CN1175232A - 浮动设备 - Google Patents

Abstract

一种浮动平台,它由钢/混凝土组合结构构成。该平台包括水下混凝土浮力部或浮体(25),混凝土支柱(26,27,28,29)从该浮力部向上伸出。上述支柱通过钢支柱(36,37,38,39)向上延伸至钢制甲板部(40)。该钢支柱单独制作,并且在固定于混凝土支柱上之前完全制作好。

Description

浮动设备

本发明涉及一种浮动设备，该设备包括水下混凝土浮力部，支柱部，该支柱部包括从上述浮力部向上伸出的一个或多个混凝土支柱，钢制甲板部，该甲板部通过上述支柱部支承于水面上方，上述一个或多个混凝土支柱通过预制好的空心钢支柱延伸至甲板部处。

浮动设备指用于在海洋中和海洋下面开采资源的漂浮于海上的设备。它可以动态方式设置或锚固。一般的浮动设备为海上设备，如钻井平台，采油平台，装载浮子等。

显然浮动平台所遇到的问题是重量和稳定性。因此，加大所谓的顶边(甲板部)，并且以其它方式设置较大的荷载倾向成为日益严重的问题。该问题本身与甲板结构和组件无法预计的重量的增加以及在从初始设计到最终实现方案的过程中的一般经验有关。

浮动设备的稳定性和一般运动特性与材料重心的高度密切相关，该重心与浮力中心和位于该浮力中心上方的定倾中心距离相互作用。如果使浮动设备获得令人满意的稳定性，则应当使定倾中心与浮力中心的总高度确实大于材料重心的高度。于是，如果能够尽可能地降低整个材料的重心，则可获得最佳的效果。这还意味着，当混凝土浮动设备中的较沉结构的重量相对底部部件占绝对优势时，则浮动设备的顶部的情况整好相反。由钢结构形成的甲板部有助于沿正向保持稳定性。

之所以本说明书开始部分所描述的浮动设备采用钢和混凝土的组合结构，其部分原因是从经济上考虑的，部分原因是从技术上考虑的。就价格来讲，混凝土具有竞争性，它相对钢具有多项优点。经证明，到目前为止北海所建造的许多不同类型的设备在进行最小程度的维修和未进行特殊的保护的情况下，目前仍具有很高的防腐蚀性。因此可以认为混凝土浮动设备具有耐久性的优点。其另一重要优点是防腐性，该特点使混凝土浮动设备特别适合经常暴露于外面的海上环境，并且用于较沉的甲板式设备。

经研究表明，钢和混凝土之间的相互作用是造成问题的上述设计方面之一。当甲板部和支柱部之间的较大的、集中静载和动载传递给混凝土结构中的支承件时，会产生上述问题。上述的较大的集中荷载会导致混凝土开裂，另外该区域会经常出现疲劳现象。为了将上述力分布于较大的区域，进而以令人满意的方式减小应力值，则需要借助钢结构来加强混凝土。但是，该加强件会使重量大大增加，该重量增加是人们不希望的，特别是考虑到下述情况，该情况指：重量的增加高于材料重心处，这样会对稳定性造成不利影响。

上述压力荷载值主要取决于设计尺寸，即甲板部的尺寸，另外取决于使浮动设备中的支柱部和下面的支承系统之间相互作用而选择的实施例和相互作用原理。因此，可通过对完全取决于上述因素的设计进行认真选择来减小集中的压力荷载值。但是，上述选择受到对浮动设备进行技术和经济方面的最佳设计的很大限制。

本发明的目的在于提供下述方案，该方案有助于改善浮动设备的稳定性和一般的运动特性，同时可使施工和设备期限达到最佳。

本发明的上述目的是采用下述方式实现的，该方式指浮动设备中的水下底部，即位于水面以下的部分利用混凝土的稳定性，重量较大，和防腐性优点，另外浮动设备中的位于水面以上的所有部分利用钢的弹性/塑性，以及所形成的有许多资料证明可使应力保持均匀并分配的性能。

因此本发明提出一种本说明书最开始部分所提及的浮动设备，其特征在于混凝土支柱和钢支柱之间的分界线与甲板支承件(冲击荷载点)保持一定距离，在该处作用于甲板支承件(冲击荷载点)上的集中荷载产生的应力集中沿钢支柱的外壳分布并降低至较小的值。

通过本发明，可以适合的方式利用钢和混凝土的优点，即钢/混凝土的相互作用区域是这样设置的，即以最佳方式利用有上述作用力分布的区域。

采用钢有助于降低重量。在使钢/混凝土相互作用区域以有利方式移动的同时，可提供下述的可能，该可能指按所需方式使用沿支柱向下分布的作用力的一定区域。实际上，浮动设备内的分界线最好位于与甲板支承件保持20～30m的距离的位置。由于具体的原因，上述相互作用位置最好高出水平面一定距离，这样不但可避免相互作用区域受到较高的水压力的作用，进而避免理论上渗漏的危险，而且还可方便地接触到以便进行维修，防腐检查，以及重要的处理，因为上述浮动设备可使用长达50年。

采用本发明，可使甲板部巨大的集中压力通过钢制的按照特定方式设置的加强部分分布在浮动设备的柱状钢制外壳(支柱)上。从此处，压应力进一步以夹角为45°的扇形沿柱状外壳向下传递。经计算表明，偏心弯矩所产生的压应力和拉应力的范围为从冲击荷载点处的接近无穷大值至距离支柱顶部为支柱直径的位置处的较低的恒定值，并进一步降低。最好上述钢/混凝土的相互作用区域位于相对上述竖向位置的适合的、最短距离处。对于一般的浮动设备，上述支柱直径为25m左右。根据本发明，钢支柱的长度为上述支柱直径的尺寸，同时混凝土/钢连接部应位于预计的吃水线上方约5m处，从而可提供进行定期检查和维修的适合的可能性。

对于采用混凝土/钢的组合结构的浮动设备，可采用两个不同的施工场地，其中一个用于混凝土部分，而另一个用于钢制部分。这两个施工场地可以用于完成施工的共同的最后期限(日期)进行施工。采用钢支柱有助于减少完成施工项目所需要的时间，相应于作用于混凝土部分的工作荷载的减小而使时间减少。

由于假设用于各种机械设备的所有甲板设置于支柱部分的顶部之内，因此可修建，设置，装备上述这些甲板，另外可将它们完全成形，并对其进行测试，在钢部分上的施工花费时间较长，并且很费时，相对相同的实施例，上述制作或完成的期限的主要部分在总制造期限中相对减少。混凝土/钢的设计可节省大量时间，另外具有采用不同的施工场地所获得的优点，例如，较好的可接触性(获得起重机等)，以及每个操作员具有更大的空间，提供的环境有助于增加安全性，更有效地使用人员和设备，此外可在限定的区域内减少工作培训的次数，这对于生产率是非常重要的，再有，由于钢制部分的制作是在混凝土部分的成形之后，这样很难在该施工项目中后来修改设计。

本发明的浮动设备还具有下述优点，该优点为浮动设备的锚固系统中的绞车可固定于一个或多个钢支柱上。因此，一旦钢支柱设置好便形成锚固系统中的上述部分，并可准备使用。用于浮动设备的一般锚固系统采用普通的松弛式锚固索或拉紧牵索。

特别是在上述方面，最好本发明的浮动设备包括设置于支柱部中的两个相对设置的钢支柱，因为这样可使锚固系统位于下述位置，在该位置仅仅两个钢支柱设有浮动设备的浮力部中的锚固系统(绞车，张紧装置等)。上述简化的锚固系统具有独创的重要性。

本发明的浮动设备可包括多种不同结构的实施例。因此支柱部最好包括多个相互紧靠并成组的支柱，该实施例特别适合用于作为装载浮子的浮动设备。在这方面，本发明的浮动设备特别是可采用下述类型的设计，在该设计中浮动设备中的水下部设置于支柱部中。另外，甲板部也可大大减小，它仅仅包括支柱部的顶部。因此本发明的浮动设备最好制成海上的结构，在该结构中从外表看单独的浮动设备部分相互没有差别。

下面参照附图对本发明进行进一步描述。

图1表示将钢支柱安装于混凝土支柱上；

图2为本发明的浮动设备的可能实施例的透视图；

图3表示本发明的浮动设备的另一可能实施例；

图4为图3所示的浮动设备中所使用的钢支柱的局部剖视图；

图5为安装于下面的混凝土支柱上的图4所示的钢支柱的立面图；

图6为图5中的混凝土/钢相互作用区域的局部放大图；

图7为另一实施例的相应局部放大图。

在图1中表示有混凝土支柱1的顶部。该混凝土支柱1构成浮动设备的一部分，并且向上伸出水面2，如图所示。图中还表示有钢支柱3，它借助两台浮吊4，5提升到混凝土支柱1的顶端。

支柱1，3的组合体可构成图2所示的浮动设备中的一个部件。图2所示的浮动设备为下述的类型，其中水下的浮力室设置于支柱部中，或反之，这样在水下的浮力腔6和浮动设备的支柱部7之间没有明显地分开。甲板部8由虚线表示。该甲板部8可采用多种不同的设计，它的尺寸可很小，例如在装载浮子的情况下仅仅以直升飞机平台的形式出现，或是位于支柱部顶端的一合适的端部，实现上可以没有该甲板部。

上述浮动设备由相互紧靠的一组支柱1，9，10和11构成。将支柱中的混凝土部分作为连续的结构进行浇注，直至到达水面2的上方位置，之后形成钢支柱3，12，13和14向上延伸。标号15，16和17表示混凝土和钢的分界线。

上述类型的浮动设备可在两个不同的施工场地，即一个用于混凝土部分的场地和一个用于钢制部分的场地进行施工。在将钢支柱安装于混凝土支柱(图1)上之前，要基本将其完全制作好。因此，每个钢支柱可与准备用于各种机械设备的所有甲板一起成形，所需要的设备也可在它们设置于浮动设备中之前放置于钢支柱中。一旦钢支柱安装好，图2中所示的以松弛方式锚固的浮动设备便能够对其锚固系统进行操作。这就是说，在此场合下，在图2所示的浮动设备中的设置好的钢支柱3和13上便可设置所需的锚固绞车18，19，从而借助松弛的锚固索20～23便可很容易实现上述的锚固。从图2容易知道，最好仅仅在两根以相对方式设置于支柱部上的钢支柱，即钢支柱3和13上设置锚固系统。此外，无需所有的支柱均设置钢制端部，如图2所示。因此，如果认为适合，可省略钢支柱12和14，故混凝土支柱9和11的顶端位于目前的分界线16处，或高于或低于该分界线16。显然上述的支柱组还可包括较多，或较少数量的，单独的，或在一定程度上成整体的支柱。

图3表示本发明的浮动设备的另一实施例，其呈拉紧牵索式平台的形状。图3所示的浮动设备包括水下的混凝土浮力室25，它设计成支架结构(参见平面图)，其具有从支架的每个角部伸出的混凝土支柱26，27，28和29。混凝土支柱26～29从水面30向上伸出到一定的高度处32，33，34，35。从此处，钢支柱36，37，38和39分别沿每个支柱继续延伸。上述钢支柱支承支承结构/支架40，用于支承甲板组件(图中未示出)并将上述支柱连接在一起。

如上所述，图3所示的浮动设备为拉紧牵索式平台。所需要的拉紧牵索由标号41，42，43和44表示，该拉紧牵索的操作/张拉设备分别固定于相应的钢支柱上。在图3中，上述设备由标号45，46，47和48表示。在图中没有具体表示拉紧牵索和浮动设备之间的连接结构。

图4表示图3所示的浮动设备中所采用的一般的钢支柱的局部剖面图。从图3显然可知，甲板部中的支承结构40是这样的，即甲板部中的组件(图中未示出)偏离浮动设备中的支柱的中心线。因此在此场合，钢支柱采用特殊的设计，在支承结构40的下方(图3)，加强壁50从支柱的外缘延伸，壁51与壁50保持平行。同样，两个相互保持平行的壁52，53在成对的壁50，51之间延伸。上述结构加强部分的主要作用是用作分配支承结构40和钢支柱之间的应力和弯矩的部件。同时，上述相互保持平行的壁可用作水和柴油的贮存箱，因为可将它们设计成具有较大的内部贮存体积。另外，从图4中可看到，所需数量的钢制甲板54，55可设置于钢支柱的内部。

图5表示混凝土和钢之间的分界线，图6和7具体表示混凝土和钢之间的可能的相互连接关系，图6和7所示的剖面图取自图5所示的区域56处。在图5中，标号27表示混凝土支柱(也可参照图3)，标号37表示钢支柱(也可参照图3)。

图6和7中分别给出的两个可能的实施例的具体相互连接区域包括较厚的钢板57，该钢板57设置于混凝土支柱27的顶面，并沿该支柱27的顶部连续设置。在上述钢板57下面焊接有加强钢制螺栓，或其它类型的螺栓58，该螺栓埋入混凝土体中。上述螺栓的数量和尺寸由出现的拉/压力确定。在螺栓之间焊接有剪切板59，它沿其外缘连续设置。该剪切板59具有3项功能，即承受和传递水平剪切力，防止漏水，另外它呈工字形，并承受和分配竖向压力/拉力。图7表示另一实施例的连接结构，在这里图6中的螺栓由两块工字形板60代替。

使工字形件和钢板形成沿整个外缘延伸的连续焊接件的主要优点是防止渗漏现象，但是将上述部件设置成连续的环状则会对操作方面造成的技术问题。因此适合用于此设置目的的扇形件应当为预制件，该扇形件集中并焊接于高出混凝土侧边适合距离的位置，并通过滑轮临时悬挂。在焊接好后，将上述环形部件降至最终的，经准确调节(调平)位置。钢板/顶板57可开设有按照适合间距隔开的孔，该孔用于浇注(最好为以环氧树脂为主成分的)混凝土。当然还可采用其它的安置方式来形成整体的圆形。从图5可知，钢支柱37的直径小于混凝土支柱27的直径。上述差别不但具有加强(混凝土工艺)功能，而且还可相对按照一般方式设定的非常严格的建筑物的容许误差为钢支柱提供空间安装容许误差。

支柱中的混凝土和钢之间的分界线最好设置于向上距甲板部产生的压力而造成的应力保持较小的基本恒定的值的竖向位置尽可能短的距离处。上述竖向位置是在下述的假设条件下计算出来的，该条件为：压应力呈扇形沿钢支柱中的柱状钢制外壳向下传递。根据假设的应力分布扇形区域，采用压应力和拉应力的普通公知公式作为钢支柱中的柱状钢制外壳的厚度和作为集中荷载的函数，可确定应力分布图，该图表示由于偏心弯矩产生的拉应力和压应力的范围是从冲击荷载点处的接近无穷大值至与支柱顶面保持一定距离处的较低的恒定值，并进一步降低。对于直径为25m的支柱顶部来说，上述距离基本与该直径相等。应当满足的另一第2条件是将分界线设置于高出结构的吃水线的适当高度处，比如高出吃水线的5m处，因为上述设置可便于进行检查和维修。这样可获得突出的优点，因为考虑到浮动设备的规定预计工作期限长达50年，即使在混凝土/钢之间的连接部位进行密封以防止漏水的情况下，仍可方便接触到整个钢支柱以便进行检查和维修。

采用本发明，对于水下的底部，即浮动设备的位于水面以下的部分可利用混凝土体的稳定，较重，和耐腐蚀的优点，对于水面以上的所有部分，则结合了钢的弹性和塑性，以及由此产生的有许多资料证明的可使应力保持均匀并分配的性能。由于材料重心尽可能地低，故可改善稳定性和一般的运动特性。此外还可利用设置两个施工场地的优点，该优点包括在与混凝土结构连接之前可将钢制部件完全制作好的突出优点。

甲板部和支柱部之间的较大集中静载和动载分配到较大的适合的区域中，这样可大大减小应力值，使钢和混凝土之间有令人满意的相互作用。

Claims (8)

1.一种浮动设备，它包括水下混凝土浮力部(6；25)，支柱部(7；26，27，28，29)，该支柱部设有一个或多个从上述浮力部向上伸出的混凝土支柱，钢制甲板部(8；40)，该甲板部通过上述支柱部支承于水面上方，上述一个或多个混凝土支柱(1，9，10，11；26，27，28，29)通过预制好的空心的钢支柱(3，12，13，14；36，37，38，39)延伸至甲板部处，其特征在于混凝土支柱和钢支柱之间的分界线(15，16，17；32，33，34，35；56)与甲板支承件(冲击荷载点)保持一定距离，在该处作用于甲板支承件(冲击荷载点)上的集中荷载产生的应力集中沿钢支柱的外壳分布而降低至较小的相对均匀的值。

2.根据权利要求1所述的浮动设备，其特征在于上述分界线与甲板支承件保持20～30m范围的距离。

3.根据权利要求1或2所述的浮动设备，其特征在于上述分界线高出预计的吃水线5m的距离。

4.根据权利要求1，2或3所述的浮动设备，其特征在于在一个或多个上述的支柱(3，13；36，37，38，39)上固定有浮动设备中的锚固系统(20，21，22，23；41，42，43，44)用的绞车(18，19；45，46，47，48)。

5.根据前述任何一项权利要求所述的浮动设备，其特征在于它包括固定于上述支柱部(3，13；36，38；37，39)中的两个相对设置的钢支柱。

6.根据前述任何一项权利要求所述的浮动设备，其特征在于上述支柱部包括多个相互紧靠的成组的支柱(1，9，10，11)。

7.根据前述任何一项权利要求所述的浮动设备，其特征在于上述水下浮力部(6)设置于支柱部(7，图2)中。

8.根据前述任何一项权利要求所述的浮动设备，其特征在于在钢和混凝土之间的分界线处的相互作用区域包括水平环形钢板(57)和环形剪切板(59)，该环形剪切板从上述钢板处向下伸入混凝土体中。

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