中，吊装结构5中球铰拉环522和吊桶转向扣515配合实现开合式吊桶51转向驳船另一侧，由图8中吊桶转向扣515将开合控制钢丝绳513与开合式吊桶51分离，由图2中两边球铰拉环522分别向内侧旋转，将开合式吊桶51穿过横向进给框412至旋转架41另一侧，再将中间球铰拉环422旋转180°后由吊桶转向扣515将开合式吊桶51和开合控制钢丝绳513连接，如此，便可实现装置转至另一侧。

如图2所示，装置的控制结构6集中在控制室601内，包括：吸砂器202、打包机204、可动辊道传送带205、伸缩控制电机辊轴组524、旋转支撑梁42、升降控制电机辊轴组517、开合控制电机辊轴组518等结构的控制单元，所有控制技术采用现有技术。

采用上述海底悬空管道双自由度拋砂治装置进行施工，包括以下步骤：

1、驳船1在港口将砂子装于存砂区201，航行至施工处，即悬空管道附近水面，调整驳船1纵轴与悬空管道同向。

2、如图2所示，进行横向进给，使旋转架41顶端正对施工位置纵向线，推动可动辊道传送带205伸出驳船边缘一段，进行纵向进给，使开合吊桶51与可动辊道传送带205共线，打开吊装结构5近船装载控制模块开关，伸缩钢丝绳523被放松，闭合状态的开合式吊桶51将在重力作用下滑至可动辊道传送带205的下方，打开打包结构2的控制单元，进行打包和装载，满载后，关闭打包结构2，完成一次装载。

3、装置纵向进给到施工位置，用定位销325进行施工定位。

4、打开吊装结构5的远船吊放控制模块开关，伸缩钢丝绳523被收紧，牵引旋转架滑体52以及开合式吊桶51至旋转架41顶端。

5、打开吊装结构5下放控制模块开关，吊装钢丝绳511下放，开合控制钢丝绳513随动，保持开合式吊桶51处于闭合状态，下放至管道悬空处，打开开合控制模块开关，开合控制钢丝绳513被放松，开合式吊桶51打开，完成砂袋抛填。打开吊装结构5起吊控制模块开关，吊装钢丝绳511上升，开合控制钢丝绳513随动，将开合式吊桶51拉回驳船处，控制处于闭合状态，完成一次抛填。

6、装置纵向进给回到装载处。

7、重复步骤2-6，进行多次施工。通过装置双自由度运动系统不同进给方式实现悬空施工区全覆盖。横纵向进给定位均不变，进行同一位置多次施工。横向进给定位不变，改变纵向进给定位，进行沿管道方向施工。纵向进给定位不变，改变横向进给定位，进行垂直管道方向施工。

8、若施工区较大，可将旋转架41转至驳船1的另一侧进行施工。

9、施工完毕，将可动辊道传送带205推回船上，通过横向进给结构4升高旋转架41，将旋转架41和开合式吊桶51收回船上，由驳船1将装置运回港口。

Claims (7)

1.一种海底悬空管道双自由度拋砂治装置，安装在驳船上，包括：打包结构、纵向进给结构、横向进给结构、吊装结构和控制结构；其特征在于：打包结构完成对砂子打包成袋工作，纵向进给结构和横向进给结构进行施工定位和横纵向连续施工控制，吊装结构完成砂袋从驳船到海底管道悬空处的转移，控制结构为整个装置提供电源以及进行施工控制；打包结构位于驳船甲板中部，包括：存砂区、吸砂器、运砂方管、打包机和可动辊道传送带，由船首至船尾方向顺次沿驳船纵轴线分布；存砂区为固接在驳船甲板上的矩形槽，存砂区内设置吸砂器，吸砂器通过运砂方管与打包机相连，吸砂器将砂子从存砂区经由运砂方管吸入打包机中；打包机将砂子打包成袋，可动辊道传送带位于打包机下部，沿驳船横向放置，满足双向传送，依靠底部传送带滚轮可移动伸出驳船侧舷；经由打包机打包好的砂袋落在位于其下方的可动辊道传送带上，由可动辊道传送带输送至吊装结构；纵向进给结构，包括：滑轨架和轮式滑体，通过轮式滑体在滑轨架上纵向滑动实现纵向进给；滑轨架固接于驳船船尾甲板上，纵向对称，滑轨架为由四条腿和四根横梁组成的支撑架，两矩形滑轨槽分别设置在两纵向横梁上，滑轨槽的槽壁上设有滑轨槽定位孔，两横向横梁上均设置滑动轴安装台，滑动轴安装在两滑动轴安装台上，位于结构纵向对称面。

2.根据权利要求1所述的海底悬空管道双自由度拋砂治装置，其特征在于：轮式滑体为左右两侧边缘向下凸起的矩形平板滑车，其为纵向进给结构的滑体；轮式滑体中间厚、两边薄，中间厚段中心设有贯穿板体的滑体滑孔，顶面中部安装有三组电机辊轴组，板面两侧均设贯穿厚度的旋转架安装槽；两侧凸起底面上设置一组辅助滑动的滑体滚轮，凸起侧面设置滑体定位孔，凸起上方滑体表面两侧各设置有旋转架支撑梁。

3.根据权利要求2所述的海底悬空管道双自由度拋砂治装置，其特征在于：滑体滑孔同心套接在滑动轴上，滑体滚轮嵌入滑轨槽内可滑动，通过定位销、滑轨槽定位孔、滑体定位孔的配合实现滑动结束定位。

4.根据权利要求3所述的海底悬空管道双自由度拋砂治装置，其特征在于：横向进给结构，包括：旋转架和旋转支撑梁，通过旋转支撑梁推动旋转架转动，改变旋转架横向伸出量实现横向进给。

5.根据权利要求4所述的海底悬空管道双自由度拋砂治装置，其特征在于：旋转支撑梁采用液压推进控制，由可伸缩的液压推进节和支撑横梁组成，由液压推进节伸缩可使支撑横梁升高或降低，进而推动旋转架升高降低，改变横向进给。

6.根据权利要求5所述的海底悬空管道双自由度拋砂治装置，其特征在于：旋转架，包括：两根横伸梁和矩形横向进给框组成的框架结构；横伸梁下端设有旋转架滑孔，实现旋转架套接于滑动轴，绕轴转动；横向进给框的长边内侧面上有旋转架滑槽，其为旋转架滑体的滑槽；

旋转架滑孔同心套接于滑动轴上，并且卡于旋转架安装槽内，纵向进给结构可带动旋转架纵向移动；旋转架的两根横伸梁支于旋转架支撑梁上，依靠液压推进节伸缩可绕着滑动轴转动，改变横向伸出量，带动装置吊装结构实现横向进给；装置两侧对称都有旋转支撑梁，旋转架也可转至驳船另一侧施工；

吊装结构由开合式吊桶、旋转架滑体、钢丝绳和电机辊轴组组成；

旋转架滑体主体结构是三根圆柱梁组成的“∏”型结构，其为连接横纵向进给结构的进给量传动于吊装结构的主要部件；旋转架滑体的两根长梁为滑体，嵌于旋转架滑槽内，可滑动；

开合式吊桶由方形桶体和开合门通过销孔连接组成，桶体吊耳上连接有吊装钢丝绳，开合门上连接有开合控制钢丝绳；配合开合绳环的形状自适应改变，开合门可绕销钉旋转实现开合；

连接开合式吊桶的吊装钢丝绳和开合控制钢丝绳分别穿过旋转架滑体的三个球铰拉环、横向进给框小孔连接于升降控制电机辊轴组和开合控制电机辊轴组，组成了吊装结构的升降控制结构和开合控制结构；起始于旋转架滑体拉环的伸缩钢丝绳穿过旋转架拉环连接于伸缩控制电机辊轴组，组成砂袋装载控制结构，开合式吊桶通过旋转架滑体沿旋转架滑槽内的滑动而随动，实现吊装结构近船装载和远船吊放；旋转架滑体嵌于旋转架内，将横纵向进给传动于吊装结构，实现吊装位置的改变；

装置旋转架转至驳船另一侧过程中，吊装结构中球铰拉环和吊桶转向扣配合实现开合式吊桶转向驳船另一侧，由吊桶转向扣将开合控制钢丝绳与开合式吊桶分离，由两边球铰拉环分别向内侧旋转，将开合式吊桶穿过横向进给框至旋转架另一侧，再将中间球铰拉环旋转180°后由吊桶转向扣将开合式吊桶和开合控制钢丝绳连接，实现装置转至另一侧；

装置的控制结构集中在控制室内，包括：吸砂器、打包机、可动辊道传送带、伸缩控制电机辊轴组、旋转支撑梁、升降控制电机辊轴组、开合控制电机辊轴组的控制单元。

7.采用利要求6所述的海底悬空管道双自由度拋砂治装置进行施工的方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)、驳船在港口将砂子装于存砂区，航行至施工处，即悬空管道附近水面，调整驳船纵轴与悬空管道同向；

(2)、进行横向进给，使旋转架顶端正对施工位置纵向线，推动可动辊道传送带伸出驳船边缘一段，进行纵向进给，使开合吊桶与可动辊道传送带共线，打开吊装结构近船装载控制模块开关，伸缩钢丝绳被放松，闭合状态的开合式吊桶将在重力作用下滑至可动辊道传送带的下方，打开打包结构的控制单元，进行打包和装载，满载后，关闭打包结构，完成一次装载；

(3)、装置纵向进给到施工位置，用定位销进行施工定位；

(4)、打开吊装结构的远船吊放控制模块开关，伸缩钢丝绳被收紧，牵引旋转架滑体以及开合式吊桶至旋转架顶端；

(5)、打开吊装结构下放控制模块开关，吊装钢丝绳下放，开合控制钢丝绳随动，保持开合式吊桶处于闭合状态，下放至管道悬空处，打开开合控制模块开关，开合控制钢丝绳被放松，开合式吊桶打开，完成砂袋抛填；打开吊装结构起吊控制模块开关，吊装钢丝绳上升，开合控制钢丝绳随动，将开合式吊桶拉回驳船处，控制处于闭合状态，完成一次抛填；

(6)、装置纵向进给回到装载处；

(7)、重复步骤(2)-(6)，进行多次施工；通过装置双自由度运动系统不同进给方式实现悬空施工区全覆盖；横纵向进给定位均不变，进行同一位置多次施工；横向进给定位不变，改变纵向进给定位，进行沿管道方向施工；纵向进给定位不变，改变横向进给定位，进行垂直管道方向施工；

(8)、若施工区较大，可将旋转架转至驳船的另一侧进行施工；

(9)、施工完毕，将可动辊道传送带推回船上，通过横向进给结构升高旋转架，将旋转架和开合式吊桶；收回船上，由驳船；将装置运回港口。