CN216041276U - 一种采用主动推进控制的半潜式动力抱桩平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种采用主动推进控制的半潜式动力抱桩平台。其组成包括浮体结构、抱桩器、动力推进系统、拖曳控制系统、实时监测系统、供电通信系统等。本实用新型以浮体结构作为沉桩过程中的稳桩平台，无需施打辅助定位桩，较传统固定式稳桩平台能够有效的提高海上施工作业效率和机动性；采用浮体结构浮箱处设置的动力控制系统和拖轮辅助拖曳控制系统，实现对动力抱桩平台及桩基础全方位的位移控制。本实用新型结构简单，施工机动性强，实现桩基础施工过程中的垂直度动态精确控制，能够很好的适用于水深较大或软土基质海床的海洋环境沉桩施工中。

Description

一种采用主动推进控制的半潜式动力抱桩平台

技术领域

本实用新型属于海洋工程施工相关技术领域，尤其是涉及一种采用主动推进控制的半潜式动力抱桩平台。

背景技术

在全球节能减排、能源短缺、能源供应形势日趋严峻的大背景下，海上风电作为清洁能源受到越来越多的关注。我国海上风资源丰富，尤其是在深远海区域，在大规模开发建设近海风电后，海上风电逐渐向深远海域发展。单桩基础因施工效率高，经济性好，在海上风电所用基础型式中具有较高的占比。随着海上风电走向深远海，风机机组功率增大，单桩基础直径、长度均在增大，同时海上风电机组运行对单桩施工的垂直度要求极为严苛，给单桩基础的施工带来了更高的挑战。

外海施工环境恶劣，稳桩施工技术是保证海上风电单桩垂直度的关键技术，基于稳桩平台的施工工法常用于单桩基础沉桩中。常用的稳桩平台有独立式稳桩平台和自升式支腿船稳桩平台两种。独立式稳桩平台施工前需要预先安装辅助定位桩进行固定，再将单桩基础喂入稳桩平台抱桩器内，调整桩体垂直度后并沉桩至设计标高。自升式支腿船稳桩平台则是在自升式支腿船上自带施工平台，当船只到达作业现场后利用桩腿插入海底支撑并固定船舶，通过液压升降装置调整船体完全或部分露出水面，再进行沉桩施工。

在深海区域，由于水深增大和更为恶劣的海况环境，独立式稳桩平台的辅助桩和自升式支腿船稳桩平台的桩腿长度均大幅增加、结构重心较高，稳桩平台自身稳性较差、存在倾覆风险，在沉桩施工过程中无法提供足够的水平反力用于纠偏；此外，两种稳桩平台的辅助桩的插拔均需消耗大量的作业时间，海上施工效率低，需要较长的窗口期。因此，深远海风电场的开发急需对传统的稳桩平台及施工工艺进行改进。

实用新型内容

针对上述背景技术中的问题，本实用新型旨在供一种采用主动推进控制的半潜式动力抱桩平台。为此，本实用新型采用以下技术方案：

一种采用主动推进控制的半潜式动力抱桩平台，其特征在于：所述采用主动推进控制系统的半潜式动力抱桩平台包括浮体结构、抱桩器、动力推进系统、拖曳控制系统、实时监测系统、供电通信系统；

所述抱桩器固定在浮体结构上；

所述浮体结构设置所述动力推进系统；实现在海洋环境中的主动控制浮体结构位移和位移方向以及沉桩时的桩的姿态；

所述拖曳控制系统设置缆绳，所述缆绳连接在浮体结构和拖轮之间，在沉桩时，以拖轮的拖曳力配合动力推进系统，调整平台的水平位置和反力。

在采用上述技术方案的基础上，本实用新型还可采用以下进一步的技术方案，或对这些进一步的技术方案组合使用：

所述浮体结构包括处于不同方位的若干浮箱；所述不同方位的浮箱之间以撑杆互相连接形成整体结构，提供海上作业时需要的浮力；所述浮体结构内对于所述不同方位的若干浮箱分别均布置有可调压载舱和固定压载舱，保证了浮体结构物的运动稳性，并利用压载水泵改变压载水量使浮体结构的吃水深度满足不同的施工过程。

所述抱桩器为以桩基为中心的桁架式结构，整体固定于浮体结构的工作甲板；抱桩器上设若干抱臂，抱臂按需在抱桩器的垂直方向上分层设置；抱臂上设有抱箍和千斤顶，可适应不同直径的单桩基础，通过千斤顶控制抱臂的伸缩时抱箍顶撑在桩基外壁，使桩基和浮体结构共同运动。

所述动力推进系统包括布置在浮体结构四周的多个推进器，推进器由蜗杆及其伺服电机、蜗轮、转轴、螺旋桨推进器构成，螺旋桨推进器安装在转轴下端，设置于浮体结构的不同方位上，由螺旋桨推进器上螺旋桨叶的转动提供控制浮体位移的作用力，并通过对多个推进器转轴的旋转角度和螺旋桨叶转速的双重控制，实现在海洋环境中的主动控制浮体结构位移和位移方向以及沉桩时的桩的姿态。当所有浮箱动力推进系统协同调整时，则控制浮体结构整体在所有自由度方向上的运动，起到稳定浮体结构和其中的大直径单桩的作用。

所述拖曳控制系统在浮体结构四周设置有系缆柱，施工作业需要对桩基垂直度进行纠偏时，以海工缆绳连接拖轮和系缆柱，从一侧或两侧牵引浮体结构及桩基，并配合动力推进系统，提供更大的沉桩纠偏反作用力。

所述实时监测系统含数据采集仪、倾角计、激光测斜仪等必要的监测设备和数据采集设备；数据采集仪与倾角计、激光测斜仪相连，倾角计布置于桩身，用于测量沉桩过程中桩基的垂直度；激光测斜仪布置于抱桩器上，用于测量抱桩器和桩身之间的相对倾斜度；以上监测数据由数据采集仪收集后，通过脐带缆传输至工作母船。

所述供电通信系统包括主发电机和脐带缆，所述脐带缆含有供电电缆和通信电缆，于所述供电通信系统在浮体结构配备有主发电机的基础上，通过与工作母船连接的脐带缆进行供电，以提供动力推进系统需要的大量电能，同时兼具传输实时监测系统数据的功能。

本实用新型的有益效果是：

(1)沉桩前可将动力抱桩平台拖航移位至施工地点，并通过动力推进系统迅速实现快速定位，相比于传统固定式稳桩平台和自升式支腿船稳桩平台，无需大型驳船和起吊船进行运输和固定，大大提高海上尤其是深水区作业的效率和机动性；

(2)根据不同的作业水深及施工工况，浮式动力稳桩平台可调整浮箱中的压载水量改变吃水深度使浮式稳桩平台适用于一定范围的水深和桩长条件，较固定式稳桩平台在深水海域具有更好的稳定性，在结构上有更好的经济性；浮箱压载舱分为可调压载舱和固定压载舱，并在固定压载舱中设高密度混凝土等合适的压载材料，在满足压载需求的前提下，降低平台重心提高稳性。

(3)根据实时监测系统反馈的数据调整动力推进系统中转轴的旋转角度和螺旋桨叶的转速，实现定位浮体结构、对浮体结构位移的主动控制；如水平抗力进一步增大，则采用拖轮通过系缆柱拖带进行复合控制。结合浮体结构上的抱桩器，对单桩基础沉桩过程中的垂直度加以主动控制，提供足够的纠偏水平反力，较传统固定式稳桩平台的被动控制方法具有更准确的动态调整机制。

(4)当沉桩过程中发生溜桩等失稳情况时，浮式稳桩平台及抱桩器可起到缓冲的作用，减小溜桩距离的同时保障桩基和船机的安全。

(5)本实用新型制造简单，施工性强，能够很好的确保沉桩精度和时效，在深水环境中，具有更显著的经济优势。

附图说明

图1为本实用新型的主视图；

图2为本实用新型的浮体结构仰视图；

图3为本实用新型的抱桩器俯视图；

图4为本实用新型的动力推进系统侧视图；

图5为本实用新型的实时监测系统主视图。

图中：1-工作甲板；2-浮箱；3-浮箱撑杆；4-浮箱压载舱；5-浮箱压载水泵；6-动力推进系统；7-系缆柱；8-抱桩器；9-抱臂；10-抱箍；11-千斤顶；12-单桩基础；13-打桩锤；14-数据采集仪；15-倾角计；16-测斜仪；17-脐带缆；18-工作母船。

具体实施方式：

为进一步说明本实用新型内容、特点与技术效果，兹列举一个实施例，并配合附图说明如下。

本实用新型以四浮箱半潜式动力抱桩平台为对象对本实用新型进行阐述。

如图1、图2所示，一种采用主动推进控制的半潜式动力抱桩平台，包括浮体结构、抱桩器、动力推进系统、拖曳控制系统、实时监测系统、供电通信系统等。

浮体结构由工作甲板1、4个浮箱2构成。工作甲板1焊接于浮箱2上，工作甲板1四角采用倒角设计，减少波浪对工作甲板1稳定性的影响。浮箱2之间通过浮箱撑杆3相连，形成具有一定强度和刚度的整体结构。工作甲板1中间开口形成供沉桩用的喂桩口。浮箱2下设浮箱压载舱4和浮箱压载水泵5，通过在施工过程中调节压舱水量使浮体结构整体结构满足不同工况的需求。

浮箱压载舱4分为可调压载舱41和固定压载舱42。可调压载舱41内以水为载体，可利用浮箱压载水泵5改变压载水量使浮体结构适用于不同的工况及不同的水深环境。固定压载舱42采用铁矿石、混凝土等高密度材料作为压载物，具有较大的质量，能够降低浮体的重心，增加整体平台的稳性。浮箱压载舱调节方式如下：当整个抱桩平台处于拖航过程中，排出可调压载舱41中的压载水，使抱桩平台上浮，减少拖航阻力，让抱桩平台处于适拖状态；当拖运至具体机位进行沉桩施工时，增加可调压载舱41中的压载水，使抱桩平台下沉，提高施工稳定性。

如图3所示，抱桩器8为以桩基为中心的空间钢桁架结构，由若干横向撑杆、竖向撑杆、斜向撑杆相互连接形成整体结构。抱桩器的最下端焊接在浮体结构的工作甲板1上。抱桩器8在中心形成单桩基础12施工卡槽，与工作甲板1上的喂桩口一起供沉桩使用。抱桩器8内侧设若干抱臂9，抱臂9可按需在抱桩器8的垂直方向上分层设置，同一层上的抱臂9沿着单桩施工卡槽均匀分布。抱臂9内侧端设抱箍10，抱箍10内贴橡胶层，防止抱箍与桩体摩擦破坏桩身防腐涂层，外侧端设千斤顶11。沉桩时，可根据所沉单桩直径利用千斤顶11调节抱臂9的伸缩，使抱箍10顶撑在大直径单桩12外壁上，实现大直径单桩12与浮体结构同步运动。

如图4所示，动力推进系统由动力推进系统6构成，布置于每个浮箱2下部。动力推进系统6分为动力推进和转向控制两部分，含蜗杆61、蜗轮62、转轴63、螺旋桨推进器64及驱动蜗轮62的伺服电机。螺旋桨推进器64含螺旋桨叶和电机。蜗杆61与蜗轮62啮合，蜗杆61通过内置的伺服电机提供动力，带动蜗轮62转动，蜗轮62推动转轴63转动，带动螺旋桨360°全方位回转。螺旋桨推进器64电机调整转速，实现推进力控制。通过对转轴63的旋转角度和螺旋桨推进器64转速的双重控制，实现单个浮箱2全方位运动调整；通过4个浮箱2中动力推进系统6的协同作用，可实现整个浮体结构的全方位运动控制，使得浮体结构尽可能处于平衡位置，起到控制大直径单桩12桩身垂直度的目的。

如图5所示，实时监测系统包括数据采集仪14，倾角计15，测斜仪16。其中，倾角计15布置于大直径单桩12桩身外壁，用于测量沉桩过程中桩基的垂直度，测斜仪16布置于抱桩器8上，数据采集仪14布置于工作甲板1上。倾角计15用于测量大直径单桩12的垂直度，测斜仪16用于测量浮体结构和单桩基础之间的相对倾斜度，实时测量反馈抱桩器和桩身之间的相对倾斜度。数据采集仪14与倾角计15、激光测斜仪16相连，同时，动力推进系统中的测量转轴旋转角度的传感器、测量转速的传感器也与数据采集仪14相连，数据采集仪14可收集各类测量仪器的测量数据以及动力推进系统6中转轴63的旋转角度和螺旋桨叶64转速等数据。所有采集得到的数字信息可通过脐带缆17传输至工作母船18，实现远程控制。

供电通信系统包括脐带缆17和工作母船18，通过脐带缆17连接工作母船18和浮体结构，给浮体结构上各类设备如动力推进系统6、实时监测系统中的各类测量仪器提供动力，数据采集仪14收集到的各类数据可通过脐带缆17传输至工作母船18，工作母船18也可通过脐带缆17将控制性指令发给浮体结构。

拖曳控制系统在工作甲板1四周预先设置一定数量的系缆柱7，在沉桩作业需要对桩基垂直度进行纠偏时，以海工缆绳连接拖轮和稳桩平台的系缆柱，从一侧或两侧牵引、拖带稳桩平台及桩基，并配合动力推进系统，提供更大的沉桩纠偏反作用力，调整平台的水平位置和反力。

以上实施例仅为本实用新型的一种较优技术方案，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本实用新型的原理和本质情况下可以对实施例中的技术方案或参数进行修改或者替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种采用主动推进控制的半潜式动力抱桩平台，其特征在于：所述采用主动推进控制系统的半潜式动力抱桩平台包括浮体结构、抱桩器、动力推进系统、拖曳控制系统、实时监测系统、供电通信系统；

所述抱桩器固定在浮体结构上；

所述浮体结构设置所述动力推进系统；实现在海洋环境中的主动控制浮体结构位移和位移方向以及沉桩时桩的姿态；

所述拖曳控制系统设置缆绳，所述缆绳连接在浮体结构和拖轮之间，在沉桩时，以拖轮的拖曳力配合动力推进系统，调整平台的水平位置和反力。

2.根据权利要求1所述的一种采用主动推进控制的半潜式动力抱桩平台，其特征在于所述浮体结构包括处于不同方位的若干浮箱；所述不同方位的浮箱之间以撑杆互相连接形成整体结构，提供海上作业时需要的浮力；所述浮体结构内对于所述不同方位的若干浮箱分别均布置有可调压载舱和固定压载舱，保证了浮体结构物的运动稳性，并利用压载水泵改变压载水量使浮体结构的吃水深度满足不同的施工过程。

3.根据权利要求1所述的一种采用主动推进控制的半潜式动力抱桩平台，其特征在于所述抱桩器为以桩基为中心的桁架式结构，整体固定于浮体结构的工作甲板；抱桩器上设若干抱臂，抱臂按需在抱桩器的垂直方向上分层设置；抱臂上设有抱箍和千斤顶，可适应不同直径的单桩基础，通过千斤顶控制抱臂的伸缩时抱箍顶撑在桩基外壁，使桩基和浮体结构共同运动。

4.根据权利要求1所述的一种采用主动推进控制的半潜式动力抱桩平台，其特征在于所述动力推进系统包括布置在浮体结构四周的多个推进器，推进器由蜗杆及其伺服电机、蜗轮、转轴、螺旋桨推进器构成，螺旋桨推进器安装在转轴下端，设置于浮体结构的不同方位上，由螺旋桨推进器上螺旋桨叶的转动提供控制浮体位移的作用力，并通过对多个推进器转轴的旋转角度和螺旋桨叶转速的双重控制，实现在海洋环境中的主动控制浮体结构位移和位移方向以及沉桩时的桩的姿态。

5.根据权利要求1所述的一种采用主动推进控制的半潜式动力抱桩平台，其特征在于所述拖曳控制系统在浮体结构四周设置有系缆柱，施工作业需要对桩基垂直度进行纠偏时，以海工缆绳连接拖轮和系缆柱，从一侧或两侧牵引浮体结构及桩基，并配合动力推进系统，提供更大的沉桩纠偏反作用力。

6.根据权利要求1所述的一种采用主动推进控制的半潜式动力抱桩平台，其特征在于所述实时监测系统含数据采集仪、倾角计、激光测斜仪；数据采集仪与倾角计、激光测斜仪相连，倾角计布置于桩身，用于测量沉桩过程中桩基的垂直度；激光测斜仪布置于抱桩器上，用于测量抱桩器和桩身之间的相对倾斜度；以上监测数据由数据采集仪收集后，通过脐带缆传输至工作母船。

7.根据权利要求1所述的一种采用主动推进控制的半潜式动力抱桩平台，其特征在于所述供电通信系统包括主发电机和脐带缆，所述脐带缆含有供电电缆和通信电缆，于所述供电通信系统在浮体结构配备有主发电机的基础上，通过与工作母船连接的脐带缆进行供电，以提供动力推进系统需要的大量电能，同时兼具传输实时监测系统数据的功能。

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