CN115977090A - 由吸力筒和气囊联合辅助的海上坐底定位导管架装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种由吸力筒和气囊联合辅助的海上坐底定位导管架装置，包括由多个竖直导管架支撑的作业平台，每个竖直导管架是由四根圆管状的弦杆和弦杆上连接的腹杆形成的桁架结构，四根圆管状的弦杆为内置压水舱；多个竖直导管架的下部连接有水平导管架；每个竖直导管架的底部设有助稳系统，助稳系统包括设置在每个竖直导管架底部的吸力筒辅助装置，吸力筒辅助装置包括筒裙开口朝下的吸力筒，其顶盖设有通气阀门和抽水装置，筒裙内固定有气囊，气囊连接有连接至作业平台上气泵和水泵的气管和水管。将本发明与海上风电筒型基础UK浮运安装船配合使用，旨在安全、快速、高效、经济地实现筒型基础在不同水深处的定位衔接工作与沉放安装工作。

Description

由吸力筒和气囊联合辅助的海上坐底定位导管架装置

技术领域

本发明涉及海洋工程技术领域，特别涉及一种由吸力筒和气囊联合辅助的新型海上坐底定位导管架装置，用于辅助新型风电筒型基础的深水定位、沉放与安装。

背景技术

近年来，近海海域资源开发不断趋于饱和，海上风电发展正逐渐迈向深远海域(30-50m)。据统计，我国东部沿海地区5～25m水深、50m高度海上风电开发潜力约为2亿千瓦，而5～50m水深、70m高度海上风电开发潜力将达到5亿千瓦。深海领域风能资源丰富，但开发难度加强，经济成本加大，在“降成本、去补贴”政策下，海上风电正面临着“30·60”、“十四五”规划目标及平价上网的机遇与挑战。

传统的海上风电基础安装过程主要包括打桩或基础沉放吊装、塔筒连接、风机机头及叶片吊装等，运输及安装施工过程极为复杂，海上作业时间长。筒型基础作为一种新型海上风电基础结构，具有环境友好、易于安装、安装噪音小及抗倾覆能力强等优点，且配套有“一步式”安装技术，即岸边预制与组装、整机浮运与下沉，极大简化了海上风机安装的施工流程，降低了成本，目前已成功应用于水深在15m以内的近岸浅水海上风电场。但在较深海域，新型筒型基础的水中沉放过程面临着更为复杂且恶劣的海洋环境条件，对沉放姿态的控制提出了更高的要求，因此需要有更为安全、快速、高效、经济的辅助安装施工装置，来提升筒型基础结构及其“一步式”安装方式在深海领域的适用性。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种由吸力筒和气囊联合辅助的新型海上坐底定位导管架装置，可与海上风电筒型基础UK浮运安装船配合使用，旨在安全、快速、高效、经济地实现筒型基础在不同水深处的定位衔接工作与沉放安装工作。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种由吸力筒和气囊联合辅助的海上坐底定位导管架装置，包括坐底导管架，所述坐底导管架包括由多个竖直导管架支撑的作业平台，每个竖直导管架是由四根圆管状的弦杆和弦杆上连接的腹杆形成的桁架结构，四根圆管状的弦杆为内置压水舱；多个竖直导管架的下部连接有水平导管架；每个竖直导管架的底部设有助稳系统，所述助稳系统包括设置在每个竖直导管架底部的吸力筒辅助装置，所述吸力筒辅助装置包括吸力筒，所述吸力筒的筒裙开口朝下，所述吸力筒的顶盖设有通气阀门和抽水装置，所述吸力筒的筒裙内固定有气囊，所述气囊连接有气管和水管，所述作业平台上设有气泵和水泵，所述气管和水管均分别贯穿于所述吸力筒的顶部后连接至所述气泵和水泵。

进一步讲，本发明所述的由吸力筒和气囊联合辅助的海上坐底定位导管架装置，其中：

所述水平导管架包含上下两层平面桁架结构，下层平面桁架结构的弦杆直径大于上层平面桁架结构的弦杆直径；上下两层平面桁架结构的整体轮廓形状为矩形；该矩形的四个角上分别布置一个竖直导管架。

设置在吸力筒筒裙内的气囊的尺寸与所述吸力筒的筒裙内侧壁的尺寸基本相同；分别由所述气泵和水泵并通过所述气管和水管给所述气囊进行充放水和充放气。

该海上坐底定位导管架装置具有浮运状态、水中沉放状态、海底泥中沉放状态和起浮状态；具体如下：

所述浮运状态是：所有吸力筒的通气阀门均处于关闭状态，所有气囊完全充气，所述水平导管架部分浸没于水中，为所述的海上坐底定位导管架装置提供自浮所需的浮力和稳性，该状态下通过拖船将海上坐底定位导管架装置拖带至指定安装作业地点。

所述水中沉放状态是：海上坐底定位导管架装置到达指定作业地点后，打开所有吸力筒的通气阀门，操作所有气泵，使所有气囊逐渐放气，所述吸力筒筒裙中气囊以外的空间被海水占满；此时，放气使海上坐底定位导管架装置的重力大于浮力，该海上坐底定位导管架装置整体逐渐下沉，若直至浮力与重力平衡后该海上坐底定位导管架装置仍未到达海底，则再向所述的竖直导管架的内置压水舱内均匀缓慢充水，使海上坐底定位导管架装置下沉至每个吸力筒均触碰到海底泥面，从而使得海上坐底定位导管架装置处于水中沉放状态。

所述海底泥中沉放状态是：所有吸力筒触碰到海底泥面后，关闭所有吸力筒的通气阀门，利用抽水装置抽出所述吸力筒内的海水产生压力差形成吸力进行土中下沉；下沉完成后，海上风电筒型基础及风机系统及其UK浮运安装船就位并与该海上坐底定位导管架装置进行对接，开展海上风电基础或整机的施工作业。

起浮状态是：海上风电基础或整机施工完成后，先排出所述竖直导管架的内置压水舱内的水，使海上坐底定位导管架装置的自重与浮力相当，此时通过所有水泵向所有气囊充水使其膨胀，将所述吸力筒从泥面逐渐拔出，待所述吸力筒的筒裙完全从泥面拔出后，先通过所有水泵抽出所有气囊内的水，再通过所有气泵向所有气囊中打气，使海上坐底定位导管架装置浮力大于重力，该海上坐底定位导管架装置缓慢从海底起浮至原浮运状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明可以适用于辅助海上风电筒型基础深水定位、沉放和安装，可实现海上自浮拖航及60m水深内坐底定位，就位后具备良好的抗倾覆能力，可辅助风电筒型基础结构的定位、扶正、沉放及安装。

在运输过程中，本发明中的气囊起到提供浮力和稳性的作用，可自浮并湿拖到达指定作业地点，无需使用大型吊机驳船干拖运输，简化了施工过程并大大降低了运输成本。

与以往的插装式坐底方法相比，吸力筒配合气囊的土中沉放方法，降低了装置土中起浮的难度，增加了定位装置的重复使用率。

本发明中的内置压水舱不但可以在水中沉放和起浮阶段调节整体浮力，还能在土中沉放完成后根据土质的承载能力，通过改变舱内水量，调节泥面所承受的竖向荷载，以适用不同的作业土质。

定位装置设置成底部开口形式，保证基础沉放和安装以及装置转运过程的便捷，待浮运船拖带到指定位置即可顺利下沉，提高了整体安装效率；

通过调节四个吸力筒内部安装固定的气囊的充气量，可实现装置的自动调平扶正功能；

本发明结构设计简单，施工方便，整体坐底和起浮转运工程都比较灵活易于操作，可多次使用，应用前景良好。

附图说明

图1是本发明海上坐底定位导管架的三维示意图；

图2是图1所示海上坐底定位导管架仰视角度的三维示意图；

图3是图1中所示气囊充气状态示意图；

图4是图3所示气囊回收状态示意图；

图5是定位导管架海上浮运状态平面侧视图；

图6是位导管架海底泥中沉放状态平面侧视图；

图7是定位导管架与UK带有整机的浮运安装船联合作业对接状态相对位置示意图；

图8是筒型基础深水沉放作业示意图；

图9是筒型基础海底泥面下沉定位作业示意图；

图10是定位导管架起浮转运场状态示意图；

图中：

1-吸力筒 2-通气阀门 3-抽水装置 4-气囊

5-气管 6-气泵 7-水管 8-水泵

9-水平导管架 10-竖直导管架 11-作业平台 12-UK浮运安装船

13-海上风电筒型基础及风机系统

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

如图1和图2所示，本发明提出的一种由吸力筒和气囊联合辅助的海上坐底定位导管架装置，包括坐底导管架，所述坐底导管架包括多个竖直导管架10，多个竖直导管架10的下部连接有水平导管架9，所述水平导管架9包含上下两层平面桁架结构，下层平面桁架结构的弦杆直径大于上层平面桁架结构的弦杆直径，下层平面桁架的弦杆直径一般为3～5m，可起到调平、提供浮力和稳性的作用，下层平面桁架的腹杆和上层平面桁架可采用较小直径管材，上下两层平面桁架结构的整体轮廓形状为矩形，一般长为100m～120m，宽为60m～80m，并在长边一侧留有40～60m的缺口。该矩形的四个角上分别布置一个竖直导管架10，长度视施工海域水深而定，一般为60～80m，每个竖直导管架10是由四根圆管状的弦杆和弦杆上连接的管径较小的腹杆形成的桁架结构，四根圆管状的弦杆为内置压水舱；本实施例中，每个圆管状的弦杆的直径为3～5m，该圆管充当为内置压水舱，所述的竖直导管架10上部设置作业平台11，用于放置气泵和水泵等海上施工作业装备。每个竖直导管架10的底部设有助稳系统。

如图3和图4所示，所述助稳系统包括设置在每个竖直导管架10底部的吸力筒辅助装置，所述吸力筒辅助装置包括吸力筒1，本实施例中，吸力筒1的直径为12～15m、高度为4～5m，所述吸力筒1的筒裙开口朝下，所述吸力筒1的顶盖设有通气阀门2和抽水装置3，所述吸力筒1的筒裙内固定有气囊4，所述气囊4连接有气管5和水管7，所述作业平台11上设有气泵6和水泵8，所述气管5和水管7均分别贯穿于所述吸力筒1的顶部后连接至所述气泵6和水泵8。设置在吸力筒1筒裙内的气囊4的尺寸与所述吸力筒1的筒裙内侧壁的尺寸基本相同；每个气囊4连接的一根气管5和一根水管7，分别由所述气泵6和水泵8给所述气囊4进行充放水和充放气。

本发明提出的海上坐底定位导管架装置使用时分为下述四种运行状态：

状态1：浮运状态。如图5所示，所有吸力筒1的通气阀门2均处于关闭状态，所有气囊4完全充气，所述水平导管架9部分浸没于水中，为所述的海上坐底定位导管架装置提供自浮所需的浮力和稳性，该状态下通过拖船将海上坐底定位导管架装置拖带至指定安装作业地点。

状态2：水中沉放状态。海上坐底定位导管架装置到达指定作业地点后，打开所有吸力筒1的通气阀门2，操作所有气泵6，使所有气囊4逐渐放气，所述吸力筒1筒裙中气囊4以外的空间被海水占满；此时，由于放气使海上坐底定位导管架装置的重力大于浮力，该海上坐底定位导管架装置整体逐渐下沉，若直至浮力与重力平衡后该海上坐底定位导管架装置仍未到达海底，则可再向所述的竖直导管架10的内置压水舱内均匀缓慢充水，使海上坐底定位导管架装置下沉至每个吸力筒1均触碰到海底泥面，从而使得海上坐底定位导管架装置处于水中沉放状态。

状态3：海底泥中沉放状态。如图6所示，所有吸力筒1触碰到海底泥面后，关闭所有吸力筒1的通气阀门2，利用抽水装置3抽出所述吸力筒1内的海水产生压力差形成吸力进行土中下沉；如图7所示，下沉完成后，海上风电筒型基础及风机系统13及其UK浮运安装船12就位并与该海上坐底定位导管架装置进行对接，如图8和图9所示，开展海上风电基础或整机的施工作业。

状态4：起浮状态。如图10所示，海上风电基础或整机施工完成后，先排出所述竖直导管架10的内置压水舱内的水，使海上坐底定位导管架装置的自重与浮力相当，此时通过所有水泵8向所有气囊4充水使其膨胀，由于气囊4充水产生向上的顶托力，可使所述吸力筒1从泥面逐渐拔出，待所述吸力筒1的筒裙完全从泥面拔出后，先通过所有水泵8抽出所有气囊4内的水，再通过所有气泵6向所有气囊4中打气，使海上坐底定位导管架装置浮力大于重力，该海上坐底定位导管架装置缓慢从海底起浮至原浮运状态。由拖船拖带该海上坐底定位导管架装置使其与风电基础分离，转场进行下一次安装作业。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种由吸力筒和气囊联合辅助的海上坐底定位导管架装置，包括坐底导管架，所述坐底导管架包括由多个竖直导管架(10)支撑的作业平台(11)，每个竖直导管架(10)是由四根圆管状的弦杆和弦杆上连接的腹杆形成的桁架结构，四根圆管状的弦杆为内置压水舱；多个竖直导管架(10)的下部连接有水平导管架(9)，其特征在于，每个竖直导管架(10)的底部设有助稳系统，所述助稳系统包括设置在每个竖直导管架(10)底部的吸力筒辅助装置，所述吸力筒辅助装置包括吸力筒(1)，所述吸力筒(1)的筒裙开口朝下，所述吸力筒(1)的顶盖设有通气阀门(2)和抽水装置(3)，所述吸力筒(1)的筒裙内固定有气囊(4)，所述气囊(4)连接有气管(5)和水管(7)，所述作业平台(11)上设有气泵(6)和水泵(8)，所述气管(5)和水管(7)均分别贯穿于所述吸力筒(1)的顶部后连接至所述气泵(6)和水泵(8)。

2.根据权利要求1所述的由吸力筒和气囊联合辅助的海上坐底定位导管架装置，其特征在于，所述水平导管架(9)包含上下两层平面桁架结构，下层平面桁架结构的弦杆直径大于上层平面桁架结构的弦杆直径；上下两层平面桁架结构的整体轮廓形状为矩形；该矩形的四个角上分别布置一个竖直导管架(10)。

3.根据权利要求1所述的由吸力筒和气囊联合辅助的海上坐底定位导管架装置，其特征在于，设置在吸力筒(1)筒裙内的气囊(4)的尺寸与所述吸力筒(1)的筒裙内侧壁的尺寸基本相同；分别由所述气泵(6)和水泵(8)并通过所述气管(5)和水管(7)给所述气囊(4)进行充放水和充放气。

4.根据权利要求1所述的由吸力筒和气囊联合辅助的海上坐底定位导管架装置，其特征在于，该海上坐底定位导管架装置具有浮运状态、水中沉放状态、海底泥中沉放状态和起浮状态。

5.根据权利要求4所述的由吸力筒和气囊联合辅助的海上坐底定位导管架装置，其特征在于，所述浮运状态是：所有吸力筒(1)的通气阀门(2)均处于关闭状态，所有气囊(4)完全充气，所述水平导管架(9)部分浸没于水中，为所述的海上坐底定位导管架装置提供自浮所需的浮力和稳性，该状态下通过拖船将海上坐底定位导管架装置拖带至指定安装作业地点。

6.根据权利要求4所述的由吸力筒和气囊联合辅助的海上坐底定位导管架装置，其特征在于，所述水中沉放状态是：海上坐底定位导管架装置到达指定作业地点后，打开所有吸力筒(1)的通气阀门(2)，操作所有气泵(6)，使所有气囊(4)逐渐放气，所述吸力筒(1)筒裙中气囊(4)以外的空间被海水占满；此时，放气使海上坐底定位导管架装置的重力大于浮力，该海上坐底定位导管架装置整体逐渐下沉，若直至浮力与重力平衡后该海上坐底定位导管架装置仍未到达海底，则再向所述的竖直导管架(10)的内置压水舱内均匀缓慢充水，使海上坐底定位导管架装置下沉至每个吸力筒(1)均触碰到海底泥面，从而使得海上坐底定位导管架装置处于水中沉放状态。

7.根据权利要求4所述的由吸力筒和气囊联合辅助的海上坐底定位导管架装置，其特征在于，所述海底泥中沉放状态是：所有吸力筒(1)触碰到海底泥面后，关闭所有吸力筒(1)的通气阀门(2)，利用抽水装置(3)抽出所述吸力筒(1)内的海水产生压力差形成吸力进行土中下沉；下沉完成后，海上风电筒型基础及风机系统(13)及其UK浮运安装船(12)就位并与该海上坐底定位导管架装置进行对接，开展海上风电基础或整机的施工作业。

8.根据权利要求4所述的由吸力筒和气囊联合辅助的海上坐底定位导管架装置，其特征在于，起浮状态是：海上风电基础或整机施工完成后，先排出所述竖直导管架(10)的内置压水舱内的水，使海上坐底定位导管架装置的自重与浮力相当，此时通过所有水泵(8)向所有气囊(4)充水使其膨胀，将所述吸力筒(1)从泥面逐渐拔出，待所述吸力筒(1)的筒裙完全从泥面拔出后，先通过所有水泵(8)抽出所有气囊(4)内的水，再通过所有气泵(6)向所有气囊(4)中打气，使海上坐底定位导管架装置浮力大于重力，该海上坐底定位导管架装置缓慢从海底起浮至原浮运状态。

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