CN203372369U - 一种压力平衡式浮体 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及船舶领域，特别涉及一种压力平衡式浮体，包括水舱、气舱、气舱充气阀、水下均压控制系统、水舱通水系统及水舱透气系统。浮体内分隔成水舱及气舱。浮体的浮心与浮体的重心在同一竖直线上，且浮体浮心的位置高于浮体重心的位置。每个气舱上设置有气舱充气阀，且气舱充气阀与水下均压控制系统连接。每个水舱上均设置有水舱通水系统及水舱透气系统。本实用新型提供的水下浮体，可一次性到达工作水域，节约了大量的人力和物力。

Description

一种压力平衡式浮体

技术领域

本实用新型涉及船舶技术领域，特别涉及一种压力平衡式浮体。

背景技术

浮式生产储卸装置（FPSO）作为海上油气资源开发的装备，广泛应用各种水深条件下的油气开发。而对于深水浮式生产储卸装置（FPSO）而言，其水下浮体的工作位置一般处于深水处，浮体外部会承受很大的水压。要使浮体结构不会因承受较大的水压而破坏，就必须让浮体内部存在着和外部水压相当的压力。传统的水下浮体是基于非耐压结构设计的，浮体结构为非耐压结构，耐压能力有限，因此非耐压水下浮体需要在不承受较大压力的前提下才能安全正常的安装并投入工作。传统的水下浮体通常向浮体内部充气使浮体内部产生较大压强以平衡浮体外部水压，即浮体处于水下任何位置的时候都通过充气的方式增大浮体内部压强，使浮体内部压强与外部水压相当，以保护浮体的结构不被较高的水压破坏，基于以上原因，传统的水下浮体的安装过程较为繁杂。对于传统的水下浮体而言，在其安装过程中，随着水深的不断变化，需要不断的调节浮体内部压力，同时不断调整浮体的姿态。也就是说，随着水深的增加，浮体所受外部水压也在不断增大，为使浮体不用承受过大的压力，需不断的往浮体内部充气，增大浮体内部压力以平衡外部水压。而由于浮体结构承受压力能力有限，所以往浮体内部充气的过程须逐段进行，即每到一定水位就要进行一次压力和平衡的调整，例如某水下浮体的工作水深在300米左右，若按每5米（根据浮体耐压能力设置）进行一次这样的操作来算，那么整个安装过程就需要几十次这样的压力调整和浮体水下姿态调整操作。并且传统的水下浮体安装过程都是在水下通过控制系统在水下操作系统（ROV）的帮助下完成的，故其安装过程实现难度较大。现有的压力控制系统无法对压力进行连续的控制，无法做到实时测量、实时控制。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种能够一次性连续下水安装、保证浮体舱壁不受损坏的压力平衡式浮体。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种压力平衡式浮体，包括水舱、气舱、用于控制所述浮体内部气压的水下均压控制系统、气舱充气阀、水舱通水系统及水舱透气系统，其中，所述水舱与所述分舱不连通。所述浮体的浮心与所述浮体的重心在同一竖直线上，且所述浮体浮心的位置高于所述浮体重心的位置。所述浮体的左右两侧是所述水舱和气舱，所述浮体左侧的所述水舱和气舱提供的浮力与所述浮体右侧所述水舱和气舱提供的浮力相等。所述浮体前后侧是所述水舱和气舱，所述浮体前侧的所述水舱和气舱提供的浮力大于所述浮体后侧的所述水舱和气舱提供的浮力，或所述浮体后侧的所述水舱和气舱提供的浮力大于所述浮体前侧的所述水舱和气舱提供的浮力。每个所述水舱上均设置有水舱通水系统及所述水舱透气系统；每个所述气舱上设置有一个所述气舱充气阀。所述水下均压控制系统与所述气舱连接。

进一步地，所述浮体前侧的所述水舱和气舱提供的浮力大于所述浮体后侧的所述水舱和气舱提供的浮力，或所述浮体后侧的所述水舱和气舱提供的浮力大于所述浮体前侧的所述水舱和气舱提供的浮力包括：所述浮体前侧的所述水舱和气舱的个数大于所述浮体后侧的所述水舱和气舱的个数，或所述浮体后侧的所述水舱和气舱的个数大于所述浮体前侧的所述水舱和气舱的个数。

进一步地，所述水下均压控制系统的数量与所述气舱充气阀的数量相同，且一个所述气舱充气阀与一个所述水下均压控制系统连接。

进一步地，所述水下均压控制系统包括：驱动电路、充气设备、控制所述充气设备开闭的电磁阀、气压传感器、水压传感器及根据所述气压传感器、水压传感器采集的数据向所述充气设备发出充气控制指令的第二控制器。所述第二控制器通过所述驱动电路与所述电磁阀连接。所述电磁阀与所述充气设备连接。所述气压传感器及所述水压传感器分别与所述第二控制器连接。所述充气设备与所述气舱充气阀连接。

进一步地，还包括姿态监测系统及第一控制器。所述姿态监测系统、透气系统及所述通水系统分别与所述控制器连接。所述姿态监测系统对所述浮体的位置进行监测，监测所述浮体处于平衡状态或倾斜状态，当所述浮体处于倾斜状态时，所述第一控制器控制所述透气系统向所述浮体上向下倾斜的一端的所述水舱内充入气体，直到所述浮体不再倾斜为止。

进一步地，所述姿态监测系统由四个位置传感器组成。四个所述位置传感器分别安装在所述浮体四周的四个角上；四个所述位置传感器分别与所述控制器连接。

进一步地，所述水舱透气系统设置在所述水舱的顶端。所述水舱通水系统设置在所述水舱的底端。

实用新型本实用新型提供的压力平衡式浮体，浮体左侧设置的水舱和气舱所能够提供的最大浮力与浮体右侧设置的水舱和气舱所能提供的最大浮力相等，因此能够保证浮体的左右侧趋于平稳状态。浮体的前侧设置的水舱和气舱所能提供的最大浮力与浮体的后侧设置的水舱和气舱所能提供的最大浮力不同，因此能够根据深海管线不同侧重力的不同实现对深海管线的搭载。同时，浮体浮心的位置与重心的位置在同一竖直线上，且浮心的位置高于重心的位置，能够保证整个浮体在工作状态时保持平稳状态。浮体本体在下水的过程中，水下均压控制系统可根据外界水压的大小给气舱内充气，使气舱压力的大小与外界水压的大小一致，保证了浮体本体不被外界较大的压力所破坏，水下均压控制系统起到了实时测量、实时控制的作用。气舱提供向上的浮力，从而克服浮体本体自身的重力，使浮体本体能够平稳的下水。由于分舱提供的向上的浮力与浮体向下的重力的合力较小，浮体基本趋于平稳状态，因此减小了牵引系统对浮体的施力强度，降低了外舱上与牵引系统连接处的结构强度要求。浮体本体在工作水域充气后，水舱内充入气体，水舱提供向上的正浮力，使水下浮体正常工作。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的浮体本体结构示意图。

图2为本实用新型实施例提供的图1的左视图。

图3为本实用新型实施例提供的水下均压控制系统工作原理图。

具体实施方式

参见图1-图3，本实用新型提供了一种压力平衡式浮体，包括浮体本体、气舱充气阀、水舱通水系统、水舱透气系统、第一控制器、姿态监测系统及用于控制浮体本体内部气压的水下均压控制系统。浮体本体内分隔成至少一个水舱1及至少一个气舱2，水舱1和气舱2只是浮体内部舱的两种不同分类，两种舱在材料和连接方式上满足密封性能好便可。首先，对水舱1及气舱2的结构进行介绍，水舱1和气舱2是由不同规格的板材焊接而成，具体为：取用材料和厚度相同的板材，将不同的板材焊接在一起形成多个舱室，板材选用高强度、耐腐蚀的钢板。所有的舱室可以为长方体或正方体形状，只要符合本实用新型的设计思想的形状都包含在本实用新型的保护范围内。每个舱室为相对独立的密闭空间，在实际制造的过程中，采用一个面积较大的板材作为所有舱室的底板。本实施例中，所有的舱室紧密排列，相邻的两舱室共用一个舱壁，且所有的舱室分布形成一个“口”字形形状的整体结构，所有的舱室形成的“口”字形形状的整体结构左右对称，舱室的对称设计是使整个浮体保持平衡的重要手段。本实施例中，“口”字形形状的整体结构的前侧、左侧及右侧分别分布有一排舱室，“口”字形形状的整体结构的后侧（即图1中的B侧）分布一排舱室，“口”字形形状的整体结构的的左侧、右侧及前侧（即图1中的A侧）分别分布有一排分舱1，“口”字形形状的整体前侧（也就是浮体的前侧）的水舱1和气舱2所能提供的最大浮力大于“口”字形形状的整体后侧（也就是浮体的后侧）的水舱1和气舱2所能提供的最大浮力，或“口”字形形状的整体后侧（也就是浮体的后侧）的水舱1和气舱2所能提供的最大浮力大于“口”字形形状的整体前侧（也就是浮体的前侧）的水舱1和气舱2所能提供的最大浮力。本实施例中，浮体前侧和后侧所能提供的浮力可根据浮体前侧和后侧的水舱及气舱的数量进行确定，规格一样的水舱或气舱，数量越多，提供的浮力越大。舱室的左右对称但前后不对称的结构是根据浮体的应用而设计的，浮体主要用于支撑海底输油管道，输油管道从海底一直延伸至海面，从海底延伸而来的输油管固定在“口”字形形状的整体的后端（即浮体的后端），然后经“口”字形形状的整体的前端（即浮体的前端）延伸至海面；由于输油管从海底延伸而来的一端的长度大于延伸至海面的一端的长度，因此输油管从海底延伸而来的一端的重量大于延伸至海面一端的重量；需要将“口”字形形状的整体的后端设计更多的舱室以提供较大的浮力来承载输油管上重量较大的一端。所有的舱室分为水舱1和气舱2两类，且水舱1和气舱2是不连通的。本实施例中，口”字形形状的整体结构一共有48个舱室，其中32个水舱1，16个气舱2，且分布在“口”字形形状的整体结构上的32个水舱1左右对称（即分布在“口”字形形状的整体结构平面上中心线左右的水舱1对称）；分布在“口”字形形状的整体结构上的16个气舱2左右对称（即分布在“口”字形形状的整体结构平面上中心线左右的气舱2对称）。气舱2及水舱1的设计方案具体如下：步骤S1：由浮体的总重量G确定气舱2的总容积v（要求气舱2充满气体后能够提供浮体在下沉过程中所需的浮力，使浮力与浮体的总重量G的值基本相等）。步骤S2：由浮体工作时的所需的正浮力F确定水舱1排出水的总体积V，并计算各水舱1的总排水量，根据各水舱1的总排水量计算各水舱1总充气量。步骤S3：将各水舱1的总充气量平均分配每个水舱1，得到每个水舱1的充气量。步骤S4：浮体在设计的过程中，要使浮体的浮心和浮体的重心在同一竖直线上，且浮体的浮心略高于浮体的重心。设浮心的位置为（x_B，y_B，z_B），设重心的位置为（x_G，y_G，z_G），因此，重心和浮心位置关系需满足：x_G＝x_B＝0，y_G＝y_B及z_B≥z_G≥0。在确定浮体浮心和浮体重心的过程中，首先计算浮体的浮心位置，然后根据浮心位置调整水舱1及浮体上的其它设施的结构及尺寸以调整重心位置，使浮体重心及浮体浮心位置在同一竖直线上，且浮体的浮心略高于浮体的重心。需要说明的是，计算重心坐标时，需同时考虑水舱1、气舱2及浮体上其他设施的重量，即浮体重心为水舱1、气舱2和浮体上的其它设施所构成的整体的重心。每个气舱2上均设置有一个气舱充气阀，水下均压控制系统的数量与气舱充气阀的数量相同，一个水下均压控制系统与一个气舱充气阀连接。每个水舱1的底端均设置有水舱通水系统，每个水舱1的顶端设置有水舱透气系统。水舱通水系统是由两个单向阀构成，分别为出水阀和进水阀，单向阀的阀值可自行选择，当水舱内、外的压差超过该阀值时，水便通过出水阀排出或经进水阀进入舱内。水舱透气系统包括气孔及和气孔连接的气管，气管分为两组，一组气管直接与大气相连，该组气管配合水舱通水系统实现水舱的通水功能，另一组气管与充气设备相连，用于向水舱内充气。姿态监测系统由四个位置传感器组成，四个位置传感器分别分布在浮体四周的四个角上，控制器根据四个位置传感器反馈的位置信号判断浮体处于平衡状态或某种倾斜状态，实现对浮体的姿态信息进行监测，监测浮体处于平衡状态或倾斜状态。姿态监测系统与第一控制器连接，第一控制器与水舱1的透气系统及通水系统连接。姿态监测系统对浮体的位置进行监测，监测浮体处于平衡状态或倾斜状态，当浮体处于倾斜状态时，第一控制器根据姿态监测系统获取的浮体的位置信息判断浮体的哪一端发生了向下倾斜，并控制透气系统向向下倾斜的一端的水舱1内充入气体，直到浮体不再倾斜为止。

参见图3，水下均压控制系统包括：发出充气控制指令的第二控制器、驱动电路、电磁阀、充气设备、气压传感器及水压传感器。第二控制器通过驱动电路与电磁阀连接。电磁阀与充气设备连接。气压传感器及水压传感器分别与第二控制器连接。充气设备与气舱充气阀连接。实用新型

下面对浮体的工作原理进行分析说明：浮体本体在下水的过程中，水下均压控制系统可根据外界水压的大小给气舱2内充气，使气舱2压力的大小与外界水压的大小一致，此时气舱2的外壁上所有的合力基本为零，保证了浮体本体不被外界较大的压力所破坏。气舱2提供向上的浮力，从而克服浮体本体自身的重力，使浮体本体能够平稳的下水，同时还减小了牵引系统对浮体的施力强度，降低了外舱上与牵引系统连接处的结构强度要求。浮体本体在工作水域充气后，水舱1内充入气体，水舱1提供向上的正浮力，使水下浮体正常工作。浮体本体的浮心与浮体本体的重心在同一竖直线上，浮心的位置高于所述重心的位置，这种设计原则能够使整个浮体在下水的过程中保持平衡。浮体主体到达工作水域后，通过往各水舱1内充气，排出水舱1内的部分水，使得排出水的重量恰为正浮力大小，这样水舱1便可提供工作要求的正浮力。浮体本体各水舱1进行充气排水操作时，会改变整个浮体本体的重心和浮心位置，影响浮体本体的姿态，可通过控制每个水舱1的排水量以此来控制排水后的浮体本体的重心和浮心位置，保证浮体本体的姿态平衡，具体包括：步骤110、按照浮体本体需满足的正浮力要求确定需要排出的总排水量。步骤220、根据各水舱1的总排水量及根据气体状态方程计算各水舱1的总充气量，并将各水舱1总的充气量平均分配给各水舱1，确定各水舱1的充气量。步骤110和步骤220可在浮体下水前提前设置好，以保证浮体下水的安全性。步骤330、通过水舱透气系统分别向各水舱1充入对应充气量的气体。充气排水操作的原理如下：通过水舱透气系统充气增大各水舱1内的气压，使其大于外界水压，在压力差的作用下水舱1内的水通过水舱通水系统自动排出。排出部分水后水舱1内气体空间变大，气压减小，当水舱1内气压减小到小于外界水压时，水又会通过水舱通水系统进入水舱1内，减小水舱1内气体空间，增大气压。如上过程反复进行，最后达到一种动态平衡。步骤440:各水舱1充气完毕后，四个位置传感器对浮体的位置进行监测，控制器根据四个传感器反馈的位置信号计算得到浮体的姿态角度，判断浮体处于平衡状态或某种倾斜状态，当浮体处于倾斜状态时，控制器根据姿态监测系统获取的浮体的位置信息判断浮体的哪一端发生了向下倾斜，并控制透气系统向向下倾斜的一端的水舱1内充入气体，直到浮体不再倾斜为止。

本实用新型实施例具有以下有益效果：

1、浮体左侧设置的水舱和气舱所能够提供的最大最大浮力与浮体右侧设置的水舱和气舱所能提供的最大浮力相等，因此能够保证浮体的左右侧趋于平稳状态。浮体的前侧设置的水舱和气舱所能提供的最大浮力与浮体的后侧设置的水舱和气舱所能提供的最大浮力不同，因此能够根据深海管线不同侧重力的不同实现对深海管线的搭载。同时，浮体浮心的位置与重心的位置在同一竖直线上，且浮心的位置高于重心的位置，能够保证整个浮体在工作状态时保持平稳状态。浮体本体在下水的过程中，水下均压控制系统可根据外界水压的大小给气舱内充气，使气舱压力的大小与外界水压的大小一致，保证了浮体本体不被外界较大的压力所破坏。

2、气舱提供向上的浮力，从而克服浮体本体自身的重力，使浮体本体能够平稳的下水。由于分舱提供的向上的浮力与浮体向下的重力的合力较小，浮体基本趋于平稳状态，因此减小了牵引系统对浮体的施力强度，降低了外舱上与牵引系统连接处的结构强度要求。

实用新型3、浮体整个下水过程中，不需要任何充气排气操作，浮体内压力一直处于自平衡状态。同时，浮体整个下水过程中姿态的微调完全通过牵引系统进行，调节方便。

4、本实用新型提供的浮体的安装可免水下操作系统（ROV）辅助，大大降低了安装成本，安装可控性更强。

5、浮体进入工作状态后，无论是水舱还是气舱都几乎不承受压力，延长了水舱及气舱的使用寿命。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照实例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种压力平衡式浮体，其特征在于，包括水舱、气舱、用于控制所述浮体本体内部气压的水下均压控制系统、气舱充气阀、水舱通水系统及水舱透气系统，其中，所述水舱与所述气舱不连通；

所述浮体的浮心与所述浮体的重心在同一竖直线上，且所述浮体浮心的位置高于所述浮体重心的位置；

所述浮体的左右两侧是所述水舱和气舱，所述浮体左侧的所述水舱和气舱提供的浮力与所述浮体右侧所述水舱和气舱提供的浮力相等；所述浮体前后侧是所述水舱和气舱，所述浮体前侧的所述水舱和气舱提供的浮力大于所述浮体后侧的所述水舱和气舱提供的浮力，或所述浮体后侧的所述水舱和气舱提供的浮力大于所述浮体前侧的所述水舱和气舱提供的浮力；

每个所述水舱上均设置有水舱通水系统及所述水舱透气系统；

每个所述气舱上设置有一个所述气舱充气阀；

所述水下均压控制系统与所述气舱连接。

2.根据权利要求1所述的压力平衡式浮体，其特征在于，所述浮体前侧的所述水舱和气舱提供的浮力大于所述浮体后侧的所述水舱和气舱提供的浮力，或所述浮体后侧的所述水舱和气舱提供的浮力大于所述浮体前侧的所述水舱和气舱提供的浮力包括：

所述浮体前侧的所述水舱和气舱的个数大于所述浮体后侧的所述水舱和气舱的个数，或所述浮体后侧的所述水舱和气舱的个数大于所述浮体前侧的所述水舱和气舱的个数。

3.根据权利要求2所述的压力平衡式浮体，其特征在于，所述水下均压控制系统的数量与所述气舱充气阀的数量相同，且一个所述气舱充气阀与一个所述水下均压控制系统连接。

4.根据权利要求3所述的压力平衡式浮体，其特征在于，所述水下均压控制系统包括：驱动电路、充气设备、控制所述充气设备开闭的电磁阀、气压传感器、水压传感器及根据所述气压传感器、水压传感器采集的数据向所述充气设备发出充气控制指令的第二控制器；

所述第二控制器通过所述驱动电路与所述电磁阀连接；

所述电磁阀与所述充气设备连接；

所述气压传感器及所述水压传感器分别与所述第二控制器连接；

所述充气设备与所述气舱充气阀连接。

5.根据权利要求4所述的压力平衡式浮体，其特征在于，还包括姿态监测系统及第一控制器；所述姿态监测系统、透气系统及所述通水系统分别与所述控制器连接；

所述姿态监测系统对所述浮体的位置进行监测，监测所述浮体处于平衡状态或倾斜状态，当所述浮体处于倾斜状态时，所述第一控制器控制所述透气系统向所述浮体上向下倾斜的一端的所述水舱内充入气体，直到所述浮体不再倾斜为止。

6.根据权利要求5所述的压力平衡式浮体，其特征在于，所述姿态监测系统由四个位置传感器组成；

四个所述位置传感器分别安装在所述浮体四周的四个角上；四个所述位置传感器分别与所述控制器连接。

7.根据权利要求6所述的压力平衡式浮体，其特征在于，所述水舱透气系统设置在所述水舱的顶端；

所述水舱通水系统设置在所述水舱的底端。

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