CN112556260B - 一种浮冰式风电基础回收设备及作业方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浮冰式风电基础回收设备及作业方法，该设备包括主框架、制冰系统、融冰系统和绞缆系统；由于制冰系统工作时，制冰量是逐渐增加的，因而提供的浮力也是持续增大的，避免出现常规顶升方法中基础猛然拔出的危险情况；此外，回收设备中的气囊在作业过程中没入水中的最大深度与基础的筒裙高度相近，大大降低了气囊上浮过程中因内外压力差增大而引起气囊爆裂的风险；可直接通过拖船拖航至指定位置进行基础回收作业，具有较好的灵活性；而且在将基础拔出后还具备拖航功能，能够将拔出的基础托运至指定回收地点，整个过程无需大型浮吊，回收设备还可循环重复利用，经济效益显著。

Description

一种浮冰式风电基础回收设备及作业方法

技术领域

本发明属于海上风电基础回收技术领域，具体来说涉及一种浮冰式风电基础回收设备及作业方法。

背景技术

近年来，我国海上风电产业发展迅速，新增装机容量位居全球第一，累计装机总量在全球中的占比稳步增长，具有强大的市场前景与发展潜力。根据数十年我国海洋工程发展的经验来看，服役期满后海洋结构物回收是海洋工程面临的大问题。结构物的回收不仅是一项极具危险性的综合性工程，而且还受到经济、技术、安全、环保等多种因素的制约。基础作为海洋结构物的重要组成部分，在结构的服役期内始终置于海底淤泥内，服役环境更为恶劣，其拆除回收所面临的挑战更严峻。

目前，海洋风电基础的拆除通常有三种方法。第一种是常规的整体拆除方法，即使用与安装方案同样的施工船舶，按照安装方案的逆序进行；对于吸力式基础来说，是通过向基础内注入水或气的方式，使得基础内的压力大于筒外，从而使基础在水压或者气压的作用下逐渐向上顶起，从而完成回收；由于风电结构整体出水时重量和尺寸很大，造成浮吊作业难度高，对装船固定和海况要求都很高，而且缺乏经济性。第二种是采用水下分体拆除的方法，但该方法不仅操作难度大、耗时较长，而且很难保证做到零残余。第三种是近几年出现的采用气囊辅助技术进行基础拆除的方法，即通过小型浮吊，将气囊在水下进行安装，同时依靠吸力泵以及浮吊的起重能力将基础结构整体从海底拉出，然后湿拖至近岸浅水区域进行下一步分解；然而，气囊在海底充满气上浮至海面时内外压力差增大，气囊存在爆裂的可能，其安全性难以保证，同时，为了确保基础结构平稳上拔和上浮，还需要研究一套集中控制各个气囊充气量和压力的中央控制系统，因此，气囊辅助方法的安全性和可靠性还需进一步论证。

为了安全、有效的回收风电基础，降低回收作业成本，海上风电行业迫切需要提出一些新的风电基础的回收方法，以促进海上风电行业的健康、可持续发展。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种浮冰式风电基础回收设备及作业方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种浮冰式风电基础回收设备，包括主框架、制冰系统、融冰系统和绞缆系统；

所述主框架包括横梁、立柱、中间梁、中间柱、横轴、气囊和面板，所述横梁两两垂直相交组成“井”字型的上基板和下基板，上基板横梁的交叉点和下基板横梁的交叉点之间连接立柱，每两根中间梁和两根中间柱组成一四边形框架结构，若干数量的四边形框架结构沿横竖两个方向等距平行地设置于上基板和下基板之间；所述上基板的横梁悬臂端之间设置横轴，横轴绑扎气囊；所述上基板表面铺设面板；

所述制冰系统包括压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发管和连接管，所述压缩机、冷凝器、节流阀设置于所述面板上，所述压缩机、冷凝器通过连接管与所述蒸发管相连通，所述蒸发管设置于所述面板下方的四边形框架结构内；

所述融冰系统包括加热器和水泵，所述加热器和水泵设置于所述面板上；

所述绞缆系统包括绞缆机和缆绳，绞缆机安装于所述立柱的底部。

在上述技术方案中，所述蒸发管通过方钢管加固，然后固定在中间梁和中间柱组成的四边形框架结构内，蒸发管的两端口穿过中间柱的侧壁，并从中间柱的顶面穿出；两侧的蒸发管则是固定在横梁和立柱组成的四边形框架内；所述连接管设置有分流接口，分流接口的数量和直径与蒸发管管口相对应。

在上述技术方案中，所述绞缆机通过绝缘导线与安装在拖船上的控制开关相连。

在上述技术方案中，所述横梁由4根方钢管和横撑呈正方形分布焊接构成，其边长为2～2.5m，长度为60～80m；所述方钢管和横撑的截面边长为0.3～0.5m，壁厚为3～5mm；所述横梁的悬臂端长度为6～10m。

在上述技术方案中，所述立柱的截面与横梁相同，立柱高度为20～30m。

在上述技术方案中，所述中间梁由横撑和两根方钢管呈上下分布位置焊接而成，高度与横梁和立柱的边长相同。

在上述技术方案中，所述中间柱的截面与中间梁相同，中间柱的高度与立柱相同。

在上述技术方案中，所述横轴与中间梁的结构和尺寸完全相同，仅空间位置不同；

在上述技术方案中，所述气囊的直径为3～5m，长度为40～60m，气囊的安全系数不小于设计压力的3倍。

在上述技术方案中，所述面板为矩形钢板，边长为50～60m，厚5～10mm。

在上述技术方案中，所述蒸发管由导热性能良好的金属材料制成，直径为50～60mm，壁厚为2～3mm，每个弯管的曲率半径为2～2.5m。

在上述技术方案中，所述连接管为不锈钢无缝钢管，直径为100-120mm，壁厚为3-5mm，其上分流接口直径与蒸发管直径相同，分流接口的壁厚为2～3mm。

在上述技术方案中，所述缆绳为6×37的钢芯钢丝束，直径为40～60mm，缆绳长度控制在30～50m。

一种浮冰式风电基础回收设备的作业方法，按照下列步骤进行：

步骤一、就位：向主框架内的气囊充气，使得气囊的浮力足够框架系统及其上制冰系统在水面上浮起，然后通过拖船将结构拖航至作业地点；

步骤二、基础上拔：控制绞缆机释放缆绳，并将缆绳的另一端分别与待回收基础上预设的耳板相连，控制绞缆机绞收缆绳，使得主框架没入水中，并保证主框架顶面入水的深度大于基础的筒裙高度；启动制冰系统，蒸发管周边的海水依托主框架会不断冻结，冰体的浮力会为基础提供连续并逐渐增大的上拔力，直至基础被拔出；

步骤三、基础回收：基础被拔出后，在浮力作业下，回收设备会与基础一同上浮，直至主框架浮出水面，此时控制绞缆机绞收缆绳，使得基础悬吊在主框架下方，然后利用拖船将回收设备和基础拖至预定地点进行回收，在拖航过程中，保持制冰系统始终处于工作状态；

步骤四、回收设备拆除：基础回收完毕后，关闭制冰系统，抽出系统内液氨；如时间允许，则可使主框架周边的冰体自然融化；若时间紧迫，则在主框架的面板上安装融冰系统，然后将蒸发管两端分别转接至加热器和水泵，利用加热器加热海水，通过水泵注入蒸发管，融化主框架周边冰体，以备回收设备的下一次使用。

本发明的优点和有益效果为：

1、本发明的浮冰式风电基础回收设备及作业方法具备较好的操作稳定性和安全性。由于制冰系统工作时，制冰量是逐渐增加的，因而提供的浮力也是持续增大的，避免出现常规顶升方法中基础猛然拔出的危险情况；此外，回收设备中的气囊在作业过程中没入水中的最大深度与基础的筒裙高度相近，大大降低了气囊上浮过程中因内外压力差增大而引起气囊爆裂的风险。

2、本发明的浮冰式风电基础回收设备，结构简单，组装程高，可直接通过拖船拖航至指定位置进行基础回收作业，具有较好的灵活性；而且在将基础拔出后还具备拖航功能，能够将拔出的基础托运至指定回收地点，整个过程无需大型浮吊，回收设备还可循环重复利用，经济效益显著。

3、本发明的浮冰式风电基础回收作业方法，可直接冻结基础周围海水成冰，为基础回收作业提供足够的浮力，作业完成后直接将冰体融化，是一种环境友好型的作业方法。

附图说明

图1是本发明中一种浮冰式风电基础回收设备的立体结构示意图。

图2是本发明中主框架的结构示意图。

图3是本发明中蒸发管的结构示意图。

图4是本发明中连接管的结构示意图。

图5是本发明中制冰系统的连接示意图。

图6是本发明中融冰系统的连接示意图。

其中：1为基础，2为横梁，3为立柱，4为中间梁，5为中间柱，6为横轴，7为气囊，8为面板，9为压缩机，10为冷凝器，11为节流阀，12为蒸发管，13为连接管，14为绞缆机，15为缆绳，16为加热器，17为水泵。

对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例

如图1至图6所示，一种浮冰式风电基础回收设备，包括主框架、制冰系统、绞缆系统和融冰系统。

主框架由横梁2、立柱3、中间梁4、中间柱5、横轴6、气囊7和面板8组成；横梁2两两交叉呈“井”字型分布，各横梁2预留6m的悬臂端长度以便于安装气囊7；立柱3的两端分别与上下层呈“井”字型分布的横梁2的交叉点焊接，从而将上下两层横梁2连接成整体；中间梁4和中间柱5的数量一一对应，每一对中间梁4和一对中间柱5共同组成四边形框架结构，四边形框架结构与横梁2和立柱3焊接，组成空间网架结构；在上层横梁2“井”字型分布的悬臂端中间还设置有横轴6，横轴6上绑扎有气囊7，以便于气囊7提供浮冰式风电基础1回收设备的拖航浮力；上层横梁2和中间梁4的顶面通过螺栓还固定有面板8，用以固定制冰系统和融冰系统。

横梁2截面的边长为2m，由4根方钢管和横撑焊接构成，长度为60m；

立柱3的截面与横梁2相同，立柱3高度为20m。

中间梁4由横撑和两根方钢管呈上下分布位置焊接而成，高度与横梁2和立柱3的边长相同。

中间柱5的截面与中间梁4相同，中间柱5的高度与立柱3相同。

横轴6与中间梁4的结构和尺寸完全相同，仅空间位置不同；

方钢管和横撑的截面边长为0.3m，壁厚为3mm。

气囊7的直径为3m，长度为40m，气囊7的安全系数不小于设计压力的3倍。

面板8为矩形钢板，边长为45m，厚5mm。

制冰系统包括压缩机9、冷凝器10、节流阀11、蒸发管12、连接管13；蒸发管12固定在中间梁4和中间柱5组成的四边形框架结构内，蒸发管12两端口穿过中间柱5的侧壁，并从中间柱5的顶面穿出；两侧的蒸发管12则是固定在横梁2和立柱3组成的四边形框架内；连接管13设置有分流接口，分流接口的数量和直径与蒸发管12管口相对应。

蒸发管12由导热性能良好的金属材料制成，直径为50mm，壁厚为2mm，每个弯管的曲率半径为2m。

连接管13为不锈钢无缝钢管，直径为100mm，壁厚为3mm，其上分流接口直径与蒸发管12直径相同，分流接口的壁厚为2mm。

绞缆系统包括绞缆机14和缆绳15，绞缆机14利用电动控制，通过螺栓安装在主框架每根立柱3的下端，绞缆机14的缆绳15与基础1顶面预留的耳板相连。

缆绳15为6×37的钢芯钢丝束，直径为40～60mm，缆绳15长度控制为30m。

融冰系统包括加热器16和水泵17。加热器16和水泵17通过螺栓固定在主框架的面板8上。

上述一种浮冰式风电基础回收设备的作业方法，按照下列步骤进行：

(1)准备工作：陆上分别预制或购买主框架、制冰系统、融冰系统以及绞缆系统各部件；

(2)加工主框架：首先将预制好的横梁2两两交叉焊接成“井”字型，并通过立柱3将上下两层横梁2连接成整体，然后将中间柱5和中间梁4组成的四边形框架结构与横梁2和立柱3焊接，形成稳固的空间网架结构；在上层横梁2“井”字型分布的悬臂端中间位置焊接横轴6，将气囊7绑扎在主框架的横轴6上；最后利用螺栓将面板8固定在上层横梁2和中间梁4的顶面位置，最终完成主框架的加工制作；

(3)连接制冰系统：将蒸发管12固定在中间梁4和中间柱5组成的四边形框架结构内，蒸发管12的两端口穿过中间柱5的侧壁，并从中间柱5的顶面穿出；两侧的蒸发管12则是固定在横梁2和立柱3组成的四边形框架内；利用连接管13将所有蒸发管12连接成一个并联的管路，然后将压缩机9、冷凝器10、节流阀11通过螺栓固定在主框架的面板8上，并依次按顺序连接压缩机9、冷凝器10、节流阀11、蒸发管12，组成闭合回路的制冰系统，并在内充入液氨作为制冷剂；

(4)安装绞缆系统：通过螺栓在主框架每根立柱3的底部安装绞缆机14，绞缆机14的缆绳15暂时处于绞收状态；

(5)就位：向主框架内的气囊7充气，使得气囊7的浮力足够框架系统及其上制冰系统在水面上浮起，然后通过拖船将结构拖航至作业地点；

(6)基础1上拔：控制绞缆机14释放缆绳15，并将缆绳15的另一端分别与待回收基础1上预设的耳板相连，控制绞缆机14绞收缆绳15，使得主框架没入水中，并保证主框架顶面入水的深度大于基础1的筒裙高度；启动制冰系统，蒸发管12周边的海水依托主框架会不断冻结，冰体的浮力会为基础1提供连续并逐渐增大的上拔力，直至基础1被拔出；

(7)基础1回收：基础1被拔出后，在浮力作业下，回收设备会与基础1一同上浮，直至主框架浮出水面，此时控制绞缆机14绞收缆绳15，使得基础1悬吊在主框架下方，然后利用拖船将回收设备和基础1拖至预定地点进行回收，在拖航过程中，保持制冰系统始终处于工作状态；

(8)回收设备拆除：基础1回收完毕后，关闭制冰系统，抽出系统内液氨；如时间允许，则可使主框架周边的冰体自然融化；若时间紧迫，则在主框架的面板8上安装融冰系统，然后将蒸发管12两端分别转接至加热器16和水泵17，利用加热器16加热海水，通过水泵17注入蒸发管12，融化主框架周边冰体，以备回收设备的下一次使用。

技术原理

本发明的技术原理：

1、制、融冰原理：制冰系统中以液氨作为制冷剂，压缩机首先将低温低压氨气压缩成高温氨蒸汽，经过冷凝器降温成高压常温液氨，然后由节流阀进行节流降压，降压后的低压低温液氨通过连接管分流进入各蒸发管，并在蒸发管内沸腾吸热蒸发，冻结周边海水成冰，从蒸发器出来的低压低温氨气重新进入压缩机，如此循环往复，完成大量制冰的目的。而融冰则是通过加热器加热海水，利用海水的热量融化周边冰体。

2、基础回收原理：冰的密度比水低，因而会浮在水面上。制冰系统工作后，会冻结主框架周边海水成冰，当制冰量达到一定程度时，就会提供足够浮力将基础拔出，并托运至指定回收地点完成回收作业。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种浮冰式风电基础回收设备，其特征在于：包括主框架、制冰系统、融冰系统和绞缆系统；

所述主框架包括横梁、立柱、中间梁、中间柱、横轴、气囊和面板，所述横梁两两垂直相交组成“井”字型的上基板和下基板，上基板横梁的交叉点和下基板横梁的交叉点之间连接立柱，每两根中间梁和两根中间柱组成一四边形框架结构，若干数量的四边形框架结构沿横竖两个方向等距平行地设置于上基板和下基板之间；所述上基板的横梁悬臂端之间设置横轴，横轴绑扎气囊；所述上基板表面铺设面板；

所述制冰系统包括压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发管和连接管，所述压缩机、冷凝器、节流阀设置于所述面板上，所述压缩机、冷凝器通过连接管与所述蒸发管相连通，所述蒸发管设置于所述面板下方的四边形框架结构内；

所述融冰系统包括加热器和水泵，所述加热器和水泵设置于所述面板上；

所述绞缆系统包括绞缆机和缆绳，绞缆机安装于所述立柱的底部；所述绞缆机通过绝缘导线与安装在拖船上的控制开关相连；

所述蒸发管通过方钢管加固，然后固定在中间梁和中间柱组成的四边形框架结构内，蒸发管的两端口穿过中间柱的侧壁，并从中间柱的顶面穿出；两侧的蒸发管则是固定在横梁和立柱组成的四边形框架内；所述连接管设置有分流接口，分流接口的数量和直径与蒸发管管口相对应。

2.根据权利要求1所述的一种浮冰式风电基础回收设备，其特征在于：所述横梁由4根方钢管和横撑呈正方形分布焊接构成，其边长为2～2.5m，长度为60～80m；所述方钢管和横撑的截面边长为0.3～0.5m，壁厚为3～5mm；所述横梁的悬臂端长度为6～10m。

3.根据权利要求1所述的一种浮冰式风电基础回收设备，其特征在于：所述面板为矩形钢板，边长为50～60m，厚为5～10mm。

4.根据权利要求1所述的一种浮冰式风电基础回收设备，其特征在于：所述蒸发管由导热性能良好的金属材料制成，直径为50～60mm，壁厚为2～3mm，每个弯管的曲率半径为2.5m。

5.根据权利要求1所述的一种浮冰式风电基础回收设备，其特征在于：所述连接管为不锈钢无缝钢管，直径为100—120mm，壁厚为3—5mm，其上分流接口直径与蒸发管直径相同，分流接口的壁厚为2～3mm。

6.根据权利要求1所述的一种浮冰式风电基础回收设备，其特征在于：所述缆绳为6×37的钢芯钢丝束，直径为40～60mm，缆绳长度控制在30～50m。

7.一种如权利要求1—6中任意一项所述的浮冰式风电基础回收设备的作业方法，其特征在于，按照下列步骤进行：

步骤一、就位：向主框架内的气囊充气，使得气囊的浮力足够框架系统及其上制冰系统在水面上浮起，然后通过拖船将结构拖航至作业地点；

步骤二、基础上拔：控制绞缆机释放缆绳，并将缆绳的另一端分别与待回收基础上预设的耳板相连，控制绞缆机绞收缆绳，使得主框架没入水中，并保证主框架顶面入水的深度大于基础的筒裙高度；启动制冰系统，蒸发管周边的海水依托主框架会不断冻结，冰体的浮力会为基础提供连续并逐渐增大的上拔力，直至基础被拔出；

步骤三、基础回收：基础被拔出后，在浮力作业下，回收设备会与基础一同上浮，直至主框架浮出水面，此时控制绞缆机绞收缆绳，使得基础悬吊在主框架下方，然后利用拖船将回收设备和基础拖至预定地点进行回收，在拖航过程中，保持制冰系统始终处于工作状态；

步骤四、回收设备拆除：基础回收完毕后，关闭制冰系统，抽出系统内液氨；主框架的面板上可安装融冰系统，融冰系统将蒸发管两端分别转接至加热器和水泵，利用加热器加热海水，通过水泵注入蒸发管，融化主框架周边冰体，以备回收设备的下一次使用。