CN114771758A - 可上浮下潜的混凝土浮筒装备及上浮下潜方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可上浮下潜的混凝土浮筒装备，包括：主储气区，所述主储气区内置有高压液氮，所述高压液氮可连通至主排水区；主排水区，所述主排水区设于所述主储气区的下部，所述主排水区内用于存储海水，且所述主排水区内的海水可在氮气的驱使下，排出所述主排水区外而回到海洋；紧急工作区，所述紧急工作区内置有氮气发生装置，所述氮气发生装置可瞬间稳定发生大量氮气，所述氮气发生装置所发生的大量氮气可通往主排水区，以排出所述主排水区内的海水。本发明是一种用于海上躲避强台风和海啸、可实现快速上浮和下潜的混凝土浮筒装备及上浮下潜方法。
Description
技术领域
本发明涉及海洋工程结构技术领域，涉及一种用于海上躲避强台风和海啸、可实现快速上浮和下潜的混凝土浮筒装备及上浮下潜方法。
背景技术
大型海洋漂浮结构在海上服役运营期间，不可避免地遭受强台风、海啸、碰撞等威胁，对浮体结构造成严重破坏甚至倒塌。在国内外，浮平台工程的使用已经在商业与军用方向都有了相当数量的实例，例如日本的海上羽田机场的Megafloat(超大型浮体构造物)和新加坡的浮式表演平台。这些浮体平台大多建造在近海或台风、海啸不常发生的地方或港湾内，环境水域波浪不大，因而没有这些极端海况下生存要求。但是，对于深远海工程应用，能否妥善应对这些极端海况下的威胁直接影响大型浮体平台的安全服役和长期自我生存。目前已建成的浮体结构均没有抵御极端海况的能力。
因此，为了提升大型浮体结构的服役安全和寿命，实现长期自我生存，亟需设计一种经济、安全、可靠的用于海上躲避强台风和海啸、可实现快速上浮和下潜的混凝土浮筒装备及其上浮下潜方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于海上躲避强台风和海啸、可实现快速上浮和下潜的混凝土浮筒装备及上浮下潜方法。
为了实现上述目的，本发明提供的第一个技术方案为：提供一种可上浮下潜的混凝土浮筒装备，包括：
主储气区，所述主储气区内置有高压液氮，所述高压液氮可连通至主排水区；
主排水区，所述主排水区设于所述主储气区的下部，所述主排水区内用于存储海水，且所述主排水区内的海水可在氮气的驱使下，排出所述主排水区外而回到海洋；
紧急工作区，所述紧急工作区内置有氮气发生装置，所述氮气发生装置可瞬间发生大量氮气，所述氮气发生装置所发生的大量氮气可通往主排水区，以排出所述主排水区内的海水。
还包括上部工作区，所述上部工作区位于所述混凝土浮筒的最上部，所述上部工作区可作为仓库、工作室、操作室。
所述排水区内部设有可折叠气囊，在所述混凝土浮筒的自然状态下，所述可折叠气囊为充满气压；在所述混凝土浮筒需要下沉时，所述可折叠气囊内的氮气重新压缩并送回所述主储气区。
所述主排水区的内部为中空呈空腔结构，所述可折叠气囊在充满气压时占据满所述空腔结构。
所述主排水区的侧壁均匀地设有若干排水口，所述排水口内设有第一止逆阀，所述主排水区内的海水通过排水口内的所述止逆阀回到海洋。
所述氮气发生装置包括一密封容器，所述密封容器内置有叠氮化钠粉体，所述密封容器的出口处设有加热装置和气阀，所述加热装置用于对所述密封容器的出口处的叠氮化钠粉体进行加热并瞬间生成大量氮气，且氮气通过所述气阀后往主排水区，以排出所述主排水区内的海水。
所述密封容器的出口是连接在所述密封容器的下方，所述加热装置是加热丝，并缠绕在所述出口处。
所述出口为具有一定长度的管状结构的出口，所述加热丝缠绕在所述出口的前半段，而所述气阀为设置在所述出口的后半段。
为了实现上述目的，本发明提供的第二个技术方案为：提供一种混凝土浮筒进行上浮和下潜的方法，包括正常上浮方案、紧急上浮方案及下潜方案，其中：
所述正常上浮方案为：
所述主储气区内的高压液氮输送至所述主排水区，所述主排水区内的海水可在氮气的驱使下，排出所述主排水区外而回到海洋，结构重力减小，混凝土浮筒上浮；
所述紧急下沉方案为：
通过所述氮气发生装置瞬间发生大量氮气，并通往所述主排水区，所述主排水区内的海水可在氮气的驱使下，排出所述主排水区外而回到海洋，结构重力减小，混凝土浮筒上浮；
所述下潜方案为：
将海水流入所述主排水区内，结构重力增加，混凝土浮筒下潜。
所述紧急下沉方案中，通过所述加热装置对所述密封容器的出口处的叠氮化钠粉体进行加热并瞬间生成大量氮气，且氮气通过所述气阀后往主排水区。
本发明是一种可上浮下潜的混凝土浮筒装备及上浮下潜方法。浮筒采用物理压缩气体，使得气体液化储存，减少体积后使得海水吸入，增加了浮筒的重力，实现下潜；采用物理减压气体使得液态气体气化，增加体积，使得海水排出，减小了浮筒的重力，实现上浮；采用叠氮化钠(还可以是或用硝酸钾、硝酸胍)等受撞击或受热引发快速热分解反应生成大体积氮气，快速增加体积，使得海水快速排出，增加了浮筒浮力，实现浮筒紧急上浮。这种三种技术点分别实现海洋浮筒结构躲避海上强台风、海啸等灾害能快速下潜、快速上浮和紧急上浮功能。
通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。
附图说明
图1所示为本发明可上浮下潜的混凝土浮筒装备的一个实施例的示意图。
图2所示为如图1所示的可上浮下潜的混凝土浮筒装备的另一个角度的视图。
图3所示为如图2所示的可上浮下潜的混凝土浮筒装备沿A-A方向的剖面示意图。
图4所示为本发明可上浮下潜的混凝土浮筒装备上浮时的工作流程图。
图5本发明在海洋上悬浮状态的示意图。
图6为本发明在海洋上潜入水下的示意图。
图7为本发明的仰视图。
具体实施方式
本发明实施例公开的可上浮下潜的混凝土浮筒装备100是可以由多个连接在一起而组成漂浮平台。由于本发明所公开的混凝土浮筒100，是可以快速地下潜，以躲避强台风、海啸、碰撞等威胁，避免浮体结构在这些威胁中受到破坏甚至倒塌而沉没。本发明的混凝土浮筒能够妥善地应对这些极端海况的威胁，在极端海况下具有强大的持续生存能力。因此，本发明的混凝土浮筒除了可以应用在近海，还可以应用在深远海洋工程。
现在参考附图描述本发明的实施例。如上所述，如图1-3所示，本发明提供的第一个技术方案为：提供一种可上浮下潜的混凝土浮筒装备100，且所述混凝土浮筒100的整体结构是一体结构，且可以采用装配式结构方式建造成型，包括：
上部工作区1，所述上部工作区1位于所述混凝土浮筒100的最上部，所述上部工作区1可作为仓库、工作室、操作室。上部工作区1作为浮筒结构的工作区域，位于浮筒的最上部，为浮筒结构的第一层，根据浮筒用途不同可以作为仓库，工作室，操作室等用途。上部工作区1在浮筒结构的上浮下潜中不承担任何功能。
主储气区2，所述主储气区2内置有高压液氮，所述高压液氮可连通至主排水区；主储气区2位于上部工作区1的下面，实际上是与所述上部工作区1一体结构，且与上部工作区1相邻，从上而下地描述为位于浮筒结构的第二层，主储气区2内设置有用于生成氮气所需的液气转化装置，主储气区2在浮筒结构的上浮中液气转化稳定地生成氮气。
需要说明的是，所述主储气区2中的氮是以液氮的形式存在，液氮是通过低温进行存储的，而氮在进入所述主排水区时，是以气态的形式存在，因此液氮转化为氮气的过程中是由低温转化为常温的过程。且下文会描述企液气转化装置即开架式气化器。
一个实施例中，参考图4，所述液气转化装置可以是一压缩装置配合液氮罐12，压缩装置能能够将气态氮压缩成液态氮，液氮罐12内盛装有液氮，液氮罐12的输出管道升温，并连接开架式气化器13，并通过所述减压阀14进行降压连接排气管5，并将氮气通入所述主排水区3，压迫所述主排水区3内的部分海水(或全部海水)通过通海口7排至海洋内。需要说明的是，所述通海口7内设有止逆阀，止逆阀能够防止海水倒灌。
还需要说明的是，所述压缩装置可以是内部装置也可以是作为外部装置连接使用，液氮罐12需要定期地进行补给，以确保液氮罐12内的液氮的压力足够，补给的过程中可能要考虑在降温的条件下进行补给。例如，定期地、在每年台风高发期需要对所述液氮罐12进行补给液氮，确保需要使用时，所述液氮罐具有足够压力的液氮。
一个实施例中，所述液氮罐12、开架式气化器13、减压阀均设于所述主储气区2内，所述排气管5是用于连通所述主储气区2与所述主排水区3的排气管。
主排水区3，所述主排水区3设于所述主储气区2的下部，所述主排水区3内用于存储海水，且所述主排水区3内的海水可在氮气的驱使下，排出所述主排水区3外而回到海洋；
主排水区3位于主储气区2的下部，与主储气区2相邻，为浮筒结构的第三层，主排水区3用于储存海水，主排水区3在浮筒的上浮或下潜中负责排水或注水；
紧急工作区4，所述紧急工作区4内置有氮气发生装置，所述氮气发生装置可瞬间发生大量氮气，所述氮气发生装置所发生的大量氮气可通往主排水区3，以排出所述主排水区3内的海水。
一个实施例中，参考图3，所述主排水区3内部设有可折叠气囊30，在所述混凝土浮筒的自然状态下，所述可折叠气囊30为充满气压；在所述混凝土浮筒需要下沉时，所述可折叠气囊30内的氮气重新压缩并送回所述主储气区2。因此，在本实施例中，所述液气转化装置是开架式气化器，所述可折叠气囊30是由内部设有若干层钢圈，且每层钢圈的外部包覆有耐受性好的橡胶层，当所述可折叠气囊30充满气压时，所述可折叠气囊30是处于打开状态；当所述可折叠气囊30内的氮气排空时，所述可折叠气囊30可处于折叠状态，气囊体积减小到最小。
一个实施例中，所述主排水区3的内部为中空呈空腔结构，所述可折叠气，囊30在充满气压时占据满所述空腔结构。所述排水区3起到保护所述可折叠气囊30的作用，可以防止外物破坏所述可折叠气囊30，也可以防止所述可折叠气囊30过压。
为了整个结构更好地实现上浮和下潜功能，所述可折叠气囊30在充满气压时尽可能地占据满所述主排水区3的内部空间。
一个实施例中，参考图3所述主排水区3的侧壁均匀地设有若干排水口31，所述排水口31内设有第一止逆阀，所述主排水区3内的海水通过排水口31内的所述止逆阀回到海洋。
本实施例中，所述排水口31的数量是多个，且是均匀地设置在所述主排水区3的侧壁，因此所述排水口31在排水时，由于所述排水口31是均匀设置的，因此整个结构能够较为平稳地上升。
一个实施例中，紧急工作区4位于浮筒结构的最底部，为浮筒结构由上而下的第四层，紧急工作区4负责安置生成氮气所需的叠氮化钠加热装置以及液气转化装置所需的海水，紧急工作区4在浮筒结构上浮下潜中负责快速生成氮气。
参考图3，所述氮气发生装置包括一密封容器41，所述密封容器41内置有叠氮化钠粉体，所述密封容器41的出口处设有加热装置42和气阀43，所述加热装42置用于对所述密封容器41的出口处的叠氮化钠粉体进行加热并瞬间生成大量氮气，且氮气通过所述气阀43后往主排水区3，以排出所述主排水区3内的海水。
在本实施例中，叠氮化钠粉体是一个高温易分解、易爆粉体，因此，所述密封容器41的出口的长度在设计时要注意长度的设计和口径大小的设计，以及所述密封容器41的出口的材质亦需要注意导热性能的选择。例如，对所述密封容器41的出口进行加热时，尽可能地不能影响到所述密封容器41内的叠氮化钠的温度，因此所述加热装置42的功率需要精确控制，加热的温度需要精确，加热的范围也需要精确，防止对叠氮化钠粉体加热过度，对进入所述密封容器41的出口处的叠氮化钠粉体进行加热，而不对未进入出口处的叠氮化钠粉体进行加热，因此不会引诱所述密封容器出现爆炸的情况。
此外，在一个实施例中，叠氮化钠粉体可以进行分仓放置，每个仓内的放置的叠氮化钠的量需要严格控制。需要引燃一个仓进行氮气释放时，不同仓内的叠氮化钠粉体不会相互的影响，不会一次性引爆整个叠氮化钠仓。
需要说明的是，叠氮化钠粉体的闪点(闪点一般指闪火点。闪火点，又叫闪点，是材料或制品与外界空气形成混合气与火焰接触时发生闪火并立刻燃烧的最低温度)是300摄氏度。
一个实施例中，所述密封容器41的出口是连接在所述密封容器41的下方，所述加热装置42是加热丝，并缠绕在所述出口处。
一个实施例中，所述出口为具有一定长度的管状结构的出口，所述加热丝缠绕在所述出口的前半段，而所述气阀43为设置在所述出口的后半段。
需要说明的是，所述加热丝是缠绕在所述出口的外壁处，以对进入所述出口的叠氮化钠粉体进行加热，且需要精确控制加热功率。
所述叠氮化钠粉体经过加热后，产生大量的气态的氮气，通过所述气阀43后排出，并通至所述排水区3。所述气阀43的设计需要注意能够让大量的气态的氮气快速地通过。
本发明所公开的混凝土浮筒100，可以快速地下潜，以躲避强台风、海啸、碰撞等威胁，避免浮体结构在这些威胁中受到破坏甚至倒塌。本发明的混凝土浮筒能够妥善应对这些极端海况的威胁，在极端海况下具有强大的生存能力。因此，本发明的混凝土浮筒除了可以应用在近海，还可以应用在深远海洋工程。
现详细地介绍本发明混凝土浮筒上浮和下潜方法：
一个实施例中，本发明提供一种混凝土浮筒进行上浮和下潜的方法，包括正常上浮、紧急上浮方案及下潜方案，其中：
所述正常上浮方案为：
所述主储气区2内的高压液氮输送至所述主排水区3，所述主排水区3内的海水可在氮气的驱使下，排出所述主排水区外而回到海洋，结构重力减小，混凝土浮筒上浮；
主储气区2位于上部工作区1的下面，实际上是与所述上部工作区1一体结构，且与上部工作区1相邻，从上而下地描述为位于浮筒结构的第二层，2主储气区内设置有用于生成氮气所需的液气转化装置，主储气区2在浮筒结构的上浮中承担生成氮气。
一个实施例中，参考图4，所述液气转化装置可以是液氮罐12，液氮罐内盛装有液氮，液氮罐的输出管道升温，并连接开架式气化器13，并通过所述减压阀14进行降压连接排气管5，并将氮气通入所述主排水区3，压迫所述主排水区3内的部分海水(或全部海水)通过通海口7排至海洋内。需要说明的是，所述通海口7内设有止逆阀，止逆阀能够防止海水倒灌。
一个实施例中，所述液氮罐12、开架式气化器13、减压阀均设于所述主储气区2内，所述排气管5是用于连通所述主储气区2与所述主排水区3的排气管。
一个实施例中，参考图4，所述开架式气化器是通过进水管道8、出水管道9与所述紧急工作区连通，由所述主排水区4进行供水。
参考图4，本发明实施例提供的紧急排水模式，具体为：
所述紧急工作区4工作，具体是通过所述氮气发生装置15瞬间发生大量氮气，并通过所述输气管11通往所述主排水区3，所述主排水区3内的海水可在氮气的驱使下，排出所述主排水区3外而回到海洋，结构重力减小，混凝土浮筒上浮；
紧急工作区4位于浮筒结构的最底部，为浮筒结构由上而下的第四层，紧急工作区4承担安置生成氮气所需的叠氮化钠加热装置，紧急工作区4在浮筒结构上浮下潜中承担快速生成氮气。
需要说明的是，在正常排水模式时，氮气是通过排气管5进入主排水区3，为了结构设计方便，紧急排水模式所产生的大量氮气通过所述输气管11连接所述排气管5而进入所述主排水区。
参考图3，所述氮气发生装置包括一密封容器41，所述密封容器41内置有叠氮化钠粉体，所述密封容器41的出口处设有加热装置42和气阀43，所述加热装42置用于对所述密封容器41的出口处的叠氮化钠粉体进行加热并瞬间生成大量氮气，且氮气通过所述气阀43后往主排水区3，以排出所述主排水区3内的海水。
在本实施例中，叠氮化钠粉体是一个高温易分解、易爆粉体，因此，所述密封容器41的出口的长度在设计时要注意长度的设计和口径大小的设计，以及所述密封容器41的出口的材质亦需要注意导热性能的选择。
一个实施例中，所述密封容器41的出口是连接在所述密封容器41的下方，所述加热装置42是加热丝，并缠绕在所述出口处。
一个实施例中，所述出口为具有一定长度的管状结构的出口，所述加热丝缠绕在所述出口的前半段，而所述气阀43为设置在所述出口的后半段。
需要说明的是，所述加热丝是缠绕在所述出口的外壁处，以对进入所述出口的叠氮化钠粉体进行加热，且需要精确控制加热功率。
所述叠氮化钠粉体经过加热后，产生大量的气态的氮气，通过所述气阀43后排出，并通至所述排水区3。所述气阀43的设计需要注意能够让大量的气态的氮气快速地通过。
(1)所述下潜方案为：
将海水流入所述主排水区内，结构重力增加，混凝土浮筒下潜。
为了更好地进行说明本发明上浮下潜的工作原理，现在结合附图5-7进行说明：
如图所示,各区高度为h1，h2，h3，h4,为简便计算,上部三区横截面六边形边宽均视为,b2最下部横截面六边形边宽为,b2侧板厚为t1,横板厚为t2,海水密度为ρ水,结构海面悬浮状态吃水为h。
当浮筒淹没于海水中处于悬浮状态时,浮筒重力＝浮筒浮力。
设此时浮筒浮力为F浮：
F浮＝ρ液gV排
V排＝V1+V2
V1为水面下主排水区体积,V2为紧急工作区体积
浮筒重力为空舱重力G1,舱内设备重力G2与悬浮时舱内海水G3之和。
设备重力G2为
G2＝(m1+m2+m3+m4)g
m1,m2,m3,m4分别为上部工作区、主储气区、主排水区和紧急工作区内设备总质量
舱内海水重力G3＝浮筒浮力F浮-空舱重力G1-设备重力G2
G3＝F浮-G1-G2
令此时舱内海水高度为h′,主排水区底面积为S
因此，可通过吸入海水，调节舱内液面的高度h′来实现浮筒下潜。此时浮筒平均密度
其中V浮为浮筒体积
当舱内海水增加，即排水区开始注水，舱内海水高度大于h′时，浮筒重力大于浮筒浮力，这时浮筒开始下潜。
随着浮筒下潜,浮筒所受浮力也随吃水深度不断增大，当浮筒完全没入水下时,浮筒浮力达到最大且不变。
当浮筒没入设定水深悬浮不动时,浮筒重力＝浮筒浮力。
设浮筒浮力为F′浮
由于此时浮筒已完全没入水中，故此时V′排即为浮筒体积V浮
令此时舱内海水高度为h″,主排水区底面积为S
达到设定的深度，调节舱内水位高度等于h″时，浮筒重力等于浮筒浮力，此时实现海水中悬浮。
当舱内海水体积减小，即排水区开始排水，舱内海水高度小于h″，浮筒重力小于浮筒浮力,浮筒开始上浮。
Claims (10)
1.一种可上浮下潜的混凝土浮筒装备，其特征在于，包括：
主储气区，所述主储气区内置有高压液氮，所述高压液氮可连通至主排水区；
主排水区，所述主排水区设于所述主储气区的下部，所述主排水区内用于存储海水，且所述主排水区内的海水可在氮气的驱使下，排出所述主排水区外而回到海洋；
紧急工作区，所述紧急工作区内置有氮气发生装置，所述氮气发生装置可瞬间发生大量氮气，所述氮气发生装置所发生的大量氮气可通往主排水区，以排出所述主排水区内的海水。
2.如权利要求1所述的可上浮下潜的混凝土浮筒装备，其特征在于，还包括上部工作区，所述上部工作区位于所述混凝土浮筒的最上部，所述上部工作区可作为仓库、工作室、操作室。
3.如权利要求1所述的可上浮下潜的混凝土浮筒装备，其特征在于，所述主排水区内部设有可折叠气囊，在所述混凝土浮筒的自然状态下，所述可折叠气囊为充满气压；在所述混凝土浮筒需要下沉时，所述可折叠气囊内的氮气重新压缩并送回所述主储气区。
4.如权利要求3所述的可上浮下潜的混凝土浮筒装备，其特征在于，所述主排水区的内部为中空呈空腔结构，所述可折叠气囊在充满气压时占据满所述空腔结构。
5.如权利要求3所述的可上浮下潜的混凝土浮筒装备，其特征在于，所述主排水区的侧壁均匀地设有若干排水口，所述排水口内设有第一止逆阀，所述主排水区内的海水通过排水口内的所述止逆阀回到海洋。
6.如权利要求3所述的可上浮下潜的混凝土浮筒装备，其特征在于，所述氮气发生装置包括一密封容器，所述密封容器内置有叠氮化钠粉体，所述密封容器的出口处设有加热装置和气阀，所述加热装置用于对所述密封容器的出口处的叠氮化钠粉体进行加热并瞬间生成大量氮气，且氮气通过所述气阀后往主排水区，以排出所述主排水区内的海水。
7.如权利要求6所述的可上浮下潜的混凝土浮筒装备，其特征在于，所述密封容器的出口是连接在所述密封容器的下方，所述加热装置是加热丝，并缠绕在所述出口处。
8.如权利要求7所述的可上浮下潜的混凝土浮筒装备，其特征在于，所述出口为具有一定长度的管状结构的出口，所述加热丝缠绕在所述出口的前半段，而所述气阀为设置在所述出口的后半段。
9.一种利用如权利要求1所述的混凝土浮筒进行上浮和下潜的方法，其特征在于，包括正常上浮方案、紧急上浮方案及下潜方案，其中：
所述正常上浮方案为：
所述主储气区内的高压液氮输送至所述主排水区，所述主排水区内的海水可在氮气的驱使下，排出所述主排水区外而回到海洋，结构重力减小，混凝土浮筒上浮；
所述紧急下沉方案为：
通过所述氮气发生装置瞬间发生大量氮气，并通往所述主排水区，所述主排水区内的海水可在氮气的驱使下，排出所述主排水区外而回到海洋，结构重力减小，混凝土浮筒上浮；
所述下潜方案为：
将海水流入所述主排水区内，结构重力增加，混凝土浮筒下潜。
10.如权利要求9所述的混凝土浮筒进行上浮和下潜的方法，其特征在于，所述紧急下沉方案中，通过所述加热装置对所述密封容器的出口处的叠氮化钠粉体进行加热并瞬间生成大量氮气，且氮气通过所述气阀后往主排水区。
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