CN114108712A - 吸力筒智能监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种吸力筒智能监测装置，包括用于监测吸力筒内外压差的压差监测装置；用于监测吸力筒导管架及塔筒架倾斜的倾斜监测装置；用于监测吸力筒屈曲变形的屈曲变形监测装置；用于监测吸力筒内部土塞隆起的土塞监测装置；用于监测吸力筒负压自沉高度的贯入度监测装置；用于监测吸力筒导管架及盖板、塔筒架底部法兰变形的基础变形监测装置；用于监测吸力筒在带负荷运行下沉降的基础不均匀沉降监测装置；用于对吸力筒的基础偏移或者沉降定量监控的导管架基础位移监测装置；用于监测吸力筒所在环境状态的基础环境监测装置。智能监测装置实时准确监测吸力筒基础在施工及运行中的状况指标，验证吸力筒基础满足设计要求，评估吸力筒结构，保障安全。
Description
技术领域
本发明涉及海洋风电领域，更具体地说，涉及一种吸力筒智能监测装置。
背景技术
新型吸力筒基础是近年来随着中国海上风电的快速发展，在常规风机基础短板不断显现的情况下应运而生的新型的风机基础。
此种新型吸力筒基础与传统导管架-深长桩基础类似，上部均为导管架，不同的是下部用粗短圆型钢桶替代传统深长钢桩。
这种新型基础采用特殊的负压沉贯技术进行施工，不需打桩，施工速度快，造价相对较低廉，因其埋深浅易于拆卸可实现重复利用。
吸力筒的可沉入性和承载性能是吸力筒设计的关键技术所在。吸力筒能否达到预定的沉贯要求，其很大程度上将影响基础结构后期承载性能。
准确掌握吸力筒运行状态，对结构的后期运营及维护都具有重要意义。
海上基础结构由于其复杂的海洋水文土壤条件，在环境动力长期循环荷载作用下，吸力筒基础的抗拔承载力及结构的疲劳损伤问题显得尤为重要。
在海上风电场新型吸力筒风机基础的施工过程中，采用现代化的监测仪器设备，采集跟踪新型吸力筒风机基础的关键部位以及不利位置的应力应变变化等信息，通过采集到的信息，判断结构施工过程是否满足安全指标和设计标准，及时调整施工方案和方法，确保整个工程的安全进行。
吸力筒基础施工安装不同于其他类型海风基础，受地质条件、受力机理影响，土体与筒壁摩擦系数是变化的，筒壁周围土体微观结构、应力分布及水渗流作用等使吸力筒式基础在安装过程中面临诸多难题。
沉贯安装是筒型基础施工过程中的关键步骤，多数筒型基础采用负压下沉安装，但负压沉贯过程中地基土体易发生渗透破坏、超高土塞、不能沉放到位甚至筒壁屈曲等工程事故。
综上，制定一套能够实时监测吸力筒沉贯施工过程安全监测系统，对于保证新型导管架吸力筒施工过程安全具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种吸力筒智能监测装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种吸力筒智能监测装置，包括：
压差监测装置，用于监测所述吸力筒内外压差；
倾斜监测装置，用于监测所述吸力筒导管架及塔筒架的倾斜；
屈曲变形监测装置，用于监测所述吸力筒的屈曲变形；
筒内土塞监测装置，用于监测所述吸力筒内部土塞隆起；
贯入度监测装置，用于监测所述吸力筒负压自下沉高度；
基础变形监测装置，用于监测所述吸力筒导管架及盖板、塔筒架底部法兰的变形；
基础不均匀沉降监测装置，用于监测所述吸力筒带负荷运行下的沉降；
导管架基础位移监测装置，用于对所述吸力筒的基础偏移或者沉降定量监控；
基础环境监测装置，用于监测所述吸力筒所在环境状态。
在一些实施例中，所述内外压差监测装置包括压力传感器。
在一些实施例中，所述倾斜监测装置包括双向倾角仪。
在一些实施例中，所述双向倾角仪安装在所述吸力筒顶的监测点。
在一些实施例中，所述屈曲变形监测装置包括若干钢板应变计。
在一些实施例中，所述钢板应变计分布在所述吸力筒的筒体、盖板及裙板上。
在一些实施例中，所述筒内土塞监测装置包括布置在所述吸力筒内部的水下声呐、以及所述吸力筒的吸力泵配置的流量传感器、流速传感器。
在一些实施例中，所述贯入度及施工就位监测装置主要包括水压计或液位计。
在一些实施例中，所述基础变形监测装置包括安装在导管架主腿和斜撑的节点、及所述吸力筒的筒体上盖板、塔筒架底部法兰的钢板应变计与动态应变计。
在一些实施例中，所述钢板应变计密封处理。
在一些实施例中，所述基础不均匀沉降监测装置包括均匀布置于所述吸力筒的外平台的静力水准仪。
在一些实施例中，所述导管架基础位移监测装置包括GNSS接收器和低频振动位移计，所述GNSS接收器以安装于陆上集控中心的GNSS基准点作为参照点，并与所述低频振动位移计的数据互为参照。
在一些实施例中，所述基础环境监测装置包括波高仪、温湿度计、三向风速仪。
实施本发明的吸力筒智能监测装置，具有以下有益效果：实时准确地监测吸力筒基础在施工过程及在役运行过程中的土体性状、筒体应力应变状态、基础实时变形等工作状态及性能指标，验证吸力筒基础满足设计工况要求，评估吸力筒结构健康程度，保障基础结构安全。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中的吸力筒和导管架的组装结构示意图；
图2是图1中吸力筒和导管架的俯视结构示意图；
图3是风机塔筒架的结构示意图；
图4是图3中塔筒架结构的俯视示意图；
图5是吸力筒外平台上监测装置安装俯视方向示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
需要说明的是，附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
如图1、图2所示，风力发电的基础包括吸力筒和导管架，吸力筒为粗短圆形钢桶，呈三角分布，每一吸力筒上设置导管架，各导管架连接固定，形成一体的风力发电风机的基础支撑。
如图1至图5所示，本发明一个优选实施例中的吸力筒智能监测装置包括用于监测吸力筒1内外压差的压差监测装置；用于监测吸力筒1上导管架6及塔筒架8倾斜的倾斜监测装置7；用于监测吸力筒1的筒体、裙板、盖板的屈曲变形的屈曲变形监测装置；用于监测吸力筒1内部土塞隆起的筒内土塞监测装置；用于监测吸力筒1负压自下沉高度的贯入度监测装置；用于监测吸力筒1导管架6及盖板、塔筒架8底部法兰81变形的基础变形监测装置2；用于监测吸力筒1带负荷运行下沉降的基础不均匀沉降监测装置3；用于对吸力筒1的基础偏移或者沉降定量监控的导管架基础位移监测装置4；用于监测吸力筒1所在环境状态的基础环境监测装置5；以及分别与压差监测装置、倾斜监测装置7、屈曲变形监测装置、筒内土塞监测装置、贯入度监测装置、基础变形监测装置2、基础不均匀沉降监测装置3、基础环境监测装置5通信连接的中央控制器。
本发明提供了一种新型吸力筒1基础的一体化智能监测装置，实时准确地监测吸力筒1基础在施工过程及在役运行过程中的土体性状、筒体应力应变状态、基础实时变形等工作状态及性能指标，验证吸力筒基础满足设计工况要求，评估吸力筒结构健康程度，保障基础结构安全。
本专利技术方案，根据吸力筒1基础施工沉贯的特点，吸收了常规风机基础结构的监测方法，建立了吸力筒1基础施工过程及在役运行状态的实时监测系统。
该系统围绕沉贯施工关注的关键技术要求，重点监测了筒内负压、贯入度、裙板变形、筒内土塞隆起、筒体倾斜、灌浆流量及流速以及安装定位监测；面对常规以及极限的风浪流等环境载荷情况下的应力应变状态、沉降情况及位移量。
吸力筒1基础的安装主要是吸力筒1基础通过自重贯入到土中一定深度后，通过安装在基础顶部的泵将筒内的水抽出，而使筒内与筒外形成一个压力差，使得基础能够沉入土体，到达设计要求的深度。
如果负压过小，吸力筒1难以沉贯就位。如果过度，可能会引起地基管涌、流砂破坏，甚至使筒内泥面升高，产生土塞现象，甚至引起吸力筒1裙版屈服。
内外压差监测装置包括压力传感器，吸力筒1内外压差监测装置的输出端和中央控制器连接，施工过程中，根据监测的压差数据，实时调整筒内负压。
吸力筒1沉贯的过程中容易产生筒倾斜等问题，影响吸力式筒形基础的承载力和基础整体水平度。贯入过程中要严格限制其水平度，实时监测、随时调平。
如果安装过程中没注意调平，会产生较大危害，轻则导致筒型基础无法顺利贯入至设计深度，影响正常使用，重则可能使结构屈曲破坏倾斜倒塌，人员、设备受到伤害。
倾斜监测装置7包括双向倾角仪，双向倾角仪安装在吸力筒1顶的监测点，监测吸力筒1及吸力筒1上的导管架6、塔筒架8的倾斜情况。筒顶监测点均与吸力筒1体倾斜监测装置7连接，吸力筒1体倾斜监测装置7的输出端和中央控制器连接。
吸力筒1筒型基础是大型薄壁结构，施工过程中可能因内外压差过大或触及坚硬岩石而发生结构强度破坏或屈曲失稳。安装过程中注意监测筒体应力和变形情况，发现筒体有明显变形时立即停止作业，查明原因并采取措施处理后方可继续安装。
屈曲变形监测装置包括若干钢板应变计，钢板应变计分布在吸力筒1的筒体、盖板及裙板上，辅助水下机器人或潜水员。
屈曲变形监测装置包括若干钢板应变计，若干监测测点均与筒内结构屈曲变形监测装置连接，筒内结构屈曲变形监测装置的输出端和中央控制器连接。
吸力筒1内部负压吸力引起的筒体周围渗流场能显著降低了筒内土体的有效应力和抗剪强度，从而大大减小了沉贯阻力，有利于吸力筒1的贯入，但另一方面当渗流过大时则会引起地基管涌、流砂破坏，甚至使筒内泥面升高，产生土塞现象。
若对筒内隆起土塞不加处理，沉桩后期泥面会提前与桩顶盖接触，使吸力桩无法继续下沉，将显著增加海上作业时间和施工成本。
筒内土塞监测装置包括布置在吸力筒1内部的水下声呐、以及吸力筒1的吸力泵配置的流量传感器、流速传感器等，通过水下声呐、流量、流速等数据综合判断可能出现的土塞。
吸力筒1贯入度和贯入速度应实施监测，施工完成后应保证吸力筒1按设计安装就位，满足基础下沉绝对位置允许偏差、任意两负压桶高程允许偏差、导管架6基础顶部水平度等要求。
贯入度及施工就位监测装置主要包括水压计或液位计，实时监测吸力筒1下沉高度，施工完成后应保证吸力筒1按设计安装就位。
在长期在役运行阶段，风机基础承载了风机机舱及塔筒架8的负荷，风机在正常运转以及在不同的风、浪、流等工况下，都会对导管架6基础产生不同的影响，对导管架6基础结构节点进行应力应变监测有利于掌握结构变形趋势。
基础变形监测装置2包括安装在导管架6主腿和斜撑的节点、及吸力筒1的筒体上盖板、塔筒架8底部法兰81的钢板应变计与动态应变计，位置主要为导管架6主腿和斜撑的节点及筒体上盖板。
在一些实施例中，钢板应变计密封处理，连接电缆需要保护措施。
如图5所示，基础不均匀沉降监测装置3包括均匀布置于吸力筒1的外平台11的静力水准仪，通过增加静力水准仪监控吸力筒1基础在长期带负荷运行下的沉降情况。
基础如发生较严重的不均匀沉降，将使整个风力发电的风机产生不可估量的损失，提前预防及掌握相关情况就显得极为重要。
导管架基础位移监测装置4作为一种对吸力筒1基础偏移或者沉降的定量监控方式，能够准确预判基础偏移或者沉降的趋势，为工作人员做出正确的决策提供关键的参考和数据支撑。
导管架基础位移监测装置4包括GNSS接收器和低频振动位移计，GNSS接收器以安装于陆上集控中心的GNSS基准点作为参照点，并与低频振动位移计的数据互为参照。
为了准确掌握吸力筒1基础应力应变、倾斜、沉降等各种状态发生时的环境情况，还设置了基础环境监测装置5，基础环境监测装置5包括波高仪51、温湿度计52、三向风速仪53，设置了相关传感器以监控环境状态。
中央控制器包括数据采集设备、数据存储与处理设备、网络设备、供电防雷设备，自动报警设备等。
数据采集设备上分别连接各个传感器，将数据通过移动通信网络实时发送给主机，数据存储与处理设备对接受的数据进行存储与处理，将处理后的数据发送给主机。
然后通过主机显示设备将处理后的数据显示给施工人员，对采集的数据超过阈值时，自动触发报警模块报警，使得施工人员能在发生意外事故前进行处理，大大提高了海上风机吸力筒1基础施工过程中的安全性。
本专利监测装置及系统通过多通道动静态采集仪按照规定的采集频率把所有传感器的数据采集并传输到中央控制器，通过光电一体化的电缆把吸力筒1基础的所有监测数据连同整个海上风电场的监测数据汇集在海上升压站。
再通过光电复合缆把数据传递到陆上集控中心的服务器，通过专有的一体化智能安全监测系统对采集到的数据进行处理，并在终端显示器上显示相关信息。
根据本发明，实时准确地监测吸力筒1基础在施工过程中以及在役运行时的土体性状、筒体应力应变状态、基础实时变形控制，建立了对吸力筒1基础施工过程关键位置实时监测，对监测的数据超过其阈值时，就会触发自动报警装置，使得施工人员能够在发生事故之前对吸力筒1基础进行加固调整等，确保施工过程的安全性和高效性，确保在役运行时结构的安全性和可预防性。
本发明创造的技术关键点和预保护点
a.针对新型的海上风电风机基础，制定了科学合理的监测方案；
b.可以实时掌握吸力筒1风机基础在施工过程中的土体性状、筒体应力应变状态、基础实时变形。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
可以理解地，上述各技术特征可以任意组合使用而不受限制。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (13)
1.一种吸力筒智能监测装置，其特征在于，包括用于监测所述吸力筒（1）内外压差的压差监测装置、用于监测所述吸力筒（1）上导管架（6）及塔筒架（8）倾斜的倾斜监测装置（7）、用于监测所述吸力筒（1）屈曲变形的屈曲变形监测装置、用于监测所述吸力筒（1）内部土塞隆起的筒内土塞监测装置、用于监测所述吸力筒（1）负压自沉高度的贯入度监测装置、用于监测所述吸力筒（1）导管架（6）及盖板、塔筒架（8）底部法兰（81）变形的基础变形监测装置（2）、用于监测所述吸力筒（1）带负荷运行下沉降的基础不均匀沉降监测装置（3）、用于对所述吸力筒（1）的基础偏移或者沉降定量监控的导管架基础位移监测装置（4）、用于监测所述吸力筒（1）所在环境状态的基础环境监测装置（5）。
2.根据权利要求1所述的吸力筒智能监测装置，其特征在于，所述内外压差监测装置包括压力传感器。
3.根据权利要求1所述的吸力筒智能监测装置，其特征在于，所述倾斜监测装置（7）包括双向倾角仪。
4.根据权利要求3所述的吸力筒智能监测装置，其特征在于，所述双向倾角仪安装在所述吸力筒（1）顶的监测点。
5.根据权利要求1所述的吸力筒智能监测装置，其特征在于，所述屈曲变形监测装置包括若干钢板应变计。
6.根据权利要求5所述的吸力筒智能监测装置，其特征在于，所述钢板应变计分布在所述吸力筒（1）的筒体、盖板及裙板上。
7.根据权利要求1所述的吸力筒智能监测装置，其特征在于，所述筒内土塞监测装置包括布置在所述吸力筒（1）内部的水下声呐、以及所述吸力筒（1）的吸力泵配置的流量传感器、流速传感器。
8.根据权利要求1所述的吸力筒智能监测装置，其特征在于，所述贯入度及施工就位监测装置主要包括水压计或液位计。
9.根据权利要求1所述的吸力筒智能监测装置，其特征在于，所述基础变形监测装置（2）包括安装在导管架（6）主腿和斜撑的节点、及所述吸力筒（1）的筒体上盖板、塔筒架（8）底部法兰（81）的钢板应变计与动态应变计。
10.根据权利要求9所述的吸力筒智能监测装置，其特征在于，所述钢板应变计密封处理。
11.根据权利要求1所述的吸力筒智能监测装置，其特征在于，所述基础不均匀沉降监测装置（3）包括均匀布置于所述吸力筒（1）的外平台（11）的静力水准仪。
12.根据权利要求1所述的吸力筒智能监测装置，其特征在于，所述导管架基础位移监测装置（4）包括GNSS接收器和低频振动位移计，所述GNSS接收器以安装于陆上集控中心的GNSS基准点作为参照点，并与所述低频振动位移计的数据互为参照。
13.根据权利要求1所述的吸力筒智能监测装置，其特征在于，所述基础环境监测装置（5）包括波高仪、温湿度计、三向风速仪。
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