CN113734357B - 一种用于锚固漂浮式海工结构自旋贯入式吸力锚基础及沉贯方法 - Google Patents

一种用于锚固漂浮式海工结构自旋贯入式吸力锚基础及沉贯方法 Download PDF

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Abstract

一种用于锚固漂浮式海工结构自旋贯入式吸力锚基础及沉贯方法，包括：套筒结构，空心圆锥形密封结构，外设螺纹吸力锚基础；套筒结构设有防倒转装置，分为外套筒和内套筒，外套筒与内套筒之间设有动力驱动装置；动力驱动装置将基础内外压力差(即吸力)转化成扭矩，使基础在沉贯过程中转动；空心圆锥形密封结构与套筒结构及外设螺纹吸力锚基础封闭连接，空心圆锥形密封结构圆锥面上设置吸力接口；外设螺纹吸力锚基础上端设有内壁齿轮圈及齿轮模块；基础外壁设置螺纹结构，增大土体与基础接触咬合面积，从而提高基础抗拔承载力。本发明在吸力的作用下即可实现基础旋转沉贯，在锚固海洋浮动平台、深水漂浮网箱等海工结构等方面具有很好的应用前景。

Description

一种用于锚固漂浮式海工结构自旋贯入式吸力锚基础及沉贯 方法
技术领域
本发明属于海洋工程领域，特别适合作为漂浮式海工结构的锚固基础。
背景技术
吸力锚基础是一种用于锚固海洋漂浮式结构的基础形式，目前广泛应用于深海油气工程。海洋漂浮式结构吸力锚基础服役时，受到的主控荷载为上部结构通过锚链传递的拉拔荷载，因此基础的抗拔承载力为主控荷载。传统吸力锚基础内外壁均为钢板，上拔荷载作用下侧壁提供的摩阻力有限。为了提高吸力锚基础抗拔承载力，提出了一种用于锚固漂浮式海工结构自旋贯入式吸力锚基础及沉贯方法，所述吸力锚基础仅在吸力作用下既可实现竖向旋转沉贯。旋转沉贯过程中，基础对土体产生切削作用，降低基础沉贯阻力，使基础在吸力和扭力共同作用下沉贯，提高基础沉贯效率。基础外壁设置螺旋式螺纹结构，增大了土体与基础接触咬合面积，使基础侧壁与土体间既发挥摩阻力，同时螺纹可以提供额外的土抗力，从而显著提高基础的抗拔承载力。此外，设置螺旋式螺纹结构同时增大了基础水平和竖向刚度，可代替传统吸力锚基础设置的环向和竖向加劲肋，显著降低因基础设置加劲肋造成的沉贯阻力增大情况。该新型吸力基础可广泛用于锚固海洋浮动平台、深水漂浮网箱等海工结构。
发明内容
为提高传统吸力锚基础抗弯及抗拔承载力，提出了一种用于锚固漂浮式海工结构自旋贯入式吸力锚基础及沉贯方法，该基础可以仅依靠吸力作用，实现基础的稳定的自旋转沉贯。
本发明采用以下的技术方案：
一种用于锚固漂浮式海工结构自旋贯入式吸力锚基础及沉贯方法，包括：套筒结构，空心圆锥形密封结构，外设螺纹吸力锚基础；套筒结构设有防倒转装置，且分为外套筒，内套筒，所述外套筒与内套筒之间设有动力驱动装置；所述动力驱动装置包括高强度活塞、高强度螺旋转杆，内套筒转动控件，主动齿轮固定控件，主动齿轮，从动齿轮，将吸力转变为所述外设螺纹吸力锚基础的旋转运动；所述空心圆锥形密封结构与所述套筒结构及所述外设螺纹吸力锚基础封闭连接，且设有排水阀门；所述外设螺纹吸力锚基础上端设有内壁齿轮圈及齿轮模块；所述齿轮模块实现速度的转化，将所述内套筒的转动扭矩放大为所述从动齿轮的转动扭矩从而带动所述外设螺纹吸力锚基础的转动。所述外设螺纹吸力锚基础首先在自重作用下贯入海床一定深度，此时所述排水阀门全部保持打开状态，海床接触到螺旋式螺纹区域时自重沉贯终止。自重沉贯结束后，将所述排水阀门与抽水泵连接，基础内部形成密闭水体。随后使用抽水泵将所述基础内部水体逐渐抽出，所述基础内部形成吸力，带动所述活塞向下运动；所述活塞同时带动其上固定的所述高强度螺旋转杆向下运动，穿过所述内套筒转动控件中的双斧形贯通口，杆带动所述内套筒转动控件转动，转动控件进而带动所述内套筒转动；所述内套筒上固定有主动齿轮，所述内套筒转动同步带动所述主动齿轮转动，所述从动齿轮将主动齿轮传来的转动扭矩放大并传递到所述内壁齿轮圈上带动所述外设螺纹吸力锚基础主体转动，基础在吸力作用和转动扭矩作用下旋入土体。
本发明的优点在于：该基础及沉贯安装方法可以实现仅在吸力的作用下即可实现吸力锚基础的旋转沉贯，旋转沉贯过程中，基础对土体产生切削作用，降低基础沉贯阻力，使基础在吸力和扭力共同作用下沉贯，提高基础沉贯效率。此外，基础外壁设置螺纹结构，沉贯时在砂土和黏性土-桶壁产生了水流通道，显著降低摩阻力，沉贯结束后，增大的土体与基础壁接触咬合面积，使得摩阻力和基础-土体作用力显著增加，从而比传统吸力基础显著提高了抗弯及抗拔承载力。此外，设置螺纹结构同时增大了基础水平和竖向刚度，可代替传统吸力锚基础设置的环向和竖向加劲肋，显著降低因基础设置加劲肋造成的沉贯阻力增大情况。
在本发明中，所述防倒转装置包括两个滚轮以及一根固定杆，所述两个滚轮安装在所述固定杆两端，所述固定杆固定在所述高强度螺旋转杆顶端，滚轮的运动范围仅限于所述外套筒顶端设有的一定深度及高度的凹槽，所述凹槽与所述滚轮约束所述高强度螺旋转杆传来的反扭力。
在本发明中，所述内套筒转动控件包括两个固定环，以及内设双斧形贯通孔的旋转控件，所述旋转控件为圆柱状，所述高强度螺旋转杆在所述双斧形贯通孔的产生轴向移动才能实现所述旋转控件的旋转，从而实现主动齿轮的转动。
在本发明中，所述齿轮模块包括主动齿轮和从动齿轮，所述主动齿轮与所述主动齿轮固定控件固定连接，所述主动齿轮控件与所述内套筒固定连接。
在本发明中，所述内套筒转动控件固定在所述内套筒内部，在转动控件转动时，同步带动内套筒转动。
在本发明中，所述空心圆锥形密封结构外壁设有排水阀门，且所述空心圆锥形密封结构与套筒结构及外设螺纹吸力锚基础封闭连接，保证了封闭性。
在本发明中，所述外设螺纹吸力锚基础上端设置有三个旋转轴，以及一定高度的内壁齿轮圈，实现所述齿轮模块的安装与啮合。
在本发明中，所述外设螺纹吸力锚基础外壁设有横截面为一角带有20度圆角的等边三角形的螺纹，且所述外设螺纹吸力锚基础底端设有一定高度的无螺纹区域。
所述自旋式吸力锚基础沉贯安装方法：
所述自旋式吸力锚基础吊装后竖直下放至海床面，所述基础底端设有一定高度的无螺纹区域，基础在自重的作用下实现沉贯，此时所述排水阀门全部保持打开状态，海床接触到螺旋式螺纹区域时自重沉贯终止。
进一步地，自重沉贯结束后，将所述排水阀门与抽水泵连接，基础内部形成密闭水体。随后使用抽水泵将所述基础内部水体逐渐抽出，所述基础内部形成吸力，带动所述活塞向下运动。
进一步地，所述活塞同时带动其上固定的所述高强度螺旋转杆向下运动，穿过所述内套筒转动控件中的双斧形贯通口，杆带动所述内套筒转动控件转动，转动控件进而带动所述内套筒转动。
进一步地，所述内套筒上固定有主动齿轮，所述内套筒转动同步带动所述主动齿轮转动，所述从动齿轮将主动齿轮传来的转动扭矩放大并传递到所述内壁齿轮圈上带动所述外设螺纹吸力锚基础主体转动，基础在吸力作用和转动扭矩作用下旋入土体。
进一步地，基础顶板下边缘与出内部土体接触，沉贯完成。
附图说明
结合附图对本发明专利进一步说明。
图1是本发明整体外观结构示意图
图2是本发明整体结构内部各组件示意图
图3是本发明整体结构剖面图。
图4是本发明顶部防倒转装置示意图。
图5是本发明主动齿轮结构示意图。
图6是本发明所述齿轮模块俯视图。
图7是本发明内套筒转动控件内部详图。
图8是本发明外设螺纹吸力锚基础外壁螺纹截面示意图
图中：1-外套筒，2-内套筒，3-主动齿轮固定控件，4-外设螺纹吸力锚基础，5-顶部防倒转装置，6-高强度活塞，7-高强度螺旋转杆，8-内套筒转动控件，9-主动齿轮，10-从动齿轮，11-从动齿轮转轴，12-主动齿轮转轴，13-排水阀门，14-空心圆锥形密封结构，15-主动齿轮固定控件，16-滚轮，17-固定杆，18-斧形贯通孔，19-双斧形贯通孔，20-圆柱体旋转控件，21-固定环，22-内壁齿轮圈，23-凹槽，24-螺纹截面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1和2所示，一种用于锚固漂浮式海工结构自旋贯入式吸力锚基础及沉贯方法，包括：套筒结构，空心圆锥形密封结构，外设螺纹吸力锚基础；套筒结构设有防倒转装置，且分为外套筒，内套筒，所述外套筒与内套筒之间设有动力驱动装置；所述动力驱动装置包括高强度活塞、高强度螺旋转杆，内套筒转动控件，主动齿轮固定控件，主动齿轮，从动齿轮，将吸力转变为所述外设螺纹吸力锚基础的旋转运动；所述空心圆锥形密封结构与所述套筒结构及所述外设螺纹吸力锚基础封闭连接，且设有排水阀门；所述外设螺纹吸力锚基础上端设有内壁齿轮圈及齿轮模块；所述齿轮模块实现速度的转化，将所述内套筒的转动放大为所述从动齿轮的转动从而带动所述外设螺纹吸力锚基础的转动；吸力沉贯时，所述螺纹吸力锚基础对土体产生切削作用，且砂土和黏性土-桶壁产生了水流通道，显著降低摩阻力，共同降低基础沉贯阻力，这是与传统吸力锚基础沉贯存在的显著差别。使基础在吸力和扭力共同作用下沉贯，提高基础沉贯效率。此外，基础外壁设置螺纹结构，增大了土体与基础接触咬合面积，从而显著提高基础抗拔承载力。
在本实施例中，所述防倒转装置包括两个滚轮以及一根固定杆，所述两个滚轮安装在所述固定杆两端，所述固定杆固定在所述高强度螺旋转杆顶端，滚轮的运动范围仅限于所述外套筒顶端设有的一定深度及高度的凹槽，所述凹槽与所述滚轮约束所述高强度螺旋转杆传来的反扭力。
在本实施例中，所述内套筒转动控件包括两个固定环，以及内设双斧形贯通孔的旋转控件，所述旋转控件为圆柱状，所述高强度螺旋转杆在所述双斧形贯通孔的产生轴向移动才能实现所述旋转控件的旋转，从而实现主动齿轮的转动。
在本实施例中，所述齿轮模块包括主动齿轮和从动齿轮，所述主动齿轮与所述主动齿轮固定控件固定连接，所述主动齿轮控件与所述内套筒固定连接。
在本实施例中，所述内套筒转动控件固定在所述内套筒内部，在转动控件转动时，同步带动内套筒转动。
在本实施例中，所述空心圆锥形密封结构外壁设有排水阀门，且所述空心圆锥形密封结构与套筒结构及外设螺纹吸力锚基础封闭连接，保证了封闭性。
在本实施例中，所述外设螺纹吸力锚基础上端设置有三个旋转轴，以及一定高度的内壁齿轮圈，实现所述齿轮模块的安装与啮合。
在本实施例中，所述外设螺纹吸力锚基础外壁设有横截面为一角带有20度圆角的等边三角形的螺纹，且所述外设螺纹吸力锚基础底端设有一定高度的无螺纹区域。
所述的一种用于锚固漂浮式海工结构自旋贯入式吸力锚基础及沉贯方法，其沉贯安装方法如下：
所述自旋式吸力锚基础吊装后竖直下放至海床面，所述基础底端设有一定高度的无螺纹区域，基础在自重的作用下实现沉贯，此时所述排水阀门全部保持打开状态，海床接触到螺旋式螺纹区域时自重沉贯终止。
进一步地，自重沉贯结束后，将所述排水阀门与抽水泵连接，基础内部形成密闭水体。随后使用抽水泵将所述基础内部水体逐渐抽出，所述基础内部形成吸力，带动所述活塞向下运动。
进一步地，所述活塞同时带动其上固定的所述高强度螺旋转杆向下运动，穿过所述内套筒转动控件中的双斧形贯通口，杆带动所述内套筒转动控件转动，转动控件进而带动所述内套筒转动。
进一步地，所述内套筒上固定有主动齿轮，所述内套筒转动同步带动所述主动齿轮转动，所述从动齿轮将主动齿轮传来的转动扭矩放大并传递到所述内壁齿轮圈上带动所述外设螺纹吸力锚基础主体转动，基础在吸力作用和转动扭矩作用下旋入土体。
进一步地，基础顶板下边缘与出内部土体接触，沉贯完成。
上列实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的一个实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种用于锚固漂浮式海工结构自旋贯入式吸力锚基础，包括：套筒结构，空心圆锥形密封结构，外设螺纹吸力锚基础；套筒结构设有防倒转装置，分为外套筒，内套筒，外套筒与内套筒之间设有动力驱动装置；动力驱动装置将吸力转变为外设螺纹吸力锚基础的旋转运动；动力驱动装置包括高强度活塞、高强度螺旋转杆，内套筒转动控件，主动齿轮固定控件，主动齿轮，从动齿轮；空心圆锥形密封结构与套筒结构及外设螺纹吸力锚基础封闭连接，且设有排水阀门；外设螺纹吸力锚基础上端设有内壁齿轮圈及齿轮模块；齿轮模块实现旋转速度的转化，所述用于锚固漂浮式海工结构自旋贯入式吸力锚基础首先在自重作用下贯入海床一定深度，此时所述排水阀门全部保持打开状态，海床接触到螺旋式螺纹区域时自重沉贯终止；自重沉贯结束后，将所述排水阀门与抽水泵连接，所述用于锚固漂浮式海工结构自旋贯入式吸力锚基础内部形成密闭水体，随后使用抽水泵将所述用于锚固漂浮式海工结构自旋贯入式吸力锚基础内部水体逐渐抽出，所述用于锚固漂浮式海工结构自旋贯入式吸力锚基础内部形成吸力，带动所述活塞向下运动；所述活塞同时带动其上固定的所述高强度螺旋转杆向下运动，穿过所述内套筒转动控件中的双斧形贯通口，杆带动所述内套筒转动控件转动，转动控件进而带动所述内套筒转动；所述内套筒上固定有主动齿轮，所述内套筒转动同步带动所述主动齿轮转动，所述从动齿轮将主动齿轮传来的转动扭矩放大并传递到所述内壁齿轮圈上带动所述外设螺纹吸力锚基础主体转动，所述外设螺纹吸力锚基础主体在吸力作用和转动扭矩作用下旋入土体。
2.根据权利要求1所述的一种用于锚固漂浮式海工结构自旋贯入式吸力锚基础，所述防倒转装置包括两个滚轮以及一个固定杆，所述两个滚轮安装在所述固定杆两端，所述固定杆固定在所述高强度螺旋转杆顶端。
3.根据权利要求1所述的一种用于锚固漂浮式海工结构自旋贯入式吸力锚基础，所述外套筒顶端设有一定深度及高度的凹槽。
4.根据权利要求1所述的一种用于锚固漂浮式海工结构自旋贯入式吸力锚基础，所述高强度螺旋转杆顶端与所述高强度活塞固定连接。
5.根据权利要求1所述的一种用于锚固漂浮式海工结构自旋贯入式吸力锚基础，所述内套筒转动控件包括两个固定环，以及内设双斧形贯通孔的圆柱体旋转控件。
6.根据权利要求1所述的一种用于锚固漂浮式海工结构自旋贯入式吸力锚基础，所述主动齿轮固定控件与主动齿轮固接。
7.根据权利要求1所述的一种用于锚固漂浮式海工结构自旋贯入式吸力锚基础，所述齿轮模块包括主动齿轮，从动齿轮，内壁齿轮圈。
8.根据权利要求1所述的一种用于锚固漂浮式海工结构自旋贯入式吸力锚基础，所述齿轮模块中的主动齿轮，从动齿轮安装在外设螺纹吸力锚基础上端设置的旋转轴上，并与内壁齿轮圈紧密啮合。
9.根据权利要求1所述的一种用于锚固漂浮式海工结构自旋贯入式吸力锚基础，所述外设螺纹吸力锚基础顶面设置斧形贯通口，保证吸力锚内空间与套筒结构之间贯通。
10.根据权利要求1所述的一种用于锚固漂浮式海工结构自旋贯入式吸力锚基础，所述外设螺纹吸力锚基础的外螺旋式螺纹横截面为一角为20度圆角的等边三角形，且所述外设螺纹吸力锚基础底端设有一定高度的无螺纹区域。
11.根据权利要求1所述的一种用于锚固漂浮式海工结构自旋贯入式吸力锚基础，其沉贯安装方法如下：
所述自旋贯入式吸力锚基础吊装后竖直下放至海床面，所述自旋贯入式吸力锚基础底端设有一定高度的无螺纹区域，自旋贯入式吸力锚基础在自重的作用下实现沉贯，此时所述排水阀门全部保持打开状态，海床开始接触到螺纹区域时自重沉贯终止；
进一步地，自重沉贯结束后，将所述排水阀门与抽水泵连接，自旋贯入式吸力锚基础内部形成密闭水体；
随后使用抽水泵将所述自旋贯入式吸力锚基础内部水体逐渐抽出，所述自旋贯入式吸力锚基础内部形成吸力，带动所述活塞向下运动；
进一步地，所述活塞同时带动其上固定的所述高强度螺旋转杆向下运动，穿过所述内套筒转动控件中的双斧形贯通口，杆带动所述内套筒转动控件转动，转动控件进而带动所述内套筒转动；
进一步地，所述内套筒上固定有主动齿轮，所述内套筒转动同步带动所述主动齿轮转动，所述从动齿轮将主动齿轮传来的转动扭矩放大并传递到所述内壁齿轮圈上带动所述外设螺纹吸力锚基础主体转动，所述自旋贯入式吸力锚基础在吸力作用和转动扭矩作用下旋入土体；
进一步地，所述自旋贯入式吸力锚基础顶板下边缘与出内部土体接触，沉贯完成。
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