CN107288114B - 一种小型海洋平台自升式桩腿的升降方法 - Google Patents

一种小型海洋平台自升式桩腿的升降方法 Download PDF

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Abstract

本专利公开了一种小型海洋平台自升式桩腿，由四部分构成：一，是套在船舶柱形套筒内的钢质筒形桩腿，这是整个平台船的结构支撑物；二，是由桩腿内的潜水泵―阀箱系统组成的主升降系统；三，是由与桩腿相连接的卷扬机及传动系统组成的辅助升降系统；四，是可以将桩腿与套筒锁紧的液压锁紧系统。通过自动控制系统协调上述四大部分的动作，实现桩腿的升降。本专利在桩靴底部及四周设有旋转切削刀片和“脉冲高压水”喷头，对于海底有较厚的淤泥情况，可以将粘附的淤泥切碎，同时喷出脉冲高压水，将吸附桩腿的淤泥冲开，然后将桩腿收回。

Description

一种小型海洋平台自升式桩腿的升降方法
技术领域：
本专利从技术角度，涉及对船舶及海洋工程技术的综合应用，属于船舶及海洋工程装备类技术领域。
背景技术
目前海洋自升式平台(指海上石油钻井及采油平台)，一般使用“自升式桩腿”作为支撑物，将该平台固定于海底特定位置。桩腿的升降主要采用齿轮一齿条装置。从原理上，这是一种普通的机械传动技术。但实际上，由于桩腿在海水中的长度很长(达几十米甚至几百米)，且平台的重量很大(有的上万吨)，而且要求定位准确、牢固稳定，而且要能经受海洋巨大风浪的袭击，这种传动机构不仅体型庞大，动力强大、加工精密，而且成本高昂。我国的许多自升式平台的升降模块，大都从国外进口。
有些近海工程，例如，浅海风电机的桩基工程、风电机的安装工程、海岸工程建筑物的水下打桩等工程的发展，导致小型平台船应运而生。例如浅海钻探、地质采样、以及海上桩基的负荷试验及拔桩试验等，海上平台船所在的海域水深并不大(例如小于100m)，平台船的自升重量也不太大(例如小于5000吨)，此时，平台船自升式桩腿的升降机构即没有必要再采用昂贵的齿轮一齿条机构。
发明内容：
3.1概述
本发明的目的是实现桩腿的升降不再采用机械式齿轮一齿条或蜗轮蜗杆的技术，而是采用筒形桩腿内部的静水压力或浮力，再加上卷扬机的拉力使其升降的原理，这也是常规的机械原理技术，但要简单、可靠且成本很低，用于小型海洋平台装置非常适合。
3.2一种小型海洋平台自升式桩腿专利的构成
本专利所述的一种小型海洋平台自升式桩腿，是由4个部分构成，其一是套在平台的套筒内的钢质筒形的桩腿；其二是设置在桩腿内的潜水泵―阀箱系统，它是由潜水压载泵和阀箱系统组成；其三是与桩腿连接的卷扬机升降系统，所述卷扬机升降系统包括产生向上拉力的升降卷扬机一和产生向下拉力的升降卷扬机二；其四是桩腿的液压锁紧系统，所述液压锁紧系统包括液压锁紧止动销，其能够将桩腿与套筒锁紧在一定的位置；
所述的桩腿是水密型的钢管，是承受船舶重量的支撑构件，桩腿上部通过定滑轮、动滑轮组和钢缆与设置在平台上的升降卷扬机一和升降卷扬机二相连接，能够在套筒内自由上下滑动；能够一直下沉到海底，也能够被收到平台内；
所述的潜水泵―阀箱系统，设在桩腿的底部，通过阀箱中的阀门调节，当需要将桩腿下降到海底时，泵入海水，产生重力，加上桩腿和桩腿底部的桩靴及压载物的重量，再加上升降卷扬机二的拉力，实现整个桩腿降到海底；同样，调整相应的遥控阀件，也能够将桩腿内的海水排出桩腿外，利用桩腿产生的浮力及升降卷扬机一的牵引力将桩腿上升，收入平台内；
所述的潜水泵―阀箱系统包括设于桩腿底部的海底遥控阀一和设于桩腿中部的海底遥控阀二；所述海底遥控阀一和海底遥控阀二根据自动控制系统的要求，控制阀件的启闭；
所述的卷扬机升降系统是由固定在平台甲板上的支架、升降卷扬机一、升降卷扬机二、滑轮组及牵引钢缆组成；升降卷扬机一和升降卷扬机二的机座设在支架的底部，与平台甲板连接在一起；牵引钢缆也分为二组，与升降卷扬机一和升降卷扬机二对应连接，升降卷扬机一的牵引钢缆的上端经过滑轮组的定滑轮与桩腿上端连接；升降卷扬机二的牵引钢缆的上端直接与桩腿上端连接。
所述的液压锁紧系统包括在套筒上设置的若干组液压油缸控制的液压锁紧止动销，当高压油进入油缸内时，液压锁紧止动销即可插入到桩腿预设的孔槽内，将桩腿与套筒锁紧，桩腿将被稳定在平台的一定位置。
3.3一种小型平台船自升式桩腿的升降原理与过程
本小型平台船自升式桩腿的升降是利用水压力+卷扬机拉力来实现的。其升降原理与过程如下(参见附图1)：
3.3.1桩腿的下降
当升降桩腿5需要下降时，打开海底遥控阀一7，将海水放入升降桩腿5的内部，释放液压锁紧止动销8，当升降桩腿5内的海水到达船舶吃水线时，松开升降卷扬机一3的刹车装置，并开启升降卷扬机二10，升降桩腿5将在升降桩腿套筒4重力(包括压载物)及升降卷扬机二10 向下拉力的联合作用下、开始下降，再开启潜水压载泵6，海水将通过海底遥控阀一7继续吸入，可使升降桩腿5一直下降到海底。此时可关闭海底遥控阀一7(因桩靴处的开口有可能被海底遮蔽)，开启海底遥控阀二9，将海水继续吸入到升降桩腿5内部，直至灌满升降桩腿5。再关闭海底遥控阀二9，锁紧液压锁紧止动销8，关断升降卷扬机一3与升降卷扬机二10的开关并锁紧刹车装置，即完成桩腿下降至海底的程序。如果需要将船舶抬起，可释放液压锁紧止动销8，且松开升降卷扬机二10的刹车装置，开启升降卷扬机一3，可将整个船舶吊起到需要的位置。
3.3.2桩腿的上升
当试验任务完成、桩腿5需要上升复位时，可首先释放液压锁紧止动销8，释放升降卷扬机一3和升降卷扬机二10的刹车，将船体缓缓放下，直至到正常浮态。然后开启海底遥控阀二9，让桩腿5内的海水自动流出。当桩腿5内的水面与外海齐平之时，应开启潜水压载泵6，将桩腿5内的海水全部排空，依靠水对桩腿5的浮力，并开启升降卷扬机一3，将桩腿5吊起，再锁紧液压锁紧止动销8，即可恢复至正常的原始状态。
3.3.3桩靴被“吸住”或陷入淤泥之中时的自救措施。
如果海底有较厚的淤泥，使平台船陷入其中一定的深度，但不至于“完全沉没”，尚可通过自身的能力进行自救，这一阶段是该平台船的工作能力的限度。平台船排水量的大小、桩腿直径、长度、桩靴大小的选择，均要考虑此因素。
本专利所设想的“自救”方式是在桩靴底部及四周装置旋转切削刀片和“脉冲高压水”喷头，在桩靴底部及四周的旋转切削刀片，将粘附的淤泥切碎，同时喷出脉冲高压水，将吸附住桩腿与桩靴的淤泥冲开，然后将桩腿收回。
附图说明：
图1是：一种小型海洋平台自升式桩腿
图2是：一种小型自升式平台船的设计方案
该船用于浅海的地质勘探、海岸建筑、风电机等桩基工程的抗拉与抗压试验、风电机安装等。适用水深50m左右。采用4个自升式桩腿(本发明方案)。
图3是：一种小型自升式平台船的抗压静载荷试验装置
(本图是图2的A-A-A1-A1剖面示意图)由于抗压静载荷试验对试验桩而言要施加足够大的压力，需要将船体升高至水面以上，再吸入大量的压载水，用本发明的方案最为经济适用。
图4是：一种小型自升式平台船的抗拔静载荷试验装置
(本图是图2的A-A-A1-A1剖面示意图)抗拔静载荷试验对试验桩而言要施加与抗压试验相反的力，不需要将船体升高至水面以上，用本专利的方案更为简单。
标注说明：1、升降桩腿吊升滑轮；2、升降桩支架；3、升降卷扬机一；4、套筒；5、桩腿；6、潜水压载泵；7、海底遥控阀一；8、液压锁紧止动销；9、海底遥控阀二；10、升降卷扬机二；11、平台船船体；12、尾部360°全回转推进器；13、后桩腿；14、试验装置纵向轨道； 15、抗压静载荷试验装置；16、钻探机；17、前桩腿；18、侧推器；19、试验装置可升降立柱；20、试验装置主梁；21、传感器；22、千斤顶； 23、压力表；24、试验桩；25、桩靴；26、拉筋。
具体实施方式
下面根据船舶设计原理，给出一个使用4个桩腿的小型自升式平台船的设计实例，说明具体实施方式：
5.1设计说明
5.1.1船型、航区及用途
船型；本船为适应工程施工的需要，尾部为双尾，双尾之间有一块较大的开口水域。全船设4个圆柱形的自升式桩腿，首部为圆形。
航区：本船作为工程船，适用于中国沿海水深50m以下的海域；作为航行船舶，可航行(包括作业)于中国沿海3类海区。
用途：本船主要用于对海岸工程及海上风力发电机的塔架桩基等水工结构物进行抗压、抗拔试验，进行海上地质钻探。在配置吊机之后，可以进行海上风力发电设备的安装及维护。
5.1.2船舶的主要参数：
Figure GDA0003788069620000061
Figure GDA0003788069620000071
5.1.3桩腿(自升式)
本船共设计4个自升式桩腿，其参数如下：
Figure GDA0003788069620000072
5.1.4动力及定位系统
全电力推进。设主电站、应急电站、尾360°全回转推进器、首侧推器。定位系统为DP-2。
5.2抗压试验
5.2.1抗压试验程序：
按前述“桩腿的下降”程序，将4只桩腿均注满海水，使桩腿压向海底；先排干船舶内的压载水(以减轻船舶重量)；将船舶升起并脱离水面，锁紧船舶后，再将压载水注入，使桩腿对海底压力增大。
此时在调整好船舶位置(使抗压试验的主梁呈水平状态)以后，即可进行抗压静载荷的试验，设计压力设定在3000t左右。
5.2.2抗压试验的主要参数：
船舶理论最大排水量(假定上甲板被淹没，不含桩腿)
Δmax＝5136t
船舶理论最大重量(含桩腿内装满海水)
Wmax＝8475t
理论最大压力(假定水深50m,扣除桩腿浮力)
Wpmax＝6388t；
5.3抗拔试验:
5.3.1抗拔试验程序
按前述“桩腿的下降”程序，将4只桩腿均注满海水，使桩腿压向海底。抗拔试验时，不必将平台船抬出水面(除非是为了减小波浪的干扰)，可以在平台船在设计排水量状态下进行。
5.3.2抗压试验的主要参数：
理论最小拔力(假定水深50m)，应为设定的测试最大拔力加上扣除桩腿浮力后的桩腿重量：
设定的测试最大拔力为：
Pup0＝3000t
理论最小拔力为
Pupmin＝3000+1252＝4252t。

Claims (3)

1.一种小型海洋平台自升式桩腿的升降方法，其特征在于，所述的小型海洋平台自升式桩腿，是由4个部分构成，其一是套在平台的套筒内的钢质筒形的桩腿；其二是设置在桩腿内的潜水泵―阀箱系统，它是由潜水压载泵和阀箱系统组成；其三是与桩腿连接的卷扬机升降系统，所述卷扬机升降系统包括产生向上拉力的升降卷扬机一和产生向下拉力的升降卷扬机二；其四是桩腿的液压锁紧系统，所述液压锁紧系统包括液压锁紧止动销，其能够将桩腿与套筒锁紧在一定的位置；
所述的桩腿是水密型的，桩腿通过定滑轮、动滑轮组和钢缆与设置在平台上的升降卷扬机一和升降卷扬机二相连接，能够在套筒内自由上下滑动；能够一直下沉到海底，也能够被收到平台内；
所述的潜水泵―阀箱系统，设在桩腿的底部，通过阀箱中的阀门调节，当需要将桩腿下降到海底时，泵入海水，产生重力，加上桩腿和桩腿底部的桩靴及压载物的重量，再加上升降卷扬机二的拉力，实现整个桩腿降到海底；同样，调整相应的遥控阀件，也能够将桩腿内的海水排出桩腿外，利用桩腿产生的浮力及升降卷扬机一的牵引力将桩腿上升，收入平台内；
所述的潜水泵―阀箱系统包括设于桩腿底部的海底遥控阀一和设于桩腿中部的海底遥控阀二；所述海底遥控阀一和海底遥控阀二根据自动控制系统的要求，控制阀件的启闭；
当桩腿需要下降时，打开海底遥控阀一，将海水放入桩腿的内部，释放液压锁紧止动销，当桩腿内的海水到达船舶吃水线时，松开升降卷扬机一的刹车装置，并开启升降卷扬机二，桩腿将在桩腿套筒重力及升降卷扬机二向下拉力的联合作用下、开始下降，再开启潜水压载泵，海水将通过海底遥控阀一继续吸入，使桩腿一直下降到海底，此时关闭海底遥控阀一，开启海底遥控阀二，将海水继续吸入到桩腿内部，直至灌满桩腿；再关闭海底遥控阀二，锁紧液压锁紧止动销，关断升降卷扬机一与升降卷扬机二的开关并锁紧刹车装置，即完成桩腿下降至海底的程序；需要将船舶抬起，释放液压锁紧止动销，且松开升降卷扬机二的刹车装置，开启升降卷扬机一，将整个船舶吊起到需要的位置；
当桩腿需要上升复位时，首先释放液压锁紧止动销，释放升降卷扬机一和升降卷扬机二的刹车，将船体缓缓放下，直至到正常浮态；然后开启海底遥控阀二，让桩腿内的海水自动流出；当桩腿内的水面与外海齐平之时，开启潜水压载泵，将桩腿内的海水全部排空，依靠水对桩腿的浮力，并开启升降卷扬机一，将桩腿吊起，再锁紧液压锁紧止动销，即可恢复至正常的原始状态。
2.根据权利要求1所述的小型海洋平台自升式桩腿的升降方法，其特征在于，所述的卷扬机升降系统是由固定在平台甲板上的支架、升降卷扬机一、升降卷扬机二、滑轮组及牵引钢缆组成；升降卷扬机一和升降卷扬机二的机座设在支架的底部，与平台甲板连接在一起；牵引钢缆也分为二组，与升降卷扬机一和升降卷扬机二对应连接，升降卷扬机一的牵引钢缆的上端经过滑轮组的定滑轮与桩腿上端连接；升降卷扬机二的牵引钢缆的上端直接与桩腿上端连接。
3.根据权利要求1所述的小型海洋平台自升式桩腿的升降方法，其特征在于：所述的液压锁紧系统包括在套筒上设置的若干组液压油缸控制的液压锁紧止动销，当高压油进入油缸内时，液压锁紧止动销即可插入到桩腿预设的孔槽内，将桩腿与套筒锁紧，桩腿将被稳定在平台的一定位置。
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