CN109371948A - 一种破冰防冰立柱 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种破冰防冰立柱，涉及海洋工程技术领域，破冰防冰立柱包括：倾斜曲面，位于立柱上部，用于立柱使用时置于作业吃水位置，倾斜曲面包括内凹曲面和外凸曲面，内凹曲面和外凸曲面交替相间平滑连接；以及水平台面，与倾斜曲面的下端连接。本发明具有所受冰荷载低、制造成本低的优点，可以用于北极冰区钻井作业也可以用于其他无冰海域的钻井作业，具有较强的海域适应性。

Description

一种破冰防冰立柱

技术领域

本发明涉及海洋工程技术领域，具体涉及一种破冰防冰立柱。

背景技术

随着常规油气资源的储量替代率降低和全球能源消耗的增加，人们迫切需要找到新的油气储量来满足全球油气需求。据统计尚未开发的北极海洋油气资源约占全球剩余未开采的油气资源总量的30%。开发北极海洋油气资源将是解决未来资源短缺的重要手段。

目前北极海洋油气勘探开发活动尚不多见，主要原因是缺少可以在北极有冰海域作业的工程装备。对钻井作业来讲，目前常规钻井平台不具备抵御冰荷载作用的能力，只能在夏季无冰季节作业。由于北极海域夏季无冰季节只有2个月，且北极距离有较好基础设施的城市距离很远，船舶资源动复员周期长，因此常规钻井平台赴北极作业效率低，作业时间窗口很短，成本很高，导致很多勘探项目无法正常进行。为了开展更多的北极勘探活动，工业界迫切需要具有一定冰荷载抵御能力，可以在北极冬季作业的钻井装备。

北极严酷的自然条件对海上钻井装备具有严峻的技术挑战，其中之一就是海冰。北极的海冰有当年冰和多年冰等不同的海冰类型。其中当年冰可以达到1-2米厚度，多年冰则可以达到10-20米厚。海冰在移动的过程中，会对结构产生巨大的荷载作用。现有的工程经验表明，多年冰作用在海洋工程结构上，造成的水平推力可以达到10万吨的数量级，远远超出了半潜式钻井平台系泊定位系统能够承受的荷载水平。但由于钻井作业有时候只需要几个月的时间，可以选择在夏季和春秋季节海冰并不是十分严重，海面只有当年冰的情况下开展作业活动。

例如，US3939789中提供了一种在冰中作业的钻井船，该船在船头区域中配备有可沉入到水中的舱室。另外，设置有在冰面上方平坦地伸出的船头。由于开口相对较大，这种船头的水密舱或平衡水舱可以在甲板区域和侧面区域中迅速灌满水，从而使船头相对于普通吃水线发生下沉，并且通过这种方式将处在船头下方的冰打破，达到破冰的效果。再例如，US3872814中提供了一种带有钻塔的船身，钻塔处在带有两个侧面的管状浮体的漂浮的半潜入式装置上。在船尾和船头处该浮体配备有灌水区域，可以通过向船头舱室灌水来实现下沉并且同时对冰面或浮冰进行破冰。通过周期性地排空船头舱室和灌满船尾舱室可以更有利地实现破冰效果。上述破冰设备均采用上浮、下沉等的运动来实现破冰效果，但是，存在所需的压缩空气系统构造费用相对较高的问题以及灌水舱结冰的危险。

另外，常规半潜式钻井平台只考虑了风浪、海流的作用，而没有考虑海冰荷载的作用，因此平台的系泊定位系统及结构强度均无法满足海冰作用下的安全作业需求。海冰对半潜式钻井平台的影响主要有三个方面，其一是海冰会与平台立柱发生作用，产生较大的冰荷载，这些冰荷载最终将传递到平台的系泊定位系统上去。过大的冰荷载会使平台发生较大的侧向位移，使平台无法满足作业要求，并且如果海冰荷载过大，还会使系泊系统受力超出最小拉断力，造成系泊系统断裂的灾害性后果。其二是海冰对半潜式钻井平台的钻井立管也会造成严重影响。由于钻井立管管径相对立管长度很小，结构细长，侧向刚度很小，承受侧向荷载能力有限，海冰不可以直接作用在钻井立管上。其三是海冰对半潜式钻井平台的锚链系统也会造成严重影响。如果海冰直接挤压在锚链上，会导致锚链受到额外的荷载作用，造成锚链结构的损伤。此外，海冰作用在锚链结构上也会影响锚链的收放操作，对钻井平台的生产作业造成不利影响。

发明内容

因此，本发明实施例要解决的技术问题在于现有技术中的破冰防冰设备制造成本高、立柱所受冰荷载较大。

为此，本发明实施例的一种破冰防冰立柱，包括：

倾斜曲面，位于立柱上部，用于立柱使用时置于作业吃水位置，倾斜曲面包括内凹曲面和外凸曲面，内凹曲面和外凸曲面交替相间平滑连接；以及

水平台面，与倾斜曲面的下端连接。

优选地，还包括：

凸起体，阵列排布连接位于倾斜曲面上。

优选地，所述凸起体的形状为圆锥。

优选地，每条所述凸起体的阵列排列成为一条平滑的曲线，曲线为第一交点和第二交点连接形成的平滑曲线和/或内凹曲面的最凹处母线，所述第一交点为外凸曲面的最凸处母线与立柱上端面的交点，所述第二交点为外凸曲面的最凸处母线与水平台面的交点。

本发明实施例的技术方案，具有如下优点：

1.本发明实施例提供的破冰防冰立柱，通过设置倾斜曲面可以使海冰发生弯曲破碎为主，从而极大地降低了立柱所受的冰荷载，提高了立柱所支撑平台的系泊定位能力，避免系泊定位系统受力超出最小拉断力而造成的系泊系统断裂的灾害性后果。通过设置内凹和外凸曲面，这种内凹和外凸连续变化，增加了倾斜面的面积，从而进一步降低了立柱所受的冰荷载，并且立柱结构相对简单，制造成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中破冰防冰立柱的一个具体示例的结构示意图；

图2为本发明实施例1中倾斜曲面的一个具体示例的结构示意图。

附图标记：1-倾斜曲面，11-内凹曲面，12-外凸曲面，2-水平台面，3-凸起体，4-曲线，41-第一交点，42-第二交点，101-破冰防冰立柱。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，本文所用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并非旨在限制本发明。除非上下文明确指出，否则如本文中所使用的单数形式“一”、“一个”和“该”等意图也包括复数形式。使用“包括”和/或“包含”等术语时，是意图说明存在该特征、整数、步骤、操作、元素和/或组件，而不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元素、组件、和/或其他组合的存在或增加。术语“和/或”包括一个或多个相关列出项目的任何和所有组合。术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供一种破冰防冰立柱，可用于极地冰区对海冰的破冰防冰，可抵抗北极海冰荷载作用。破冰防冰立柱分为上下两段，上段为倾斜结构，下段为竖直结构，倾斜是相对于竖直来解释理解的，倾斜结构置于作业吃水位置，海冰发生弯曲破碎为主，有利于抵御海冰作用。如图1所示，破冰防冰立柱包括：倾斜曲面1和水平台面2等。

倾斜曲面1位于立柱上部，即上段倾斜结构的表面，用于立柱使用时置于作业吃水位置，立柱的多侧表面中可以只有一侧表面为倾斜曲面，也可以是两个以上的多侧表面为倾斜曲面，用于多方向来抵御海冰作用，倾斜曲面1包括内凹曲面11和外凸曲面12，内凹曲面11和外凸曲面12交替相间平滑连接。优选地，内凹曲面11和外凸曲面12都可以是倾斜放置的柱面，内凹曲面11为向立柱内部凹陷的柱面，外凸曲面12为向立柱外部突出的柱面。内凹曲面11也可以是双曲面，外凸曲面12为两双曲面之间的平滑连接曲面。水平台面2与倾斜曲面1的下端连接，为倾斜曲面1向下延伸时提供一个钝角的向外弯折，水平台面2可以作为立柱下段竖直结构的上端面或上端面中的一部分。沿着海面漂浮移动的海冰的力使得海冰沿倾斜曲面向下滑动，随着向下滑动进而使得海冰前端发生断裂，断裂形成的裂冰和小碎冰由于水平台面2的阻挡和引导，会阻断其继续下沉或进入到立柱所围区域内。

上述破冰防冰立柱，通过设置倾斜曲面可以使海冰发生弯曲破碎为主，从而极大地降低了立柱所受的冰荷载，提高了立柱所支撑平台的系泊定位能力，避免系泊定位系统受力超出最小拉断力而造成的系泊系统断裂的灾害性后果。通过设置内凹和外凸曲面，这种内凹和外凸连续变化，增加了倾斜面的面积，从而进一步降低了立柱所受的冰荷载，并且立柱结构相对简单，制造成本低。

优选地，如图2所示，破冰防冰立柱还包括：凸起体3等。凸起体3相对于倾斜曲面1为一种较小的个体，在倾斜曲面1上可以排布很多的凸起体3。凸起体3阵列排布连接位于倾斜曲面1上。优选地，凸起体3的形状为圆锥。通过设置凸起体，尤其是圆锥，可以进一步增加倾斜面面积，增大弯曲破碎海冰接触面，进一步提高了弯曲破碎力，降低了立柱所受的冰荷载。圆锥的锥顶可以为圆顶，也可以为尖顶。当为尖顶时，可以提供明显棱角，对波浪形成破碎作用，防止冰浪的周期性冲击对立柱造成结构破坏，提高了立柱的抗冲击能力。圆锥的尖顶还可以增强对海冰的力，使海冰更容易产生裂缝，从而减小使海冰断裂的力，进一步可降低立柱所受冰荷载。

优选地，如图2所示，每条凸起体3的阵列排列成为一条平滑的曲线4，曲线4为第一交点41和第二交点42连接形成的平滑曲线和/或内凹曲面11的最凹处母线，包括：第一交点41、第二交点42、第一交点41顺次连接形成的曲线，第二交点42、第一交点41、第二交点42顺次连接形成的曲线，外凸曲面12的最凸处母线，以及内凹曲面11的最凹处母线。第一交点41为外凸曲面12的最凸处母线与立柱上端面的交点，第二交点42为外凸曲面12的最凸处母线与水平台面2的交点。通过凸起体排列成曲线，形成棱线，从而加强了对波浪形成破碎作用，防止冰浪的周期性冲击对立柱造成结构破坏，进一步提高了立柱的抗冲击能力。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种破冰防冰立柱，其特征在于，包括：

倾斜曲面（1），位于立柱上部，用于立柱使用时置于作业吃水位置，倾斜曲面（1）包括内凹曲面（11）和外凸曲面（12），内凹曲面（11）和外凸曲面（12）交替相间平滑连接；以及

水平台面（2），与倾斜曲面（1）的下端连接。

2.根据权利要求1所述的破冰防冰立柱，其特征在于，还包括：

凸起体（3），阵列排布连接位于倾斜曲面（1）上。

3.根据权利要求2所述的破冰防冰立柱，其特征在于，所述凸起体（3）的形状为圆锥。

4.根据权利要求2或3所述的破冰防冰立柱，其特征在于，每条所述凸起体（3）的阵列排列成为一条平滑的曲线（4），曲线（4）为第一交点（41）和第二交点（42）连接形成的平滑曲线和/或内凹曲面（11）的最凹处母线，所述第一交点（41）为外凸曲面（12）的最凸处母线与立柱上端面的交点，所述第二交点（42）为外凸曲面（12）的最凸处母线与水平台面（2）的交点。