CN113423891B - 用于稳定自升式平台单元的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于稳定自升式平台单元的方法，该单元包括：船体；多个支腿，能够从船体延伸和/或穿过船体延伸，以及布置成在离岸操作期间支承平台单元；顶升系统，布置成在运输位置与操作位置之间移动支腿，其中，顶升系统还布置成在漂浮位置与操作位置之间沿着多个支腿移动船体；该方法包括以下步骤：降低多个支腿，直至支腿站立在海床上或海床内；将船体升高到海面以上；在多个支腿上临时施加预加载；进一步将船体升高到海面以上的操作高度。

Description

用于稳定自升式平台单元的方法

技术领域

本发明涉及一种用于稳定自升式平台单元的方法。

背景技术

自升式平台单元通常包括浮式船体以及可从所述船体延伸和/或穿过所述船体的多个可移动支腿，例如三个支腿、四个支腿、六个支腿或更多。自升式平台单元通常还包括至少一个吊机和/或用于支承平台外部的操作的可移动悬臂，其中吊机安装在平台单元上，例如安装在支腿之一周围，或安装在平台的其它位置。所述自升式平台可为自航式或自行式，或可能需要进行牵引。自升式平台单元广泛用于离岸工业中，例如在离岸钻探现场，用于建造跨水的大型桥梁，或例如用于离岸风力涡轮机的安装和/或维护。当自升式平台单元到达现场时，在开始任何工作之前，均需要在相对恶劣的海洋环境中稳定该单元。为此，自升式单元的支腿降低，直到支腿能够搁置在海床上。然后，自升式平台通过顶升系统沿支腿上升到刚好在海平面以上。由于并不详细了解下面海床的稳定性，因而通常的做法是例如单独或成对地、依次对每个支腿施加高载荷，例如数千吨，而其它支腿只保持轻微加载载荷，该过程通常被称为“预加载”。然后，所施加的载荷的值可用于确定在生存条件期间或在平台上的操作期间支腿可支承而不会危及平台单元的稳定性的最大允许载荷值。例如，最大允许值可确定为例如在预加载期间施加至支腿的载荷的给定部分。在该预加载步骤之后，船体进一步升高到海面以上的所需操作高度，例如升高到海面以上10至15m的高度，这基本上避免船体被波浪连续撞击。在进一步升高船体之前或之后，支腿上的载荷可基本上相等。以这种方式，建立了相对稳定的平台，可几乎独立于洋流和/或波浪作用从该平台执行操作。

近年来，需要使用自升式平台单元的离岸结构的尺寸一直在稳定增长，诸如风力涡轮机的高度和整体尺寸。这种尺寸的增加对于离岸工业具有挑战性，特别地，意味着需要更大的吊机容量。大型吊机或悬臂在自升式起重装置的侧部上操作可能导致支腿的显著负载，特别是直接邻近吊机或悬臂的一个或多个支腿上。当吊机围绕自升式平台单元的支腿安装时，这种效果甚至更加显著。在一些情况下，在吊机或悬臂操作期间，支腿的负荷可能接近或甚至超过所实现的支腿的预加载，这可能最终导致自升式平台的不受控制的沉降、穿通、或甚至导致吊机和/或自升式平台单元塌陷。因此，需要一种改进的自升式平台单元的稳定方法。

发明内容

本发明的目的在于解决或缓解上述问题中的一个或多个。特别地，本发明的目的在于提供一种用于稳定自升式平台单元的改进方法，该方法能够确保相对安全的操作，同时利用例如吊机或悬臂或任何其它直接影响支腿部载荷的装置来保持或改进在平台单元的侧部上工作的能力。

为此目的，提供了一种用于稳定自升式平台单元的方法。特别地，例如自升式钻塔或自升式船只的自升式平台单元包括船体，该船体可以是浮式船体，但不必须是浮式船体。平台单元还包括多个支腿，例如4个、5个、6个或更多个支腿，这些支腿可从船体延伸和/或穿过船体延伸，并且布置成在离岸操作期间支承平台单元。该单元还包括顶升系统，该顶升系统布置成在输送位置与操作位置之间移动多个支腿，其中在输送位置，支腿基本上在平台上方延伸，在操作位置，支腿基本上在平台下方延伸以站立在海床上，该顶升系统还布置成在漂浮位置与操作位置之间沿着多个支腿移动船体，其中，在漂浮位置，船体漂浮在水上，在操作位置，船体基本上在海面之上。这种顶升系统例如可为液压系统、电气系统、齿条-齿轮系统、它们的组合、或本领域技术人员已知的任何其它合适的系统。自升式平台单元通常还可包括至少一个吊机，或可包括安装在平台上的悬臂，该吊机或悬臂布置成在海上安装和/或维护工作期间提升平台上的和/或离开平台的载荷。一种稳定这种自升式平台单元的方法通常包括以下步骤：降低所述多个支腿，直到所述支腿站立在海床上或海床中；以及将所述船体基本上升高到海面以上，达到所述船体的底侧通常高于静止水位1.5m的水平。在将船体升高到海面以上之前，能够任选地进行在支腿上具有有限载荷的预加载的第一测试，以便检查将船体升高到海平面以上是否安全。该测试可在船体沿支腿稍微升高但不高于海平面的情况下进行，船体刚好足够高，使得平台单元的重量防止支腿由于作用在单元上的波浪力而失去与海床的接触。在将船体升高到海面以上之后，在多个支腿上临时施加预载荷。预加载应从广义上理解为在静态支腿载荷上方对支腿中的每个施加载荷，这可通过各种方式来实现。支腿中的每个均可例如通过利用提升系统的过负荷向下主动地推动支腿而进行直接预加载，这可被称为“预驱动”。可替代地，支腿也可进行间接预加载，在这种情况下，至少一个支腿上的载荷减小，从而导致至少一些其它支腿上的载荷增加。例如，可通过沿着所述支腿稍微降低船体来实现减小该支腿上的载荷。预加载的另一种可能性是例如暂时采用大量的水压载物，这些水压载物可在平台上来回移动。在预加载支腿之后，船体进一步升高到海面以上的操作高度，通常升高到海面以上15m左右的高度。以具有创造性的方式，稳定自升式平台单元的方法现在还包括向自升式平台单元的船体施加扭矩的步骤，特别地，包括向船体主动施加扭矩的步骤。因而，对船体主动施加扭矩不是以前的顶升过程的不正确或不精确操作的结果。由于船体中的扭矩，可有意识地区分在不同的支腿上的载荷分布，使得可根据安装在平台上的至少一个吊机或悬臂的位置来调节载荷分布。以这种方式，可避免由于吊机或悬臂的使用而引起的过载，例如高于在支腿的预加载期间所施加的载荷。

通常，顶升操作员协调预加载操作。对特定支腿施加预载荷由顶升操作人员对该特定支腿重复进行，直到顶升操作人员根据他的经验和专业知识认为支腿充分稳定并且地基稳定为止，其中施加预载荷可以以如上所述的各种方式进行。对所有支腿重复预加载操作，并且可对每个支腿单独进行或对成对的支腿进行预加载操作。对于四支腿或六支腿平台，通常同时对成对的对角相对的支腿进行预加载。因而，由顶升操作员确定的预加载值用于确定顶升平台的操作能力。

顶升操作器可为每个支腿确定预加载值。在预加载之后，通常使所有支腿上的载荷均衡。这意味着载荷，即平台的重量，大致均匀地分布在所有支腿上。在这种均衡之后，自升式平台的船体然后在海面上方的操作高度处移动到其操作状态。当船体处于操作水平时，将每个支腿上的静态载荷视为安装载荷。

预加载值限定了支腿能够处理而又不会危及平台稳定性的最大允许载荷。在实践中，将支腿上的理论最大允许载荷限定为其上具有安全余量的预加载值。安全余量例如可在大约2 %到20 %之间，这取决于操作者、条件等。然后，可将支腿的操作余量计算为最大允许载荷与安装载荷之间的差异，其中最大允许载荷是安全余量乘以预加载值。这种差异决定相应支腿上的工作余量或工作能力。该信息对于例如用吊机执行起重和/或提升操作的吊机操作者很重要。在吊机操作期间，吊机操作员需要在限定在支腿上的操作余量内操作吊机，特别是最靠近吊机的支腿可能限制吊机的工作能力。对于特定的负载、提升角度、吊臂角度等，改变吊机施加至支腿上的负载。因此，对于一些载荷、提升角度或吊臂角度，比对于其它操作条件，可消耗更多的操作余量。这可能限制吊机的提升能力。为了在使用相同的自升式平台的同时提高吊机的操作工作能力，本发明提供在自升式平台在海面上方的操作高度处处于操作状态后的附加步骤。该附加步骤是所谓的预加扭矩步骤，其中至少一个支腿上的载荷相对于其它支腿减小，从而导致将扭矩施加至船体。例如，在四支腿平台的情况下，一对对角相对的支腿比另一对对角相对的支腿加载得多。结果，一个支腿上的静态载荷或安装载荷显著低于另一支腿上的静态载荷。分别地，一对对角相对支腿上的静载荷或安装载荷显著低于另一对对角相对支腿上的静载荷或安装载荷。通过在船体上施加这样的扭矩，并因而显着地减小支腿中的一个上的载荷，可增加该支腿上的操作余量。有利的是，该支腿是最靠近吊机或悬臂的支腿，由于所述支腿的操作余量增加而导致较大的吊机操作包络。

有利的是，该对对角相对的支腿中现在具有较低静载荷的一个支腿最靠近吊机。这样，吊机的操作余量增加，因为现在较低的静态载荷和最大载荷之间的差（预载荷*安全余量）较大。因而，利用简单的操作步骤，可增加吊机或悬臂的工作能力，而无需对自升式平台进行结构调整或修改。对于六支腿平台，可减小对角对置的支腿中的一对的载荷，优选地，其中该一对支腿中的一个最靠近吊机。其它两对、或其它两对支腿中的一对可具有增加的静态载荷。

作为说明性的例子，说明如下。四支腿自升式平台单元可具有18000吨的最大提升重量。支至中的每个均预加载到每条支腿9000吨的预加载值。作为安全余量，取20 %。在预加载之后，平台的重量在所有四个支腿上均衡，导致每个支腿4500吨的理论均衡载荷。每个支腿的操作余量是最大允许支腿载荷（即安全余量乘以预加载值）与此处的作为安装载荷的均衡支腿载荷之间的差，其中最大允许支腿载荷即为安全余量乘以预加载值，在这里，每个支腿的操作余量为：0.8 * 9000-4500 = 2700吨。该值确定用于例如吊机操作的操作包络。另外，最靠近吊机并因而承担更多的操作吊机载荷的支腿上的载荷，可能不超过最大允许支腿载荷。对于一些提升和/或提升操作，这可能导致截断的操作吊机包络，因为吊机吊臂可能不会从支腿或吊机底座延伸超过一定距离。这限制了吊机的操作能力。因此，根据本发明，当自升式平台在海面以上的操作水平处处于操作状态时，将预加扭矩施加至船体。在该示例中，一个支腿最靠近吊机的一对对角相对支腿上的载荷减小，在该示例中达到4000吨。因此，另一对对角相对的支腿具有增加的静态载荷，即5000吨。作为吊机操作的最限制，在最靠近吊机的支腿上的操作余量现在是0.8 * 9000-4000 = 3200吨。因此，获得了500吨的操作余量的增加，这允许吊机操作员用吊机吊起和/或提升更多的重载荷和/或达到更远的外伸，而不会危及平台的稳定性。在另一数字例子中，对角相对的支腿中的一个上的载荷可减小到3500吨，从而导致另一对支腿上的载荷增加到5500吨。最靠近吊机的支腿的操作余量现在为0.8 * 9000-3500 = 3700吨，这显著增加了操作吊机的包络，并且因而可允许在更苛刻的条件下吊起和/或提升更重的载荷，或允许在更苛刻的条件下吊起和/或提升操作，或允许进一步远离目标的吊起和/或提升操作等。

因此，根据本发明，在自升式平台的船体到达操作位置之后，对角相对的支腿对不同地进行加载，从而导致不同的静态载荷。在对角对置的支腿对之间的静载荷的这种差异在船体中引入了所谓的预加扭矩。当然，该示例仅是说明性的，实际上其它负载也产生影响，诸如环境负载、摩擦负载等。注意，在预加载之后以及在将船体升高到操作高度之前，在支腿上均衡平台的重量的步骤仍然存在。只有当船体处于海面以上的操作高度时，才能应用预加扭矩步骤。

优选地，相对于具有较高安装载荷值的支腿，在预加扭矩之后，具有减小的载荷的支腿与具有增大的载荷的其它支腿之间的安装载荷的差异优选地大于5%，更优选地大于10%，有利地在大约5 %与大约50 %之间，更有利地在大约10 %与大约50 %之间。该故意引入的例如支腿对之间的静态载荷的差异比起在传统操作中可能出现的差异大得多，在传统操作中，顶升操作员尽可能均匀地分配载荷，但是实际上，这总是意味着微小的差异。该故意引入的导致船体的预加扭矩的静态差异也大于有时被引入以适应土壤条件变化的静态载荷差异。这种预加扭矩的方法也可应用于与如何确定预加载荷值无关的情况，例如通过经验和专家以及顶升操作员的人工判断或使用确定所获得的预加载荷的计算算法。

可以以不同的方式对船体施加扭矩。例如，船体可沿着至少一个支腿稍微升高，这增加直接作用在所述支腿上的载荷，并且在船体上施加扭矩。优选地，可通过减小至少一个支腿上的载荷，例如通过沿着所述至少一个支腿稍微降低船体，从而导致其它支腿上的载荷增加，以向船体施加扭矩。然后，所得到的支腿上的不同载荷分布可在船体中引起扭矩。这种向船体施加扭矩的间接方式可具有比例如直接增加至少一个支腿上的负荷需要的能量更少的优点。可替代地，压载重物在平台周围的移动也可能在平台的船体中引起扭矩。然而，这种方法在实践中可能相当不方便。

以有利的方式，可减小在最靠近安装在平台上的至少一个吊机或悬臂的至少一个支腿上的载荷。这允许吊机的较高操作载荷而不超过支腿上的允许载荷，和/或允许吊机或悬臂操作的较大工作范围。

当自升式平台单元包括至少四个支腿，例如四个支腿、五个支腿、六个支腿或更多个支腿时，本方法尤其有利。例如，支脚可基本上均匀地分布在平台上，例如沿着矩形的形状。

更优选地，当单元包括至少四个支腿时，在最靠近安装在平台上的至少一个吊机或悬臂的支腿上、以及在基本上对角地位于最靠近所述至少一个吊机或悬臂的所述支腿的对角线上的支腿上的载荷都可减小。基本上对角相对也应广泛地理解，特别是当暗示多于4个支腿时，即将不是直接相邻的支腿的两个支腿视为是对角相对的支腿。例如通过沿对角支腿对稍微降低船体来降低该对角支腿对的载荷，在其它支腿上施加较高的载荷，从而导致船体中的扭矩。同时，通过减小对角支腿对上的载荷，在载荷重新分配期间基本上保持平台的稳定性。

稳定自升式平台单元的方法还可包括在向自升式平台单元的船体施加扭矩之前基本上均衡每个支腿上的载荷的步骤。均衡载荷可理解为使支腿中的每个上的载荷尽可能接近实际可能达到基本相等的平均载荷水平。该步骤可例如在将船体从刚好高于海平面的水平提升到操作水平之前执行，因为船体的提升或顶升可随后用来自顶升系统的较小功率来完成。一旦船体已经达到其操作高度，则能够可选地重复均衡支腿上的载荷的步骤，以校正由于顶升操作而导致的载荷分布上的微小差异。

附图说明

将参考示例性实施方式的附图来进一步阐述本发明。相应的元件用相应的附图标记来表示。

图1a和图1b分别示出了处于航行配置和操作配置的自升式平台单元的示例性实施方式的侧视图；

图2示出了图1a和图1b的自升式平台单元的俯视图；

图3a、图3b、图3c和图3d示出了表示安装在图1a和图1b所示的平台单元上的吊机的给定吊机载荷的安全工作范围的一系列四个曲线图。

实施方式

图1a和图1b分别示出了处于航行配置和操作配置的自升式平台单元1的示例性实施方式的侧视图。自升式平台单元1 在这种情况下是自行式船只，自升式平台单元1包括浮式船体2、以及多个支腿4，在本例中是一组四个支腿4，它们可从船体2延伸和/或穿过船体2，并且布置成在离岸操作期间支承自升式平台单元1。顶升系统（未示出）布置成在运输位置（图1a中所示）和操作位置（图1b中所示）之间移动支腿4，其中，在运输位置，支腿4基本上在船体2上方延伸，在操作位置，支腿4基本上在船体2下方延伸以站立在海床6上。根据海床6的组成，支腿4可搁置在海床6上，或可部分沉入海床6中。在这个例子中，支腿的放大的脚部3已沉入海床6中。顶升系统还布置成使船体2沿多个支腿4在漂浮位置与操作位置之间移动，其中在漂浮位置，船体2漂浮在水上，在操作位置，船体2基本上在海平面7之上。一旦这种自升式平台单元1到达海上工作地点，自升式平台单元1就首先需要进行稳定，以便提供相对安全的工作环境。该过程需要执行几个步骤。首先，支腿4下降，直到支腿4站立在海床6上或位于海床6中。然后，优选地，在支腿4上进行具有有限载荷的预加载的第一测试，以便检查将船体2升高到海平面7以上是否安全。该测试可在船体2沿支腿4稍微升高但不高于海平面7的情况下进行，船体刚好足够高，使得自升式平台单元1的重量防止支腿4由于作用在自升式平台单元1上、特别是作用在船体2上的波浪力而与海床6失去接触。作为下一步骤，将船体2升高到基本上在海平面7上方，升高到船体2的底侧通常高于静止水位1.5 m的水平。在将船体2升高到海平面7以上之后，在支腿4上临时施加预载荷，即，将在静态支腿载荷以上的载荷依次施加至支腿4中的每一个上。这优选地通过沿着对角的一对支腿稍微降低船体2来实现。结果，在另一对对角的支腿上的载荷显著增加。在对支腿4进行预加载之后，在船体2进一步升高到海平面7以上的操作高度之前，通常升高到海平面7以上15m的高度，可使每个支腿4上的载荷相等。一旦船体2已经达到该操作高度，则可可选地重复使支腿上的载荷相等的步骤，以校正由于顶升操作引起的载荷分布的微小差异。

图2示出了图1a和图1b的自升式平台单元1的俯视图。从上面看，船体2具有大致矩形的形状。四个支腿4基本上均匀地分布在船体2上：两个支腿朝向船的前部F设置，其中一个在船的左舷PS上，一个在右舷SB上；以及两个支腿位于船的后部A处，其中一个在船的左舷PS上，一个在右舷SB上。在船体2上安装有至少一个吊机8。在该示例中，吊机8围绕四个支腿4中的一个安装，特别地，围绕位于船体2的左舷PS上的后部的支腿安装，但是吊机也可安装在船体2上的其它地方。吊机8可布置成能够在吊机向下折叠的如图1a和图2所示的航行位置与吊机8布置成直立的如图1b所示的操作位置之间移动，在航行位置，吊机在船体2上方延伸。吊机8优选地布置成可枢转超过360度，使得吊机8可从船体2拾取载荷，并将载荷提升到船外，例如提升到建筑工地，诸如离岸风力涡轮机的建筑工地。然而，根据载荷，吊机8的工作范围可或多或少地受到限制。

图3a、图3b、图3c和图3d示出了表示安装在图1a和图1b所示的自升式平台单元1的船体2上的吊机8的给定吊机载荷的安全工作范围的一系列四个曲线图。各轴表示以米为单位的距离。在图中，表示了自升式平台单元1的船体2的后部，其宽度为40米。图中示出了四个支腿4中的两个后支腿、以及围绕左舷PS上后支腿的吊机8。由于吊机臂的固有倾斜，吊机不能在内圆9内侧提升负载，如蓝色所示。当吊机8在等于或小于24m的半径处拾取例如等于或小于1200吨（图3a）或等于或小于1600吨（图3c） 的给定载荷时，则由于载荷和稳定性的原因，仅允许载荷沿外部作用半径10移动，该外部作用半径10以红色表示，该外部作用半径10仅为截头圆。在图3c所示的情况下，在不危及自升式平台单元1的稳定性的情况下，很难将载荷提升到船外。为了解决这个问题，本发明的稳定自升式平台单元的方法还包括向自升式平台单元1的船体2施加扭矩的步骤。这优选地通过减小最靠近吊机8的支腿上的载荷来实现，即在这种情况下在左舷上的后支腿。另外，船体2例如可在左舷沿着后支腿稍微降低，从而导致右舷的后支腿和左舷的前支腿上的载荷增加。船体2也可在左舷沿着后支腿下降，即，在本示例中吊机8所在之处，以及在右舷在前支腿上下降，该前支腿与吊机支腿对角地相对，同样的结果是增加了其它两个支腿上的载荷。当减小吊机支腿上的载荷时，在吊机支腿上存在过剩载荷，该过剩载荷可用于增大吊机8对于给定提升重量的工作能力、和/或增大吊机的提升重量，如图3b和图3d所示。如图3a中的圆圈10所示，在给定吊机上的1200吨载荷仅导致吊机的有限的可使用性，而当施加船体2的扭转时获得完全的可使用性，如图3b中所示。吊机上的1600吨载荷不提供可工作的吊机范围，如图3c中的红色圆圈10所示，但是当扭矩施加在船体2上时，吊机的工作范围10接近全部，如图3d所示。以这种方式，能够以相对可靠和节约成本的方式大幅扩展自升式平台单元上的吊机容量。

处于清楚和简明描述的目的，在本文中将特征描述为相同或单独实施方式的部分，然而，应理解的是，本发明的范围可包括具有所描述的所有或一些特征的组合的实施方式。可理解的是，所示的实施方式具有相同或相似的部件，除了描述为不同的地方。

在权利要求中，置于括号内的任何附图标记均不应解释为限制权利要求。词语“包括”不排除存在权利要求中所列以外的其它特征或步骤。另外，词语“一”和“一个”不应解释为限于“仅一个”，而是用于表示“至少一个”，并且不排除多个。在互不相同的权利要求中陈述某些措施的事实并不表示这些措施的组合不能用于优点。许多变型对于本领域技术人员来说是显而易见的。应理解的是，所有的变型都包括在以下权利要求所限定的本发明的范围内。

Claims (4)

1.用于稳定自升式平台单元的方法，其特征在于，所述单元包括：

-船体，

-多个支腿，所述多个支腿能够从所述船体延伸或穿过所述船体延伸，以及所述多个支腿布置成在离岸操作期间支承所述平台单元；

-顶升系统，所述顶升系统布置成在运输位置与操作位置之间移动所述支腿，其中，在所述运输位置，所述支腿在平台上方延伸，在所述操作位置，所述支腿在所述平台下方延伸以站立在海床上，其中，所述顶升系统还布置成在漂浮位置与操作位置之间沿着所述多个支腿移动所述船体，其中在所述漂浮位置，所述船体漂浮在水上，在所述操作位置，所述船体在海面之上；

所述方法包括以下步骤：

-降低所述多个支腿，直至所述支腿站立在海床上或海床内；

-将所述船体升高到海面以上；

-通过以下方式中的一种在所述多个支腿上临时施加预加载，以将在静态支腿载荷以上的载荷施加至所述多个支腿中的每一个上：

利用提升系统的过负荷向下主动地推动所述多个支腿中的每一个，

沿着至少一个支腿稍微降低所述船体来减小所述至少一个支腿上的载荷，或

采用能够在所述平台上移动的水压载物；

-进一步将所述船体升高到海面以上的操作高度；

其中，所述方法还包括在所述船体处于所述海面以上的所述操作高度时，通过沿着最靠近安装在所述平台上的至少一个吊机或悬臂的至少一个支腿稍微降低所述船体来减小该支腿上的载荷，从而将扭矩施加至所述自升式平台单元的所述船体的步骤。

2.根据权利要求1所述的用于稳定自升式平台单元的方法，其特征在于，所述平台单元包括至少四个支腿。

3.根据权利要求2所述的用于稳定自升式平台单元的方法，其特征在于，在最靠近安装在所述平台上的至少一个吊机或悬臂的支腿上以及在位于最靠近所述至少一个吊机或所述悬臂的所述支腿的对角相对的支腿上的载荷均减小。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的用于稳定自升式平台单元的方法，其特征在于，还包括在将扭矩施加至所述自升式平台单元的所述船体之前均衡所述支腿中的每一个上的载荷的步骤。