CN111976894B - 用于浮式风电的吸力贯入式高性能抗拔板锚及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于浮式风电的吸力贯入式高性能抗拔板锚，包括主板、辅板、胫板及吊眼，所述辅板与主板铰接，所述主板与所述胫板的底部连接，所述吊眼设置在所述胫板的顶部。本发明还提供了一种用于浮式风电的吸力贯入式高性能抗拔板锚的安装方法。本发明的有益效果是：提高了基础的承载效率和可靠性，降低了成本，作为吸力筒基础的替代，为浮式风电开发提供一种更加优化的基础形式。

Description

用于浮式风电的吸力贯入式高性能抗拔板锚及其安装方法

技术领域

本发明涉及海上风电设备，尤其涉及一种用于浮式风电的吸力贯入式高性能抗拔板锚及其安装方法。

背景技术

随着海上风电向深水区发展，广阔的浮式风电市场逐渐呈现。浮式风电的浮体平台需要通过基础锚固在海床上，以承受动态的上拔荷载，体型小、成本低、安装便利、性能可靠的新基础应用将是浮式风电高效开发的重要内容。当前，海上浮式风电通常采用常规长桩和吸力筒作为锚固基础。海洋工程中的长桩通常为开口钢管桩，通过打桩锤沉入到海床设计深度，而吸力筒是一种顶端封闭的钢制筒形结构，筒顶留有抽水孔，在安装过程中，吸力筒在自重作用下沉入海床一定深度，其后，通过从筒内抽水形成内外压差使筒基下沉到设计深度，吸力筒沉放完毕后，停止抽水并封闭顶部的抽水口。无论是长桩还是吸力筒，都通过基础侧面的土体摩擦力、自重以及端部土体的吸附力共同抵抗浮式风电产生的上拔荷载。在场地适合的情况下，相比常规长桩基础，吸力筒一般具有施工环境友好、安装简易、在位性能优越等技术优势。此外，海洋工程中常用的鱼雷锚、拖曳锚及其它常规板锚，由于承载力小、可靠性低的原因，通常不用做重要浮体设施包括浮式风电的永久性锚固基础。

在浮式风电开发中，吸力筒（吸力锚）相比常规长桩是一种更为优越的锚固基础，但是也存在如下缺陷：1）筒体侧面的土体摩擦力是吸力筒基础承载力的重要组成部分，但由于吸力筒的入泥深度相对较小，所接触土体的强度较低，且受安装扰动影响，土体的工作强度有较大折减，导致吸力筒基础侧摩阻力部分的承载效率较低；2）吸力筒的一个主要优势是在短暂荷载如风暴荷载下可产生较大的端部吸附力，然而在浮式风电产生的长期持续上拔荷载下，该承载力机制会部分或者全部失效，显著降低吸力筒基础的承载效率；3）在上述两种情况下，吸力筒基础需要加大结构尺寸，不但会增大建造费用，更会导致海上运输和安装费用的急剧增加。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种用于浮式风电的吸力贯入式高性能抗拔板锚及其安装方法。

本发明提供了一种用于浮式风电的吸力贯入式高性能抗拔板锚，包括主板、辅板、胫板及吊眼，所述辅板与主板铰接，所述主板与所述胫板的底部连接，所述吊眼设置在所述胫板的顶部。

作为本发明的进一步改进，所述吸力贯入式高性能抗拔板锚上安装有姿态传感器。

本发明还提供了一种用于浮式风电的吸力贯入式高性能抗拔板锚的安装方法，包括以下步骤：

S1、预安装，将上述中任一项所述的用于浮式风电的吸力贯入式高性能抗拔板锚卡在吸力筒的卡缝处，采用锚链连接所述吸力贯入式高性能抗拔板锚的吊眼；

S2、入泥，吸力筒携带所述吸力贯入式高性能抗拔板锚逐渐沉入海底，通过吸力筒的卡固作用，把所述吸力贯入式高性能抗拔板锚携带到预定的设计深度；

S3、就位，所述吸力贯入式高性能抗拔板锚到达预定的设计深度后，吸力筒通过注水上拔回收，所述吸力贯入式高性能抗拔板锚从吸力筒卡缝中滑出，停留在预定的设计深度。

作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，将姿态传感器固定在所述吸力贯入式高性能抗拔板锚上；在步骤S3中，通过所述姿态传感器获取所述吸力贯入式高性能抗拔板锚的姿态信息，实时反馈至母船应用端。

作为本发明的进一步改进，所述安装方法还包括步骤S4，加载及姿态调整，母船对所述吸力贯入式高性能抗拔板锚进行加载并对相应的板锚姿态信息进行分析处理，通过加载装置控制锚链的张拉，实现所述吸力贯入式高性能抗拔板锚姿态的调整。

作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，将两个姿态传感器通过夹具或焊接方式固定在所述吸力贯入式高性能抗拔板锚的胫板的两侧，将两个姿态传感器分别命名为传感器A和传感器B，按照所述吸力贯入式高性能抗拔板锚预先设计的入泥深度确定传感器A和传感器B的通信线缆总长度为L，包括通信线缆在海床上部长度L₁、通信线缆的入泥长度L₂、以及通信线缆在板锚部分的延申长度L₃，L=L₁+L₂+L₃，通信线缆的海床上部部分及入泥部分放置在保护软管中进行保护, 并通过夹具间隔固定在加载锚链上，在所述吸力贯入式高性能抗拔板锚部分，传感器A和传感器B通过共用总线方式连接至吊眼处，总线放置在不锈钢套管中进行保护，并焊接在所述吸力贯入式高性能抗拔板锚上。

作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，采用三根锚链分别连接所述吸力贯入式高性能抗拔板锚的吊眼和辅板，其中连接辅板的两根锚链用于下沉过程中固定板锚，并用于板锚的回收，称为辅助锚链；连接吊眼的锚链则用于板锚的加载，称为加载锚链。

本发明的有益效果是：通过上述方案，提高了基础的承载效率和可靠性，降低了成本，作为吸力筒基础的替代，为浮式风电开发提供一种更加优化的基础形式。

附图说明

图1是本发明一种用于浮式风电的吸力贯入式高性能抗拔板锚的示意图。

图2是本发明一种用于浮式风电的吸力贯入式高性能抗拔板锚的安装方法的卡位示意图。

图3是本发明一种用于浮式风电的吸力贯入式高性能抗拔板锚的安装方法的入泥示意图。

图4是本发明一种用于浮式风电的吸力贯入式高性能抗拔板锚的安装方法的就位示意图。

图5是本发明一种用于浮式风电的吸力贯入式高性能抗拔板锚的安装方法的板锚加载及姿态调整示意图。

图6是本发明一种用于浮式风电的吸力贯入式高性能抗拔板锚与吸力锚的对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种用于浮式风电的吸力贯入式高性能抗拔板锚100（简称板锚），包括主板1、辅板2、胫板3及吊眼4。其中，辅板2与主板1采用铰接，可形成一定的转角，用于帮助板锚在海床中受荷时姿态的调整。板锚的其它结构之间采用刚性连接，如主板1、胫板3为刚性连接。本文中主板1及辅板2采用矩形，应用中也可以采用其它合适的形状。

此外，所发明的吸力贯入式高性能抗拔板锚100配置有两个姿态传感器51、52（可采用三轴加速度传感器、三轴陀螺仪传感器或者其它形式），通过夹具分别固定在板锚的主体部分（例如胫板3），用于反馈板锚在地层中的空间位置及转动信息。采用两个姿态传感器51、52的主要目的是保障测试的冗余度，同时也可以进行数据间的校核，提高数据可靠性。姿态传感器51、52可采用有线的或者无线的方式进行数据的传输。本文采用有线传感方式进行说明。

考虑到海上浮式风电的项目特征，包括海洋荷载特征、项目可靠等级、施工工期、安装特点和成本控制等，吸力贯入式高性能抗拔板锚相较传统长桩和吸力筒基础，是一种更为优化的基础形式，能够提高基础的承载效率和可靠性，在建造、运输和安装方面具有明显的成本优势。

一种用于浮式风电的吸力贯入式高性能抗拔板锚100的安装方法，具体安装步骤如下：

步骤1：预安装。将姿态传感器通过夹具或焊接方式固定在板锚上（本步骤以两个姿态传感器51、52布置在胫板3两侧为例）。实际工程中，传感器数量和布置位置可根据工程需要处理，安装步骤均可按照本发明方法实施。姿态传感器的通信线缆布置在保护管中进行保护。为便于阐述，本步骤将两个姿态传感器51、52分别命名为传感器A和传感器B。按照板锚预先设计的入泥深度确定A和B传感器的通信线缆总长度为L，包括通信线缆在海床上部长度L₁、通信线缆的入泥长度L₂、以及通信线缆在板锚部分的延申长度L₃。这里，L=L₁+L₂+L₃。通信线缆的海床上部部分（L₁）及入泥部分（L₂）放置在保护软管中进行保护, 并通过夹具间隔固定在加载锚链上。在板锚部分，A和B传感器通过共用总线方式连接至板锚吊眼处，总线放置在不锈钢套管中进行保护，并焊接在板锚上，该部分长度为L₃，与L₂相通。

在入水前，把吸力贯入式高性能抗拔板锚100卡在吸力筒200的卡缝处，吸力筒是吸力贯入式板锚的辅助安装工具。吸力筒200与吸力贯入式高性能抗拔板锚100需要彼此匹配。相比常规的形状完整的吸力筒，作为辅助安装的吸力筒200需要在底部进行局部切割，以方便吸力贯入式高性能抗拔板锚100卡入。可采用三根锚链分别连接板锚的吊眼4和辅板2，其中连接辅板2的两根锚链用于下沉过程中固定板锚，并用于板锚的回收，这里称为辅助锚链7；连接吊眼4的锚链则用于板锚的加载，这里称为加载锚链，加载锚链及连接的通信线缆6如图1所示。预安装完成后的示意图如图2所示。

步骤2：入泥。采用常规吸力筒的安装方式，吸力筒200携带吸力贯入式高性能抗拔板锚100逐渐沉入海底，通过吸力筒200的卡固作用，把板锚携带到预定的设计深度，如图3所示。

步骤3：就位。板锚到达预定设计深度后，吸力筒200通过注水上拔回收，板锚从吸力筒200卡缝中滑出，停留在预定的设计深度。此时，板锚上安装的两个姿态传感器51、52开始工作，获取板锚的姿态信息，并通过连接的线缆实时返回至母船应用端。如图4所示。

步骤4：加载及姿态调整。母船对板锚进行加载并对相应的板锚姿态信息进行分析处理，通过加载装置控制锚链的张拉，实现板锚姿态的调整。通过对比实测所得及设计方案给定的板锚加载和姿态信息，使板锚转动到优化位置，提供可靠的在位承载力。如图5所示。

如果吸力贯入式板锚在安装过程中发生意外或者出现其它需要回收的情况，则可通过附着在辅板上的两根辅助锚链7上提回收。

在上述安装过程中，吸力筒200只是一个安装工具，采用同样的工序，一个吸力筒可以多次重复应用，安装多个吸力贯入式高性能抗拔板锚100，节省浮式风电基础的建造、运输和安装成本。

与海洋工程中常用的鱼雷锚（Torpedo Anchor）、拖曳锚（Drag Anchor）及其它常规板锚相比，本发明提供的一种用于浮式风电的吸力贯入式高性能抗拔板锚100，能够保证就位的精确性和入泥深度，可以埋入在更深、强度更高的土层中，从而提供更可靠、更大的在位承载力。此外，由于土体的不确定性及大变形下土体与锚体结构之间复杂的相互作用机制，准确预测板锚在不同荷载下的走位及姿态是板锚设计及应用中的难题，而所发明的板锚配置有姿态传感器，可以提供真实的板锚受载及姿态对应关系，为板锚应用提供可靠的支持信息。在海洋工程中，由于上述局限性，鱼雷锚、拖曳锚及其它常规板锚通常用作临时性基础，仅用于锚固次要的或者可解脱式的浮体设施，而配置有姿态传感器的吸力贯入式板锚突破了上述局限，具有可靠和高效的在位特征，可以作为永久式基础，锚固包括浮式风电在内的重要浮体设施，是应用上的重要拓展。与常规的吸力筒基础相比，吸力贯入式板锚能够启动高效、可靠的端部承载力，可提供相应吸力锚约75%的上拔承载力，在同等承载力的情况下，吸力贯入式板锚的尺寸明显减小，用钢量约为相应吸力筒的四分之一，可以显著降低基础的建造、运输和安装成本。图6显示了吸力贯入式高性能抗拔板锚100与相应吸力筒基础的尺寸对比。由于海上风电开发对成本极为敏感，所发明的吸力贯入式板锚提供了一种体型小、成本低、运输安装便利、性能可靠的基础新方案，将在浮式风电高效开发中发挥重要作用。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于浮式风电的吸力贯入式高性能抗拔板锚的安装方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、预安装，提供一种用于浮式风电的吸力贯入式高性能抗拔板锚，包括主板、辅板、胫板及吊眼，所述辅板与主板铰接，所述主板与所述胫板的底部连接，所述吊眼设置在所述胫板的顶部，所述吸力贯入式高性能抗拔板锚上安装有姿态传感器，将所述的用于浮式风电的吸力贯入式高性能抗拔板锚卡在吸力筒的卡缝处，采用锚链连接所述吸力贯入式高性能抗拔板锚的吊眼；

S2、入泥，吸力筒携带所述吸力贯入式高性能抗拔板锚逐渐沉入海底，通过吸力筒的卡固作用，把所述吸力贯入式高性能抗拔板锚携带到预定的设计深度；

S3、就位，所述吸力贯入式高性能抗拔板锚到达预定的设计深度后，吸力筒通过注水上拔回收，所述吸力贯入式高性能抗拔板锚从吸力筒卡缝中滑出，停留在预定的设计深度；

在步骤S1中，将姿态传感器固定在所述吸力贯入式高性能抗拔板锚上；在步骤S3中，通过所述姿态传感器获取所述吸力贯入式高性能抗拔板锚的姿态信息，实时反馈至母船应用端；

所述安装方法还包括步骤S4，加载及姿态调整，母船对所述吸力贯入式高性能抗拔板锚进行加载并对相应的板锚姿态信息进行分析处理，通过加载装置控制锚链的张拉，实现所述吸力贯入式高性能抗拔板锚姿态的调整。

2.根据权利要求1所述的用于浮式风电的吸力贯入式高性能抗拔板锚的安装方法，其特征在于：在步骤S1中，将两个姿态传感器通过夹具或焊接方式固定在所述吸力贯入式高性能抗拔板锚的胫板的两侧，将两个姿态传感器分别命名为传感器A和传感器B，按照所述吸力贯入式高性能抗拔板锚预先设计的入泥深度确定传感器A和传感器B的通信线缆总长度为L，包括通信线缆在海床上部长度L₁、通信线缆的入泥长度L₂、以及通信线缆在板锚部分的延申长度L₃，L=L₁+L₂+L₃，通信线缆的海床上部部分及入泥部分放置在保护软管中进行保护, 并通过夹具间隔固定在加载锚链上，在所述吸力贯入式高性能抗拔板锚部分，传感器A和传感器B通过共用总线方式连接至吊眼处，总线放置在不锈钢套管中进行保护，并焊接在所述吸力贯入式高性能抗拔板锚上。

3.根据权利要求1所述的用于浮式风电的吸力贯入式高性能抗拔板锚的安装方法，其特征在于：在步骤S1中，采用三根锚链分别连接所述吸力贯入式高性能抗拔板锚的吊眼和辅板，其中连接辅板的两根锚链用于下沉过程中固定板锚，并用于板锚的回收，称为辅助锚链；连接吊眼的锚链则用于板锚的加载，称为加载锚链。

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