CN207360522U - 一种海洋平台张力索型系泊系统 - Google Patents

Abstract

本专利公开了一种海洋平台张力索型系泊系统的技术方案，该海洋平台的系泊系统由三部分组成：即(1)张力索系统；(2)重力锚系统；(3)卷扬机与自动控制系统。本专利的张力索分为二类：其一是“边牵引索”，是设置在平台之下将平台与边锚连接起来的钢索；其二是“垂直索”，是将平台与其下的锚连接起来的钢索。依靠重力锚本身重量与海底之间产生的摩擦力来平衡平台承受的水平作用力；依靠锚本身重量与平台浮力产生的钢索张力来平衡垂直作用力。这两组钢索在卷扬机与自动控制系统的共同作用下，平衡来自各个方向的干扰力，保持平台位置的稳定。

Description

一种海洋平台张力索型系泊系统

1、技术领域：

本专利从技术角度涉及船舶及海洋工种类技术领域：主要应用于海上各类浮式建筑物或简称为浮式平台，主要解决大型浮式建筑物在海上的固定问题，故也可以属于相关应用的技术领域。

2、背景技术

本专利所谓的“海洋平台”(以下简称“平台”)泛指一切承载各种装置、非自航式的海上浮式建筑物。例如海洋采油平台、风电平台、海上浮动式油库、海上宾馆、海上浮动岛、海上养殖网箱、海上浮动机场、海上旅游景点、船舶、海上城市等等。

人类在海洋进行生活、生产与经济发展的各种活动，最基本的条件是要有生存的空间，因而要建造一定量的海上浮式或潜式建筑物。这些建筑物在海上位置的固定，现在主要采用锚固或桩固，这两种方式都存在一定的缺陷，因而有一定的使用范围。对于浅海，例如100m水深左右，常使用锚加锚链或锚索予以固定的方式，但这是一种柔性的固定方式，在大风浪来袭时，其空间位置往往不易稳定，导致其上的设备或装备不能很好地工作；若采用桩基固定的方式，又需要在海上打桩，尤其在深海，将会大大增加建设成本。

本专利是在现有技术的基础上，利用船舶的浮力原理，将海上浮动建筑物内的部分空间(一般称为“压载舱”)装满压载水后使其下沉到一定吃水(或潜入到海洋一定的深度)，将系泊索安置好之后，再抽出部分或全部压载水，以产生向上的浮力而使系泊索张紧(这样的连接索可称为“张力索”)。该索与在海底设置的重力锚之间产生一定的拉紧力，从而将浮动式建筑物牢固系紧。

我国海岸线绵长，海洋资源十分丰富。为开发近海及远海的海上资源时，需要建立许多海上浮动式建筑物，或在海面以下设置悬浮式建筑物。若采用本项技术，就可以大幅度降低建设成本。本项技术的最大特点就是原理简单，设备简单、安全可靠，成本低廉。

3、发明内容

现以一个海洋浮动式风电平台(兼海上养殖网箱)(参见附图1、附图2)为例，说明本发明的内容。

3.1一种海洋平台张力索型系泊系统的组成

如图1所示的海洋平台，其主体⑧是由一个称为“中心岛”的箱体单元及与其铰接起来的环形箱体单元(本例是8个)组成。其系泊系统由3大部份构成，即(1)张力索系统；(2)重力锚系统；(3)卷扬机与自动控制系统.

3.1.1张力索系统：分为二类：第一类称为“边牵引索”(参阅图2、图3、图4)。这类索设置在平台之下，将平台单元的角点(A₂、A₃；B₂、B₃；C₂、C₃；D₂、D₃；E₂、E₃；F₂、F₃；G₂、G₃；H₂、H₃)分别与设在平台对角线与对称线处的边锚点(A、B、C、D、E、F、G)连接起来(图1中命名为③、④)。它们的主要功能是，当平台遭遇水平方向的干扰力，如风力、水流力、波浪力作用时，利用钢索的张力将其稳定在原置位置。第二类索称为“垂直索”(在图1中用虚线表示⑤⑥)，将设置在平台对角线处的中间锚(简称中锚)(参见图2、图3)各点(A₄、A₁；C₄、C₁；E₄、E₁；G₄、G₁)与平台单元的角点(A₂、A₃；C₂、C₃；E₂、E₃；G₂、G₃；)连接起来。垂直索的功能是，在平台遭遇垂直方向的干扰力作用时，以其钢索中产生的张力将其平衡。这两组钢索的共同作用，即可以平衡来自各个方向的干扰力，以保持平台位置的稳定。

垂直分布的钢索中的张力产生的机理是：先通过调整平台内的压载舱的水量，使平台保持某一吃水(例如设计吃水)的平浮位置，然后均匀增加压载水，使其平浮于“重载”吃水状态，系紧并调整各垂直索及牵引索，使其处于拉直(或接近拉直)的状态，此时再泵出一定量的压载水。此时泵出压载水的重量，就是平台增加的浮力，此浮力就可产生各钢索的张力。浮力的大小就是各钢索张力大小的矢量总和。通过调整各压载舱浮力的大小，即可调整整个平台的平衡位置。浮力的最大值将取决于各张力索的破断强度。

应当指出的是，这种张力索平台的稳定系统，除了平台处于水面漂浮状态可以应用之外，还可以应用于平台处于水下悬浮状态，或者处于海底状态。这对于需要应对特殊海况或特殊用途的平台更有意义。

我国沿海，尤其是东南沿海，是一个多台风的水域，每年都有多起会产生巨大破坏力的热带风暴及台风。例如，当海上浮式风电平台、或海上设施遭遇特大台风袭击、或海上水产养殖网箱遭遇赤潮袭击时，需要将平时在海面上漂浮的建筑物潜入水下，以躲避风浪的袭击。采用本项技术将可以很方便实现这一点。

需要整个平台潜浮于水下时，在风暴到来之前可将大量的压载水灌入平台，使平台下沉至水面下一定深夜，然后系紧各钢索，此时再抽出一定量的压载水，让各张力索“绷紧”，使平台稳定在水面下一定位置。当赤潮或风暴过后，再逐渐按程序释放卷扬机，让平台浮出水面既定位置。这是本专利的特殊用途。

3.1.2重力锚系统：本专利采用的重力锚，是依靠本身重量产生的摩擦力来平衡水平作用力的，因而就需要锚具有较大的重量。再有，本专利不仅适用于浅海(如水深100m以下)，而且也可以适用于较深的海域(例如水深1000m左右)。这些要求，常规的船用锚及锚链都是不适宜的。

本专利所谓的“重力锚”实质上就是一堆钢筋混凝土制成的“桶”，其中装满海上最易获得、且最便宜的有重量的物质，例如砾石、海砂、某些金属矿渣、矿砂等。

本专利使用的所谓“特别设计”的重力锚的构造如图5所示。

本例重力锚由4部分组成：其一，圆桶形中心体④；其二，分为多块的外挂重物②，又称为外挂体；其三，防滑锥①；其四，附属体③⑤⑥⑦⑨⑩组成。中心体与外挂体均由钢筋混凝土浇筑而成，外挂体外部用钢板条带⑨挂在中心体结构的耳板③上，再用螺栓相互连接；外挂体的外部用一组钢箍围起来，相互用螺栓连接形成一个整体。底部的防滑锥①由钢结构做成。当整体重力锚设置在海底平面后，在重力锚重量的压力下，防滑锥会逐渐陷入海底泥砂中。这将有利于防止重力锚的位移。该重力锚中心体的中部⑧是空的，可以充填海砂、石砾、金属矿石等物资以增加重量。

该重力锚的上部设置钢环⑤，用卸扣将其与钢索相连接。钢盖⑥(包括其下的钢筋混凝土盖)与中心体法兰用螺栓⑦(或焊接)连接。

3.1.3卷扬机与自动控制系统：对于各类钢索，均可以采用独立或组合式的卷扬机进行控制，将钢索拉紧与释放，均在自动控制系统的控制下进行。自动控制系统的传感器，应能够将各钢索的实际张力传输到电脑中，并将预计应达到的张力设置在电脑程序中，用以控制各卷扬机的运作。这些是常规的自动控制技术。兹不赘述。

4、附图说明

附图1一种海洋平台张力索型系泊系统示意图

图例：

①垂直式重力锚； ②边重力锚；

③边牵引索； ④边牵引索

⑤垂直张力索； ⑥垂直张力索；

⑦空气管； ⑧平台主体；

⑨平台上层建筑； ⑩风电机塔架及中央空气管；

风电机； 太阳能光伏板；

太阳能光伏板架。

附图2海洋平台平面受力及钢索分布示意图

附图3 A-A2-A3-O剖面牵引索及垂直张力索布置及受力分析

附图4 B-B2-B3-O剖面牵引索布置及受力分析

附图5a一种海洋平台重力锚剖面图

图例：

①重力锚防滑锥； ②重力锚外挂体；

③重力锚外挂体锁扣； ④重力锚中心体；

⑤重力锚吊环； ⑥重力锚盖板；

⑦重力锚连接法兰； ⑧重力锚中空部分；

⑩重力锚外挂体钢箍；

附图5b一种海洋平台重力锚俯视图图

⑨重力锚外挂体钢挂带； ⑩重力锚外挂体钢箍；

重力锚外挂体钢箍锁紧螺栓；

5、具体实施方式(设计实例)

下面根据船舶设计理论，给出一个边长为100m的正方形铰接式“海上浮式风、光发电及水产养殖示范平台”的设计实例。

5.1设计依据

5.1.1设计使用海区：本平台设计例选择用于台湾海峡福建罗源—厦门的“外海”，位置大约为东径118°-120°，北纬23°-26.5°(计算实例取为25°N，地球自转柯氏力系数：f＝0.22)的广大海域，此海域为台湾海峡两岸多台风水域。

5.1.2设计风级：蒲福风级16级的特大台风(以海面上10m风速计)

某气象站对一次特大台风测定的数据如下：

当地平均大气压P_a＝1013.6百帕(hPa)

台风中心风压：P_o＝914百帕

气压差：ΔP＝P_a-P_o＝99.6百帕

最大风速半径(距台风中心的距离)：R＝27海里＝50公里

台风移动速度：U_f＝20公里/小時＝10.8节＝5.56m/s

(注：上述数据接近2016年台风“莫兰蒂”)

5.2平台主要尺度

作为实例(参见图1、图2)，本平台其主要尺度如下：

5.3台风区域波浪要素计算：

这里所指的“波浪要素”是指波高H_1/3、波长λ、周期T_1/3。

采用较为通用的Bretschn_eid_er(1957)下列经验公式:

计算16级台风时波浪要素的最大值如下：

海面上10m处最大梯度风速(U_g)_max为：

(U_g)_max＝0.868×[73×0.1718×(ΔP)^1/2-0.575R×0.22]

＝105.23(节)＝54.14m/s

此值相当于蒲福风级16级，

海面上10m处最大持续风速U_r(节)，由下式得出：

对于移动台风：

U_{r rmax}＝0.865×(U_g)_max+0.5U_f＝96.52节＝49.65m/s

求得U_{r rmax}之后，再利用下列二式可以求得该台风形成的深水最大有效波高H_1/3max和周期T_1/3max。

H_1/3max＝5.03exp(0.000295×R×ΔP)

×(1+0.208×U_f/(U_r)^(1/2))＝14.45m

T_1/3max＝8.6exp(0.000148×R×ΔP)

×(1+0.104*U_f/(U_r)^(1/2))＝14.3s

根据深水波浪的周期与计算波长的关系公式，对应于此波浪周期的波长如下：

λ_max＝(g/(2×π))×T²＝9.81/(2×3.1416)×14.3^2＝318m

以上参数作为计算平台受力的依据。

5.4按张力索原理确定系泊系统

5.4.1平台漂浮状态所承受的载荷

(1)风载荷，按《港口程载荷规范》(JTJ215P)

计算公式：

作用于平台的风载荷：W_k＝μ_s×μ_z×W₀(KN)

其中：风载荷标准值，按《港口程载荷规范》附表取：

W₀＝V₁ ²/1600＝1.79

其中：V₁——按16级台风选取的距海面10m高度的风速

V₁＝53.5m/s

μ_s——体型系数，取为1.5

μ_z——风压高度变化系数，取值2.12

另考虑计算误差系数1.2，由此得：

W_K＝1.2×1.5×2.12×1.79＝6.83kPa

于是：作用于平台的单位面积风载荷为：

F_oh＝W_K/9.81＝0.696t/m²

平台侧面的受风面积，经计算：

A_W1＝492m²

由此总的风载荷为：F_W1＝0.696×492＝342.42t

(2)水流力F_W2按《港口程载荷规范》：

其中：ρ_W——水的密度，取为ρ_W＝1.025t/m³

A_W2——水流力面积，本例A_W2＝B×T＝100×2＝200m²

V_M——水流速度，取V_M＝4节＝2.058m/s

C_W——阻力系数取C_W＝1.5

由此：水流力F_W2＝1.5×1/2×1.025×2.058²/9.81＝66.35t

(3)波浪力

按中国《海港水文》推荐的Sainflou法

适用于相对水深h/λ＝0.1～0.3；H/λ≥0.33范围的水域。

本例：水域水深h＝50m，波长取16级台风中心区最大波长：λ_max＝318m，有义波高H_1/3＝14.4m，即相对水深h/λ＝0.157；波陡H_1/3/λ＝0.045，均在适用该方法的范围之内，由此参见《海岸工程中的海浪计算方法》一书P.227所附图表查得参数：r＝1.84,Δ₂＝1.19，由此得出：作用于本平台的波浪力

F_W3＝100.74t

作用于平台的水平作用力总和为：

ΣF＝F_W1+F_W2+F_W3＝486.7t

5.4.2平台张力索的布置

参见图2与图3，布置在海底的锚分为2类，其一，在平台之外有8个，称为边锚；钢索与边锚的连接点分别命名为A、B、C、D、E、F、G、H；每个边锚吊环上系钢丝索2组，共有16组；钢索与平台的连接点分别命名为A₂、A₃；B₂、B₃；C₂、C₃；D₂，D₃；E₂、E₃；F₂、F₃；G₂、G₃；H₂、H₃。其作用是产生拉力，以平衡沿水平方向的作用力。在平台平面投影之内有8个锚，称为中锚。每个中锚吊环上系钢丝索1组，共有8组，均沿平台对角线布置；钢索与平台的连接点分别命名为A₁、A₄；B₁、B₄；C₁、C₄；D₁、D₄；E₁、E₄；F₁、F₄；G₁、G₄；H₁、H₄。其作用是产生张力，以平衡沿垂直方向的作用力。

5.4.3作用于平台的力

作用于平台的力是很复杂的。可简化分为水平方向的作用与垂直方式向的作用力。

5.4.3.1水平方向作用力：

假设平台(参见图2)承受了沿X轴方向的作用力ΣF，此作用力由沿与X轴成45°角的A-A₂-A₃-O钢索(简称a组索)与C-C₂-C₃-O钢索(简称c组索)、及X轴向的B-B₂-B₃-0(简称b组索)共同承受。令在此3个方向索之间的负荷分配系数为ε_a,ε_b,ε_c，分别为30％：40％：30％。(注：3个方向索之间的负荷分配系数应由模型试验确定)

对a组索而言(参见图3)，设三角形AA₃A₁的张角为θ₁，三角形AA₂A₄的张角为θ₂。假定作用于A₂点(索a①)与A₃点(索a②)的水平负荷按下列比例分配，经计算：

ε_a1＝cosθ₁/(cosθ₁+cosθ₂)＝0.556

ε_a2＝1-ε_a1＝0.444

(注：2根牵引索之间的负荷分配系数也应由模型试验确定)

(1)作用于钢索a的水平方向作用力

参见图2，在A-A2-A3-O对角线上的钢索承受的总水平作用F_a可按下式计算：

F_a＝ε_a*ΣF/cos45°＝260.48t

Fa₁＝ε_a1*F_a＝0.556*260.48＝114.7t

参见图3，A-A₂-A₃-0剖面张力索布置图及受力分析可知：

由三角形A-A₁-A₃可以求得夹角θ₁。对本例：h₀＝40.75ma₁＝84.66m

Tanθ1/a₁＝0.48

由此θ₁＝25.65°

由三角形A-A₂-A₄可以求得夹角θ₂。对本例：h₀＝40.75m a₂＝42.43m

Tanθ2/a₂＝0.96

由此θ₂＝43.85°

(2)作用于钢索a①方向的作用力FA₁

FA₁＝k₁*F_a1/cosθ₁＝165.42t

其中取不均匀分布系数K₁＝1.3

(3)锚重量的确定

沿着钢索A-A₃的力FA₁作用于锚A，可以分解为在海底平面的索引力F_a1与垂直于海平面的上升力F_a1y。取重力锚与海底的摩擦系数为μ＝0.15，则可确定克服此滑动力所需要的锚重量为：

P_a1＝F_a1/μ＝764.7t

FA₁产生垂直于平台的力，将锚向上拉，使锚重量减轻，故锚的总重量W_a1应加上此力，即：

W_a1＝P_a1+Fa1_y＝P_a1+F_a1*sinθ₁＝836.31t

(4)铰车的牵引力

若取动滑轮的绳索根数为4，则在铰车滚筒上每根钢索的牵引力为：

FA₁₀＝FA₁/n₁＝41.35t

此计算值为索a①钢索的选型依据

实际选用钢索型号为：6*37S,直径d＝40mm,σb＝1670MPa,其破断拉力为：Sb＝95.1t,

按照上述同样的原理，可以对连接A-A₂的钢索a②以及对连接B-B₂，B-B₃的钢索b①及b②进行同样的计算，计算结果如下表所示：

5.4.3.2垂直方向作用力：

根据平台重量及浮力计算，平台在设计吃水时，需要进入压载舱的压载水的重量为WBT＝712.25t，可以设想，此时如果将设置在平台A₂、A₃；C₂、C₃……等角点的钢索拉紧，然后再将这部分压载水泵出平台之外，则产生的垂直方向的浮力就会在钢索A₂-A₄、A₃-A₁之间产生张力，将钢索拉得更紧。

在仅考虑静浮力的条件下，将平台全部沉入海平面之下，即“潜浮”于水中，然后再全部排出压载水并下沉到预定吃水时，就能够在垂直设置的钢索内产生最大的张紧力。

经计算，本平台主体全部沉入水面之下的排水量：

Δ_m＝6427.86t

平台下沉到甲板距水面12m时平台的总排水量

Δ_max＝9306.33t

平台下沉到甲板距水面12m时最大压载水量BW_max应为最大排水量与空船排水量之差，即

BW_max＝Δ_max-ΣW₀＝9306.33-3572.99＝5733.84t

其中，ΣW₀为空平台重量，ΣW₀＝3572.99t.

若将此压载水重量全部抽空，产生的最大张力为Δδ＝5733.84t。

全平台共设有8组垂直张力索③，取不均匀系数为K₂＝1.3，每组张力索的平均张力FL：

FL＝K₂*δΔ/8＝1.3*5733.84/8＝931.75t

选用滑轮组的动滑轮钢索根数为N＝8,则每根钢索的拉力应为FL₀＝FL/N＝931.75/8＝116.47t。

此拉力用以钢索③的选型。选型为6V*37S+IWR,直径d＝52mm,σ_b＝1670MPa,其破断拉力为：Sb＝172t,

而FL＝931.75t用以垂直锚的重量选型，该垂直锚每个的重量取为1000t。现将本例各钢索的计算结果列为下表：

6、重力锚及负荷计算

6.1重力锚构造

为了在16级台风的巨大风力作用下，保持平台在漂浮与潜浮状态的位置稳定，同时也考虑制作锚的成本及安装经济性，本平台采用了作者特别设计的一种重力锚形式。

所谓“重力锚”，就是仅依靠锚本身的重量固定于海底的一种锚。而常规的船用锚(例如霍尔锚、斯贝克锚等)，不仅依靠锚及锚链的重量，而且还依赖于锚爪陷入海底泥土产生的抓力来将船舶系泊。

6.2典型重力锚主要参数:

重量为2000t的重力锚(本例的8只边锚)，其外圆直径为17.9m,总高度为8.95m。为加大重力锚的重量，在中心体的外缘设置一圈“挂重”，整个重力锚的总重量(干重)为3559.07t,在整个锚体入水且中空部分灌入海砂后，扣除浮力1556.52t，其整个重力锚在海水中的重量为2002.6t,可视为2000t；重量为1000t的重力锚(本例的8只垂直锚)，其外径为D₁＝14.18m，整个重力锚的总重量(干重)为1779.47t,在整个锚体入水且中空部分灌入海砂后，扣除浮力776.83t，其整个重力锚在海水中的重量为1002.64t,即视为1000t。

6.3本例“重力式锚”的特点

本例所谓“重力式锚”其基本原理是用人工方式将重物在海底堆积成“小山”，产生可以抗击海上风、浪、流的基础。而使基础不发生位移的重物，是海边最易取得、且最便宜的石头与砂粒，因而，本方案最大的优点之一是成本低廉。

本方案无须打桩，对安装施工工艺要求不高，对安装点处的地质条件也要求不高，只需一块较平整的海底地面即可；锚的中心体与挂重均可设计成可拼接的小块，运到现场组装；既可用大型吊机起吊下水，也可从驳船上拖滑下水(或用气囊配合下水)，无需使用起重船配合，可节省大量的安装时间与费用。

本方案是针对于水深50m的海上平台的案例，实际上对于更深的海域(例如水深100m)从原理上是一样的。只需将重力锚设计得更大一些即可。因而本方案有很大的推广价值。

Claims (4)

1.一种海洋平台张力索型系泊系统，所述平台包括一个箱体单元以及与所述箱体单元铰接的环形箱体单元，所述平台内设有压载舱，其特征在于，所述的海洋平台张力索型系泊系统由3个部分构成：张力索系统、重力锚系统以及卷扬机与自动控制系统；

张力索系统分为边牵引索与垂直索二类，所述张力索系统的主要功能是将海洋平台与海底连接起来，以平衡平台遭遇的各个方向的干扰力；

重力锚系统设置在海底并且依靠本身重量维持平台的稳定；

卷扬机与自动控制系统用以协调各钢索的动作；

所述边牵引索设置在所述平台之下用以连接所述平台位于对角线处的边锚和对称线处的边锚，所述垂直索用以连接所述平台的对角线处的中间锚和所述平台的箱体单元的角点；所述张力索系统与所述压载舱连接；

所述重力锚系统与所述张力锁系统连接；

所述卷扬机与自动控制系统和所述张力锁系统连接。

2.根据权利要求1所述的一种海洋平台张力索型系泊系统，其特征在于，所述的张力索系统分为二类：第一类称为边牵引索，由设置在平台之下并且将平台与对角线及对称线处的边锚点连接起来的钢索组成；所述边牵引索的主要功能是，当平台遭遇水平方向的干扰力作用时，利用钢索的张力将其稳定在原置位置；第二类称为垂直索，由置于平台以下并且将平台与垂直方向的锚连接起来的钢索组成；垂直索依靠平台的浮力与锚的重力产生的张力，以平衡平台遭遇的垂直方向的干扰力。

3.根据权利要求1所述的一种海洋平台张力索型系泊系统，其特征在于，所述的重力锚系统由4部分组成：圆桶形中心体；分为多块的外挂体；设置在锚底部的防滑锥；附属体。

4.根据权利要求1所述的一种海洋平台张力索型系泊系统，其特征在于，所述的重力锚系统的中心体与外挂体均由钢筋混凝土浇筑而成，该中心体的中部是空的，可以充填海砂、砾石、金属矿石物资以增加重量；外挂体外部用钢板条带挂在中心体的耳板上，再用螺栓相互连接；外挂体的外部用一组钢箍围起来，相互用螺栓将其连接形成一个整体。