CN111867962B - 用于将具有纵向的相当大的细长物体设置到水底中的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于将具有纵向的相当大的细长物体从船舶的甲板设置到水底中的装置。该装置包括：提升手段，该提升手段被构造成在物体的提升点处提起物体并且将物体定位在水底上；翻转工具，该翻转工具连接到船舶的边缘，并且被构造成接合从提升手段悬挂的物体的第一圆周部分并且提供枢轴，物体可以围绕该枢轴翻转；以及夹持工具，该夹持工具连接到船舶的边缘，并且被构造成接合从提升手段悬挂的物体的第二圆周部分，据此，第一圆周部分和第二圆周部分可选地在物体的纵向上隔开。夹持工具包括致动系统，该致动系统被构造成作用于翻转工具和夹持工具中的至少一个上，并且控制第一圆周部分和第二圆周部分中的至少一个相对于船舶的移动。还描述了一种使用该装置的方法。

Description

用于将具有纵向的相当大的细长物体设置到水底中的装置和 方法
技术领域
本发明涉及用于将具有纵向的相当大的细长物体从船舶的甲板设置到水底中的装置和方法。本发明具体涉及用于将风力涡轮机的单桩从船舶，特别是浮动船舶的甲板设置到水底中的装置和方法。
背景技术
本发明将参考海上风力涡轮机进行说明。然而，对这种风力涡轮机的参考并不意味着本发明局限于此，并且该装置和方法可以应用于将任何其它相当大的细长物体(诸如其它海上基础结构、突堤、雷达以及其它塔等)设置到水底中。
由于必须跨越与水底的高度差，因此海上风力涡轮机的基础通常具有细长的设计。一种经常应用的风力涡轮机的基础包括单桩，该单桩在上侧上设置有过渡件，该过渡件形成与布置在单桩上的涡轮机桅杆的连接。单桩被在水下支撑，并且下端被击打到水底中。由此，在使用中，单桩基础的大部分位于水下。
单桩通常包括钢或混凝土的中空圆柱形结构，这些结构的长度可高达并超过100m，直径可高达11m或更多，重量可高达2000吨或更多。而且，由于风力涡轮机不断按比例增大以产生更多的电能，因此风力涡轮机的基础正变得越来越重和越来越大。越来越大的单桩基础使得它们越来越难以处理。
一种用于在水底设置单桩的已知方法包括以下步骤：使用诸如起重机的提升手段从船舶提起单桩，并且将单桩降低到水底上或水底中，通过连接到船舶的夹桩器单桩在此在大致竖直定向的位置中保持可控。船舶通常是自升式船舶，因为自升式船舶的支腿提供所需的稳定性。在典型的操作顺序中，单桩通过使用夹桩器的提升手段下降到海床。当载荷从提升手段传递到海床时，将单桩与提升手段分离，并且将击打锤击工具安装到单桩上。在由夹桩器提供的一些引导下，将单桩进一步击打到海床中，直到到达期望的深度为止。只有在单桩固定在海床中之后，才将单桩与夹桩器分离。
Manfred Beyer等人的论文“New BAUER Fly Drill System Drilling Monopilesat Barrow Offshore Wind Farm,UK”公开了一种用于将风力涡轮机的单桩放置在水下基床中的装置。使用了一种翻转和引导系统，该系统包括翻转工具或框架以及布置在其下方的夹持工具。该系统连接到船的船首并且形成铰链，单桩在翻转期间可以围绕该铰链旋转。
WO2017/142418Al公开了一种用于在海床中放置完整的单柱平台的装置。平台由第一船舶和浮桥在水上提供，浮桥布置在船舶后面并通过缆绳连接到船舶。从平台下方去除浮桥，这允许平台在其自身重量的影响下并使用牵引缆绳旋转到水中。第一船舶配备有用于平台的引导装置，该引导装置在平台悬浮在水中时，通过与平台一起移动来提供多个自由度。
使用自升式船舶确保船舶的运动受到限制，但是具有一些缺点和局限性，比如与高度和尺寸有关的缺点和局限性。为了能够安装更大和更重的单桩，预计需要从浮动的船舶安装单桩。
在自升式平台上使用的已知夹桩器不能用在浮动船舶上，因为在浮动船舶上缺少稳定和静止的工作平台。浮动船舶还具有相对大的覆盖区，即使在其位置在某种程度上受到动态定位(DP)和/或系泊系统的限制时也是如此。已知方法和装置的另一个缺点是，它只能在相对平静的海中并且对于相对小的物体尺寸执行。相当大的物体随着它下降到水中实际上受到来自海洋(水流、波浪)和来自风的大量能量。海况越严重，控制诸如越来越大的单桩的相当大的物体就变得越困难。由于这种天气限制，可能损失宝贵的时间。
发明内容
因此，本发明的目的是提供至少部分地消除了现有技术的上述缺点的、用于将具有纵向的相当大的细长物体设置到水底中的装置和方法。本发明具体寻求提供用于将风力涡轮机的单桩从浮动船舶安全设置到水底中的改进装置和方法。
为此，根据本发明，提供了一种用于将具有纵向的相当大的细长物体从船舶的甲板设置到水底中的装置，装置包括：
提升手段，该提升手段被构造成在物体的提升点处提起物体并且将物体定位在水底上；
翻转工具，该翻转工具连接到船舶的边缘，并且被构造成当从提升手段悬挂物体时接合第一圆周部分并且在纵向上支撑物体，从而提供枢轴，物体可以围绕该枢轴翻转；
夹持工具，该夹持工具连接到船舶的边缘，并且被构造成接合从提升手段悬挂的物体的第二圆周部分，据此，第一圆周部分和第二圆周部分可选地在物体的纵向上隔开；以及
致动系统，该致动系统被构造成作用于翻转工具和夹持工具中的至少一个上，并且控制第一圆周部分和第二圆周部分中的至少一个相对于船舶的移动。
所引用的现有技术文献(特别是WO2017/142418Al)都未示出适于与翻转框架和/或夹持工具接合以阻尼或控制第一圆周部分和/或第二圆周部分相对于船舶的移动的致动系统。最多，WO2017/142418Al公开了一种系统，该系统被布置成与平台一起移动，该平台与该系统接合并且悬浮在水中。已知的系统不能比如通过阻尼与系统接合的平台的移动(被动补偿)或通过将移动主动施加到平台上(主动补偿)，来作用于悬浮平台。
根据本发明的实施方式，第一圆周部分和第二圆周部分可以基本上重合。在这种实施方式中，翻转工具和夹持工具在位置上对齐，使得它们作用于物体的基本上相同的圆周部分。在另一实施方式中，夹持工具可以被构造成用作翻转工具。为此，夹持工具连接到船舶的边缘，并且被构造成当从提升手段悬挂物体时在纵向上支撑物体，从而提供枢轴，物体可以围绕该枢轴翻转。
根据本发明的又一实施方式，翻转工具和夹持工具相对于彼此在位置上对齐，使得它们允许接合在物体的纵向上隔开的第一圆周部分和第二圆周部分。这具有以下将进一步阐明的若干优点。
致动系统可以根据其操作的阶段以不同的模式操作。在典型的方法中，在物体的提升点处用提升手段提起物体，并且使其进入接合物体的第一圆周部分的翻转工具中。然后，可以在围绕枢轴旋转翻转工具的同时，将物体翻转到基本上竖直的位置。在操作的这个阶段期间，致动系统典型地被构造成作用于翻转工具上，并且通过阻尼第一圆周部分相对于船舶的移动来控制这些移动。在操作的这个阶段，致动系统被称为以被动模式操作。阻尼第一圆周部分相对于船舶的移动允许更受控且安全的操作。
当物体已经被翻转到基本竖直的位置时，典型的另外步骤则包括使从提升手段悬挂的物体的第二圆周部分与夹持工具接合，并且将物体降低到水底上和水底中。在操作的这个阶段中，致动系统典型地被构造成作用于夹持工具上，并且通过被动地阻尼第二圆周部分相对于船舶的移动以限制这些移动，或者在需要时通过主动地将移动施加到第二圆周部分以限制第二圆周部分相对于船舶的移动。在另一实施方式中，致动系统还被构造成作用于翻转工具上，并且通过主动地将相对于船舶的移动施加到第一圆周部分上来控制第一圆周部分相对于船舶的移动。在又一实施方式中，致动系统可以被构造成同时作用于翻转工具和夹持工具两者上，以通过主动地将相对于船舶的移动施加到第一圆周部分和第二圆周部分上来控制第一圆周部分和第二圆周部分相对于船舶的移动。
本发明的特别优选的实施方式涉及一种装置，其中，夹持工具包括致动系统，该致动系统被构造成使翻转的物体的第二圆周部分相对于船舶在基本上水平的平面中平移，从而补偿船舶和物体在所述平面中的运动。
该装置，更具体地说是翻转工具和夹持工具的组合提供了一种可靠的系统，该系统用于优选地从浮动船舶将物体可控且准确地设置到水底和水底中。相互对齐的翻转和夹持工具的组合允许物体的减小的摆动，特别是当从诸如起重机的提升手段悬挂时。起重机实际上受到某些可接受的限制。比如，吊索的典型最大可允许倾斜角度值是偏离引线5°和侧引线3°。超过这种限制可能导致吊索从起重机槽轮跑出，和/或可能导致超过起重机的最大可允许水平负载能力。当在翻转过程中部分翻转物体时，比如相对于水平方向翻转到大约80°的倾斜角时，防止物体的“过度摆动”是特别有用的。
本发明的装置可以吸收从提升手段悬挂的物体的至少一些能量，并且被构造成在物体下降到水底上或设置到所述水底中的同时相对于水底将翻转的物体保持在期望位置。
浮动单桩安装中的主要挑战之一是在所需的安装公差内安装桩。浮动(并因此移动)的船舶实际上具有非常有限的可工作性范围，甚至将不能应付典型地所需的紧密公差。作为示例，对于一些项目，单桩相对于竖直方向的角度的最大偏差可能被限制在0.25°内。本发明的装置有助于实现这些目标。
优选地，提升点包括物体的上端。并且翻转工具和夹持工具中的至少一个被构造成在距提升点一定距离处接合从提升手段悬挂的物体。
本发明的另一方面涉及一种用于将具有纵向的相当大的细长物体从船舶的甲板设置到水底中的方法，方法包括以下步骤：
a)提供物体和根据前述权利要求中任意一项的装置；
b)在物体的提升点处用提升手段提起物体；
c)使物体进入翻转工具内部，并且利用翻转工具接合物体的第一圆周部分和下端，该物体可选地从提升手段悬挂；
d)在围绕枢轴旋转翻转工具的同时，将物体翻转到基本上竖直的位置；
e)将从提升手段悬挂的物体的第二圆周部分与夹持工具接合，据此，第一圆周部分和第二圆周部分可选地在物体的纵向上隔开；
f)将物体降低到水底上和水底中；以及
g)将物体与装置分离。
其中，致动系统作用于翻转工具和夹持工具中的至少一个上，并且在步骤d)和f)中的至少一个期间控制第一圆周部分和第二圆周部分中的至少一个相对于船舶的移动。
注意，上述方法步骤不需要特定的顺序。特别可以的是，将从提升手段悬挂的物体的第二圆周部分与夹持工具接合的步骤e)在步骤d)的一部分之前或与其一起执行，即，在围绕枢轴旋转翻转工具的同时将物体翻转到基本上竖直的位置。
“基本上”被理解为是所指示量的至多20％，更优选地为至多10％，还更优选地为至多5％且最优选地为至多0.5％的偏差。
本发明的实施方式涉及装置和方法，其中，致动系统被构造成至少在步骤d)和f)中的一个期间阻尼接合的第一圆周部分和第二圆周部分中的至少一个相对于船舶的移动。特别优选的是装置和方法，其中，致动系统被构造成至少在步骤d)和f)中的一个期间，阻尼接合的第一圆周部分和第二圆周部分两者相对于船舶的移动。这种实施方式还防止或至少限制物体在围绕翻转工具的竖直轴线翻转期间旋转，比如当物体的下端沿船舶的浪涌方向移动时。当物体几乎处于竖直位置时，比如当物体的下端沿船舶横荡方向移动时，它们还可以防止或至少限制物体的上端突然翻倒。
在翻转期间或在物体被降低的同时，物体的第二圆周部分由夹持工具接合。夹持工具可以在阻尼模式下操作，在该模式下，物体可以以被阻尼的摆的方式相对于其纵向在横向上移动。还可以组合使用夹持工具和翻转工具来产生旋转阻尼。然后，翻转工具用作第一圆周部分的阻尼铰接点，而夹持工具阻尼第二圆周部分的横向移动。
在阻尼模式下，翻转工具和夹持工具中的至少一个(并且优选地为两者)避免这些移动达到如此高的振幅，以致于可能损坏装置和/或物体和/或提升手段。
而且，通过去除峰值振幅可以获得更好的受控操作。由此，可以在高达2-2.5m和更大的有效波高的更严重海况下工作，其中，现有技术方法仅可以应用于高达1.5m的有效波高。夹持工具还可以在船舶运动补偿模式下操作，在该模式下，尽管船舶相对于水底移动，翻转的物体的第二圆周部分也在平行于水底延伸的平面中相对于水底保持在基本上固定的位置中。优选地，在刚要将翻转的物体降低到接触或部分穿透水底的这种程度之前使用该模式。
在操作中，将翻转工具和夹持工具中的至少一个带向外部，使得接合的第一圆周部分和/或第二圆周部分延伸超过船舶的边缘。然后，从提升手段悬挂的翻转的物体沿着船舶的边缘下垂到水中或水上。
本发明的另外实施方式提供了一种装置，其中，步骤f)还包括将物体降低到水底上和水底中，同时使翻转的物体的第二圆周部分在基本上水平的平面中相对于船舶平移，从而补偿船舶运动。
本发明的另一实施方式涉及一种装置，其中，致动系统被构造成将翻转的物体的第二圆周部分在水平面中(即，在基本上平行于水底延伸的平面中)相对于水底保持在基本上固定的位置中。水平面被限定为基本上平行于水底或可选地平行于水面延伸。
当浮动在水上时船舶经受呈现6个自由度的移动，包括三个平移移动和三个旋转移动。在联系到船舶并将z轴定义为竖直延伸、将x轴定义为沿船舶的纵向延伸且将y轴定义为沿船舶的横向延伸的笛卡尔坐标系中，x轴平移移动在本领域中被称为纵荡，y轴平移移动被称为横荡，并且z轴平移移动被称为起伏。船舶围绕x轴的旋转移动被称为横摇，围绕y轴的旋转被称为纵摇，并且船舶围绕z轴的旋转被称为偏航。值得注意的是，由船舶的甲板形成的(x,y)平面将不平行于平行于水底运动延伸的平面，这正是由于船舶在水上的运动。本发明的装置的致动系统能够使翻转的物体的第二圆周部分在基本上水平的平面中相对于船舶平移，从而补偿船舶运动，并且在实施方式中，将物体(特别是翻转的物体的圆周部分)在水平面(即，大致平行于水底延伸的平面)中相对于水底保持在基本上固定的位置中。这意味着，在联系到夹持工具的、具有平行于船舶坐标系的(x,y,z)坐标轴延伸的(x,y,z)轴的笛卡尔坐标系中，在夹持工具坐标系的x和y方向上不存在相对于水底的移动。
在本发明的装置的实施方式中，可以实现在水平面中相对于水底将物体保持在基本上固定的位置中，其中，致动系统被构造成使夹持工具在平行于水底延伸的平面中相对于船舶平移。致动系统可以由来自船舶的船桥或甲板控制室的操作者进行控制，比如以至少在某一准确程度上实现上述目标。
本发明的进一步改进使夹持工具和动态定位/系泊系统控制器接口连接。这种接口的实施方式包括从夹持工具到DP控制器的力前馈回路。本发明的改进实施方式提供了一种装置，该装置还包括传感器系统，该传感器系统被配置成测量翻转的物体相对于竖直轴线的倾斜度。这种实施方式允许操作者响应于传感器系统输出而采取适当的动作。比如，他可以使夹持工具相对于船舶平移，以适应与物体的竖直状态的偏差。在本发明的一个方面中，通过借助于致动系统主动地移动夹持工具或其部分，或者通过操作船舶的DP系统或系泊系统主动地移动船舶的位置，来调节物体的角位置。后提及的系统对于校正相对大的偏移特别有用。由此，可以在布置在水底上的物体被固定在水底中之前，使该物体进入正确的、大体竖直的位置中。该角位置由物体的纵向与竖直方向形成的角度确定。
根据本发明的实施方式的进一步改进的装置另外包括控制系统，该控制系统被配置成响应于传感器系统输出而生成用于致动系统的控制信号。这种实施方式不需要操作者的干预，并且在需要时可以自己操作。
诸如安装在水底中的单桩的细长物体的位置可以通过本领域已知的任何手段来确定，例如通过本身已知的全球定位系统。物体的准确定位可以通过本发明的装置的实施方式来增强，其中，船舶包括动态定位(DP)或系泊系统。这种系统允许将船舶相对于水底保持在相对恒定的位置(至少在一些公差内)，而不使用如自升式平台中的艏定位桩。系泊系统可以包括多个系泊缆，系泊缆在一端设置有用于连接到水底的合适手段，并且在另一端设置在绞车或其它合适的收进/放出手段周围。系泊缆的数量可以方便地在一和任何数量之间选择，比如2、3、4、5、6、7、8、9、10个甚至更多。
根据本发明的夹持工具的实际实施方式包括用于接合第二圆周部分的夹持单元和用于夹持单元的支撑框架，其中，支撑框架连接到船舶的边缘。支撑框架将夹持单元连接到船舶，并且在一些实施方式中允许致动系统使夹持单元在平行于水底延伸的平面中相对于船舶平移。
在该装置的另一有用实施方式中，翻转工具和夹持工具中的至少一个围绕沿着船舶的边缘延伸的轴线可枢转地连接到边缘，以将工具带到船舶的内侧和外侧。有利地，翻转工具和夹持工具两者均围绕沿着船舶的边缘延伸的轴线可枢转地连接到该边缘。
为了促进在水平面中移动夹持单元，该装置的实施方式包括夹持工具，该夹持工具围绕垂直于船舶的甲板延伸的轴线可枢转地连接到船舶的边缘。这种轴线在基本上竖直的方向上延伸。
本发明的另一实施方式涉及一种装置，其中，致动系统包括在船舶与翻转工具和夹持工具中的至少一个之间作用的复数个活塞缸单元，优选地为复数个液压活塞缸单元。为了能够控制翻转工具和/或夹持工具在水平面中的移动，活塞缸单元优选地在水平面中伸长或缩短，以调节物体的第二圆周部分在(x,y)平面中相对于船舶的水平位置。致动系统主要补偿使用期间的所有水平船舶运动。这些运动包括与船舶本身的运动有关的一阶运动，诸如纵荡、横荡、横摇、纵摇以及偏航引起的水平运动。实际上，船舶的诸如横摇的旋转移动可能引起夹持工具的水平或竖直平移分量。
二阶运动也可以由夹持工具的致动系统补偿，或者在这些二阶运动超过夹持工具致动系统的补偿边界的情况下，由动态定位(DP)或系泊覆盖区补偿。也可以使用两者的组合。
释放(允许)船舶的所有竖直运动。这些运动包括由起伏、横摇以及纵摇引起的船舶的竖直运动。因此，这些运动不被传递到夹持工具。
围绕物体(旋转点)的船舶偏航也可以被补偿，或者在可选实施方式中可以被释放。这是为了避免由船舶对物体施加扭矩。
特别是当物体在使用中尚未到达水底时，提供装置的实施方式可以是有益的，其中，致动系统包括移动阻尼手段，该移动阻尼手段被构造成阻尼夹持工具和由夹持工具保持的物体相对于船舶的移动。优选实施方式提供了呈活塞缸单元形式的移动阻尼手段和用于存在于活塞缸单元中的液压液体的节流手段。实际的实施方式提供了一种致动系统，其复数个活塞缸单元也被构造为移动阻尼手段。在这种实施方式中，致动系统充当准确定位系统和移动阻尼手段。
移动阻尼手段可以被构造成将相对于支撑结构移动的夹持构件(以及容纳在其中的物体)的动能转换成热能。由所生成的热引起的温度升高可以比如通过冷却环境空气中的管道等来保持处于控制之中。在可能的实施方式中，装置包括用于移动阻尼手段或其部件的冷却手段。
用于液压液体的节流手段可以存在于活塞缸中。流动的液压液体通过节流手段经受液压阻力，据此，摩擦增大并且温度升高。由此，有效地耗散所生成的动能。当期望时，该实施方式可以与液压蓄能器组合应用，该液压蓄能器可以可选地生成期望的预应力和/或可以补偿液压缸室中可能的容积差异。致动系统的活塞缸单元的预加应力可以通过应用蓄能器以简单的方式控制。合适的蓄能器包括薄膜蓄能器和/或活塞蓄能器。在单桩和夹持工具或其零件横向移动的情况下，这种移动阻尼连接中的反作用应力将增大到取决于蓄能器中的气体容积的值，据此，移动被抵消。
节流手段可以被具体实施为活塞缸的活塞中的开口和/或液压管道中的收缩部。比如，合适的节流手段包括可选可控的节流阀。
根据本发明，致动系统及其部件(诸如可选的移动阻尼手段)横向于物体的纵向作用。这意味着，横向于容纳在翻转工具和/或夹持工具中的物体的纵向的摆动移动被横向于物体的纵向作用的力分量抵消。
另一实施方式提供了一种装置，其中，翻转工具和夹持工具中的至少一个包括分别围绕物体的第一圆周部分和/或第二圆周部分设置的能打开且能重新闭合的环结构。
环结构优选地设置有多个引导臂，这些引导臂在大约垂直于物体的纵向的横向平面中延伸，并且在横向平面中在距圆周部分一定距离的缩回位置和与圆周部分接合的伸出位置之间可移动。
更优选的实施方式提供了一种装置，其中，多个引导臂被构造成允许在物体的纵向上的平移和围绕平行于物体的纵向的轴线的旋转中的至少一个。翻转的物体的纵向平移对应于基本上竖直的平移，因此允许适应船舶的起伏。围绕翻转的物体的纵向的旋转对应于围绕基本上竖直的轴线的旋转，因此允许适应船舶的偏航。后提及的旋转允许就在将诸如单桩的翻转的物体固定到水底中之前使其围绕竖直轴线旋转。
根据本发明的实施方式的翻转工具可以包括两个互连的环结构，这两个环结构在物体的纵向上隔开，以形成优选地可打开的以容纳物体的笼状结构。比如，环结构可以通过纵向延伸的肋互连。
根据本发明，翻转工具被构造成当从提升手段悬挂时在纵向上支撑物体。这在实施方式中可以通过为翻转工具设置一个或更多个可伸缩的可延伸臂来实现，这些可伸缩的可延伸臂设置有接合物体下端的钩。可伸缩的可延伸臂允许调节细长物体的下端与第一圆周部分之间的纵向距离，从而提供适应不同物体尺寸的可能性。单个臂典型地定位在物体的下端与船舶的舷侧外板之间。
作为上述具有钩的臂的替代方案，物体也可以在翻转期间通过摩擦来夹紧，比如通过为翻转工具设置复数个摩擦元件，这些摩擦元件防止接合的第一圆周部分相对于翻转工具向下滑动。包括摩擦元件的翻转工具甚至可以用作提升手段，在该实施方式中，可以省略诸如起重机的单独的提升手段。比如，合适的摩擦元件可以包括橡胶履带。
当翻转的物体朝向水底降低并最终接触所述底部时，该翻转的物体然后可以在其自身重量的影响下进一步穿透所述底部。然而，本发明的优选实施方式还包括用于将物体击打到水底中的手段。由此，可以通过使用本身已知的液压锤击单元、通过钻孔或通过另一合适的技术将单桩击打入底部表面中。在优选的方法中，物体在被击打到水底中的同时由夹持工具支撑。
根据本发明的另一进一步改进的装置包括配备有噪声减轻系统(NMS)的夹持工具。该实施方式在强制在将物体击打到水底中期间降低噪声污染的情况下可以是有用的。夹持工具设置有适当的接口，以允许使用这种NMS。虽然实施方式中优选NMS连接到夹持工具，但是NMS也可以设置为单独的结构，以被带入夹持单元附近的水中。当连接到夹持工具时，NMS优选地是可打开的，以便允许物体进入夹持工具和NMS。
根据所附权利要求中说明的方法，装置特别可用于将单桩基础从船舶(优选为浮动船舶的)的甲板设置到水底中。
明确地说明，在本专利申请中描述的本发明的实施方式可以以这些实施方式的任何可能的组合来组合，并且各个实施方式可以单独地形成分案专利申请的主题。
附图说明
现在将参见以下附图来说明本发明，但本发明并不限于此。附图中：
图1是设置有根据本发明的实施方式的装置的浮动船舶的示意性透视图；
图2是根据本发明的实施方式的包括翻转工具和夹持单元的装置的示意性透视图；
图3A至图3F表示在不同操作阶段期间的图2的实施方式的示意性透视图；
图4A至图4C是根据本发明的实施方式的夹持工具的示意性透视图；
图5是在根据本发明的实施方式的夹持构造中使用的距离保持元件的示意性透视图；以及最后
图6A至图6O示意性地表示了根据本发明方法的实施方式的不同操作阶段。
具体实施方式
参见图1，示出了配备有根据本发明的实施方式的装置1的船舶10。装置1用于将具有纵向轴线40的单桩4设置到水底5中。要放置的部件可以设置在船舶10的工作甲板上，诸如多个过渡件6和单桩4。船舶10的工作甲板还支撑起重机7形式的提升手段，该起重机围绕竖直轴线可枢转地设置在底座72上。起重机7设置有起重索70，并且在起重索的自由外端设置有具有钩的起重滑车71，在使用中单桩4可以在设置在单桩4的上端的提升点46处从该起重滑车悬挂。
船舶10配备有本身已知的动态定位和/或系泊系统(未示出)。
图2中更详细地示出了装置1的实施方式。装置1包括翻转工具2，该翻转工具连接至船舶10的边缘10a，并且被构造成接合第一圆周部分4a并支撑单桩4的下端4c。如将在下面更详细地描述的，翻转工具2提供了单桩4可以围绕其翻转的枢轴。装置1还包括也连接到船舶10的边缘10a的夹持工具3。如图6E至图6M所示，夹持工具3被构造成接合单桩4的第二圆周部分4b。如图所示，第一圆周部分4a和第二圆周部分4b在单桩4的纵向40上隔开一定距离41。第一圆周部分和第二圆周部分(4a、4b)位于距提升点46的非零距离处。
夹持工具3包括致动系统，该致动系统包括多个液压活塞缸35(参见图4A、图4B和图4C)，这些液压活塞缸被构造成使单桩4的第二圆周部分4b在基本上水平的平面中相对于船舶10在翻转位置中平移。从而，如下面更详细地例示的，补偿了由于波浪作用而导致的船舶10的运动。
成对滑轨(210、310)设置在船舶10的工作甲板10b上。复数个滑轨210用于使翻转工具2沿平行于与船舶10关联的(x,y)坐标系中的y轴的横向(横过船)平移，以将翻转工具从图6A至图6I所示的外侧位置带到图6K至图6O所示的内侧位置。复数个滑轨310用于使夹持工具3围绕平行于船舶10的边缘10a延伸的船舶的x轴旋转，以将夹持工具3从比如图4B所示的外侧位置带到图4C所示的内侧位置。船舶坐标系中的x轴平行于船舶10的船中方向延伸。
站在船舶10的工作甲板10b上的人50例示了装置1的尺寸。
装置1允许从浮动船舶10笔直地打桩。翻转工具2被构造为用于翻转单桩4，这使其从基本上水平的运输位置(如图1所示)进入基本上竖直的方位。在所示的实施方式中，翻转工具2与夹持工具3成一直线地放置，并且与夹持工具3一起致力于控制单桩4，并且防止单桩4在下降期间振荡。翻转工具2和夹持工具3在待容纳在两个工具(2、3)中的单桩的纵向40上对齐。然而，如果期望，两个工具(2、3)也可以不成直线地使用。
参见图3A至图3F，翻转工具2具有两个互连的环结构(20、21)，在单桩4容纳在翻转工具2中时这两个环结构在单桩4的纵向40上隔开。环(20、21)通过纵向肋22互连并且一起形成笼状结构，单桩4可以被容纳在该笼状结构中。环结构(20、21)可通过围绕铰链23旋转而打开和重新闭合，比如如图3B所示。单桩4可以通过利用复数个液压缸27打开笼门来装载并且从翻转的笼状结构(20、21、22)释放，液压缸为此目的而设置。锁定缸可以用于在翻转期间约束笼状结构门。
翻转笼状结构(20、21、22)由沿着滑轨210可滑动的悬挂框架28支撑。笼状结构(20、21、22)通过铰链29连接到悬挂框架28，该铰链允许在单桩4被容纳在翻转工具2中时围绕轴线41自由旋转，该轴线横向于单桩的纵向40延伸。悬挂框架28可以通过滑动系统210在内测移动并且通过由复数个(低容量)液压缸操作的锁定销锁定在适当位置。翻转框架2围绕铰链29并相对于船舶(或悬挂框架28)的旋转由成对液压缸29a驱动，该成对液压缸布置在笼状结构(20、21、22)的每一侧上，该笼状结构在悬挂框架28与设置在铰链29上的轭之间。液压缸29a是包括致动系统的液压回路的一部分。当单桩4被翻转到基本上竖直的位置时，翻转工具2围绕枢轴29旋转。在操作的这个阶段期间，致动系统通常被构造成作用于翻转工具2上，并且通过阻尼接合的单桩4相对于船舶10的移动来控制这些移动。在操作的这个阶段，致动系统被称为以被动模式操作。在另一实施方式中，主动控制也是可以的。
笼状结构(20、21、22)围绕单桩4的第一圆周部分4a设置以保持它。环结构(20、21)还设置有多个引导臂24，这些引导臂在大约垂直于设置在笼状结构(20、21、22)中的单桩4的纵向40的横向平面中延伸。引导臂24(其详细视图在图5中示出)可在横向平面中在距圆周部分4a一定距离的缩回位置和与圆周部分4a接合的伸出位置之间移动。在引导臂24的接合端处，这些臂设置有：复数个滚轴24a，这些滚轴在使用中允许接合的单桩4在z方向(对应于船舶10的起伏的竖直方向)上的相对不受阻碍的移动；和复数个滚轴24b，这些滚轴在使用中允许接合的单桩4围绕平行于单桩4的纵向40(对应于船舶10的横荡)的轴线的相对不受阻碍的旋转。
翻转工具还配备有用于将单桩4的下端4c支撑在悬挂位置中的复数个手段。这些手段可以包括复数个可伸缩延伸臂25，这些臂在单桩4的纵向40上延伸，并且设置有在横向于纵向40的平面中延伸并能够接合下端4c的复数个钩26，比如如图2所示。参见图3F，钩26可以围绕臂25的端部枢转到释放单桩4的下端4c的位置。它们比如可以由液压缸打开。图3C和图3D例示了臂25的长度可以伸缩地调节以适应不同的单桩尺寸。换言之，伸缩钩26可以被调节，以适应单桩的不同插进长度。对于翻转，可以机械地锁定钩26。伸缩钩26用于在翻转期间限制单桩4的底端部4c。伸缩钩26各自由未详细示出的滑动缸和两个锁定缸操作。
翻转工具2的用途是在翻转期间支撑并约束单桩4的底端部4c。在翻转单桩4之后，桩4通常由夹持工具3抓住，在此之后，打开翻转工具2的笼状结构(20、21、22)并且释放单桩4。在释放单桩4之后，可以通过使翻转工具2沿着成对滑轨210在内侧滑动，来将翻转工具2返回到其内侧位置。
参见图4A和图4B，示出了夹持工具3的实施方式。夹持工具3包括用于接合单桩4的第二圆周部分4b的夹持单元30和用于夹持单元30的支撑框架31。支撑框架31通过多个铰链32可枢转地连接到船舶10的边缘10a，这些铰链设置在船舶10的工作甲板10b上并且允许围绕沿着边缘10a延伸的轴线旋转。这种连接允许夹持工具3在如图4C所示的内侧位置与如图4B所示的外侧位置之间移动。
支撑框架31还包括多个形成滑动框架38和折叠框架39的撑杆。滑动框架38的目的在于将夹持单元30保持在适当位置。在补偿期间，通过启动在设置在夹持单元30上的滑动框架38与滑动界面61之间延伸的复数个液压缸60，夹持单元30滑过滑动框架38。滑动框架38利用复数个铰链32连接到折叠框架39，并且通过致动复数个液压缸62相对于折叠框架39可以移动。折叠框架39用于在操作期间将滑动框架38定位在外侧。折叠框架38还通过铰链32连接到工作甲板10a。如图4C所示，折叠框架38也可以通过利用夹持工具3的滑动系统310折叠到工作甲板10a上。通过使设置在折叠框架38与滑轨310之间的撑杆63向后滑动，降低折叠框架38。
夹持单元30被形成为引导环，该引导环包括主框架元件33和铰接地连接到其的两个框架臂元件(37a、37b)，在单桩4已经被装载到夹持单元30内部之后该两个框架臂元件锁定就位。引导环的臂元件(37a、37b)由分别设置在主框架元件33与臂(37a、37b)之间的复数个液压缸(35a、35b)致动。臂元件(37a、37b)可以通过销锁定，该销设置成臂(37a、37b)中的通孔(36a、36b)，并且比如被液压缸插入。
与翻转工具2一样，主框架元件33和臂(37a、37b)设置有多个引导臂34，这些引导臂沿着夹持单元30的圆周设置，并且在大约垂直于设置在夹持单元30中的单桩4的纵向40的横向平面中延伸。引导臂34可以与上面参见图5描述的引导臂24相同。引导臂34(也被称为滚轴箱)用于将单桩4保持在夹持单元30内的居中位置。液压缸放置在滚轴箱内，以通过推出或缩回复数个滚轴34a来调节夹持单元30中的支撑直径。附加的(水平)定向滚轴34b可以被推靠在单桩4上，以将单桩相对于竖直(偏转)轴线放置在期望的方位中。虽然在图4A、图4B和图4C中绘制了四个滚轴，但是滚轴的总数可以任意选择，并且可以多于四个，比如六个或八个，甚至更多，这取决于单桩4的支撑需要。
致动系统至少包括复数个液压活塞缸单元(60、62)，并且优选地还包括复数个液压缸29a，这些液压缸适当地结合在液压回路(未示出)中。液压缸62允许夹持单元30平移，并且因此也允许设置在引导单元30中的翻转的单桩4的第二圆周部分4b在基本上水平的平面中相对于船舶10平移，从而补偿在该平面中的船舶运动。沿x和y方向的平移由围绕铰链32的旋转引起。这是因为夹持工具3围绕垂直于船舶10的甲板10b延伸的轴线可枢转地连接到船舶10的边缘10a。水平面被限定为基本上平行于水底或可选地平行于水面延伸。
液压活塞缸单元(60、62)可以设有用于活塞缸中存在的液压液体的节流手段，从而允许充当被构造成阻尼夹持工具3相对于船舶10的移动的移动阻尼手段。可以可选地冷却它们。
至少包括液压活塞缸单元(60、62)的致动系统可以被构造成将翻转的单桩4的第二圆周部分4b在水平面中(即，在平行于水底延伸的平面中)相对于水底保持在基本上固定的位置中。这可以通过由致动系统使夹持工具3在所述水平面中相对于船舶10平移来实现。另外，设置传感器系统(未示出，但本身是已知的)，该传感器系统被配置成测量翻转的单桩4相对于竖直轴线的倾斜度，并且传感器系统输出用于生成用于致动系统的控制信号，以便将倾角保持在与竖直方向的容许偏差内。诸如倾斜计的角度测量系统本身是已知的，并且可以使用任何合适的类型。也可以并且优选地通过不同于倾斜计的其它手段来测量倾角。比如，可以通过物体的顶端和底端的位置测量来导出物体的倾斜度，并且从相对于水底确定的这两个位置导出倾斜度。
装置还可以配备有用于将翻转的单桩4击打到水底中的手段，诸如液压锤击单元。也可以使用噪声减轻系统(NMS)，优选地附接到夹持单元。
本发明的装置1可以有利地用于将单桩4从浮动船舶10的甲板设置到水底中的方法中。
参见图6A至图6O，方法可以包括若干步骤。这些步骤通常可以如下。
在第一步骤中，打开翻转工具2的笼并且准备装载单桩4(图6A)。在该阶段中，翻转工具2的笼基本上水平地定向。复数个可伸缩延伸臂25在单桩4的纵向40上伸出，并且闭合被构造成支撑单桩4的下端4c的钩26。
然后，由起重机7形式的提升手段提起单桩4，并将单桩装载在翻转工具2内部，直到单桩的下端面4c到达闭合的钩26为止。可选地，在单桩4已经装载在翻转工具2内部之后，可以将钩26带向下端面4c。关闭翻转工具2的笼，以将单桩4装载并保持在翻转工具2的笼内(图6B)。将单桩4定向在基本上水平的位置，大约平行于船舶10的工作甲板10b。
如图6C所示，通过向外旋转复数个臂(37a、37b)打开夹持工具3的夹持单元30，并且通过起重机7翻转单桩4。这也使得翻转工具2围绕其枢轴29自由旋转，该翻转工具经由28连接到船舶10。在该实施方式中需要打开夹持工具3，以便让单桩4通过夹持单元3。
利用起重机7和翻转工具2翻转单桩4，直到达到相对接近竖直的方向的一定倾角为止(图6D)。
为了使单桩4接近基本上竖直的方向，通过使臂(37a、37b)围绕单桩4的第二圆周部分4b旋转而闭合夹持工具3的夹持单元30，如图6E所示。
进一步翻转单桩4，直到其定位在基本上竖直的位置为止，如图6F所示。夹持工具3的夹持单元30在翻转的该最后阶段期间提供了额外的稳定性。
图6G例示了下一个步骤，在该步骤中，打开伸缩钩26，以至少在大约平行于z轴的竖直方向上将单桩4从翻转工具2清除。单桩4现在仅悬挂在起重机7中。
将具有钩26的伸缩臂25缩回到翻转工具2的笼内，并且进一步降低单桩4，由夹持单元3和翻转工具2两者提供引导，翻转工具的笼仍然围绕单桩4闭合(图6H)。
在将单桩4降低到刚好在水底表面上方的位置之后，打开翻转工具2的笼，以至少从翻转工具2释放单桩4。图6I中示出了该步骤。
现在参见图6J，使翻转工具2围绕其与船舶10的铰接朝向工作甲板10b旋转，并且沿着滑轨210平移到船舶10的甲板上的静止位置。
然后，如图6K所示，在将单桩刺入水底中之前，通过使用滚轴箱34的滚轴34b，将单桩4沿偏转箭头的方向围绕其纵向轴线40定向。显然，夹持工具3的夹持单元30仍然围绕单桩4设置，以便使滚轴34b接触第二圆周部分4b中的单桩4的表面。
参见图6L，然后将单桩4(优选地在其自身重量的作用下)进一步击打到水底中，直到与底部的接触点形成用于单桩4的铰链为止。在该位置，通过在水平面中平移夹持单元30和由该单元捕获的第二圆周部分4b，以便在进一步穿透水底期间使单桩4处于并保持在基本上竖直的位置，致动系统和液压活塞缸(60、62)特别地变得有效。致动系统优选地响应于源自倾斜度或位置传感器的输出的信号而操作。致动系统可操作为将单桩4的第二圆周部分4b相对于水底保持在稳定位置，从而补偿水平面中的船舶移动。单桩4的下端4c的目标位置可以通过利用动态定位系统测量船舶10的位置、起重机7的位置以及夹持单元30的位置来确定。
在图6M所示的下一阶段，将单桩4锤击到海床中，同时夹持工具3和致动系统继续其运动补偿操作。
当单桩4已经穿透水底至其期望的程度时，不再继续锤击，并且通过缩回臂(37a、37b)打开夹持工具3，如图6N所示。还可以在锤子将要到达夹持工具3的高度水平时打开夹持工具3。在这种情况下，单桩4通常将足够稳定，以使其不被夹持工具3支撑，即使其尚未到达其最终期望的穿透深度。
然后通过将夹持单元3朝向船舶10的工作甲板10a旋转直到其到达大致竖直位置为止(图6O)，使夹持单元3到达其静止位置。然后，可以将船舶10航行到另一个位置，并且可以重复上述步骤，以将另一个单桩4设置到水底中。
本发明不限于上述实施方式，并且还包括其修改，只要这些修改落入所附权利要求的范围内即可。

Claims (24)

1.一种用于将具有纵向的相当大的细长物体从船舶的甲板设置到水底中的装置，所述装置包括：
提升手段，该提升手段被构造成在所述物体的提升点处提起所述物体并且将物体定位在所述水底上；
翻转工具，该翻转工具连接到所述船舶的边缘，并且被构造成当从所述提升手段悬挂所述物体时接合第一圆周部分并且在所述纵向上支撑所述物体，从而提供枢轴，所述物体能够围绕该枢轴翻转；
夹持工具，该夹持工具连接到所述船舶的边缘，并且被构造成接合从所述提升手段悬挂的所述物体的第二圆周部分，据此，所述第一圆周部分和所述第二圆周部分在所述物体的所述纵向上隔开；以及
致动系统，该致动系统被构造成控制所述第一圆周部分和所述第二圆周部分中的至少一个相对于所述船舶的移动，其中，所述控制至少包括阻尼所述第一圆周部分和所述第二圆周部分中的所述至少一个相对于所述船舶的所述移动，其中所述致动系统被构造成作用于所述夹持工具上，并且使所述翻转的物体的所述第二圆周部分相对于所述船舶在基本上水平的平面中平移，从而补偿船舶运动。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一圆周部分和第二圆周部分沿所述物体的所述纵向隔开。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述致动系统被构造成将所述翻转的物体的所述第二圆周部分在所述水平的平面中相对于所述水底保持在基本上固定的位置中。
4.根据权利要求1或2所述的装置，还包括传感器系统，该传感器系统被配置成测量所述翻转的物体相对于竖直轴线的倾斜度。
5.根据权利要求4所述的装置，还包括控制系统，该控制系统被配置成响应于传感器系统输出而生成用于所述致动系统的复数个控制信号。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述船舶是浮动船舶，并且包括动态定位(DP)或系泊系统。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述控制系统包括设置在所述船舶上的所述动态定位(DP)系统与所述夹持工具之间的接口，其中，所述接口包括从所述夹持工具到所述动态定位(DP)系统的力前馈回路。
8.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述夹持工具包括用于接合所述第二圆周部分的夹持单元和用于所述夹持单元的支撑框架，其中，所述支撑框架连接到所述船舶的所述边缘。
9.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述翻转工具和所述夹持工具中的至少一个围绕沿着所述船舶的所述边缘延伸的轴线可枢转地连接到所述边缘，以将所述翻转工具和/或所述夹持工具带到所述船舶的内侧和外侧。
10.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述夹持工具围绕垂直于所述船舶的所述甲板延伸的轴线可枢转地连接到所述船舶的所述边缘。
11.根据权利要求8所述的装置，其中，所述致动系统被构造成使所述夹持单元在平行于所述水底延伸的平面中相对于所述船舶平移。
12.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述致动系统包括在所述船舶与所述翻转工具和所述夹持工具中的至少一个之间作用的复数个活塞缸单元。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述致动系统的移动阻尼手段包括活塞缸单元和用于存在于所述活塞缸中的液压液体的节流手段。
14.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述夹持工具设置有噪声减轻系统。
15.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述翻转工具和所述夹持工具中的至少一个包括围绕所述物体的所述第一圆周部分和/或所述第二圆周部分设置的能打开且能重新闭合的环结构。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述环结构设置有多个引导臂，所述多个引导臂在垂直于所述物体的所述纵向的横向平面中延伸，并且在所述横向平面中在距所述第一圆周部分和/或所述第二圆周部分一定距离的缩回位置和与所述第一圆周部分和/或所述第二圆周部分接合的伸出位置之间可移动。
17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述多个引导臂被构造成允许在所述物体的所述纵向上的平移和围绕平行于所述物体的所述纵向的轴线的旋转中的至少一个。
18.根据权利要求15所述的装置，其中，所述翻转工具包括两个互连的环结构，这两个环结构在所述物体的所述纵向上隔开，以形成笼状结构。
19.根据权利要求15所述的装置，其中，所述翻转工具具有用于支撑从所述提升手段悬挂的所述物体的下端的手段，所述手段包括设置有接合所述下端的钩的可伸缩的可延伸臂。
20.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述提升点包括所述物体的上端，并且所述翻转工具和所述夹持工具中的至少一个被构造成在距所述提升点一定距离处接合从所述提升手段悬挂的所述物体。
21.根据权利要求1或2所述的装置，还包括用于将所述物体击打到所述水底中的手段。
22.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述物体包括风力涡轮机的单桩。
23.一种用于将具有纵向的相当大的细长物体从船舶的甲板设置到水底中的方法，所述方法包括以下步骤：
a)提供物体和根据前述权利要求中任意一项的装置；
b)在所述物体的提升点处用所述提升手段提起所述物体；
c)使所述物体进入所述翻转工具内部，并且利用所述翻转工具接合所述物体的第一圆周部分，该物体从所述提升手段悬挂；
d)在围绕枢轴旋转所述翻转工具和当从所述提升手段悬挂所述物体时所述翻转工具在所述纵向上支撑所述物体的同时，将所述物体翻转到基本上竖直的位置；
e)将从所述提升手段悬挂的所述物体的第二圆周部分与所述夹持工具接合，据此，所述第一圆周部分和所述第二圆周部分在所述物体的所述纵向上隔开；
f)将所述物体降低到所述水底上和所述水底中；以及
g)将所述物体与所述装置分离，
其中，所述致动系统在步骤d)和步骤f)中的至少一个期间控制所述第一圆周部分和所述第二圆周部分中的至少一个相对于所述船舶的移动，所述致动系统至少在步骤d)和步骤f)中的一个期间阻尼所述第一圆周部分和所述第二圆周部分中的至少一个相对于所述船舶的所述移动，并且其中所述致动系统作用于所述夹持工具上，并且使所述翻转的物体的所述第二圆周部分相对于所述船舶在基本上水平的平面中平移，从而补偿船舶运动。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，步骤f)还包括将所述物体降低到所述水底上和所述水底中，同时使所述翻转物体的所述第二圆周部分在基本上水平的平面中相对于所述船舶平移，从而补偿船舶运动。
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