CN118525119A - 海上风力涡轮机的支撑结构以及安装该支撑结构的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种海上风力涡轮机的支撑结构(1),所述支撑结构(1)包括:‑旨在固定到海床(Sb)的第一结构部分(A),第一结构部分(A)包括规则地分布在以所述支撑结构(1)的纵轴(Y)为中心的第一圆形(X1)上,并沿着所述支撑结构(1)的纵轴(Y)延伸的至少三个假腿支架(3),所述假腿支架(3)包括被设计为面向海床(Sb)的下端部(3a)和与下端部(3a)相对的上端部(3b),所述第一结构部分(A)还包括与所述至少三个假腿支架(3)连接的至少三个用于锚固到海床(Sb)的锚固设备(5);‑第二结构部分(B),其包括附接到所述第一结构部分(A)的所述至少三个假腿支架(3)的上端部(3b)的下端部(Ba);其中,所述第一结构部分(A)的至少一个锚固设备(5)在角度上布置在相邻的两个假腿支架(3)之间,并位于以所述支撑结构(1)的纵轴(Y)为中心的第二圆形(X2)上。本发明还涉及一种用于安装风电场设施的所述支撑结构(1)的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于海上风力涡轮机的支撑结构,和用于安装该支撑结构的方法。更具体地说,本发明涉及一种支撑结构,其布置并固定在平均深度为大约80至150米的海床上。
背景技术
对于大约50米的较浅深度,众所周知的是使用诸如管架结构(jacket structure)之类的支撑结构来支撑海上风力涡轮机。此类支撑结构支承在海床上,并用锚固设备固定到地面。支撑结构延伸至海平面以上以接收风力涡轮机桅杆。该支撑结构一般一体地制成,并且深度越大,支撑结构就必须越高。
对于大约80至150米的更大深度,支撑结构必须足够高才能达到这样的深度。这样的高度对于将支撑结构安装在海床上可能会造成问题。实际上,支撑结构一般是用运输驳船,竖直地运送到现场,并由浮吊抬升以布置在海床上。对于这样的深度,运输驳船和浮吊必须更大更重,这会增大成本并影响安装规划,尤其是对于串行地安装用于风电场的多个支撑结构。而且,取决于所用的锚固设备,例如钻入海床的桩,固定可能会由于深度而更加复杂。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种适用于平均深度约为80至150米的海上风力涡轮机的支撑结构和增强的锚固设备。本发明的另一目的还在于提供一种安装用于风电场的支撑结构的经调整的方法。
为此,本发明涉及一种用于海上风力涡轮机的支撑结构,所述支撑结构包括:
-旨在固定到海床的第一结构部分,所述第一结构部分包括规则地分布在以支撑结构的纵轴(Y)为中心的第一圆形上,并沿着支撑结构的所述纵轴延伸的至少三个假腿支架,所述假腿支架包括设计为面向海床的下端部和与下端部相对的上端部,第一结构部分还包括与所述至少三个假腿支架连接的至少三个用于锚固到海床的锚固设备;
-第二结构部分,其包括附接到第一结构部分的所述至少三个假腿支架的上端部的下端部;
其中,第一结构部分的至少一个锚固设备在角度上布置在相邻的两个假腿支架之间,并位于以支撑结构的纵轴为圆心的第二圆形上。
第一结构部分可在相邻的两个假腿支架之间,仅包括一个用于锚固到海床的锚固设备,并且连接锚固设备的第二圆形的半径与连接围绕所述锚固设备的两个假腿支架的第一圆形的半径之间的角度是相同的。
第一结构部分可在相邻的两个假腿支架之间,包括至少两个用于锚固到海床的锚固设备,并且所述至少两个锚固设备对称地分布在与两个假腿支架等距并穿过支撑结构的纵轴的中央直线的两侧和/或直接分布在该中央直线上。
包含第一结构部分的用于锚固到海床的锚固设备的第二圆形可具有比包含假腿支架的第一圆形更大的半径。
包含第一结构部分的用于锚固到海床的锚固设备的第二圆形可具有比包含假腿支架的第一圆形更小的半径。
包含第一结构部分的用于锚固到海床的锚固设备的第二圆形和包含假腿支架的第一圆形可具有相同的半径。
用于锚固到海床的锚固设备可以是套管,其被设置为接收并固定到被设计为打入或钻入海床的桩。
套管的至少一个端部可包括用于桩的引导部分。
用于锚固到海床的锚固设备可以是吸力桶。
第一结构部分的假腿支架的上端部可包括接收开口或销中的一个,而第二结构部分的下端部可包括销或接收开口中的另一个,销和接收开口设置为相互匹配地装配在一起。
本发明还涉及一种用于安装风电场设施的支撑结构的方法,所述方法包括以下步骤:
-将至少一个第一结构部分运输到现场,所述第一结构部分包括规则地分布在以支撑结构的纵轴为圆心的第一圆形上、且沿着支撑结构的所述纵轴延伸的至少三个假腿支架,所述假腿支架包括被设计为面向海床的下端部和与下端部相对的上端部,第一结构部分还包括与所述至少三个假腿支架连接的至少三个用于锚固到海床的锚固设备,第一结构部分的至少一个用于锚固到海床的锚固设备在角度上布置在相邻的两个假腿支架之间,并位于以支撑结构的纵轴圆心的第二圆形上;
-将第一结构部分安装在海床上;
-用锚固设备将至少一个第一结构部分固定在海床上;
-将至少一个第二结构部分运输到现场;
-抬升所述至少一个第二结构部分并将其叠置于位于水下的所述至少一个第一结构部分上;
-将所述至少一个第二结构部分固定在第一结构部分上。
锚固设备可以是套管,并且所述方法可在将第一结构部分安装在海床上的步骤之前,包括将桩插入海床以形成用于每个第一结构部分的接收区域的预备步骤,所述将第一结构部分安装在海床上的步骤可包括将预先安装的桩插入锚固设备的套管。
在插入桩的预备步骤期间,可将模板投放到海床上以引导桩的插入,在形成用于第一结构部分的接收区域之后,移除所述模板,并将其重新用于形成用于另一第一结构部分的另一接收区域。
锚固设备可以是套管,并且将第一结构部分固定在海床上的步骤可包括:
-将桩穿过套管插入海床的第一子步骤;和
-将套管固定在桩上的第二子步骤。
附图说明
通过以下作为非限制性示例提供并参考附图的说明,本发明的其它特征和优点将变得显而易见,在附图中:
-图1是用于海上风力涡轮机的支撑结构的示意性侧视图;
-图2是根据第一实施例的支撑结构的第一结构部分的示意性俯视图;
-图3是根据第二实施例的支撑结构的第一结构部分的示意性俯视图;
-图4是根据第三实施例的支撑结构的第一结构部分的示意性俯视图;
-图5是根据第四实施例的支撑结构的第一结构部分的示意性俯视图;
-图6和图7是根据两个不同实施例的锚固设备的侧视图;
-图8是第一结构部分与第二结构部分之间的接合部的示意性侧视图;
-图9和图10是根据两个不同实施例的用于海上风力涡轮机的支撑结构的示意性侧视图;
-图11和图12是根据两个不同实施例的用于安装支撑结构的方法的两幅图。
在这些图中,相同元件具有相同附图标记。以下实施例是示例。尽管本说明提及一个或更多个实施例,这不一定意味着每处提及都涉及同一实施例或特征仅适用于单个实施例。不同实施例的个体特征也可以组合或互换以提供其它实施例。
具体实施方式
图1示出用于海上风力涡轮机的支撑结构1。该支撑结构1包括第一结构A和第二结构B,它们被设计为堆叠以形成支撑结构1。
第一结构部分A被构造为固定到海床Sb。第一结构部分A包括至少三个假腿支架3,其规则分布在以支撑结构1的纵轴Y为中心的第一圆形X1上。假腿支架3沿着支撑结构1的所述纵轴Y延伸。图2示出第一结构部分A的第一示例的俯视图,其中三个假腿支架3以三角形图案排列布置在第一圆形X1上。图3示出第一结构部分A的第二示例的俯视图,其中四个假腿支架3以方形图案排列布置在第一圆形X1上。具有多于三个或四个假腿支架的其它示例也是可行的。
如图1所示,假腿支架3包括设计为面向海床的下端部3a和与下端部3a相对的上端部3b。假腿支架3可以与支撑结构1的纵轴Y平行,或者也可相对于该纵轴Y倾斜。当假腿支架3倾斜时,假腿支架3的下端部3a优选地比其上端部3b更远离中央纵轴Y。第一圆形X1可以由假腿支架3的下端部3a限定,无论假腿支架3与纵轴Y平行或相对于纵轴Y倾斜。
第一结构部分A还包括至少三个用于锚固到海床Sb的锚固设备5,它们与所述至少三个假腿支架3相连。如图2和图3所示,第一结构部分A的至少一个锚固设备5在角度上定位在相邻的两个假腿支架3之间,即位于由连接纵轴Y与该相邻的两个假腿支架3的半径所限定的圆弧内。该至少一个锚固设备5布置在中心在支撑结构1的纵轴Y上的第二圆形X2上。
锚固设备5相对于假腿支架3偏置的设计,降低了当锚固设备5固定到海床Sb时损坏支撑结构1、尤其是损坏第一结构部分A的风险。这在使用打入海床Sb的桩7固定锚固设备5时,尤其有利。而且,第一结构部分A的锚固设备5在角度上布置在相邻的两个假腿支架3之间,与常规裙桩连接相比,这有利地减小结构重量并减少其制造成本。
根据图2和图3所示的第一实施例,包括第一结构部分A的用于锚固到海床Sb的锚固设备5的第二圆形X2和包括假腿支架3的第一圆形X1具有相同半径。
根据图4所示的第二实施例,与包括假腿支架3的第一圆形X1相比,包括第一结构部分A的用于锚固到海床Sb的锚固设备5的第二圆形X2具有更大的半径。
根据未示出的第三实施例,与包括假腿支架3的第一圆形X1相比,包括第一结构部分A的用于锚固到海床Sb的锚固设备5的第二圆形X2具有更小的半径。
在图2至图4中,第一结构部分A在相邻的两个假腿支架3之间仅包括一个用于锚固到海床Sb的锚固设备5。在该具体实施例中,如图3所示,连接锚固设备5的半径(从Y轴)与连接围绕所述锚固设备5的两个假腿支架3的半径(从Y轴)之间的角度α是相同的。
其它实施例也是可行的,例如图5所示,其中,第一结构部分A在相邻的两个假腿支架3之间包括至少两个锚固设备5。在图5所示的示例中,仅示出两个锚固设备5,但多于两个锚固设备5也是可行的。在该实施例中,该至少两个锚固设备5优选地在与两个假腿支架3等距并穿过支撑结构1的纵轴Y的中央直线的两侧对称分布和/或直接分布在其上。对于该实施例,上述的第一、第二和第三实施例的与第一圆形X1的半径相比的第二圆形X2的不同半径也是可行的。
如图6和图7所示,锚固设备5可以是套管,被构造为用于接收和固定到桩7。这些桩被设计为打入或钻入海床Sb。套管5可包括被设计为面向海床Sb的下端部5a和与下端部5a相对的上端部5b。套管5可具有与桩7互补的中空形状。桩7插入套管5的中空部分。套管5和桩7可通过注浆固定在一起,例如通过水泥注浆12,或者通过其它方式,例如焊接或通过液压方式进行锻压。
取决于桩7通过上端部5b还是下端部5a插入套管5,套管5可以还在其上端部5b和/或下端部5a处包括引导部分,以利于桩7插入。该引导部分可由在套管5的端部5a、5b处形成漏斗形的渐宽部分构成。
锚固设备5可以还包括其它元件,例如吸力桶(未示出)或一些混凝土基础作为重力结构。
第一结构部分A优选地可以是由焊接的空间框架构成的管架结构,其包括由侧向支撑系统支撑的假腿支架3。
如图1所示,第二结构部分B包括附接到第一结构部分A的所述至少三个假腿支架3的上端部3b的下端部Ba。第二结构部分B优选地也可是由焊接的空间框架构成的管架结构,其包括沿着支撑结构1的纵轴Y延伸并由侧向支撑系统支撑的支架。
第二结构部分B包括被设计为连接到第一结构部分A的假腿支架3的上端部3b的下端部Ba。如图8所示,第一结构部分A的假腿支架3的上端部3b包括接收开口或销中的一个,而第二结构部分B的下端部Ba包括销或接收开口中的另一个。销和接收开口被构造为接合在一起。销可通过注浆固定到接收开口中,例如通过水泥注浆14,或者其它方式像焊接或通过液压方式进行锻压。为了利于将销插入接收开口,所述接收开口可包括引导部分。该引导部分可由在接收开口的入口处形成漏斗形的渐宽部分构成。销也可包括与接收开口接触以在假腿支架3的上端部3b与第二结构部分B的下端部Ba之间传导力的止挡元件17。在图8所示的示例中,接收开口布置在假腿支架3的上端部3b处,而销布置在第二结构部分B的下端部Ba上。
第二结构部分B的上端部Bb被构造为布置在海平面Sl上方,并可以还包括平台8以接收海上涡轮机的桅杆。
第二结构部分B的上端部Bb的截面面积尺寸也可以比下端部Ba的截面面积尺寸更小。由此,第二结构部分B的支架腿可相对于支撑结构1的纵轴Y倾斜。
支撑结构1被构造为布置在深度为80至150米的位置。示例性地,对于大约100米的深度,第一结构部分A可具有30至40米的高度,而第二结构部分B可具有60至70米的高度。对于更大的深度,如图9所示,第一结构可以更高。
如图1和图9所示,例如对于60至70米的第二结构部分B,第二结构部分B可以是一体的。对于更高的第二结构部分B,如图10所示,第二结构部分B可以分成两个子结构B1、B2。在安装支撑结构1期间,两个子结构B1和B2可叠置并连接在一起。这两个子结构B1和B2可通过与连接第一结构部分A和第二结构部分B的装置类似的装置10附接在一起。对于第二结构部分B的运输和储存,以及安装,第二结构部分B的所述分体尤其有利。实际上,由于子结构B1和B2更低且更轻,可用更小的运输驳船运输它们,并且可用更小的浮式起重机安装它们。
为了便利支撑结构1的制造过程,更高且更复杂的第二结构部分B可以是标准化的并具有恒定高度。这允许自动化和标准化第二结构部分B的制造,并允许将机器人装置用于其制造。由此能够大量生产第二结构部分B并对其进行储存,以使得它们可用于全球或区域的各个领域。更低且更简单的第一结构部分A可容易地被调整为匹配支撑结构1安装的位置的深度。第一结构部分A可在接近支撑结构1位置的国家,由例如本地工作人员更多地本地制造,并可适于本地要求和深度。
本发明还涉及一种用于安装如上所述的用于风电场设施的支撑结构1的方法100。在图11中示出了该方法的步骤。
该方法包括将一个或多个第一结构部分A运输到现场的第一步骤101。如上所述,第一结构部分A包括至少三个假腿支架3,其规则分布在以支撑结构1的纵轴Y为中心的第一圆形X1上,并且沿着支撑结构1的所述纵轴Y延伸。假腿支架3包括被设计为面向海床Sb的下端部3a和与下端部3a相对的上端部3b。第一结构部分A还包括连接到所述至少三个假腿支架3的至少三个锚固设备5。第一结构部分A的至少一个锚固设备5在角度上布置在相邻的两个假腿支架3之间,即在由将纵轴Y连接到相邻的两个假腿支架3的半径限定的圆弧内。该至少一个锚固设备5还布置在中心为支撑结构A的纵轴Y的第二圆形X2上。如上所述,可用运输驳船将第一结构部分A运送到现场。由于第一结构部分A更小更轻,可将多个结构部分A放置在同一运输驳船上,并且可将它们竖直放置以利于接下来的安装步骤。
第二步骤102是将第一结构部分A安装在海床Sb上的步骤。可用浮式起重机实施该第二步骤102。由于第一结构部分A更小更轻,浮式起重机可更小以限制和减少成本。
第三步骤103是用锚固设备5将第一结构部分A固定在海床Sb上的步骤。取决于锚固设备5,可以以不同的方式,例如用打入或钻入海床的桩7,用吸力桶或用作为重力结构的一些混凝土基础,实施该第三步骤103。然而,由于锚固设备5相对于假腿支架3偏置的设计,损坏支撑结构1的风险得到降低。这在用打入海床Sb的桩7固定锚固设备5时特别有利。
可在安装相同的第一结构部分A活动期间,实施这三个步骤101、102和103。安装第二结构部分B的其它后续步骤,可在紧接着第一个安装活动的另一个安装活动期间进行,或者延迟进行。
第四步骤104是将一个或多个第二结构上部部分B运输到现场的步骤。如上所述,可用运输驳船将第二结构部分B运送到现场。由于与支撑结构整体相比,第二结构部分B更小更轻,可将多个第二结构部分B放置在同一运输驳船上,并将它们竖直地放置以便利接下来的安装步骤。
第五步骤105是抬升第二结构部分B并将其叠置于水下的第一结构部分A上的步骤。可用浮式起重机实施该第五步骤105。由于与支撑结构1整体相比,第二结构部分B更小更轻,浮式起重机可更小以限制成本。
第六步骤106是将第二结构部分B固定在第一结构部分A上的步骤。如上所述,可用不同方式,例如注浆、焊接或通过液压方式进行锻压,实施该固定。
该方法100不仅能降低安装成本,并且还允许使用可选地配备有标准起重机、吊索和绞盘的常规运输驳船或船只,以及可选地借助于不同的浮式起重机,来进行安装。实际上,与一体式的支持结构相比,分成两个部分A和B的支撑结构1允许使用小得多的运输驳船和浮式起重机来安装更大的支持结构1。而且,取决于所考虑的运输驳船或船只的负载能力,可叠置多个部分A和/或多个部分B,以运输到现场和安装,只要部分A和/或B的堆叠的总高度不妨碍起重机抬升、分离和安置每个个体部分A和/或B。该方法对于迄今为止用传统方式难以到达的水深中安装支撑结构1特别有用。
如果锚固设备5是套管,在将第一结构部分A安装在海床Sb上的步骤101之前,方法100可包括将桩7插入海床Sb以形成用于每个第一结构部分A的接收区域的预先步骤101a。在该情况下,将第一结构部分A安装在海床Sb的步骤101在于将预先安装的桩7插入锚固设备5的套管中。
在插入桩7的预先步骤101a期间,可将模板投放到海床Sb上以引导桩(7)的插入。可在形成用于第一结构部分A的接收区域之后,移除该模板,并将其重新用于形成另一第一结构部分A的另一接收区域。
在图12所示的另一实施例中,没有在安装第一结构部分A之前,而是在其之后,布置桩7,在该实施例中,锚固设备5也是套管。由此,将第一结构部分A固定在海床Sb上的步骤103包括将桩7穿过套管5插入海床Sb的第一子步骤103a。在第二子步骤103b中,将套管5和桩7固定在一起。在该实施例中,将第一结构部分A用作用于桩7的模板。
Claims (14)
1.一种用于海上风力涡轮机的支撑结构(1),所述支撑结构(1)包括:
-旨在固定到海床(Sb)的第一结构部分(A),所述第一结构部分(A)包括至少三个假腿支架(3),该至少三个假腿支架规则地分布在以所述支撑结构(1)的纵轴(Y)为中心的第一圆形(X1)上,并沿着所述支撑结构(1)的所述纵轴(Y)延伸,所述假腿支架(3)包括设计为面向海床(Sb)的下端部(3a)和与所述下端部(3a)相对的上端部(3b),所述第一结构部分(A)还包括与所述至少三个假腿支架(3)连接的、至少三个用于锚固到海床(Sb)的锚固设备(5);
-第二结构部分(B),其包括附接到所述第一结构部分(A)的至少三个假腿支架(3)的上端部(3b)的下端部(Ba);
其中,所述第一结构部分(A)的至少一个锚固设备(5)在角度上布置在相邻的两个假腿支架(3)之间,并位于以所述支撑结构(1)的纵轴(Y)为中心的第二圆形(X2)上。
2.如权利要求1所述的支撑结构(1),其中,所述第一结构部分(A)在相邻的两个假腿支架(3)之间,仅包括一个用于锚固到海床(Sb)的锚固设备(5),并且其中,连接该锚固设备(5)的第二圆形(X2)的半径与连接围绕所述锚固设备(5)的两个假腿支架(3)的第一圆形(X1)的半径之间的角度是相同的。
3.如权利要求1所述的支撑结构(1),其中,所述第一结构部分(A)在相邻的两个假腿支架(3)之间,包括至少两个用于锚固到海床(Sb)的锚固设备(5),并且其中,所述至少两个锚固设备(5)对称地分布在与所述两个假腿支架(3)等距且穿过所述支撑结构(1)的纵轴(Y)的中央直线的两侧和/或直接分布在该中央直线上。
4.如权利要求1至3中任一项所述的支撑结构(1),其中,包含所述第一结构部分(A)的用于锚固到海床(Sb)的锚固设备(5)的第二圆形(X2)具有比包含所述假腿支架(3)的第一圆形(X1)更大的半径。
5.如权利要求1至3中任一项所述的支撑结构(1),其中,包含所述第一结构部分(A)的用于锚固到海床(Sb)的锚固设备(5)的第二圆形(X2)具有比包含所述假腿支架(3)的第一圆形(X1)更小的半径。
6.如权利要求1至3中任一项所述的支撑结构(1),其中,包含所述第一结构部分(A)的用于锚固到海床(Sb)的锚固设备(5)的第二圆形(X2)和包含所述假腿支架(3)的第一圆形(X1)具有相同的半径。
7.如权利要求1至6中任一项所述的支撑结构(1),其中,用于锚固到海床(Sb)的所述锚固设备(5)是套管,其被构造为接收并固定到被设计为打入或钻入所述海床的桩(7)。
8.如权利要求7所述的支撑结构(1),其中,所述套管的至少一个端部(5a、5b)包括用于引导所述桩(7)的引导部分。
9.如权利要求1至6中任一项所述的支撑结构(1),其中,用于锚固到海床(Sb)的所述锚固设备(5)是吸力桶。
10.如权利要求1至9中任一项所述的支撑结构(1),其中,所述第一结构部分(A)的假腿支架(3)的上端部(3b)包括接收开口或销中的一个,而所述第二结构部分(B)的下端部(Ba)包括销或接收开口中的另一个,其中,所述销和所述接收开口被构造为相互匹配。
11.一种用于安装风电场设施的支撑结构(1)的方法,所述方法包括以下步骤:
-将至少一个第一结构部分(A)运输到现场,所述第一结构部分(A)包括规则地分布在以所述支撑结构(1)的纵轴(Y)为圆心的第一圆形(X1)上,且沿着所述支撑结构(1)的所述纵轴(Y)延伸的至少三个假腿支架(3),所述假腿支架(3)包括被设计为面向海床(Sb)的下端部(3a)和与所述下端部(3a)相对的上端部(3b),所述第一结构部分(A)还包括与所述至少三个假腿支架(3)连接的至少三个用于锚固到海床(Sb)的锚固设备(5),所述第一结构部分(A)的至少一个用于锚固到海床(Sb)的锚固设备(5)在角度上布置在相邻的两个假腿支架(3)之间,并位于以所述支撑结构(1)的纵轴(Y)为圆心的第二圆形(X2)上;
-将所述第一结构部分(A)安装在海床(Sb)上;
-用所述锚固设备(5)将所述至少一个第一结构部分(A)固定在海床(Sb)上;
-将至少一个第二结构部分(B)运输到现场;
-抬升所述至少一个第二结构部分(B)并将其叠置于位于水下的所述至少一个第一结构部分(A)上;
-将所述至少一个第二结构部分(B)固定在所述第一结构部分(A)上。
12.如权利要求11所述的方法,其中,所述锚固设备(5)是套管,并且其中,所述方法在将所述第一结构部分(A)安装在海床(Sb)上的步骤之前,包括将桩(7)插入海床(Sb)以形成用于每个第一结构部分(A)的接收区域的预备步骤,将所述第一结构部分(A)安装在海床(Sb)上的步骤包括将预先安装的所述桩(7)插入所述锚固设备(5)的套管。
13.如权利要求12所述的方法,其中,在插入桩(7)的所述预备步骤期间,将模板投放到海床(Sb)上以引导桩(7)的插入,在形成用于所述第一结构部分(A)的接收区域之后,移除所述模板,并将其重新用于形成用于另一第一结构部分(A)的另一接收区域。
14.如权利要求11所述的方法,其中,所述锚固设备(5)是套管,并且其中,将所述第一结构部分(A)固定在海床(Sb)上的步骤包括:
-将桩(7)穿过所述套管插入海床(Sb)的第一子步骤;和
-将所述套管固定在所述桩(7)上的第二子步骤。
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