CN115434313A - 一种自升式风电安装平台桩靴及与其相适配的插拔桩方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风电安装平台制造技术领域，尤其是一种自升式风电安装平台桩靴及与其相适配的插拔桩方法。自升式风电安装平台桩靴包括桩靴本体和抗滑移单元。桩靴本体在来自于桩腿单元的拖动力作用下而沿着海洋深度方向执行轴向位移运动。抗滑移单元由动力部和N个抗滑移子单元构成。抗滑移子单元包括有刺地销。刺地销插配于桩靴本体内，且受到动力部的作用而执行周向旋转运动。在刺地销上的成型出有锥形螺纹段。如此，一方面，可有效地提升桩靴的横向抗滑移能力；另一方面，因刺地销可持续地执行周向旋转运动，在插桩阶段，且刺地销在锥形螺纹段的助力下更易于深入岩基海床地质层；而在拔桩阶段，可降低刺地销经由岩基海床地质层中脱出的困难度。

Description

一种自升式风电安装平台桩靴及与其相适配的插拔桩方法

技术领域

本发明涉及风电安装平台制造技术领域，尤其是一种自升式风电安装平台桩靴及与其相适配的插拔桩方法。

背景技术

海上风力发电作为无污染的可再生能源开发，发展非常迅速，风电安装平台作为海上风电项目建设的一个重要基础装备。自升式风电安装平台带有能够自由升降的桩腿，作业时桩腿下伸到海底，与桩靴一起站立在海床上，利用桩腿托起平台，并使平台底部离开海面一定的距离，从而避免海上浪流对平台的影响，可利用平台以对海上风机执行吊装作业。

我国海上风力发电项目虽然发展迅速，但是依然受到诸多条件的限制，例如，风电安装作业从50m水深向80m深水迈进，桩靴因受到海上浪流载荷冲击作用而导致其所受到的横向载荷极大，如若其横向抗滑移能力不足，极易导致桩靴在工作中发生侧滑现象，情况严重时甚至会危及到风电安装平台的使用安全性，因而，对桩靴的横向抗滑移能力提出了更高的要求。再者，根据海床地质层条件的不同，对风电安装船实际插拔桩操作时的施工要求亦有不同。例如，出于防止沉降现象发生方面考虑，带有重力式基础的风电安装平台要求在岩基海床上进行安装。然而，就目前现状而言，因岩基海床质地坚硬，在刺地销执行刺入操作的最初始阶段极易发生侧滑现象，且随着海洋深度的增加，用来拖动桩靴的桩腿单元的刚性急剧地下降，综合以上两方面因素极易导致刺地销出现较大位置偏差现象的发生；再者，因受到岩基海床质地坚硬这一原因影响，对桩腿单元所需施加于刺地销上的轴向推力提出了更高的要求，如此，势必会增加桩腿单元驱动机构的设计困难度，且对桩腿单元的结构刚度提出了更高的要求，最终不利于自升式风电安装平台降本增效这一设计目标的实现；另外，因出于提升桩靴的横向抗滑移能力方面考虑，要求刺地销具有更大的插入深度，加之，随着时间的推进，大量的泥沙、砂石会沉积于刺地销的插孔空隙中，如此，势必会增加后续的拔桩困难度， 且刺地销还极易因受到硬质砂石摩擦而表面受损严重，因而，亟待技术人员解决上述问题。

发明内容

故，本发明课题组鉴于上述现有的问题以及缺陷，乃搜集相关资料，经由多方的评估及考量，并经过课题组人员不断实验以及修改， 最终导致该自升式风电安装平台桩靴的出现。

为了解决上述技术问题，本发明涉及了一种自升式风电安装平台桩靴，包括桩靴本体和抗滑移单元。桩靴本体与桩腿单元插配为一体，且其在来自于桩腿单元的拖动力作用下而沿着海洋深度方向执行轴向位移运动。抗滑移单元兼用来刺入海床地质层，且提升桩靴本体的抗侧滑阻力。抗滑移单元由一动力部和N个组装于桩靴本体内的抗滑移子单元构成。抗滑移子单元包括有刺地销。刺地销插配于桩靴本体内，且受到来自于动力部的转动力矩作用下而执行周向旋转运动。在刺地销上的成型出有用来直接刺入海床地质层的锥形螺纹段。

作为本发明所公开技术方案的进一步改进，动力部安装于桩靴本体的空腔中，且其包括有电机和齿轮传动机构。齿轮传动机构包括有一主动齿轮以及N个从动齿轮构成。电机固定安装于桩靴本体的空腔中。主动齿轮套设、且固定于电机的主轴上。与主动齿轮相啮合的各从动齿轮分别一一对应地套设、且固定于刺地销上。

作为本发明所公开技术方案的更进一步改进，电机和齿轮传动机构均与海水相隔绝。桩靴本体的内腔为全密封结构。

作为本发明所公开技术方案的进一步改进，位于锥形螺纹段的上方，在刺地销上成型出有增摩部。

作为本发明所公开技术方案的更进一步改进，增摩部由多个成型于刺地销周向侧壁上的、且等密度分布的增摩凸块构成。

作为本发明所公开技术方案的进一步改进，抗滑移子单元的数目设为3，且围绕于桩靴本体的中心轴线周向均布。

作为本发明所公开技术方案的进一步改进，自升式风电安装平台桩靴还包括有势能储蓄单元。势能储蓄单元由N个与抗滑移子单元相配套应用的势能储蓄子单元构成。在插桩阶段，刺地销因受到来自于动力部的转动力矩作用而持续地执行周向旋转运动，与此同时，与之相适配的势能储蓄子单元储蓄弹性势能以备用；在拔桩阶段，刺地销因受到来自于动力部的转动力矩作用而持续地执行反向周向旋转运动，与此同时，与之相适配的势能储蓄子单元所储蓄弹性势能的得以释放。

作为本发明所公开技术方案的更进一步改进，势能储蓄子单元包括有套设于刺地销上的、且其两端分别与刺地销、桩靴本体相固定的扭力弹簧。

相较于传统设计结构的自升式风电安装平台桩靴，在本发明所公开的技术方案中，其桩靴本体同时配套有多个抗滑移子单元。且每个抗滑移子单元均包含有一独立的、插配于桩靴本体内的刺地销。在执行插桩进程中，刺地销最先与海底地层相顶触，且在桩腿单元下压力的持续作用下逐渐地深入至海床地质层中，从而有效地提升了桩靴的横向抗滑移能力，进而使得桩腿具备抵御对来自于海上巨浪的冲击力的能力，最终确保了深水自升式带重力式基础风电安装平台的应用安全性。

更为重要的是，根据施工阶段的不同，刺地销受到转动力矩作用可自由地执行周向旋转运动。在执行插桩施工阶段，当桩靴本体因受到来自于桩腿单元的拖动力作用而深入海水中，且直至锥形螺纹段与岩基海床地质层相顶触后，动力部启动，刺地销因受到转动力矩作用而持续地执行周向旋转运动，在锥形螺纹段的助力下刺地销更易于刺入岩基海床地质层中。与此同时，桩靴本体在来自于桩腿单元的拖动力作用下继续下沉，直至刺地销的插入深度满足设计要求。而在执行拔桩施工阶段，刺地销受到反向转动力矩作用而持续地执行周向旋转运动，以输出留存于岩基海床地质层插孔空隙中的泥沙以及砂石，且疏松海床地质层，从而大大地降低了刺地销经由岩基海床地质层中脱出的困难度，而后，桩靴本体因受到来自于桩腿单元的拖动力作用而上升，直至脱离海面。

另外，本发明还公开了一种插拔桩方法，其用来适配上述自升式风电安装平台桩靴。插拔桩方法包括插桩施工阶段和拔桩施工阶段；

插桩施工阶段包括以下子步骤：

S1、桩靴本体因受到来自于桩腿单元的拖动力作用而深入海水中，直至锥形螺纹段与海床地质层相顶触，

S2、桩靴本体在来自于桩腿单元的拖动力作用下而继续下沉，与此同时，动力部启动，刺地销因受到转动力矩作用而持续地执行周向旋转运动，且其在锥形螺纹段的助力下得以钻入海床地质层中；

拔桩施工阶段包括以下子步骤：

T1、动力部反向启动，刺地销因受到反向转动力矩作用而持续地执行周向旋转运动，以疏松海床地质层；

T2、桩靴本体因受到来自于桩腿单元的拖动力作用而上升，直至脱离海面。

作为本发明所公开技术方案的进一步改进，在S2阶段，桩靴本体的下沉速度不大于0.5m/min；在T2阶段，桩靴本体的上升速度不大于0.5m/min。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明中自升式风电安装平台桩靴第一种实施例的立体示意图。

图2亦是本发明中自升式风电安装平台桩靴第一种实施例的立体示意图（隐去桩靴本体状态下）。

图3是本发明自升式风电安装平台桩靴第一种实施例中刺地销的立体示意图。

图4是本发明中自升式风电安装平台桩靴第二种实施例的立体示意图。

1-桩靴本体；2-抗滑移单元；21-动力部；211-电机；212-齿轮传动机构；2121-主动齿轮；2122-从动齿轮；22-抗滑移子单元；221-刺地销；2211-锥形螺纹段；2212-增摩部；22121-增摩凸块；3-势能储蓄单元；31-势能储蓄子单元；311-扭力弹簧。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

下面结合具体实施例，对本发明所公开的内容作进一步详细说明，图1示出了本发明中自升式风电安装平台桩靴第一种实施例的立体示意图，可知，其主要由桩靴本体1和抗滑移单元2等几部分构成。其中，桩靴本体1与桩腿单元插配为一体，且其在来自于桩腿单元的拖动力作用下而沿着海洋深度方向执行轴向位移运动。桩腿单元由多个固定于桩靴本体1上的齿条杆构成，相对应地，在风电安装平台上配套有与该齿条杆相适配的齿轮驱动机构。抗滑移单元2兼用来刺入海床地质层，且提升桩靴本体1的抗侧滑阻力。抗滑移单元2由一动力部21和3个组装于桩靴本体1内的抗滑移子单元22构成。各抗滑移子单元22围绕于桩靴本体1的中心轴线周向均布，且其主体为刺地销221。刺地销221插配于桩靴本体1内，且受到来自于动力部21的转动力矩作用下而执行周向旋转运动。在刺地销221上的成型出有用来直接刺入海床地质层的锥形螺纹段2211（如图3中所示）。

在上述技术方案中，其桩靴本体1同时配套有多个抗滑移子单元22。且每个抗滑移子单元22均包含有一独立的、插配于桩靴本体1内的刺地销221。在执行插桩进程中，刺地销221最先与海底地层相顶触，且在桩腿单元下压力的持续作用下逐渐地深入至海床地质层中，从而有效地提升了桩靴的横向抗滑移能力，进而使得桩腿具备抵御对来自于海上巨浪的冲击力的能力，最终确保了深水自升式带重力式基础风电安装平台的应用安全性。

在此，还需要说明的是，根据施工阶段的不同，刺地销221受到转动力矩作用可自由地执行周向旋转运动。在执行插桩施工阶段，当桩靴本体1因受到来自于桩腿单元的拖动力作用而深入海水中，且直至锥形螺纹段2211与岩基海床地质层相顶触后，动力部21启动，刺地销221因受到转动力矩作用而持续地执行周向旋转运动，在锥形螺纹段2211的助力下刺地销221更易于刺入岩基海床地质层中。与此同时，桩靴本体1在来自于桩腿单元的拖动力作用下继续下沉，直至刺地销221的插入深度满足设计要求。而在执行拔桩施工阶段，刺地销221受到反向转动力矩作用而持续地执行周向旋转运动，以输出留存于岩基海床地质层插孔空隙中的泥沙以及砂石，且疏松海床地质层，从而大大地降低了刺地销221经由岩基海床地质层中脱出的困难度，而后，桩靴本体1因受到来自于桩腿单元的拖动力作用而上升，直至脱离海面。

已知，根据设计常识，动力部21可以采取多种设计结构以实现对各抗滑移子单元22的驱动，不过，在此推荐一种设计结构简单，易于制造实施的实施方案，具体如下：如图2中所示，动力部21安装于桩靴本体1的空腔中，且其包括有电机211和齿轮传动机构212。齿轮传动机构212包括有一主动齿轮2121以及3个从动齿轮2122构成。电机211固定安装于桩靴本体1的空腔中。主动齿轮2121套设、且固定于电机211的主轴上。与主动齿轮2121相啮合的各从动齿轮2122分别一一对应地套设、且固定于刺地销221上。且多个从动齿轮2122围绕于主动齿轮2121的中心轴线进行周向均布。如此，一方面，可以实现对各刺地销221的同步驱动，为后续桩靴的平稳下沉以及各刺地销221刺入深度的实时一致性作良好的铺垫，从而在一定程度上提升了插桩平稳性；另一方面，有效地降低动力部21所占用的设计空间，从而使得桩靴本体1的小型化、轻量化设计目的成为了可能。

再者，作为上述技术方案的进一步优化，桩靴本体1的内腔为全密封结构，以确保电机211和齿轮传动机构212均与海水始终保持于隔绝状态，从而可有效地避免电机211、主动齿轮2121以及从动齿轮2122因受到海水侵蚀而失效或寿命急剧下降现象的发生，确保动力部21在相当长的期间内始终有较高的传动效率以及传动精准度。

由图3中所示还可以明确看出，位于锥形螺纹段2211的上方，在刺地销221上还成型出有增摩部2212。增摩部2212由多个成型于刺地销221周向侧壁上的、且等密度分布的增摩凸块22121构成。如此，一方面，就单根刺地销221而言，当其相对于岩基海床地质层插入到位后，增摩凸块22121的存在可以有效地提升插孔侧壁所施加于刺地销221上的摩擦力，从而确保完成施工的桩靴具有良好的横向抗滑移能力；另一方面，在执行插桩操作的中期阶段，当刺地销221围绕其中心轴线执行周向旋转运动时，增摩凸块22121同样可参与到粉碎岩基海床地质层的进程中，以降低刺地销221的刺入岩基海床地质层的困难度；抑或在执行拔桩操作的初始阶段，增摩凸块22121同样可参与到清除泥沙或砂石沉积层的进程中，以降低刺地销221经由岩基海床地质层中脱出的困难度。

在实际执行拔桩操作时，施工人员发现刺地销221因来自于于动力部21的转动力矩不足而旋转速度不达标，甚至不能有效启动旋转运动现象偶有发生，究其原因在于，某些岩基海床区域中含有特种砂石，且其硬度极高，加之，在插孔空隙中留存有大量的特种砂石，且经历长时间已完成沉积固化。鉴于此，图4示出了本发明中自升式风电安装平台桩靴第二种实施例的立体示意图，其相较于上述第一种实施例的区别点在于：在原有桩靴本体1和抗滑移单元2的基础上，自升式风电安装平台桩靴还增设有势能储蓄单元3。势能储蓄单元3由3个与抗滑移子单元22相配套应用的势能储蓄子单元31构成。在插桩阶段，刺地销221因受到来自于动力部21的转动力矩作用而持续地执行周向旋转运动，与此同时，与之相适配的势能储蓄子单元31储蓄的弹性势能以备用；而在拔桩阶段，刺地销221因受到来自于动力部21的转动力矩作用而持续地执行反向周向旋转运动，与此同时，与之相适配的势能储蓄子单元31所储蓄弹性势能的得以释放，即意味着，在此情形下，刺地销221同时受到来自于动力部21的转动力矩和来自于势能储蓄子单元31释放的弹性势能所形成的转动力矩的作用，从而确保刺地销221在特硬岩基海床区域中仍可自由地、高度地执行周向旋转运动，以顺利地将砂石沉积物由插孔中清除。

作为上述技术方案的进一步细化，势能储蓄子单元31优选为套设于刺地销221上的、且其两端分别与刺地销221、桩靴本体1相固定的扭力弹簧311。在插桩阶段，刺地销221因受到来自于动力部21的转动力矩作用而持续地执行周向旋转运动，与此同时，扭力弹簧311发生弹性扭转形变以同步地储蓄的弹性势能以备后用。

另外，本申请还公开了一种插拔桩方法，其用来适配上述自升式风电安装平台桩靴。插拔桩方法包括插桩施工阶段和拔桩施工阶段；

就插桩施工阶段而言，其包括以下子步骤：

S1、桩靴本体1因受到来自于桩腿单元的拖动力作用而深入海水中，直至锥形螺纹段2211与海床地质层相顶触，

S2、桩靴本体1在来自于桩腿单元的拖动力作用下而继续下沉，且下沉速度不宜大于0.5m/min，与此同时，动力部21启动，刺地销221因受到转动力矩作用而持续地执行周向旋转运动，且其在锥形螺纹段2211的助力下得以钻入岩基海床地质层中；

就拔桩施工阶段而言，其包括以下子步骤：

T1、动力部21反向启动，刺地销221因受到反向转动力矩作用而持续地执行周向旋转运动，以疏松岩基海床地质层，附带地，沉积于插孔空隙中的泥沙或砂石得以顺利排出，以降低拔桩阻力；

T2、桩靴本体1因受到来自于桩腿单元的拖动力作用而上升，且上升速度不宜大于0.5m/min，直至脱离海面。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种自升式风电安装平台桩靴，包括桩靴本体和抗滑移单元；所述桩靴本体与桩腿单元插配为一体，且其在来自于所述桩腿单元的拖动力作用下而沿着海洋深度方向执行轴向位移运动；所述抗滑移单元兼用来刺入海床地质层，且提升所述桩靴本体的抗侧滑阻力，其特征在于，所述抗滑移单元由一动力部和N个组装于所述桩靴本体内的抗滑移子单元构成；所述抗滑移子单元包括有刺地销；所述刺地销插配于所述桩靴本体内，且受到来自于所述动力部的转动力矩作用下而执行周向旋转运动；在所述刺地销上的成型出有用来直接刺入海床地质层的锥形螺纹段。

2.根据权利要求1所述的自升式风电安装平台桩靴，其特征在于，所述动力部安装于所述桩靴本体的空腔中，且其包括有电机和齿轮传动机构；所述齿轮传动机构包括一主动齿轮以及N个从动齿轮构成；所述电机固定安装于所述桩靴本体的空腔中；所述主动齿轮套设、且固定于所述电机的主轴上；与所述主动齿轮相啮合的各所述从动齿轮分别一一对应地套设、且固定于所述刺地销上。

3.根据权利要求2所述的自升式风电安装平台桩靴，其特征在于，所述电机和所述齿轮传动机构均与海水相隔绝；所述桩靴本体的内腔为全密封结构。

4.根据权利要求1所述的自升式风电安装平台桩靴，其特征在于，位于所述锥形螺纹段的上方，在所述刺地销上成型出有增摩部。

5.根据权利要求4所述的自升式风电安装平台桩靴，其特征在于，所述增摩部由多个成型于所述刺地销周向侧壁上的、且等密度分布的增摩凸块构成。

6.根据权利要求1所述的自升式风电安装平台桩靴，其特征在于，其特征在于，所述抗滑移子单元的数目设为3，且围绕于所述桩靴本体的中心轴线周向均布。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的自升式风电安装平台桩靴，其特征在于，还包括有势能储蓄单元；所述势能储蓄单元由N个与所述抗滑移子单元相配套应用的势能储蓄子单元构成；在插桩阶段，所述刺地销因受到来自于所述动力部的转动力矩作用而持续地执行周向旋转运动，与此同时，与之相适配的所述势能储蓄子单元储蓄弹性势能以备用；在拔桩阶段，所述刺地销因受到来自于所述动力部的转动力矩作用而持续地执行反向周向旋转运动，与此同时，与之相适配的所述势能储蓄子单元所储蓄弹性势能的得以释放。

8.根据权利要求7所述的自升式风电安装平台桩靴，其特征在于，所述势能储蓄子单元包括有套设于所述刺地销上的、且其两端分别与所述刺地销、所述桩靴本体相固定的扭力弹簧。

9.一种插拔桩方法，其特征在于，用来适配权利要求1-8中任一项所述的自升式风电安装平台桩靴；所述插拔桩方法包括插桩施工阶段和拔桩施工阶段；

插桩施工阶段包括以下子步骤：

S1、所述桩靴本体因受到来自于所述桩腿单元的拖动力作用而深入海水中，直至所述锥形螺纹段与海床地质层相顶触，

S2、所述桩靴本体在来自于所述桩腿单元的拖动力作用下而继续下沉，与此同时，所述动力部启动，所述刺地销因受到转动力矩作用而持续地执行周向旋转运动，且其在所述锥形螺纹段的助力下得以钻入海床地质层中；

拔桩施工阶段包括以下子步骤：

T1、所述动力部反向启动，所述刺地销因受到反向转动力矩作用而持续地执行周向旋转运动，以疏松海床地质层；

T2、所述桩靴本体因受到来自于所述桩腿单元的拖动力作用而上升，直至脱离海面。

10.根据权利要求9所述的插拔桩方法，其特征在于，在S2阶段，所述桩靴本体的下沉速度不大于0.5m/min；在T2阶段，所述桩靴本体的上升速度不大于0.5m/min。

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