CN109763473B - 一种水下支撑系统及深水海床静力触探设备 - Google Patents

Abstract

本文公布了一种水下支撑系统及深水海床静力触探设备，水下支撑系统包括：桅杆单元，桅杆单元垂直基座设置；固定支架单元，固定支架单元固定在基座上，桅杆单元通过固定支架单元固定在基座上；水平支撑单元桅杆单元通过支撑单元与钢缆连接；铠装电缆单元，铠装电缆单元的两端分别与基座和探杆的线缆连接；浮框单元，浮框单元设置在桅杆单元的上侧。深水海床静力触探设备包括上述水下支撑系统。本文涉及海洋工程地质勘察领域，提供了一种水下支撑系统及深水海床静力触探设备，克服现存的水下支撑系统笨重且安装效率低的问题，采用结构更加简单的水下支撑系统，可减小系统重量，降低安装难度，还可降低腐蚀变形断裂的风险。

Description

一种水下支撑系统及深水海床静力触探设备

技术领域

本发明涉及海洋工程地质勘察领域，尤其涉及一种水下支撑系统及深水海床静力触探设备。

背景技术

深水海床CPT(圆锥孔压静力触探)一般由基板系统、水下支撑系统、驱动单元、测试单元、数据传输单元和甲板单元组成。CPT的基板系统设备通过钢缆吊入海底，通过CPT的基座稳定坐在海床上，通过水下支撑系统在竖直方向保证探杆垂直海底，通过电力或液压驱动探杆，CPT探头(内部安装诸多传感器)以匀速(行业标准为2cm/s)贯入被测试的海底土体进行原位测试，以反映不同层次的土质特征。

目前，现有的深水海床CPT水下支撑系统均采用全金属支架结构，主要是铝合金和镀锌管等钢质材料，在实际生产应用中发现系统存在笨重、组装方式繁琐，工人劳动强度大，需要进行吊装等特种许可作业，作业耗时长且结构材料在海水工况下易腐蚀、变形断裂等现象，属于高风险，高强度，低效率的作业方式，且作业过程中存在不安全和不可控的一些不利因素。例如荷兰范登堡公司的ROSON系列和辉固集团公司研制的重型海床CPT测试设备都存在如上问题。

发明内容

本发明提供一种水下支撑系统及深水海床静力触探设备，克服现存的水下支撑系统笨重且安装效率低的问题，采用结构更加简单的水下支撑系统，可减小系统重量，降低安装难度，还可降低腐蚀变形断裂的风险。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种水下支撑系统，其下端与静力触探的基座固定，用以保持探杆垂直于海底，所述基座设置有多条向上延伸的钢缆，所述水下支撑系统夹在相邻两所述钢缆之间，并与所述钢缆连接；所述水下支撑系统包括：

桅杆单元，所述桅杆单元垂直所述基座设置，用以导向探杆；

固定支架单元，所述固定支架单元固定在所述基座上，所述桅杆单元通过固定支架单元固定在所述基座上；

水平支撑单元，所述桅杆单元通过所述水平支撑单元与所述钢缆连接，用以水平方向限定所述桅杆单元；

铠装电缆单元，所述铠装电缆单元的两端分别与所述基座和所述探杆的线缆连接；

浮框单元，所述浮框单元设置在所述桅杆单元的上侧，用以悬吊所述铠装电缆单元而保持所述铠装电缆单元处于张紧状态。

一种可能的设计，所述浮框单元上设置有滑轮单元，所述铠装电缆单元挂吊在所述滑轮单元上。

一种可能的设计，所述桅杆单元包括一个或多个用于探杆穿通的主管，以及第一法兰，所述第一法兰设置在所述主管的两端。

一种可能的设计，所述铠装电缆单元包括铠装电缆、冗余电缆收纳套管和承重头，所述铠装电缆一端通过所述承重头与探杆的电缆连接，另一端连接在所述基座的电子仓上，且冗余的所述铠装电缆缠绕收纳在所述冗余电缆收纳套管内。

一种可能的设计，所述固定支架单元包括支架主体、第二法兰和第一导向器，所述支架主体的下端与所述基座固定，所述第二法兰设置在支架主体的中心，用以与所述桅杆单元连接；两个所述第一导向器设置在所述支架主体的长度方向的两端，用以连接所述钢缆。

一种可能的设计，所述水平支撑单元包括主体管、连接件和第二导向器，所述主体管与主管同轴设置，所述主体管的两侧设置有连接件，所述连接件通过第二导向器与所述钢缆连接。

一种可能的设计，所述浮框单元包括浮框主体，以及所述浮框主体内的浮力材料块，所述浮框主体的长度方向两端设置有连接所述钢缆的连接环。

一种可能的设计，所述滑轮单元活动连接在所述浮框单元上，且沿所述浮框单元的长度方向滑动。

一种可能的设计，所述主管、主体管和连接件都为碳纤维复合材料管，所述第一法兰为钛合金法兰。

一种可能的设计，所述浮框主体通过柔性连接件连接所述连接环，所述连接环上设置有浮球。

本发明还公开了一种深水海床静力触探设备，包括上述水下支撑系统。

本发明的有益效果：

本发明的水下支撑系统结构简单，可大大减小系统的重量，且明显降低安装难度。

本发明的桅杆单元、固定支架单元和水平支撑单元可为探杆动作提供导向和支撑，能够保证探杆稳定作业。

本发明的浮框单元在海水中随钢缆能够平稳升降和暂停，铠装电缆通讯良好，没有滑脱、缠绕、通讯中断等故障。

本发明的水下支撑系统采用碳纤维复合材料或钛合金材料，防止出现腐蚀、变形断裂等现象，可靠性高，大大降低了深水海床静力触探作业过程中的安全风险。

本发明的滑轮单元能够保证浮框单元在海水中随钢缆平稳升降、暂停，有效防止穿过尼龙滑轮的铠装电缆在海水中摆动、缠绕。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

图1为水下支撑系统示意图；

图2为固定支架单元示意图；

图3为第一导向器示意图；

图4为桅杆单元示意图；

图5为水平支撑单元示意图；

图6为铠装电缆单元示意图；

图7为浮框单元示意图；

图8为浮框主体示意图；

图9为滑轮单元示意图；

图10为滑轮单元与浮框主体装配示意图。

附图标记：1-基座、2-固定支架单元、3-水平支撑单元、4-桅杆单元、5-浮框单元、6-钢缆、7-铠装电缆单元、8-第一导向器、9-第二法兰、10-第一接头、11-第二接头、12-浮框主体、13-浮力材料块、14-滑轮单元、15-主管、16-第一法兰、17-套筒、18-U型销、19-主体管、20-连接件、21-第二导向器、22-连接环、23-柔性连接件、24-浮球、25-铠装电缆、26-冗余电缆收纳套管、27-承重头、28-滑轮支架、29-滑轮、30-扣合支架、31-转轴、32-第一支脚、33-第一螺栓、34-第二支脚、35-第二螺栓、36-滚轮、37-滑道、38-支架主体、39-第三法兰。

具体实施方式

为使本申请的发明目的、技术方案和有益效果更加清楚明了，下面结合附图对本申请的实施例进行说明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例和实施例中的特征可以相互任意组合。

针对相关水下支撑系统的缺陷，本公开实施例提供了一种水下支撑系统及深水海床静力触探设备，此水下支撑系统可在保证探杆稳定作业的前提下，简化结构，大大减小系统的重量，且明显降低安装难度。同时，还可防止出现腐蚀、变形断裂等现象，可靠性高，大大降低了深水海床静力触探作业过程中的安全风险。

下面结合实施例阐述本公开的水下支撑系统及深水海床静力触探设备。

请参阅图1至图10所示的本实施例的水下支撑系统及深水海床静力触探设备，其水下支撑系统下端与深水海床静力触探设备的基座1固定，用以保持探杆垂直于海底，而且该基座1上设置有两条向上延伸的钢缆6，上述水下支撑系统夹在相邻两钢缆6之间，并与钢缆6连接且在于基座分离情况下可沿钢缆6滑动。特别地，该水下支撑系统包括桅杆单元4、固定支架单元2、水平支撑单元3、铠装电缆单元7和浮框单元5，其中，桅杆单元4垂直基座1设置，用以导向探杆，可使探杆垂直于海底；固定支架单元2固定在基座上1并于两侧的钢缆6连接，桅杆单元4通过固定支架单元2固定在基座1上；水平支撑单元3与桅杆单元4连接，并与钢缆6连接，用以水平方向限定桅杆单元4；铠装电缆单元7的两端分别与基座1和探杆的线缆连接；浮框单元5设置在桅杆单元4的上侧，用以悬吊铠装电缆单元7而保持铠装电缆单元7处于张紧状态。由此上述结构简单的水下支撑系统起到了支撑和导向探杆的作用，而且其大大减小了系统重量，明显降低了安装难度。

具体地，如图2和图3所示，上述固定支架单元2包括支架主体38、第二法兰9和第一导向器8，其中，支架主体38的下端设置有用于与基座1固定的第一接头10和第二接头11，支架主体38通过两个第一接头10和两个第二接头11四点固定在基座1上。上述第二法兰9设置在支架主体38的中心，用以与桅杆单元4连接；两个第一导向器8设置在支架主体38的长度方向的两端，并分别套设在两条钢缆6外，用以连接钢缆6与支架主体38，并将支架主体38约束在两钢缆6之间。进一步地，该第一导向器8内设置有尼龙材质的套筒17，且第一导向器8的开口处设置有U型销，用以限制钢缆6脱出。

就用于导向探杆的桅杆单元4而言，如图1和图2所示，其包括多个用于探杆穿通的主管15，以及第一法兰16，其中，第一法兰16设置在主管15的两端，多个主管15通过第一法兰16串联成直线。桅杆单元4的下端与支架主体38上的第二法兰9连接，组成探杆下降贯入的通道，并保持探杆垂直进入基座。另外，如图1和图5所示，桅杆单元4上还设有多个用于水平限定的水平支撑单元3，任一水平支撑单元3都包括主体管19、连接件20和第二导向器21，其中，主体管19的两端设置有第三法兰39，主体管19的两侧设置有连接件20，该连接件20通过第二导向器21与钢缆6连接。主体管19设置在两主管15之间，并与主管同轴设置，且通过法兰连接，共同形成探杆下降贯入的通道。由此，水平支撑单元3和上述固定支架单元2将桅杆单元4约束在两钢缆6之间。同时，上述主管15、主体管19和连接件20都为碳纤维复合材料管，其中，主管15和主体管19直径相同。而上述第一法兰16、第二法兰9和第三法兰39都为钛合金法兰。

就用于数据传输的铠装电缆单元而言，如图6所示，该铠装电缆单元包括铠装电缆25、冗余电缆收纳套管26和承重头27，其中，铠装电缆25一端通过承重头27与探杆的电缆连接，另一端连接在基座1的电子仓上，且多余的铠装电缆25缠绕收纳在冗余电缆收纳套管26内，铠装电缆25需跨越较长的距离。

上述铠装电缆25悬挂在浮框单元5上，用以保持铠装电缆25处于张紧状态，又如图7和图8所示，该浮框单元5包括浮框主体12，以及浮框主体12内的浮力材料块13，其中，浮框主体12的长度方向两端设置有连接钢缆的连接环22，钢缆6套设在连接环22内，两连接环22把浮框主体12约束在两根钢缆6之间。浮框主体12通过柔性连接件23连接连接环22，连接环22与柔性连接件23通过卸扣连接，并在此处捆绑安装浮球24，用于补偿连接环22的重力，有效减小连接环22与钢缆6的摩擦，为浮框主体12与钢缆6同步升降提供有效保障。浮框主体12包括框体和盖板，浮力材料块13填充在框体和盖板拼装出的空间内。在无额外动力的情况下，仅靠浮框主体12提供的浮力使铠装电缆25保持拉直张紧状态，且始终随基座1同步升降，防止铠装电缆25发生缠绕、磨损现象，为探头和控制总成之间进行顺畅的数据传输提供保障。另外，浮框主体12和连接环22都为钛合金材料制成，避免腐蚀。

为了悬挂上述铠装电缆25，如图8至图10所示，浮框单元5内设置有滑轮单元14，铠装电缆单元7挂吊在滑轮单元14上。特别地，该滑轮单元14活动连接在浮框单元5上，且可沿浮框单元5的长度方向滑动。具体地，滑轮单元14包括滑轮支架28、滑轮29、扣合支架30、转轴31、第一支脚32、第一螺栓33、第二支脚34、第二螺栓35、滚轮36，其中，滑轮支架28上设置有转轴31，滑轮29旋转安装在转轴31上，滑轮29夹在滑轮支架28与扣合支架30之间，防止穿过尼龙材质的滑轮29的铠装电缆21滑脱。另外，为了能够使得滑轮单元14在浮框单元5的长度方向上位置可调，该滑轮支架28的上端设置有第一支脚32，且第一支脚32上螺接有第一螺栓33，相对应地，浮框主体12上设置有滑道37，第一螺栓33伸入滑道37内，使得滑轮单元14能够沿滑道37滑动。另外，为了限定滑轮单元14的位置，滑轮支架28在浮框单元5的长度方向两侧设置有第二支脚34，第二支脚34上螺接有第二螺栓35，相对应地，浮框主体12对应第二螺栓35设置有通孔，该第二螺栓35穿通通孔，并形成固定。由此，安装人员可通过旋转两第二螺栓35来调节滑轮单元14的重心，能够保证浮框单元5在海水中随钢缆6平稳升降、暂停，有效防止穿过滑轮29的铠装电缆25在海水中摆动、缠绕。

上述水下支撑系统多采用碳纤维材料和钛合金材料，摒弃了原有的铝合金、镀锌管等材料，结构强度高，防腐等具有明显的材料优势防止出现腐蚀、变形断裂等现象，可靠性高，大大降低了深水海床静力触探作业过程中的安全风险。而本实施例的深水海床静力触探设备，包括上述水下支撑系统，其可保证该设备的探杆作业。

上述水下支撑系统，轻质耐用、简单易操作、安全可靠，并进行了系统集成，降低海床静力触探作业中工人的劳动强度，有效提高海床静力触探作业效率，缩短海上工程建设项目工期，有效消除安全隐患，从而建立较为完善的深水海床静力触探原位测试装备能力，形成相应的技术和质量控制体系，提升在深水岩土工程原位勘察的技术水平与市场竞争能力，可为公司创造可观的技术效益、经济效益，并为深水能源开发提供支撑。

经过申请人计算，上述水下支撑系统可在每年创造直接和潜在经济效至少800万元人民币。根据以前的作业数据统计，以1500m水深，40m海床静力触探为例，刚性支架作业时间一般为15小时，而本申请的系统在同样的作业条件下，作业时间预计为7小时，节省时间53％，作业人数节省41％，总人工时节省78％。而再考虑海上的恶劣天气的影响，本申请的系统对于缩小整个海上工程建设的工期有着显著的影响，大大提升了作业效率，降低海床静力触探作业过程中人工劳动强度和所需人数，为企业节省了人工成本，同时优化后的海床静力触探大大降低了作业过程中的安全风险，效果非常的显著。

结合上述实施例，本发明的水下支撑系统结构简单，可大大减小系统的重量，且明显降低安装难度。本发明的桅杆单元、固定支架单元和水平支撑单元可为探杆动作提供导向和支撑，能够保证探杆稳定作业。本发明的浮框单元在海水中随钢缆能够平稳升降和暂停，铠装电缆通讯良好，没有滑脱、缠绕、通讯中断等故障。本发明的水下支撑系统采用碳纤维复合材料或钛合金材料，防止出现腐蚀、变形断裂等现象，可靠性高，大大降低了深水海床静力触探作业过程中的安全风险。本发明的滑轮单元能够保证浮框单元在海水中随钢缆平稳升降、暂停，有效防止穿过尼龙滑轮的铠装电缆在海水中摆动、缠绕。

在本申请的描述中，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”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。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

本领域的技术人员应该明白，虽然本发明实施例所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明实施例而采用的实施方式，并非用以限定本发明实施例。任何本发明实施例所属领域内的技术人员，在不脱离本发明实施例所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明实施例的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (11)

1.一种水下支撑系统，其下端与静力触探的基座固定，用以保持探杆垂直于海底，其特征在于，所述基座设置有多条向上延伸的钢缆，所述水下支撑系统夹在相邻两所述钢缆之间，并与所述钢缆连接；所述水下支撑系统包括：

桅杆单元，所述桅杆单元垂直所述基座设置，用以导向探杆；

固定支架单元，所述固定支架单元固定在所述基座上，所述桅杆单元通过固定支架单元固定在所述基座上；

水平支撑单元，所述桅杆单元通过所述水平支撑单元与所述钢缆连接，用以水平方向限定所述桅杆单元；

铠装电缆单元，所述铠装电缆单元的两端分别与所述基座和所述探杆的线缆连接；

浮框单元，所述浮框单元设置在所述桅杆单元的上侧，用以悬吊所述铠装电缆单元而保持所述铠装电缆单元处于张紧状态。

2.如权利要求1所述的水下支撑系统，其特征在于，所述浮框单元上设置有滑轮单元，所述铠装电缆单元挂吊在所述滑轮单元上。

3.如权利要求2所述的水下支撑系统，其特征在于，所述桅杆单元包括一个或多个用于探杆穿通的主管，以及第一法兰，所述第一法兰设置在所述主管的两端。

4.如权利要求2所述的水下支撑系统，其特征在于，所述铠装电缆单元包括铠装电缆、冗余电缆收纳套管和承重头，所述铠装电缆一端通过所述承重头与探杆的电缆连接，另一端连接在所述基座的电子仓上，且冗余的所述铠装电缆缠绕收纳在所述冗余电缆收纳套管内。

5.如权利要求2所述的水下支撑系统，其特征在于，所述固定支架单元包括支架主体、第二法兰和第一导向器，所述支架主体的下端与所述基座固定，所述第二法兰设置在支架主体的中心，用以与所述桅杆单元连接；两个所述第一导向器设置在所述支架主体的长度方向的两端，用以连接所述钢缆。

6.如权利要求3所述的水下支撑系统，其特征在于，所述水平支撑单元包括主体管、连接件和第二导向器，所述主体管与主管同轴设置，所述主体管的两侧设置有连接件，所述连接件通过第二导向器与所述钢缆连接。

7.如权利要求2所述的水下支撑系统，其特征在于，所述浮框单元包括浮框主体，以及所述浮框主体内的浮力材料块，所述浮框主体的长度方向两端设置有连接所述钢缆的连接环。

8.如权利要求2所述的水下支撑系统，其特征在于，所述滑轮单元活动连接在所述浮框单元上，且沿所述浮框单元的长度方向滑动。

9.如权利要求6所述的水下支撑系统，其特征在于，所述主管、主体管和连接件都为碳纤维复合材料管，所述第一法兰为钛合金法兰。

10.如权利要求7所述的水下支撑系统，其特征在于，所述浮框主体通过柔性连接件连接所述连接环，所述连接环上设置有浮球。

11.一种深水海床静力触探设备，其特征在于，包括如权利要求书1-9任一所述水下支撑系统。

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