CN109723076B - 一种自由式海底防沉板浅基础 - Google Patents

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Abstract

本发明属于海洋工程技术领域，涉及一种自由式海底防沉板浅基础。该自由式防沉板浅基础由下层基础、上层基础和顶部盖板三部分组成，上层基础上安装水下生产系统；下层基础底板坐底于海床表面，用于支撑防沉板浅基础及水下生产系统的重量；上层基础底部装有多个万向滚动球承，当上层基础受到海底管道因温压作用而产生的水平推力时，上层基础能在下层基础底板上表面水平运动，从而一定程度上减轻或释放海底管道因温压作用而产生的轴力，防止海底管道发生屈曲破坏。本发明能有效降低海底管道因高温高压输油而作用在自由式海底防沉板浅基础上的水平力，所以自由式海底防沉板浅基础的尺寸和重量得以减小，降低生产成本和对安装船只及吊装设备的要求。

Description

一种自由式海底防沉板浅基础
技术领域
本发明属于海洋工程技术领域，涉及一种自由式海底防沉板浅基础。
背景技术
海底防沉板浅基础用于支撑各种水下生产系统，如管汇、管跨保护装置、井口基盘、限流阀、隔离阀、管道终端等。与浅基础相连管道在高温高压输油时会发生轴向膨胀，从而施加给浅基础一个水平推力。传统设计中浅基础要能抵抗此水平推力，即在此水平推力作用下浅基础不会出现水平滑移。因此浅基础的尺寸要足够大以满足抗滑设计要求。
一般情况下，海底防沉板浅基础和海底管道均通过管道敷设船来进行安装，如果浅基础尺寸过大而超出了管道敷设船的装载或吊装能力，就需要另外的大型安装船只来安装防沉板浅基础，这极大提高了安装费用。为降低防沉板浅基础的尺寸和重量，出现了相容性防沉板浅基础。当管道因温压作用而施加在浅基础上的水平推力大于基础的水平抗滑力时，允许浅基础在海床表面发生水平滑动，从而使管道上的轴力得到一定程度的释放。当管道输油膨胀时，浅基础发生水平滑移；当管道结束输油时，浅基础又水平滑移至原始安装位置。
浅基础在海床表面水平滑移时，基底土体发生剪切变形，土体出现超孔压累积和应变软化，并伴随剪切沉降；当基础稳定在海床上时，基底土体开始排水固结，并伴随固结沉降。因此，在管道周期性输油-停止输油过程中，防沉板浅基础出现周期性水平滑移，浅基础基底-土体的相互作用非常复杂。且管道因温压作用而施加在浅基础上的水平推力可能会对浅基础产生弯矩和扭矩，导致基础转动和倾斜，甚至导致海底管道和水下生产系统的连接点位置出现破坏。
发明内容
为了克服上述不足、解决上述问题，本发明提出一种自由式海底防沉板浅基础，以减小管道因高温高压膨胀而作用在浅基础上的水平推力。一方面能减小浅基础尺寸和重量，降低生产和运输成本以及安装成本；另一方面能降低因高温高压膨胀而导致的管道屈曲破坏风险，并且可以避免上述相容性浅基础由于循环软化而导致的竖向沉降。
本发明的技术方案如下：
一种自由式海底防沉板浅基础，主要由下层基础1、上层基础2和顶部盖板3组成；所述的下层基础1坐底于海床表面，用于支撑自由式海底防沉板浅基础和水下生产系统4的重量；所述的顶部盖板3的底面与下层基础1的顶面相连，下层基础1的内部为空心结构，上层基础2位于下层基础1内部空间内，并在下层基础1内实现水平运动。
所述的下层基础1主要由底板11、挡板12和裙板14组成；所述的底板11下表面对称布设多个裙板14，裙板14嵌入海床土中，用于增加自由式海底防沉板浅基础的水平抗滑力和竖向承载力，并提高底板11的刚度；所述的挡板12固定在底板11上表面的四周，形成开口的空心方体结构；所述的挡板12的上表面对称布设多个螺孔a13，用于固定顶部盖板3。
所述的上层基础2主要由上部平板基础21、限位块24和万向滚动球承25组成；所述的上部平板基础21，其四周侧面对称安装有多个弹簧22，上部平板基础21的尺寸小于挡板12与底板11围成的空心方体结构的尺寸；所述的弹簧22，其一端连接上部平板基础21的侧面，另一端连接挡板12内侧；所述的上部平板基础21上对称设有多个定位销孔a23；所述的限位块24安装在上部平板基础21上表面的四角，用于限制上层基础2的运动方向；所述的万向滚动球承25安装在上部平板基础21的底部，万向滚动球承25的底部与底板11相接触；水下生产系统4安装在上部平板基础21的上表面，海底管道5的一端与水下生产系统4相通，用于输油；当上部平板基础21受到海底管道5因温压作用而产生的水平推力时，万向滚动球承25底部的球形体在底板11上滚动，从而使上部平板基础21实现水平移动，释放海底管道5因高温高压输油而引起的轴力。
所述的顶部盖板3主要由顶板31和吊环32组成；所述的顶板31为中间开口的平板，中间开口用于水下生产系统4和海底管道5从中伸出；所述的顶板31上设有多个螺孔b32，与挡板12上的螺孔a13相对应，通过螺钉8与螺孔b32和螺孔a13的配合，将顶板31固定在挡板12上；所述的顶板31上设有定位销孔b34，与上部平板基础21上的定位销孔a23相对应，通过定位销7与定位销孔b34和定位销孔a23的配合，将上层基础2与顶部盖板3固定连接；所述的吊环33对称布置在顶板31上表面，用于吊装顶板31以及安装和回收自由式海底防沉板浅基础。
所述的挡板12高度大于上部平板基础21、万向滚动球承25和限位块24的高度之和，当上层基础2置于底板11上时，挡板12顶面和限位块24顶面之间存在高差，使顶板31固定在挡板12上而不接触限位块24；安装顶板31后，顶板31底面与限位块24顶面之间留有间隙，间隙的尺寸满足以下原则：
a)所留间隙的尺寸保证上层基础2在底板11上水平运动而不受顶板31的影响；
b)在满足原则a)的前提下，所留间隙的尺寸使顶板31约束限位块24的竖向位移，避免上层基础2出现水平面以外的运动。
所述的弹簧22连接在上部平板基础21和挡板12之间，当上部平板基础21和挡板12之间没有相互作用力时，弹簧22保持原长；当上部平板基础21和挡板12之间有相互作用力时，上部平板基础21一侧的弹簧22受拉而另一侧的弹簧22受压；所述的弹簧22的压缩极限或拉伸极限不小于海底管道5在温压作用下的最大变形量；所述的弹簧22的刚度满足：当弹簧22处于极限压缩或极限拉伸长度时，对应的弹簧回复力不超过自由式海底防沉板浅基础的水平抗滑力，且不超过海底管道5的屈曲压力。
所述的挡板12内侧安装有阳极保护装置15，防止自由式海底防沉板浅基础在海水环境中锈蚀。
所述的水下生产系统4和上部平板基础21之间设有由弹簧和阻尼器组成的减振装置6，用于减少水下生产系统4工作时的振动对海底管道5的影响，同时降低水下生产系统4工作时的振动导致基底土体循环扰动。
所述的裙板14为栅格形裙板、圆柱形短桩或吸力筒。
所述的挡板12与底板11的固定方式为焊接、铆接或螺钉连接。
所述的弹簧22通过螺栓或铆钉的连接方式与上部平板基础21和挡板12连接。
所述的万向滚动球承25与上部平板基础21之间通过螺栓或铆钉连接，万向滚动球承25的尺寸和个数根据实际需求确定。
所述的限位块24为万向滚动球承。
在自由式海底防沉板浅基础安装过程中，定位销7穿过顶板31上的定位销孔b 34和上层基础2上的定位销孔a 23以固定上层基础2；安装结束后，通过水下机器人ROV将定位销7拔出，允许上层基础2在底板11上水平滑动；
在自由式海底防沉板浅基础回收时，通过水下机器人ROV将定位销7穿过顶板31上的定位销孔b 34和上层基础2上的定位销孔a 23以固定上层基础2，防止上层基础2在挡板12和底板11之间形成的半封闭空间内运动；回收后的自由式海底防沉板浅基础可重复利用，因此本发明的自由式防沉板浅基础是一种环境友好型海底浅基础。
本发明有益效果：本发明中提出的自由式海底防沉板浅基础，较传统防沉板基础尺寸小，能降低生产成本；该自由式海底防沉板浅基础能直接用管道敷设船来运输和安装，显著降低了运输和安装费用；该自由式海底防沉板浅基础允许上层基础水平滑动而下层基础保持静止，能有效减小管道因高温高压作用而施加在浅基础上的水平推力，并且管道因高温高压输油而产生的轴力能得到一定程度的释放，从而降低管道发生屈曲破坏的风险；上层基础上设置的弹簧-阻尼器组成的减振系统能有效降低设备振动对基底土体的扰动，避免土性降低。由于下层基础与基底土体之间没有相对运动，可以避免前述相容性浅基础由于循环软化而导致的竖向沉降。
附图说明
图1为自由式海底防沉板浅基础装配示意图。
图2a为下层基础示意图。
图2b为上层基础示意图。
图2c为顶部盖板示意图。
图3a为自由式海底防沉板浅基础俯视图。
图3b为自由式海底防沉板浅基础A-A截面剖面图。
图3c为自由式海底防沉板浅基础B-B截面剖面图。
图4为上层基础底的万向滚动球承结构图。
图5a和图5b为底板下部栅格形裙板示意图。
图5c和图5d为底板下部短桩示意图。
图中：1下层基础；2上层基础；3顶部盖板；4水下生产系统；5海底管道；6减振装置；7定位销；8螺钉；11底板；12挡板；13螺孔a；14裙板；15阳极保护装置；21上部平板基础；22弹簧；23定位销孔a；24限位块；25万向滚动球承；31顶板；32螺孔b；33吊环；34定位销孔b。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
1、自由式海底防沉板浅基础
图1、图2a～2c、图3a～3c为自由式海底防沉板浅基础示意图，主要由下层基础1、上层基础2和顶部盖板3组成；所述的下层基础1包括底板11、挡板12和裙板14，所述的底板11坐底于海床表面，用于支撑自由式防沉板浅基础和水下生产系统4的重量；所述的底板11下部布设裙板14，所述的裙板14嵌入海床土中，用于增加自由式海底防沉板浅基础的水平抗滑力和竖向承载力，进而提高自由式海底防沉板浅基础的在位稳定性，所述的裙板14也用于提高底板11的刚度；所述底板11的尺寸要满足承载力设计要求，自由式海底防沉板浅基础的极限承载力可由式(1)表示：
Fu＝NcsumA (1)
式中，Fu为自由式海底防沉板浅基础的竖向极限承载力，Nc为承载力系数，与底板11的长宽比、裙板14尺寸和布置方式、土体非均质度系数等有关，sum为海床表层土的不排水抗剪强度，A为底板的面积。一般来说，自由式海底防沉板浅基础及上部的水下生产系统4的重量总和W应不超过0.5Fu。所以，根据自由式海底防沉板浅基础及水下生产系统4的重量以及式(1)即可确定底板11的尺寸。
所述的挡板12固定于底板11上，挡板12和底板11通过焊接、铆接、螺钉连接等方式固定；所述的挡板12内侧安装阳极保护装置15，防止自由式海底防沉板浅基础在海水环境中锈蚀。
所述的上层基础2包括上部平板基础21、限位块24和万向滚动球承25组成；所述的上部平板基础21用于支撑水下生产系统4；所述的上部平板基础21四周连接有弹簧22，所述的弹簧22一端连接上部平板基础21，另一端连接挡板12；当上部平板基础21和挡板12之间没有相互作用力时，弹簧22保持原长；当上部平板基础21和挡板12之间有相互作用力时，上部平板基础21一侧的弹簧22受拉而另一侧的弹簧22受压；所述弹簧22通过螺栓、铆钉等连接到上部平板基础21和挡板12上。
与水下生产系统4相连的海底管道5在高温高压输油过程中的膨胀量可由式(2)计算：
Δl＝αl·l·ΔT (2)
式中，Δl为长度为l的管道的膨胀量，αl为管道的线膨胀系数，ΔT为管道输油时温度与海底温度之差；所述的弹簧22的极限压缩量或极限伸长量要不小于海底管道5在温压作用下的最大伸长量。
所述的弹簧22的刚度应满足如下要求：当弹簧22处于极限压缩或极限拉伸长度时，对应的弹簧回复力不超过自由式海底防沉板浅基础的水平抗滑力FH；
弹簧的极限回复力表达式可由式(3)来表示：
Fs,u＝kΔdu (3)
式中，Fs,u为弹簧在极限拉伸或极限压缩时对应的回复力，k为弹簧刚度，Δdu为弹簧的极限拉伸或极限压缩长度。
所述弹簧22的刚度还应满足如下要求：当弹簧22处于极限压缩或极限拉伸长度时，对应的弹簧回复力不超过海底管道5的屈曲压力。
海底管道5在温压作用下的变形量与弹簧回复力之间的关系如式(4)所示：
Figure BDA0001917207120000071
式中，FN为弹簧的回复力，E为管道的弹性模量，A为管道的横截面积。当海底管道5处于最大伸长量时，弹簧回复力FN＝Fs,u应不超过海底管道5的屈曲压力，如式(5)所示：
Fs,u≤[Fbuckling] (5)
式中，Fbuckling为管道的屈曲压力；需要说明的是，式(3)和式(4)中，k为弹簧的总刚度，应根据公式(3)和(4)并结合实际需求确定弹簧22的数量。
自由式海底防尘板浅基础的水平抗滑力由底板11和裙板14两部分提供，根据裙板14尺寸、土强度、底板11面积等因素确定。
所述的上部平板基础21上设有定位销孔a 23，用于自由式海底防沉板浅基础安装和回收过程中固定上层基础2。
所述的上部平板基础21底部安装有多个万向滚动球承25，如图4所示；所述的万向滚动球承25由球形体、球承座、球承盖、小球贮存仓和小球组成，球形体能在各个方向自由滚动；所述的万向滚动球承25与上部平板基础21通过螺栓、铆钉等方式连接；所述的万向滚动球承25的尺寸和个数根据实际需要选择；所述的万向滚动球承25置于底板11之上，当上部平板基础21受到海底管道5因温压作用而产生的水平推力时，固定在上部平板基础21底部的万向滚动球承25会在底板11上滚动，从而使上部平板基础21实现水平移动，在一定程度上释放连接在上部平板基础21上的海底管道5因高温高压输油而引起的轴力。
所述的上部平板基础21上表面四角安装有4个万向滚动球承做为限位块24，所述的限位块24用于限制上层基础2在水平面之外的运动。
所述的顶部盖板3包括顶板31和吊环32组成，所述顶板31为一中间开口的平板，以保证水下生产系统4和海底管道5能从中间开口中伸出；所述的顶板31上设有与挡板12上螺孔a13相匹配的螺孔b32，顶板31由螺钉8穿过螺孔b32和螺孔a13固定在挡板12上；所述顶板31上设有与上部平板基础21上定位销孔a23相匹配的定位销孔b34，用于自由式防沉板浅基础安装和回收过程中固定上层基础2；所述的顶板31上对称布置多个吊环33，用于吊装顶板31，也用于安装和回收自由式海底防沉板浅基础。
所述的挡板12的高度要大于上部平板基础21、万向滚动球承25和限位块24的高度之和，当上层基础2置于底板11之上时，挡板12顶面和限位块24顶面之间存在一个高差，保证顶板31能固定在挡板12上而不会接触限位块24；连接顶板31之后，顶板31底面和限位块24顶面之间留有一个间隙，间隙的尺寸满足如下原则：
a)所留间隙的尺寸要保证上层基础2能在底板11上水平运动而不受顶板31的影响；
b)在满足原则a)的前提下，所留间隙的尺寸足够小，使顶板31能约束限位块24的竖向位移，避免上层基础2出现水平面以外的运动(例如：在弯矩荷载作用下上层基础2一端倾斜翘起)。
所述的裙板14嵌入海床土中用于提高自由式海底防沉板浅基础的水平抗滑力和竖向承载力，裙板14有多种设计形式，例如栅格形裙板、圆柱形短桩、吸力筒；图5a和图5b、图5c和图5d，所示底板11底部分别设有栅格形裙板和圆柱形短桩，二者都是为了增加自由式海底防沉板浅基础的水平抗滑力和竖向承载力，进而提高基础的在位稳定性。
所述的水下生产系统4和上部平板基础21之间连接有由弹簧和阻尼器组成的减振装置6，所述的减振装置6用于减少水下生产系统4工作时的振动对海底管道5的影响，也用于减少水下生产系统4工作时的振动导致基底土体循环扰动；弹簧和阻尼器的参数要根据上部设备的具体参数来设计。
2、安装过程
本发明自由式海底防沉板浅基础的安装步骤如下：
a)将上层基础2置于下层基础1的底板11上，用弹簧22连接上部平板基础21和挡板12；将顶板31吊装至挡板12上，顶板31和挡板12用螺栓8固定；用定位销7穿过顶板31上的定位销孔b 34和上层基础2上的定位销孔a 23来固定上层基础2；
b)借助管道敷设船上的吊装系统进行自由式海底防沉板浅基础安装，可采用两种吊装方式，竖直吊装(底板11长边和短边所在平面为竖直平面)和水平吊装(底板11长边和短边所在的平面为水平面)，根据实际情况选择合适的吊装方式；
c)完成安装后，通过水下机器人ROV将定位销7拔出，允许上层基础2在底板11上水平滑动；
d)开启阳极保护装置15，防止自由式海底防沉板浅基础在海水环境中锈蚀。
3、回收过程
本发明自由式海底防沉板浅基础的回收步骤如下：
a)将定位销7穿过顶板31上的定位销孔b 34和上层基础2上的定位销孔a 23以固定上层基础2；
b)将吊装绳系到吊环33上，回收自由式海底防沉板浅基础；回收后的防沉板浅基础可重复利用，是一种环境友好型海底浅基础。

Claims (10)

1.一种自由式海底防沉板浅基础，其特征在于，所述的自由式海底防沉板浅基础主要由下层基础(1)、上层基础(2)和顶部盖板(3)组成；所述的下层基础(1)坐底于海床表面，用于支撑自由式海底防沉板浅基础和水下生产系统(4)的重量；所述的顶部盖板(3)的底面与下层基础(1)的顶面相连，下层基础(1)的内部为空心结构，上层基础(2)位于下层基础(1)内部空间内，并在下层基础(1)内实现水平运动；
所述的下层基础(1)主要由底板(11)、挡板(12)和裙板(14)组成；所述的底板(11)下表面对称布设多个裙板(14)，裙板(14)嵌入海床土中，用于增加自由式海底防沉板浅基础的水平抗滑力和竖向承载力，并提高底板(11)的刚度；所述的挡板(12)固定在底板(11)上表面的四周，形成开口的空心方体结构；所述的挡板(12)的上表面对称布设多个螺孔a(13)，用于固定顶部盖板(3)；
所述的上层基础(2)主要由上部平板基础(21)、限位块(24)和万向滚动球承(25)组成；所述的上部平板基础(21)，其四周侧面对称安装有多个弹簧(22)，上部平板基础(21)的尺寸小于挡板(12)与底板(11)围成的空心方体结构的尺寸；所述的弹簧(22)，其一端连接上部平板基础(21)的侧面，另一端连接挡板(12)内侧；所述的上部平板基础(21)上对称设有多个定位销孔a(23)；所述的限位块(24)安装在上部平板基础(21)上表面的四角，用于限制上层基础(2)的运动方向；所述的万向滚动球承(25)安装在上部平板基础(21)的底部，万向滚动球承(25)的底部与底板(11)相接触；水下生产系统(4)安装在上部平板基础(21)的上表面，海底管道(5)的一端与水下生产系统(4)相通，用于输油；当上部平板基础(21)受到海底管道(5)因温压作用而产生的水平推力时，万向滚动球承(25)底部的球形体在底板(11)上滚动，从而使上部平板基础(21)实现水平移动，释放海底管道(5)因高温高压输油而引起的轴力；
所述的顶部盖板(3)主要由顶板(31)和吊环(32)组成；所述的顶板(31)为中间开口的平板，中间开口用于水下生产系统(4)和海底管道(5)从中伸出；所述的顶板(31)上设有多个螺孔b(32)，与挡板(12)上的螺孔a(13)相对应，通过螺钉(8)与螺孔b(32)和螺孔a(13)的配合，将顶板(31)固定在挡板(12)上；所述的顶板(31)上设有定位销孔b(34)，与上部平板基础(21)上的定位销孔a(23)相对应，通过定位销(7)与定位销孔b(34)和定位销孔a(23)的配合，将上层基础(2)与顶部盖板(3)固定连接；所述的吊环(33)对称布置在顶板(31)上表面，用于吊装顶板(31)以及安装和回收自由式海底防沉板浅基础。
2.根据权利要求1所述的一种自由式海底防沉板浅基础，其特征在于，所述的挡板(12)高度大于上部平板基础(21)、万向滚动球承(25)和限位块(24)的高度之和，当上层基础(2)置于底板(11)上时，挡板(12)顶面和限位块(24)顶面之间存在高差，使顶板(31)固定在挡板(12)上而不接触限位块(24)；安装顶板(31)后，顶板(31)底面与限位块(24)顶面之间留有间隙，间隙的尺寸满足以下原则：
a)所留间隙的尺寸保证上层基础(2)在底板(11)上水平运动而不受顶板(31)的影响；
b)在满足原则a)的前提下，所留间隙的尺寸使顶板(31)约束限位块(24)的竖向位移，避免上层基础(2)出现水平面以外的运动。
3.根据权利要求1或2所述的一种自由式海底防沉板浅基础，其特征在于，所述的弹簧(22)的压缩极限或拉伸极限不小于海底管道(5)在温压作用下的最大变形量；所述的弹簧(22)的刚度满足：当弹簧(22)处于极限压缩或极限拉伸长度时，对应的弹簧恢复力不超过自由式海底防沉板浅基础的水平抗滑力，且不超过海底管道(5)的屈曲压力。
4.根据权利要求1或2所述的一种自由式海底防沉板浅基础，其特征在于，所述的挡板(12)内侧安装有阳极保护装置(15)，防止自由式海底防沉板浅基础在海水环境中锈蚀。
5.根据权利要求3所述的一种自由式海底防沉板浅基础，其特征在于，所述的挡板(12)内侧安装有阳极保护装置(15)，防止自由式海底防沉板浅基础在海水环境中锈蚀。
6.根据权利要求1或2所述的一种自由式海底防沉板浅基础，其特征在于，所述的水下生产系统(4)和上部平板基础(21)之间设有由弹簧和阻尼器组成的减振装置(6)，用于降低水下生产系统(4)工作时的振动导致基底土体循环扰动。
7.根据权利要求3所述的一种自由式海底防沉板浅基础，其特征在于，所述的水下生产系统(4)和上部平板基础(21)之间设有由弹簧和阻尼器组成的减振装置(6)，用于降低水下生产系统(4)工作时的振动导致基底土体循环扰动。
8.根据权利要求4所述的一种自由式海底防沉板浅基础，其特征在于，所述的水下生产系统(4)和上部平板基础(21)之间设有由弹簧和阻尼器组成的减振装置(6)，用于降低水下生产系统(4)工作时的振动导致基底土体循环扰动。
9.根据权利要求1或2所述的一种自由式海底防沉板浅基础，其特征在于，所述的裙板(14)为栅格形裙板、圆柱形短桩或吸力筒；所述的限位块(24)为万向滚动球承。
10.根据权利要求9所述的一种自由式海底防沉板浅基础，其特征在于，所述的挡板(12)与底板(11)的固定方式为焊接、铆接或螺钉连接；
所述的弹簧(22)通过螺栓或铆钉的连接方式与上部平板基础(21)和挡板(12)连接；
所述的万向滚动球承(25)与上部平板基础(21)之间通过螺栓或铆钉连接，万向滚动球承(25)的尺寸和个数根据实际需求确定。
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