CN116988420A - 一种适用于冰区可调节高度的弧面抗冰锥装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种适用于冰区可调节高度的弧面抗冰锥装置及控制方法，包括桩腿，套设在所述桩腿上的锥体，所述锥体能够沿桩腿上下滑动，所述锥体为环形空腔体，所述桩腿从上至下依次设置高压气泵、高压胶管和锥体，所述高压软管一端连接高压气泵,另一端穿过设置在锥上的密封孔延伸至锥体内部，所述锥体下部设有两个水密孔，所述水密孔分别连接两根水管，所述水管一根设置充水单向阀，另一根设置排水单向阀，本发明采用环形空腔体形的锥体，增强锥体的抗压能力，通过高压气泵充气与排气功能配合单向阀的使用，控制锥体内部充水量，达到调节锥体高度的效果，使得锥体始终处于最佳抗冰位置，避免海冰与隔板边缘处锥角碰撞导致冰载荷过大等问题。
Description
技术领域
本发明涉及海洋结构件抗海冰冲击技术领域，尤其是一种适用于冰区可调节高度的弧面抗冰锥装置及控制方法。
背景技术
冬季海面上漂浮的冰排会持续撞击海洋结构物导管，会产生强烈的冰载荷以及冰激振动严重影响了海洋结构物的安全运营，对人员以及经济产生极大地危害。由于海冰的弯曲强度远远小于挤压强度，因此在结构物潮位附近加装锥体结构，使得海冰与锥体作用模式由挤压破坏改变为弯曲破坏，可以大大降低作用在结构上的峰值冰荷载，有效的减弱了冰载荷对海洋结构物桩腿的撞击。
因此锥体结构成为目前冰区海洋工程的优选结构形式。然而现有的抗冰锥外形都为平面圆锥形式。锥壳板板厚为20mm左右，内部设置大量肘板，加强环等构件以增加锥体的抗冰强度，建造工序繁多，并且无形中大大增加了结构的重量，增加了建造成本。并且现有的抗冰锥体都是固定式的，主要是在导管架桩腿上根据海平面平均值位置设置固定式抗冰锥体，此类抗冰锥无法随海平面上冰层位置的变化而变化，导致固定式抗冰锥体在多数情况下很难发挥其最佳抗冰、分解、化解冰载荷的效果。
公告号为“CN 203569551 U”名称为“一种新型防结冰浮动式抗冰装置”的实用新型专利公开了一种浮动式抗冰装置，抗冰锥体沿固定在结构物桩柱上的导轨随海水潮位升降而随动升降，该技术方案中抗冰锥体始终漂浮在海面上，在非冰期加大了某些海况下的冲击载荷，对结构物桩会产生非常不利的影响，且锥体外形为平面圆锥形式结构强度较低，寿命短暂。
发明内容
针对现有技术中抗冰锥体外形呈平面圆锥形结构强度较低，且无法调整锥体高度使得面对不同厚度冰层、海况抗冰效果参差不齐的问题。本发明提供了一种冰区可调节高度式弧面抗冰锥装置及工作方法。
本发明采用的技术方案为：
一种适用于冰区可调节高度的弧面抗冰锥装置，包括桩腿，套设在所述桩腿上的锥体，所述锥体能够沿桩腿上下滑动，其特征在于：所述锥体为环形空腔体，所述桩腿从上至下依次设置高压气泵、高压胶管和锥体，所述高压软管一端连接高压气泵,另一端穿过设置在锥上的密封孔延伸至锥体内部，所述锥体下部设有两个水密孔，所述水密孔分别连接两根水管，所述水管一根设置充水单向阀，另一根设置排水单向阀。
进一步的，在所述桩腿顶部设置控制系统、海冰监测系统以及定位系统，在锥体内部设置水压传感器以及水位传感器。
进一步的，所述高压气泵位置高于涨潮时锥体依靠自重漂浮在海面的最大高度，所述高压软管长度大于锥体上下浮动的最大距离。
进一步的，所述锥体由上下两块锥壳板以及钢管焊接形成环形空腔体，所述锥壳板纵剖面呈外凸弧状，隔板设置于上下两块锥壳板交接处，所述隔板上均匀设置若干流水孔，所述锥壳板内表面沿轴向均匀设置加强筋，所述加强筋沿锥体顶部不间断焊接延伸至隔板处，所述加强筋在锥体上下部分中对称设置。
进一步的，所述锥壳板弧度通过斜切角a与交切角b来控制，所述斜切角a为纵剖面上锥壳板弧线中点切线与水平线的夹角，所述弧线中点切线与所述弧线起点与终点连线平行，所述交切角b为纵剖面上锥壳板弧线终点切线与水平线的夹角。
进一步的，在高压气泵与锥体之间的桩腿上设置软管收紧盘，所述桩腿上位于软管收紧盘出管处设置上固定套环，所述密封孔设置于锥体上半部分，所述锥体上半部分设置下固定套环，所述高压软管经过软管收紧盘下端依次穿过上固定套环、下固定套环以及密封孔且延伸至锥体内部，所述下固定套环与上固定套环处于同一纵轴线上。
进一步的，所述桩腿侧边设置有若干纵向凸起的滑动轨道，所述锥体中部对应位置设置滑动凹槽，所述滑动轨道与锥体滑动凹槽相适配，保证锥体只能纵向浮动，无法水平转动。从而保证高压软管的正常伸缩。
进一步的，所述斜切角a范围为40°≤a≤60°，所述交切角b范围为50°≤b≤80°。
进一步的，所述桩腿水线以下位置设置限位板，所述限位板保证锥体完全处于海水中且不会下沉至海底。控制非冰期锥体处于水下最佳固定位置。非冰期锥体下沉至水底，可大大减小海上风、浪、流等载荷的冲击，提高导管架平台的安全性。
本发明提供了一种适用于冰区可调节高度的弧面抗冰锥装置的控制方法，包含以下步骤：
设定初始状态为锥体沉于水下；
S1：定位系统监测到桩腿周边1km内存在海冰，发送信号到控制系统；
S2：控制系统控制高压气泵打开充气，锥体内部压强P3不断升高，当P3大于排水单向阀预设工作压力P1时，排水单向阀打开，锥体内部海水被排出，锥体随内部海水量的减少而上浮，与此同时，控制系统发送信号至海冰监测系统，海冰监测系统打开工作；
S3：海冰监测系统根据监测得到的海冰高度H计算出锥体的最佳抗冰高度h，h为锥体底部至海平面的高度，再根据公式Pw＝ρgh式中Pw为压强、ρ为海水密度、g为重力加速度，计算出锥体处于最佳抗冰高度时海水的压强Pw，海冰监测系统将计算所得压强Pw信号发送给控制系统；
S4：当锥体内部压强等于Pw数值时，水压传感器将信号发送给控制系统；
S5：控制系统控制高压气泵关闭，锥体高度固定；
S6：抗冰结束，海冰随海流飘走；
S7：定位系统监测到桩腿周边1km内没有海冰出现，发送信号至控制系统；
S8：控制系统控制高压气泵打开排气，锥体内部压强P3不断降低，当P3小于充水单向阀预设工作压力P2时，充水单向阀打开向锥体内部充入海水，锥体随内部海水量的增加而开始下沉；
S9：水位传感器监测到锥体内部充满海水时，发送信号至控制系统；
S10：控制系统控制高压气泵关闭，锥体恢复初始状态。
采用上述技术方案，本发明至少包括如下有益效果：
(1)本发明采用弧面形式的锥壳板，增强锥体的抗压能力，抛弃传统平面型锥壳板，避免了额外的基础加强设计(肘板，加强环等)，强度大，结构简单，安装维修便捷，经济性较好。
(2)本发明通过高压气泵充气与排气功能配合单向阀的使用，控制锥体内部充水量，达到调节锥体高度的效果，针对不同冰厚、不同海水密度等，调整锥体位置，使得海冰与锥体作用位置始终处于最佳抗冰位置即海冰与上锥体下弧面或下锥体上弧面碰撞，避免海冰与隔板边缘处锥角碰撞导致冰载荷过大等问题。
(3)与现有技术相比，本发明针对长达9个月的非冰期状态下风、浪、流等载荷，为降低非抗冰状态下海洋风、浪、流等载荷对锥体宽大截面的冲击作用，控制锥体位置，使锥体下沉至水底，大大降低波浪以及海风的冲击载荷，降低对海洋结构物的影响。
(4)与现有技术相比，本发明的控制方法能够根据不同海况调节锥体高度，使得锥体能够始终保持最佳抗冰位置，延长了抗冰锥体的使用寿命。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图2为图1正视图。
图3为本发明锥壳板结构局部放大图。
图4为本发明锥体内部结构透视示意图。
图5为本发明冰期锥体调整高度抗冰示意图。
图6为本发明非冰期锥体下沉至水下示意图。
图7为本发明控制部分信号传输示意图。
附图标记：1-桩腿；21-高压气泵；22-高压软管；23-软管收紧盘；24-上固定套环；25-滑动轨道；26-限位板；3-锥体；31-锥壳板；32-加强筋；33-隔板；331-流水孔；34-滑动凹槽；35-充水单向阀；36-排水单向阀；37-水管；38-密封孔；39-下固定套环；
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案更加清楚，下面将结合附图与实施例，对本发明的技术方案进行进一步地详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供了一种适用于冰区可调节高度的弧面抗冰锥装置，包括桩腿1和套设在所述桩腿1上的锥体3，所述锥体3能够沿桩腿1上下滑动，所述锥体3为环形空腔体，所述锥体3由上下两块锥壳板31以及钢管焊接形成环形空腔体，所述锥壳板31纵剖面呈外凸弧状，曲面板设计抗压强度远大于平面板设计抗压强度。高压气泵21设置在桩腿1上，所述高压气泵21位置高于涨潮时锥体3依靠自重漂浮在海面的最大高度，所述高压软管22一端连接高压气泵21,另一端穿过设置在锥体3上的密封孔38延伸至锥体3内部，可根据需求控制锥体3内压强大小，以便控制海水进出锥体3，调整所述锥体3浮力与重力变化，从而控制锥体3高度。在高压气泵21与锥体3之间的桩腿1上安装有软管收紧盘23，用于收集高压软管22防止软管打结凌乱影响锥体3上下浮动。所述高压软管22足够长，足够锥体3上下浮动的最大距离。
作为优选方案，所述桩腿1为寒区海洋平台导管架或者海上风电桩基础。所述高压气泵21通过高压软管22与软管收紧盘23相连。所述软管收紧盘23设置于高压气泵21与锥体3之间，用于收集高压软管22，所述密封孔38设置于锥体3上半部分，所述高压软管22经过软管收紧盘23下端依次穿过上固定套环24、下固定套环39以及密封孔38且延伸至锥体3内部。
如图2所示，所述上固定套环24通过焊接固定于桩腿1上，位于软管收紧盘23出管处。下固定套环39通过焊接固定于锥体3上半部分与上固定套环24处于同一纵轴线上。所述桩腿1侧边设置有若干纵向凸起的滑动轨道25，所述锥体3中部对应位置设置滑动凹槽34(参照图4)，所述滑动轨道25与锥体3滑动凹槽34相适配，保证锥体3只能纵向浮动，无法水平转动。从而保证高压软管22的正常伸缩。
如图3所示，锥壳板31弧度可通过斜切角a与交切角b来控制。所述斜切角a为纵剖面上锥壳板31弧面中点切线与水平线的夹角，所述切线与所述弧面起点与终点连线(即图3中AB连线)平行，其中40°≤a≤60°。所述交切角b为纵剖面上锥壳板31弧面终点(即图3中B点)切线与水平线的夹角，其中50°≤b≤80°。斜切角、交切角对于锥体3上下部分表述皆相同。
如图4所示，所述锥体3由上下两块锥壳板31以及钢管焊接形成环形空腔体，所述锥壳板31纵剖面呈外凸弧状，使得本发明锥体内部体积大于传统锥体内部体积，可通过设计计算控制锥体3内部未充水状态下可自浮于水面，且海平面位于下锥体处。采用弧形曲面形式锥壳板31，抗压强度远大于传统平面板材。可减少锥体3内部板材布置以及板材尺寸。降低结构重量，以及成本。可根据不同尺寸桩腿1，设计合适的锥壳板31弧度以控制锥壳板31抗冰强度。隔板33设置于上下两块锥壳板31交接处，所述隔板33上均匀设置若干流水孔331，便于锥体3内部空气以及海水能够在上下部分锥体3之间自由流动。
如图4所示，所述锥壳板31内表面只需沿轴向根据锥体3尺寸大小均匀设置加强筋32焊接于锥壳板31内表面上。所述加强筋32沿锥体3顶部不间断焊接延伸至隔板33处，所述加强筋32在上下部分锥体3中对称设置。
如图4所示，所述锥体3下部设有两个水密孔，所述水密孔分别连接两根水管37，所述水管37一根设置充水单向阀35，另一根设置排水单向阀36。所述充水单向阀35只控制锥体3外部水的吸入。所述排水单向阀36只控制锥体3内部水的排出。
如图5所示，所述高压气泵21通过充气和排气功能，通过高压软管22向锥体3内部充入气体以及排出气体来控制锥体3内部压强，从而控制锥体3内部水量大小。所述充水单向阀35工作的预设压强为P2，P2大于锥体外部的最大压强；所述排水单向阀36工作的预设压强为P1，P1大于锥体3内部充满时的最大压强。
当高压气泵21向锥体3内部充入高压气体时，锥体3内部压强为P3，当P3≤P1时，排水单向阀36关闭；当P3＞P1时，排水单向阀36打开，锥体内部水被排出，锥体3随着内部水的排出，重力减小从而上浮。当高压气泵21向锥体内部抽出空气时，锥体3内部压强为P3，当P3≥P2时，充水单向阀35关闭；当P3＜P2时，充水单向阀35打开，外部海水充入到锥体3内，随着外部水的吸入，重力增大从而下沉。因此可通过控制锥体3内的水量来控制锥体3的高度，使锥体3可根据具体海况(不同冰厚，海水密度等)控制锥体3高度，始终保持最佳抗冰位置，提高抗冰效率。最佳抗冰位置即海冰与锥体3上部的下弧面或锥体3下部的上弧面碰撞，避免海冰与隔板33边缘处锥角碰撞导致冰载荷过大等问题。
如图6所示，当处于非冰期时，为降低风浪流对锥体3结构的冲击作用。高压气泵21打开排气功能，通过高压软管22从锥体3内部向外排气，锥体3内部压强不断降低为P3，当P3＜P2时，充水单向阀35打开向锥体3内部充入海水，随着锥体3内部海水量的增加并开始下沉，下沉至限位板26处。当锥体3内部充满水时高压气泵21停止工作。此时锥体重力达到最大值。
所述限位板26通过焊接设置于水线以下的桩腿1上，防止非冰期锥体3结构无限下沉。控制非冰期锥体3处于水下最佳固定位置。非冰期锥体3下沉至水底，可大大减小海上风、浪、流等载荷的冲击，提高导管架平台的安全性。
在所述桩腿1顶部设置控制系统、海冰监测系统以及定位系统，控制系统用于控制高压气泵21的充气及排气，海冰监测系统根据海冰厚度及海水密度计算得出锥体3抗冰的最佳高度，定位系统用于监测桩腿1周边1km内海面上是否有海冰以及海冰的高度；在锥体3内部设置水压传感器以及水位传感器。
如图7所示的系统连接图，本发明还提供了一种适用于冰区可调节高度的弧面抗冰锥装置的控制方法，包括如下步骤：
设定初始状态为锥体3沉于水下；
S1：定位系统监测到桩腿1周边1km内存在海冰，发送信号到控制系统。
S2：控制系统控制高压气泵21打开充气，锥体3内部压强P3不断升高，当P3大于排水单向阀36预设工作压力P1时，排水单向阀36打开，锥体3内部海水被排出，锥体3随内部海水量的减少而上浮，与此同时，控制系统发送信号至海冰监测系统，海冰监测系统打开工作。
S3：海冰监测系统根据监测得到的海冰高度H计算出锥体3的最佳抗冰高度h，h为锥体3底部至海平面的高度，再根据公式Pw＝ρgh式中Pw为压强、ρ为海水密度、g为重力加速度，计算出锥体3处于最佳抗冰高度时海水的压强Pw，海冰监测系统将计算所得压强Pw信号发送给控制系统。其中海冰厚度对应的最佳锥体3自浮高度可通过碰撞实验以及数值计算获得，可通过分析撞击载荷、锥壳板31应变等参数来确定。
S4：当锥体3内部压强等于Pw数值时，水压传感器将信号发送给控制系统。
S5：控制系统控制高压气泵21关闭，锥体3高度固定。
S6：抗冰结束，海冰随海流飘走。
S7：定位系统监测到桩腿1周边1km内没有海冰出现，发送信号至控制系统。
S8：控制系统控制高压气泵21打开排气，锥体3内部压强P3不断降低，当P3小于充水单向阀35预设工作压力P2时，充水单向阀35打开向锥体3内部充入海水，锥体3随内部海水量的增加而开始下沉。
S9：水位传感器监测到锥体3内部充满海水时，发送信号至控制系统。
S10：控制系统控制高压气泵21关闭，锥体3恢复初始状态。
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 (10)
1.一种适用于冰区可调节高度的弧面抗冰锥装置，包括桩腿(1)，套设在所述桩腿(1)上的锥体(3)，所述锥体(3)能够沿桩腿(1)上下滑动，其特征在于：所述锥体(3)为环形空腔体，所述桩腿(1)从上至下依次设置高压气泵(21)、高压胶管(22)和锥体(3)，所述高压软管(22)一端连接高压气泵(21),另一端穿过设置在锥体(3)上的密封孔(38)延伸至锥体(3)内部，所述锥体(3)下部设有两个水密孔，所述水密孔分别连接两根水管(37)，所述水管(37)一根设置充水单向阀(35)，另一根设置排水单向阀(36)。
2.根据权利要求1所述的适用于冰区可调节高度的弧面抗冰锥装置，其特征在于：在所述桩腿(1)顶部设置控制系统、海冰监测系统以及定位系统，在锥体(3)内部设置水压传感器以及水位传感器。
3.根据权利要求1所述的适用于冰区可调节高度的弧面抗冰锥装置，其特征在于：所述高压气泵(21)位置高于涨潮时锥体(3)依靠自重漂浮在海面的最大高度，所述高压软管(22)长度大于锥体(3)上下浮动的最大距离。
4.根据权利要求1所述的适用于冰区可调节高度的弧面抗冰锥装置，其特征在于：所述锥体(3)由上下两块锥壳板(31)以及钢管焊接形成环形空腔体，所述锥壳板(31)纵剖面呈外凸弧状，隔板(33)设置于上下两块锥壳板(31)交接处，所述隔板(33)上均匀设置若干流水孔(331)，所述锥壳板(31)内表面沿轴向均匀设置加强筋(32)，所述加强筋(32)沿锥体(3)顶部不间断焊接延伸至隔板(33)处，所述加强筋(32)在锥体(3)上下部分中对称设置。
5.根据权利要求4所述的适用于冰区可调节高度的弧面抗冰锥装置，其特征在于：所述锥壳板(31)弧度通过斜切角a与交切角b来控制，所述斜切角a为纵剖面上锥壳板(31)弧线中点切线与水平线的夹角，所述弧线中点切线与所述弧线起点与终点连线平行，所述交切角b为纵剖面上锥壳板(31)弧线终点切线与水平线的夹角。
6.根据权利要求1所述的适用于冰区可调节高度的弧面抗冰锥装置，其特征在于：在高压气泵(21)与锥体(3)之间的桩腿(1)上设置软管收紧盘(23)，所述桩腿(1)上位于软管收紧盘(23)出管处设置上固定套环(24)，所述密封孔(38)设置于锥体(3)上半部分，所述锥体(3)上半部分设置下固定套环(39)，所述高压软管(22)经过软管收紧盘(23)下端依次穿过上固定套环(24)、下固定套环(39)以及密封孔(38)且延伸至锥体(3)内部，所述下固定套环(39)与上固定套环(24)处于同一纵轴线上。
7.根据权利要求4所述的适用于冰区可调节高度的弧面抗冰锥装置，其特征在于：所述桩腿(1)侧边设置有若干纵向凸起的滑动轨道(25)，所述锥体(3)上钢管部分对应位置设置滑动凹槽(34)，所述滑动轨道(25)与锥体(3)滑动凹槽(34)相适配。
8.根据权利要求5所述的适用于冰区可调节高度的弧面抗冰锥装置，其特征在于：所述斜切角a范围为40°≤a≤60°，所述交切角b范围为50°≤b≤80°。
9.根据权利要求1所述的适用于冰区可调节高度的弧面抗冰锥装置，其特征在于：所述桩腿(1)水线以下位置设置限位板(26)。
10.根据权利要求2所述的适用于冰区可调节高度的弧面抗冰锥装置的控制方法，其特征在于，包含以下步骤：
设定初始状态为锥体(3)沉于水下；
S1：定位系统监测到桩腿(1)周边1km内存在海冰，发送信号到控制系统；
S2：控制系统控制高压气泵(21)打开充气，锥体(3)内部压强P3不断升高，当P3大于排水单向阀(36)预设工作压力P1时，排水单向阀(36)打开，锥体(3)内部海水被排出，锥体(3)随内部海水量的减少而上浮，与此同时，控制系统发送信号至海冰监测系统，海冰监测系统打开工作；
S3：海冰监测系统根据监测得到的海冰高度H计算出锥体(3)的最佳抗冰高度h，h为锥体(3)底部至海平面的高度，再根据公式Pw＝ρgh式中Pw为压强、ρ为海水密度、g为重力加速度，计算出锥体(3)处于最佳抗冰高度时海水的压强Pw，海冰监测系统将计算所得压强Pw信号发送给控制系统；
S4：当锥体(3)内部压强等于Pw数值时，水压传感器将信号发送给控制系统；
S5：控制系统控制高压气泵(21)关闭，锥体(3)高度固定；
S6：抗冰结束，海冰随海流飘走；
S7：定位系统监测到桩腿(1)周边1km内没有海冰出现，发送信号至控制系统；
S8：控制系统控制高压气泵(21)打开排气，锥体(3)内部压强P3不断降低，当P3小于充水单向阀(35)预设工作压力P2时，充水单向阀(35)打开向锥体(3)内部充入海水，锥体(3)随内部海水量的增加而开始下沉；
S9：水位传感器监测到锥体(3)内部充满海水时，发送信号至控制系统；
S10：控制系统控制高压气泵(21)关闭，锥体(3)恢复初始状态。
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|---|---|---|---|
| CN202311103634.5A CN116988420B (zh) | 2023-08-30 | 2023-08-30 | 一种适用于冰区可调节高度的弧面抗冰锥装置及控制方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202311103634.5A CN116988420B (zh) | 2023-08-30 | 2023-08-30 | 一种适用于冰区可调节高度的弧面抗冰锥装置及控制方法 |
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| CN116988420B CN116988420B (zh) | 2024-04-16 |
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Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| DE102013018503A1 (de) * | 2013-11-06 | 2015-05-07 | WeserWind GmbH Offshore Construction Georgsmarienhütte | Offshore-Bauwerk |
| CN107150770A (zh) * | 2017-05-26 | 2017-09-12 | 大连理工大学 | 一种适用于壳体桩腿自升式海洋平台的抗冰装置 |
| CN207813823U (zh) * | 2017-12-20 | 2018-09-04 | 江苏科技大学 | 一种具有抗冰性能的极地风力发电装置 |
| CN108995778A (zh) * | 2018-08-17 | 2018-12-14 | 招商局重工（江苏）有限公司 | 一种适合在极地冰区及恶劣海况的浮式钻井平台 |
-
2023
- 2023-08-30 CN CN202311103634.5A patent/CN116988420B/zh active Active
Patent Citations (4)
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| CN108995778A (zh) * | 2018-08-17 | 2018-12-14 | 招商局重工（江苏）有限公司 | 一种适合在极地冰区及恶劣海况的浮式钻井平台 |
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