CN109790823B - 用于海上结构的安装和/或运输的辅助浮动系统及包括该系统的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于海上结构(2)的安装、运输或维修的辅助浮动系统(1)，所述结构(2)包括至少一个基本上垂直的杆状物(4)，其中所述辅助浮动系统(1)包括：至少一个浮动元件(5)，其在海上结构(2)的安装过程期间保持半潜式；至少一个联接结构(7)，其连接至所述浮动元件(5)；以及导向元件(9)，其固定至联接结构(7)并与杆状物(4)滑动接触。有利地，辅助浮动系统(1)和杆状物(4)之间的滑动接触使得它允许辅助浮动系统(1)和所述杆状物(4)之间是基本上垂直的相对运动，从而在安装海上结构(2)期间，所述结构下沉而辅助浮动系统(1)保持与表面基本上相同的水平。

Description

用于海上结构的安装和/或运输的辅助浮动系统及包括该系 统的方法
技术领域
本发明涉及用于安装基座和/或海上塔建筑的辅助浮动系统，例如用于在海上安装混凝土伸缩式风力发电机塔。本发明的主要应用领域是土木建筑行业，特别是塔和/或基座的组装，以及可再生或绿色能源行业，特别是海上风能。本发明还可以应用于海上结构的传输和/或维修操作。
背景技术
在海洋土木建筑领域，目前已知使用辅助浮动结构或船舶的目的在于实施重的和/或大量结构的海上安装和/或运输，例如海洋基座和风力机塔架。大多数所述辅助结构由具有用于这些类型操作的特殊特征的大型驳船或船舶组成，除了它们的可用性非常小之外，其使用还通常需要极高的成本，并且它们只能在非常特定和有利的天气条件下操作。
例如，EP 2597027 A1号专利申请描述了一种包括浮动结构和工程船的系统，其中浮动结构包括配备有凸缘的部分，使得它可以装配在形成所述船的一部分的紧固部中。一旦浮动结构连接至工程船，就可以进行安装和维修任务。本发明的问题在于，除了使用的高成本和具有这些特征的船的有限可用性，浮动结构通过固定装置保持固定，使得在某些条件下难以安装或不可能安装。
另外，已知具有用于容纳海上结构的空间的不同类型的驳船的存在，更具体地是待运输和/或安装的海上风力涡轮机塔架。它们之中大多数具有U形形状或由固定金属梁连接的两个平行结构组成，例如WO 2010028762 A1号专利申请中所描述的内容。这些解决方案也存在其大尺寸和由此产生的辅助浮动结构的高成本的主要问题，以及基于风力涡轮机塔架的类型对其中每一个的特定设计的需要，如同EP 2905217 A1号文件中所描述的驳船那样。此外，这些类型的解决方法通常与高度或垂直连接元件相关联，辅助浮动元件通过该高度或垂直连接元件支撑辅助结构的至少一部分重量。这些类型的元件连同相应的连接和断开过程降低了所述解决方案的有效性并增加了成本。
用于大型结构的许多海上定位或运输系统还包括使用大的可伸展的垂直金属柱，用于在安装期间靠在海床上，例如WO2008071861A1和WO2009153530A1号专利申请中描述的系统，这进一步增加了所述定位或运输的总成本。
另一方面，GB 2501459A号专利申请中所描述的系统也是已知的，其特别设计为用于夹克式海上平台的运输和安装。然而，所述系统通常用于不能自己浮动的结构，从而它们需要使用两个辅助性元件或结构来起作用，其中一个用于为该结构提供浮力，另一个则改善其稳定性。另外，前述应用中所述的系统包括主结构和辅助浮动结构之间的多个连接元件，其中所述连接是以刚性且安全的方式进行，从而将浮动支撑的垂直力传输至主结构，正因为如此这有助于其浮动。虽然这种方法对于非浮动结构的运输和安装是必要的(如GB2501459 A中的情况)，但这是安装自浮式结构的一个缺点，因为它需要在锚固主结构之前卸载或部分移除浮动系统。这增加了安装方法的复杂性和额外步骤，从而影响了工作和维护时间，并且涉及与其相关的额外成本。
最后，WO2014073956A1号专利申请描述了一种用于运输和安装完全组装和竖立的风力涡轮机塔架的结构，其包括固定装置、容纳区域和门结构。在这种情况下，辅助浮动结构连接并固定至风力涡轮机的子结构。因此，虽然整个组件可以以垂直方式移动以将风力涡轮机安装和固定在其最终位置，但是该解决方案不允许辅助浮动结构和风力涡轮机塔架之间的相对运动，从而使安装操作变困难。额外地，这些类型的结构专门设计用于安装和运输完全组装的张力腿平台(TLP)风力涡轮机塔架，使得它们在其他类型的海上结构中的使用变得不可能或非常困难。
本发明旨在通过用于执行所述操作的新型辅助浮动系统以及与所述系统相关的方法来解决已知用于海上海洋建筑物的安装和运输所存在的限制和缺点。
发明内容
为了克服现有技术的先前描述的缺点，本发明旨在提供一种用于安装和运输诸如基座和/或风力涡轮机塔架的海上结构的辅助浮动系统，所述海上结构暂时或最终浮动，并且其中所述系统允许优化上述传输和安装操作。
优选地，本发明的所述目的通过用于海上结构的安装和/或运输的辅助浮动系统来实现，所述海上结构包括基本上垂直的杆状物，其中所述辅助浮动系统包括：
-至少一个浮动元件(也可能使用两个、三个或更多个所述元件)。
-至少一个联接结构，其连接至所述浮动元件并且配置为围绕其杆状物联接到海上结构。
有利地，本发明的辅助浮动结构额外地包括固定至所述联接结构的一个或多个导向元件，其中一个或多个导向元件提供与所述杆状物的一个或多个滑动接触面；其中海上结构的导向元件与杆状物之间的所述滑动接触使得：
-它允许辅助浮动系统和杆状物之间基本上自由的相对垂直运动，使得如果海上结构下沉，辅助浮动系统保持与表面基本相同的水平。
-它限制和/或防止辅助浮动系统和杆状物之间的其他相对运动，包括摇晃、倾斜或偏航期间的相对水平运动和相对旋转运动。
基座的基部的部分和/或海上结构的杆状物与固定至联接结构的导向元件之间的滑动接触是本发明的系统的关键。这些特征与现有已知的解决方案不同，其允许海上结构和辅助浮动系统之间的相对垂直运动，使得它有助于将该结构安装在其最终位置。这样，一旦组件被运输到其最终位置，该结构可以通过其压载而锚固，而不需要在辅助浮动系统和结构本身之间执行连接和断开任务，从而大大简化了海上工作。另外，不需要使用大型锚固船，这大大降低了安装成本并消除了由此产生的瓶颈。
在本发明的优选的实施例中，该系统的导向元件具有围绕杆状物的平面布置，使得由任何一对所述导向元件和杆状物的中心轴线形成的最大平面角等于或小于三个弧度。这通过限制辅助浮动系统和正在安装的海上结构之间的相对水平移动和相对旋转来提高效率。
在本发明的另一个优选的实施例中，导向元件在位于不同高度的至少两个高度上具有立面布置，所述高度的最高水平和最低水平之前的水平差等于或大于1m。这改善了辅助浮动系统的能力，以特别限制摇晃或倾斜的相对旋转，并且减小了必须在两个结构之间传递以达到这种效果的力的大小。
在本发明的另一优选的实施例中，辅助浮动系统适于海上结构，其中海上结构具有杆状物，该杆状物具有基本上多边形几何形状的截面。更优选地，在所述应用中，所述导向元件中至少三个在所述基本多边形几何形状的顶点附近与所述杆状物接触。这允许杆状物的结构在海上结构的安装过程期间通过导向元件更有效地抵抗辅助浮动系统传递到杆状物的力。
在本发明的另一优选的实施例中，联接结构包括至少一个环，其完全包围海上结构的杆状物。所述环可以是圆形的或具有任何其他封闭的、弯曲的或多边形几何形状。优选地，导向元件可以沿着所述环或多个环设置。
可替代地或互补地，包括在辅助浮动系统中的浮动元件以及联接结构可以是模块化的，使得模块的增加或减少允许调整其尺寸，使得辅助浮动系统可以应用于具有不同特征和/或尺寸的多个海上结构，以将额外的附加成本最小化。
优选地，联接结构包括海上结构上(例如塔的杆状物上)的支撑元件(其还可能用于导向元件)和在所述结构上闭合的一个或多个移动元件。最后，移动元件包括整个闭合子系统或其一部分，这允许整个结构在海上结构上闭合，执行以下步骤：
-靠近移动处于折叠配置的浮动系统，直到支撑元件与海上结构接触。
-应用保持位置的一个或多个装置(例如，拖船或电缆或绞车系统)，使得在整个联接过程中支撑元件和海上结构都保持接触。
-移动联接结构的移动元件直到其完全围绕整个海上结构。
-驱动联接结构的闭合元件，以便将浮动系统固定在其折叠或联接配置中。
优选地，辅助浮动系统中包括的浮动元件能够被压载，并因此其深度和/或重量可以变化。这些特征允许辅助浮动系统适合于该组件的需要。它们也可以是分隔的，这使得不同隔室的差分压载成为可能。此外，它们进一步包括在所述元件的基部上的一个或多个下闸门，作为用于调节其行为的装置，并且具体地用于阻尼和用于组件的固有频率的调节。打开特定水平的浮动元件的水下部分中的闸门允许水在所述浮动元件的内部与它们所处的水体之间受控制地通过。这允许调节组件的浮力水平，以及浮动平面的有效惯性。这样，通过调节所述闸门的开度，可以容易地改变组件的行为。例如，打开闸门进一步减少了组件的自然摇摆时间，并且关闭它们更多地增加了相同情形。这使其能够适应待运输结构的条件和/或海洋环境条件，以更有效地使用本发明。当浮动元件在其内部具有密封隔室时，优选使用浮动元件的水下区域的所述闸门，使得所述一个或多个闸门仅允许部分所述隔室中的水流动。
本发明允许辅助浮动系统和海上平台之间更简单且有效的联接和分离，这在其应用于海上风力涡轮机塔架时是高度相对的，因为要进行大量的安装。最后，在本发明的另一优选的实施例中，辅助浮动系统包括两个或多个浮动元件，并且联接结构是铰链式结构，其连接至少两个所述浮动元件，并且其包括打开和闭合子系统，以促进海上结构的放置和/或移除。
所述打开和闭合子系统可以借助于现有技术中已知的不同元件起作用，例如连接联接结构的不同部分或不同浮动元件的可伸展液压悬臂。还可以使用电缆和/或绞盘，其允许在联接结构的不同部件或其浮动元件上的不同部件中和/或之间牵引。拖船也可以用于拉或推动系统的不同部件，以打开或闭合子系统。
由于所述打开和闭合子系统，辅助浮动系统可以采用展开或闭合配置，利用该配置可以将其连接到海上结构，或辅助浮动系统也可以采用折叠或打开配置，利用该配置可以将其与海上结构连接和/或分开。不同于其他辅助结构，一旦海上结构已经安装在其最终位置，本发明的辅助浮动系统可以在所述折叠或打开配置下传输和/或连接，由于所述配置较小且更紧凑这有助于操作。在这个意义上，包括在所述系统中的浮动元件可以包括一个或多个防撞垫，以防止在折叠配置的运输期间它们之间的撞击。
在本发明的另一优选的实施例中，至少一个浮动元件包括水下流体动力阻尼板，所述板基本上是水平且平坦的。所述板，有时候也称为垂荡板，允许产生水动力致动，这限制和阻尼了由海上结构和辅助浮动系统形成的总成的运动。此外，它们可以通过调动加水来便利地调节系统的固有周期，目的是防止或减少与所述固有周期的接近程度与作用中的浪涌隆起周期相关的可能的动态放大。
在本发明的另一优选的实施例中，浮动元件包括等于或大约给定长度(H)的深度和干舷，其值基本上符合等式H＝R·sin(α')，(R)是从每个浮动元件的中心到杆状物的纵向轴线的距离，并且(α')是在其安装和/或运输期间允许或设想的海上结构的基座的最大倾斜角度。这样，可以确保，在海上结构的整个安装过程中，没有浮动元件会被完全淹没或完全浮出。
在本发明的另一优选的实施例中，辅助浮动系统包括升降装置，其适于将设备和/或人员运输至海上结构或从其运输。所述装置包括任意类型的起重机、升降台、绞盘、升降机、电梯和/或其他现有技术中已知的升降系统。所述装置可以用于，例如，收集在其安装期间位于海上结构上的设备和人员。另外，所述装置可以用于已安装的海上结构或用于其容纳的其他设备的保持和/或维修操作，其他设备包括有，例如风力涡轮机。因此，在所述优选的实施例中，辅助浮动系统不仅仅用于安装海上结构的辅助装置，在其整个使用寿命期间，还可以用于对所述海上结构和/或其容纳的设备进行维修操作的辅助装置。优选地，当辅助浮动系统连接至杆状物并且海上结构已经抵靠在海床上时，操作所述升降装置，此时系统的运动是受限的，这有助于操作。额外地，升降装置可以提供，避免需要大型且昂贵的海上升降装置或船舶的巨大优点。
本发明的另一个目的涉及一种用于安装和/或运输海上结构的方法，其消除了使用巨大船舶来运输和/或安装基座和/或海上风力涡轮机塔架的需要，显著地减少这些方法的高成本并提供较小尺寸的辅助结构，这进而允许组件的更大可操作性。
优选地，所述目的通过一种用于安装和/或运输海上结构的方法来实施，所述海上结构包括基本上垂直的杆状物的类型，其包括使用根据本文件中所述的任一个实施例的辅助浮动系统，并且其中以任何技术上可能的顺序实施至少如下步骤：
-辅助浮动系统围绕海上结构设置；
-可选地，将由辅助浮动系统和海上结构形成的总成运输至其最终海上位置；
-将海上结构锚固到其最终深度；以及
-从海上结构移除辅助浮动系统。
在本发明优选的实施例中，所述方法额外地包括在完成由辅助浮动系统和海上结构形成的总成的运输之前，部分地将海上结构锚固到其最终海上位置。
在本发明的另一优选的实施例中，该方法应用于具有伸缩塔的海上结构，并且还包括部分或全部地升高所述伸缩塔。
在本发明的另一优选的实施例中，在海上结构周围安装辅助浮动系统的步骤是在港口完成的(也可以在海湾、河口或靠近海岸的任何海上区域进行，这提供了比在公海或近海所提供的更高水平的保护)。
在本发明的方法的另一优选的实施例中，辅助浮动系统具有可折叠模块结构，其中在从海上结构移除辅助浮动系统之后，所述辅助浮动系统以折叠配置设置。
在本发明的另一优选的实施例中，海上结构在不完整的情况下是自我支撑的，而完整的海上结构只能与辅助浮动系统一起自我支撑。
最后，并且作为示例，本发明的其他目的以非限制性方式涉及借助于根据本文所述实施例的方法安装或运输的风力涡轮机基座、风力涡轮机塔架或风力涡轮机。
正如在上文段落中提到的，本发明使得不再需要依赖于昂贵地使用特定锚固船来安装海上结构，从而克服所涉及的瓶颈并且在组件的运输和安装中实现更容易、更便宜的成本和操作自由度。
此外，本发明中所述的系统和方法适于增加安装期间组件的稳定性，但与先前描述的现有技术的发明不同，它们允许基座和/或风力涡轮机塔架相对于辅助浮动系统的自由垂直滑动，便于其安装并允许其压载和锚固，保持和/或增加组件的稳定性，直到它完全安装位置。
附图说明
除了其他特征之外，根据示例性实施例的详细描述以及与所附附图相关的优选实施例，将更全面地理解先前的特征，其中：
-图1示出了辅助浮动系统以及将在临时情况下安装的海上结构的总体视图；
-图2a-2h示出了本发明的辅助浮动系统的不同实施例以及其展开和折叠方法的不同阶段；
-图3a-3d示出了本发明的系统的打开和闭合子系统的实施例的不同视图；
-图4示出了本发明的系统的实施例，其适于伸缩式风力涡轮机塔架；
-图5示出了本发明的实施例，其中风力涡轮机塔部分地锚固并且塔的一部分上升；
-图6示出了通过拖船安装辅助浮动系统的方法的一个阶段；
-图7示出了本发明的一个实施例，其具有至少带多边形截面的风力涡轮机塔；
-图8a-8e示出了用于安装根据本发明的基座和/或海上风力涡轮机塔架的方法；
-图9示出了包括在本发明的辅助浮动系统中的浮动元件的可能实施例；
-图10示出了围绕塔身设置的联接结构的导向元件的不同方面，其中示出了由一对连续的所述导向元件和杆状物的中心轴线形成的最大平面角；
-图11示出了在两个不同高度水平处联接结构的导向元件的配置，表明了最高水平和最低水平之间的水平差，以及浮动元件的深度和干舷；
-图12示出了特别用于指示海上结构的维修操作的本发明的优选实施例，其中辅助浮动系统包括单个浮动元件。
附图中使用的附图标记列表：
Figure GDA0002979801370000071
Figure GDA0002979801370000081
具体实施方式
下面基于本文件的图1-12提供与本发明的不同优选实施例有关的本发明的详细描述。提供所述描述是为了要求保护的本发明的非限制性说明性目的。
图1示出了本发明的辅助浮动系统(1)以及海上结构(2)的总体视图，在这种情况下，海上结构(2)包括基础部(3)和塔或杆状物(4)。在该实施例中，辅助浮动系统(1)包括至少一个浮动元件(5)(具体地，在图1中的示例，示出了两个所述元件(5))。辅助浮动系统(1)在安装、基座的铺设或基座的锚固或运输期间连接至海上结构(2)。在所示的实施例中，示出了海上结构(2)的安装过程的临时阶段，其中海上结构(2)是漂浮的并且部分沉入海平面(6)以下。
系统(1)的浮动元件(5)连接至联接结构(7)，优选地，联接结构(7)用于围绕海上结构(2)，设置在杆状物(4)的周围，使得与联接结构(7)接触的点或区域用作海上结构(2)的稳定导向，有助于在先前所述的操作期间使海上结构(2)保持其垂直性。优选地，例如参考图2a或涂2h中所示的视图，联接结构(7)形成围绕杆状物(4)的锁环(8)，其可以是圆形的或具有任何其他闭合的、弯曲的或多边形几何形状。
关于联接结构(7)和海上结构(2)之间的接触点或接触区域，本发明的系统配备有至少一个导向元件(9)，其固定至所述联接结构(7)，并且其优选地沿着锁环(8)设置。导向元件与杆状物(4)自由滑动接触，并且有利地，允许所述杆状物(4)和辅助浮动系统(1)之间的相对垂直运动。这样，联接结构(7)提供抵抗海上结构(2)的垂直位置变化的物理止挡，限制了其可能经历的倾斜(例如，由于风、隆起等)，并且通过允许其沿大体上垂直轴线自由移动的滑动接触，有助于所述结构(2)保持其稳定性，这是当海上结构(2)处于最终位置时锚固或压载海上结构(2)的操作的基本优点。可以通过滑动、滚动、履带或任何已知的技术来实现海上结构(2)的上述自由运动，其中已知的技术允许独立的相对运动并且其在杆状物(4)的表面上的导向元件(9)之间是足够自由的。
通过相对水平运动(优选地等于或小于1m)、摇晃和/或倾斜中的相对旋转(优选地等于或小于10°)以及偏航中的相对旋转(优选地小于20°)，导向元件(9)防止和/或限制辅助浮动系统(1)和杆状物(4)之间的其他相对运动。
正如前述一样，在图1中的实施例中，海上结构(2)包括基础承台(3)和杆状物(4)，其中杆状物(4)具有小于所述基座的平面尺寸。优选地，在拖船运输的临时情况下，基座(3)是半潜式的并且杆状物(4)是完全浮现的。同样也是半潜式的浮动元件(5)距杆状物(4)的轴线足够的距离，从而当基座(3)保持半潜式时不会撞击到基座(3)。因此，联接结构(7)保持连接至浮动元件(5)，浮现并漂浮在半潜式基座(3)的上方，并且这样的话，它不会干扰辅助浮动系统(1)联接到杆状物(4)。
在图1的实施例中，可以看出，辅助浮动系统(1)有助于海上结构(2)的稳定性，但是并不有助于其自身的浮力，考虑到，正如前文所述，系统(1)和结构(2)之间的相对垂直运动是自由的，因此系统(1)并不会将任何垂直力传输至结构(2)，这可以以相关的方式促进其浮力。因此，所述海上结构(2)将主要是自浮式结构或者具有正浮力，换言之，它将不依赖于辅助浮动系统(1)所施加的垂直力以具有所述浮力。换句话说，在没有浮动系统(1)的情况下，海上浮动结构(2)将具有降低的稳定性，但是不会经历其浮动深度的相关变化。因此，不同于现有技术中的其他解决方案，本发明并不需要辅助装置和待安装的海上结构之间在垂直方向的连接，这提供了很大的可操作优势。
可选地，在本发明的系统(1)中，还可能使用固定装置以防止或限制海上结构(2)和导向元件(9)之间的相对垂直运动，例如刚性杆、可变长度或固定长度的电缆或者本领域已知的其他连接和/或固定装置。然而，优选地，这些固定装置都是临时的并且它们的使用在所有情况下都限于安装过程的仅仅一个或一些阶段，例如由所述海上结构(2)和系统(1)形成的组件的拖船运输。
图2a-2e示出了根据本发明的辅助浮动系统(1)的优选实施例中联接结构(7)的不同位置的上视图。所述实施例示出了基于连接至联接结构(7)的三个浮动元件(5)和固定至联接结构(7)的多个导向元件(9)的配置，这构成稳定周边以容纳并连接至海上结构(2)(图2f-2h所示)，围绕所述结构(2)的杆状物(4)。
根据该优选实施例的联接结构(7)还用做不同浮动元件(5)的连接结构。通过示例，但并不是为了限制本发明，如图2a-2h，联接结构(7)由晶格金属结构构成。此外，所述联接结构(7)包括打开和闭合子系统(10)，以促进海上结构(2)的放置和/或移除，并且可选地，用于折叠和/或伸展系统(1)的一个或多个致动器(11)目的是在系统(1)的不同浮动元件(5)之间施加必要的力，以从折叠配置变为伸展配置(意味着处于与海上结构(2)联接的位置和/或反之亦然)。所述致动器可以具有远程驱动或不具有。在图2a-2e的优选的实施例中，致动器包括伸缩、液压缸，能够通过伸出或缩回施加力。可替代地，所述致动器(11)包括现有技术中已知的不同类型的装置，例如机械、气动或液压致动器，通过绞盘或类似物致动的电缆。
正如前文所述，优选地，联接结构(7)是模块化或可调节的，从而能够适用于不同尺寸和/或特征的海上结构(2)和/或杆状物(4)。例如，可以从联接结构(7)的桁架臂中增加或减少模块，以调节其长度，进而调整其距杆状物(40)的距离。可替代地，或互补地，可以改变或控制导向元件(9)的位置和/或尺寸，使得同一辅助浮动系统(1)可以采用不同直径的杆状物(4)或可变直径的杆状物(4)来安装海上结构(2)。
图2a示出了处于其伸展配置(展开和闭合)的辅助浮动系统(1)，就像它在海上结构(2)的运输和/或安装期间的作用一样(参见，例如图2f-2h)。轮流地，图2b-2d示出了所述辅助浮动系统(1)的折叠方法的不同步骤，其中示出了铰接式联接结构(7)，其允许采用折叠构造从而能够实现与杆状物(4)的连接和分开，在不运行时便于其运输和/或收集。额外地，图2e示出了处于其折叠配置的辅助浮动系统(1)，例如，其可以一旦完成所述海上结构(2)的安装就用于将其运输到港口。以互补的方式，对于本发明的该实施例或其他优选实施例，浮动元件(5)还可包括多个防撞垫(12)，其用于在运输期间和/或在其折叠配置中防止所述元件(5)之间的冲击。
如图2a-2e所示，联接结构(7)的选择是模块化和/或可调节的，这允许系统适应不同尺寸或特征的基座(3)和/或杆状物(4)，从而与现有技术的其他系统相比提供额外应用的优点。在该示例中，辅助浮动系统(1)包括三个浮动元件(5)，并且联接结构(7)包括三个桁架臂，每一个桁架臂通过一端连接至每个浮动元件(5)。这样，形成三个模块或子总成，每个由彼此连接的浮动元件(5)和联接结构(7)的臂组成。优选地，每个臂和浮动元件(5)组件是自动平衡的，换言之，每个子组件可以独立地浮动，从而将桁架臂保持在基本水平的位置。为此，浮动元件(5)可以具有偏心顶板和/或偏心压载物作为配重，从而补偿桁架的偏心。由于前面说明的要点，当辅助浮动系统(1)打开或关闭以与海上结构(2)连接或分开时，连接结构(7)基本上保持在同一水平面上。
额外地，图2f-2h示出了本发明的系统(1)与海上结构(2)的联接过程的不同阶段，其中海上结构(2)包括杆状物(4)和基座(3)。在所述过程期间，模块化联接结构(7)包括位于塔轴(4)上的支撑元件(13)和靠近所述杆状物(4)的一个或多个移动元件(14)。
为此，移动元件(14)包括闭合子系统(10)的一部分或全部组件，其允许完整的联接结构(7)在海上结构(2)上闭合，例如，执行如下步骤：
-如图2f所示，处于折叠配置的浮动系统(1)靠近移动直到支撑元件(13)与海上结构(2)接触。
-应用保持位置的一个或多个装置(例如，拖船或电缆或绞车系统)，使得在整个联接过程中支撑元件(13)和海上结构(2)都保持接触。
-如图2g所示，移动联接结构(7)的移动元件(14)直到其完全围绕海上结构的杆状物(4)。
在联接结构的闭合子系统(10)上执行动作，以便将辅助浮动系统(1)固定在其折叠或连接配置中(图2h)。
另外，如图2f-2h所示，打开和闭合子系统(10)可包括一个或多个铰接件(15)，该一个或多个铰接件(15)允许联接结构(7)的浮动元件(5)相对于另一浮动元件(5)基本上垂直旋转。
根据图2a-2h所示的实施例的浮动元件(5)的设置的优势在于，当打开和闭合子系统(10)靠近所述海上结构(2)时，所述元件(5)在其平面分布中不与海上结构(2)的平面分布重叠。在前面附图的实施例中，可以看出，无论所述基座(3)是否具有浮动位置，海上结构(2)的基座(3)的平面位置怎样不会与浮动元件(5)的相应位置重叠。这为浮动系统(1)充分适应海上结构(2)的运输、安装或维修操作的不同阶段提供了很大的灵活性，这通常产生不同的锚固水平(并且其包括例如海上结构(2)的基座(3)的浮现位置和海上结构(2)的水下位置)。
另一方面，并且如图3a-3d所示，辅助浮动系统(1)的打开和闭合子系统(10)具有至少两个协作闭合元件(16、17)，可选地装备有多个配合导向件(18、18’、18”)，该多个配合导向件(18、18’、18”)用于在海上结构(2)的浮动系统(1)的闭合操作期间，促进联接结构(7)的浮动元件(5)的适当定向。配合导向件(18、18’、18”)在存在由海平面(6)的不均匀水平(例如，由于隆起)引起的扰动的情况下有利于调整联接结构(7)的位置。优选地，配合导向件(18、18’、18”)适于例如通过定位楔(图3a-3d所示的部件18)在表面上和例如通过瞄准齿状部分(图3a-3d所示的部件18’、18”)在高度中提供定向，用于连接协作闭合元件(图3a-3d所示的部件15、16)，或者通过导向臂(19)提供与联接结构(7)的端部模块的对准，其中端部模块包括所述元件(图3a-3d所示的部件15、16)。
除了先前所述的部件，在打开和闭合子系统(10)中，还可能包括一个或多个额外的闭合装置，例如通过螺栓(20)的接头、近似螺栓接头(21)或诸如磁体、机械锁等等的其他装置也可以用于本发明的领域。
可选地，辅助浮动系统(1)额外地包括至少一个纵向元件，其中该纵向元件通过其至少一个端部固定至海上结构(2)并通过其另一端固定至所述辅助浮动系统(1)，所述纵向元件的长度是可调节的，使得海上结构(2)下沉时可以维持所述连接，其相对运动相对于辅助浮动系统(1)变化，这基本上保持在表面上的相同浮动水平。
作为本发明的额外示例，图4表示优选的实施例，其中待安装的海上结构(2)包括由带圆形平面的所述伸缩塔模块(22、22’、22”)形成的伸缩式海上风力涡轮机塔架。在所述实施例中，可以看出，在其运输期间，基座(3)是半潜式的，并且杆状物(4)作为所述伸缩风力涡轮机塔架的模块或基座部分。
另一方面，并且对于同一实施例，图5示出了用于将基座(3)安装至所述塔轴(4)的部分方法，所述基座(3)基于重力和/或临时或最终浮动，其中所述杆状物(4)基本上是垂直的并且形成基座(3)本身以及位于其上的风力涡轮机塔的一部分，并且其使用本发明的辅助浮动系统(1)来实现所述目的。从图4中可以看出，前述方法包括部分锚固海上结构(2)从而改善其运输条件。此外，所述方法额外地包括部分或全部升高伸缩塔的步骤。
图6示出了用于安装基座(3)和/或海上风力涡轮机塔架的方法的另一个阶段，其中一个或多个拖船(23)用于在将组件运输至其最终位置期间，和/或在将海上结构(2)锚固至其最终状态期间，拉动辅助浮动系统(1)。在所述图中，还可以看出，在运输海上结构(2)并且部分升高伸缩塔期间，部分地锚固海上结构(2)。
图7示出了本发明的另一优选的实施例，其中待安装的海上结构(2)包括具有多边形截面的杆状物(4)，使得它有助于辅助浮动系统(1)的安装，限制或阻止所述海上结构(2)相对于导向元件(9)的旋转能力。在所述实施例中，联接结构(7)是由桁架形成的并且包括两个环(8)，所述两个环(8)在两个不同的高度处围绕杆状物(4)，与所述桁架的上部和下部重合。导向元件(9)分布在两个环(8)的周边上，因此位于两个不同的高度上并且提高了系统的效率，以限制系统(1)和杆状物(4)之间的相对倾斜，同时减少基本上水平的力，其中所述力通过导向元件(9)相互传递。
图8a-8e示出了安装海上风力涡轮机塔架的基座(3)和/或杆状物(4)的方法，其使用根据本发明的辅助浮动系统(1)。在这种情况下，它是基于重力的基座(3)，其在安装状态下支撑在海床上。图8a示出了海上结构组件(2)以及已经安装在其上的辅助浮动系统(1)。图8b示出了所述方法的另一个步骤，具体是使用一个或多个拖船(23)将所述海上结构组件(2)和辅助浮动系统(1)运输至其最终位置的步骤。然而，在本发明的描述中，同样可以使用其他类似的拖曳或推动装置。
图8c示出了安装海上风力涡轮机塔架的基座(100)和/或杆状物(4)的方法的另一个阶段，具体是将海上结构(2)在其最终状态下将其锚固在海床(24)上的步骤。在该实施例中，可以看出，海上结构(2)包括一些隔室(25)，其中隔室(25)形成基座(3)的一部分，其中对填充物进行差动控制，以便于控制组件的倾斜度。优选地，在所述锚固阶段，使用三个或多个拖船(图8c中未示出)，其用于系统(1)上，以便保持组件的平面位置。
图8d示出了该方法的另一个阶段，其中海上结构(2)的基座(3)已经抵靠在海床(24)上。图8e示出了处于其最终状态并与本发明的系统分开的海上结构(2)。在这种情况下，所述海上结构(2)包括已经完全升高的伸缩塔模块(22、22’、22”)。该图同样示出了本发明的浮动系统(1)如何与海上结构(2)分离并且以折叠构造布置以便于其运输。正如前文所述，本发明的系统(1)的可分节铰接和模块化的能力允许其适应多种类型的海上结构(2)，使得它们可以被恢复和/或重复使用以用于随后的安装或运输。
在图8a-8e中，可以看出，在海上结构(2)的整个安装过程中，辅助浮动系统(1)怎样保持半潜式并且浮在基本上相同的水平面上，同时海上结构(2)的水平随着它下沉而变化直到抵靠在海床(24)上，其中在两个自浮体之间存在基本上自由的相对垂直运动。
另外，在图8a-8e的实施例中，杆状物(4)具有恒定的直径，这有助于导向操作，并且还具有长度，使得所述杆状物(4)的顶部高度水平高于系统中包括的导向元件(9)的至少一部分所处的水平。
本文件的图9示出了本发明的辅助浮动系统(1)的浮动元件(5)的可能的具体实施例。在其中，所述浮动元件(5)包括流体动力阻尼板(26)，例如厚板型，以减少和阻尼不希望的运动。另外，系统(1)的前述浮动元件(5)是有压载的，以便为其浮力提供额外的控制装置，并且还提供海上结构(2)的稳定性。另外，浮动元件(5)包括一个或多个下闸门(26')，其用于调节所述浮动元件(5)的基座上的压载物，位于水下区域(部分浮体潜入水中与水接触)，以允许和/或控制所述浮动元件(5)的内部和浮动元件漂浮在其中的水的主体之间的水流，作为调节组件的行为、阻尼和固有频率的装置。优选地，所述闸门(26’)具有可调节的开口和/或远程致动。
调节闸门(26')的打开允许待建立系统的浮动元件(5)的水的填充水平和/或水的入口/出口，这实际上相当于调节其浮力的有效区域。因此，可以在海上结构(2)的运输、安装或维护操作的不同阶段，间接地控制所述浮动元件(5)和/或它们与海上结构(2)形成的组件的振荡周期。
这样，与前述操作相关的方法可选地包括，第一阶段，其中至少一个所述闸门完全或部分打开，这相当于减少包括它的浮动元件(5)的有效区域；第二阶段，其中所述闸门(26’)相对于第一阶段的位置关闭，这相当于增加浮动元件(5)的有效区域。此外，调节闸门(26’)可用于调节浮动元件(5)的压舱水平。优选地，在包括基座(3)的海上结构(2)中，调节闸门(26’)在基座(3)处于浮现位置的阶段中完全或部分地打开。另外，当所述基座(3)处于水下位置时，调节闸门(26’)是关闭的(或者至少比基座(3)的浮现位置更闭合)。
继而，浮动元件(5)可以使用本领域已知的不同材料制造，优选混凝土和/或金属材料。也可以使用混合结构，制造混凝土的内部部分和钢的浮动元件(5)的其余部分。也可以使用类似于通常用于构造预制容器的预制混凝土的技术。
浮动元件(5)的配置也可以是模块化的，以便能够调整其整体尺寸。可用于形成所述浮动元件(5)的部件或模块可以是不同的形式，其尺寸优选地适合于容器化(不大于标准容器的尺寸)，以便于运输和重复使用。所述模块可以彼此连接以在底部以及上方构成浮动元件(5)。
优选地，由浮动元件(5)和联接到海上结构(2)的联接结构(7)形成的组件是流体动力自稳定的，使得所述浮动元件(5)和联接结构(7)的质量分布，以及相应的浮动中心为，使得当打开和关闭子系统(10)是打开时(即，使用海上结构(2)的分开系统(1))，浮动元件(5)在竖直位置是平衡的。实际上，这意味着，即使当子系统(1)打开时，铰接件(15)的每一侧上的元件的组件将采用深度、俯仰和倾斜的位置，该位置基本上等于闭合子系统(10)的深度、俯仰和倾斜。
关于本发明的辅助浮动系统(1)的元件的几何关系，图10和11示出了为了说明目的而提供的不同方面。图10示出了导向元件(9)如何围绕杆状物(4)具有平面布置，使得由任何一对所述导向元件(9)和杆状物(4)的中心轴线形成的最大平面角度(α)等于或小于三个弧度。依次地，图11示出了导向元件(9)，其高度布置至少发生在两个水平上，所述水平的最高水平(27)和最低水平(28)之间的水平差异等于或大于1米。同样，图11还示出了辅助浮动系统(1)的实施例，其中浮动元件(5)包括深度(29)和等于或大于给定长度(H)的干舷(30)，其值基本上符合方程式H＝R·sin(α')，(R)是从每个浮动元件的中心到杆状物(4)的纵向轴线的距离，并且(α')是在安装和/或运输期间允许的海上结构(2)的基座(3)的最大倾斜角度。
最后，图12示出了基于连接至联接结构(7)的单个浮动元件(5)的本发明的实施例，其中联接结构(7)被固定至海上结构(2)。在所述结构(2)的维护操作中特别指出了该系统的所述实施例，其中，例如，不需要运输该系统。从图12中可以看出，上述维护操作通常包括将辅助浮动系统(1)运输到海上结构(2)的位置并通过操作联接结构(7)的打开和闭合子系统(10)来将其固定。在本发明的这些类型的应用中，浮动元件(5)和/或联接结构(7)可以设置有辅助操作或维修装置，例如升降机，适于将设备运输至海上结构(2)或从其运输，并且将其运输至浮动系统(1)或从其运输，或者将其运输至辅助船只并从辅助船只运输。
优选地，可以使用陆地起重机，其比海上起重机更经济，这可能是由于浮动系统(1)与海上结构(2)的连接限制了前者的运动并且便于操作起重机，即使是在高处工作，例如在风力涡轮机的维护操作中也是如此。

Claims (18)

1.一种用于安装和/或运输海上结构(2)的辅助浮动系统(1)，所述海上结构(2)是暂时或最终自浮动的，并且包括基本上垂直的杆状物(4)，其中所述辅助浮动系统(1)包括：
-多个浮动元件(5)；
-至少一个联接结构(7)，其连接至所述浮动元件(5)并且配置为围绕其杆状物(4)连接至海上结构(2)，其中所述联接结构(7)包括打开和闭合子系统(10)，以便于将联接结构(7)放置在海上结构(2)上和/或从其移除，其中，打开和闭合子系统(10)包括一个或多个铰接件(15)，所述一个或多个铰接件(15)允许所述浮动元件(5)围绕所述铰接件(15)相对于基本垂直的轴线旋转；并且其中，所述联接结构(7)是连接所述浮动元件(5)的模块化结构；
-包括在联接结构(7)中的一个或多个导向元件(9)，所述一个或多个导向元件(9)提供与所述杆状物(4)的一个或多个滑动接触表面；
其特征在于，
所述联接结构(7)包括环(8)，所述环(8)适配为围绕海上结构(2)的杆状物(4)，并且多个桁架臂连接所述环(8)以及所述多个浮动元件(5)，其中，所述导向元件(9)被包含在所述环(8)中，并且其中，桁架臂的长度决定浮动元件(5)和杆状物(4)之间的间距；
并且，辅助浮动系统(1)被设置为，当环(8)围绕其垂直的杆状物(4)被连接至海上结构(2)时，使得：
-联接结构(7)允许辅助浮动系统(1)和杆状物(4)之间自由的相对垂直运动，使得如果海上结构下沉，辅助浮动系统(1)保持在基本相同的水平面上；以及
-联接结构(7)限制和/或防止辅助浮动系统(1)的浮动元件(5)和杆状物(4)之间的除相对垂直运动外的其他相对运动，包括相对水平运动和相对旋转，所述相对水平运动和相对旋转在滚动、倾斜或偏航期间。
2.根据权利要求1所述的辅助浮动系统(1)，其包括所述多个导向元件(9)，并且其中所述导向元件(9)具有围绕杆状物(4)的平面布置，使得由任何一对导向元件(9)和杆状物(4)的中心轴线形成的最大平面角度α等于或小于3弧度(3rad)。
3.根据权利要求1或2所述的辅助浮动系统(1)，其包括在至少两个水平上具有升高布置的多个导向元件(9)，所述水平的最高水平(401)和最低水平(402)之间的水平差等于或大于1m。
4.根据权利要求1或2所述的辅助浮动系统(1)，其用于海上结构(2)中，海上结构(2)的杆状物(4)具有横截面，所述横截面具有多边形的外部几何形状，并且其包括在所述多边形几何形状的顶点与所述杆状物(4)接触的至少三个导向元件(9)。
5.根据权利要求4所述的辅助浮动系统(1)，其中所述打开和闭合子系统(10)包括一个或多个铰接件(15)，所述一个或多个铰接件(15)允许联接结构(7)的浮动元件(5)相对于另一浮动元件(5)基本上垂直旋转。
6.根据权利要求1或5所述的辅助浮动系统(1)，其中所述辅助浮动系统(1)的打开和闭合子系统(10)具有至少两个协作闭合元件(16、17)，装备有多个配合导向件(18、18'、18”)，所述多个配合导向件(18、18’、18”)用于在海上结构(2)上的浮动系统(1)的闭合操作期间，对联接结构(7)的浮动元件(5)进行定向。
7.根据权利要求1或2所述的辅助浮动系统(1)，其中所述辅助浮动系统(1)包括至少一个纵向元件，所述纵向元件通过其至少一个端部固定至海上结构(2)并通过其另一端固定至所述辅助浮动系统(1)，所述纵向元件的长度是可调节的，使得海上结构(2)下沉时能够维持所述纵向元件与海上结构(2)的连接，其相对位置相对于辅助浮动系统(1)变化，但基本上保持在相同的浮动水平面上。
8.根据权利要求1所述的辅助浮动系统(1)，其中至少一个浮动元件(5)包括水下流体动力阻尼板(26)，所述水下流体动力阻尼板(26)基本上是水平且平坦的。
9.根据权利要求1所述的辅助浮动系统(1)，其中当所述打开和闭合子系统在海上结构(2)上闭合时，所述浮动元件(5)的平面分布为，使得其不与海上结构(2)的平面分布重叠。
10.根据权利要求1或2所述的辅助浮动系统(1)，其中所述海上结构(2)包括基座(3)，并且其中所述系统的至少一个浮动元件(5)具有深度(29)和干舷(30)，深度(29)和干舷(30)均等于或大于给定长度H，其值符合公式H＝R·sin(α’)，其中R是从每个浮动元件(5)的中心到杆状物(4)的纵向轴线的距离，并且α'是在海上结构(2)的安装和/或运输期间允许的海上结构(2)的基座(3)的最大倾斜角度。
11.根据权利要求1或2所述的辅助浮动系统(1)，其包括适于在海上结构(2)上或从海上结构(2)上放置和/或移除设备和/或人员的升降装置。
12.根据权利要求1所述的辅助浮动系统(1)，其中，所述联接结构(7)是铰接式结构。
13.一种用于安装和/或运输海上结构(2)的方法，所述海上结构(2)具有基本上垂直的杆状物(4)，其特征在于，所述海上结构(2)包括使用根据前述权利要求中任一项所述的辅助浮动系统(1)，并且所述方法至少包括如下步骤：
a)围绕海上结构(2)连接辅助浮动系统(1)；
b)将海上结构(2)锚固至水下的第一深度，同时辅助浮动系统(1)保持在基本相同的水平面上；以及
c)从海上结构(2)移除辅助浮动系统(1)。
14.根据权利要求13所述的方法，其还包括步骤：在步骤a)之前或之后，将辅助浮动系统(1)和/或海上结构(2)运输至其的海上最终位置。
15.根据权利要求13或14所述的方法，还包括在其一个或多个步骤期间，将拖船(23)连接至辅助浮动系统(1)。
16.根据权利要求13或14所述的方法，应用于由伸缩塔模块(22、22'、22”)组成的海上结构(2)，其还包括在其一个或多个步骤中部分或全部升高所述伸缩塔模块(22、22'、22”)。
17.根据权利要求13或14所述的方法，其中在步骤b)完成之前，在受保护的沿海区域完成所述步骤a)。
18.根据权利要求13或14所述的方法，其中所述海上结构(2)包括基座(3)；其中浮动元件(5)中的一个或多个包括用于调节所述浮动元件(5)的基座上的压载的一个或多个闸门(26’)；并且其中所述方法包括第一阶段，其中在基座(3)位于浮现位置时调节闸门(26')全部或部分打开；以及第二阶段，其中在基座(3)处于水下位置时，调节闸门(26')完全闭合或者比在第一阶段更闭合。
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