JP2023077865A - エアタイト構造 - Google Patents

Abstract

【課題】洋上構造物の脚部内で海水面に接する領域をその上方の領域から気密に封止するエアタイト構造において、海水面に接する領域側で発生するガスを円滑に排出する。【解決手段】洋上風力発電機１のエアタイトプラットフォーム５５は、脚部４１内の海水面Ｗ１に接する海水環境空間４３Ｂを上方の通常環境空間４３Ａから気密に封止する。エアタイトプラットフォーム５５は、海水面Ｗ１の上方で水平に設けられた水平板材６１と、水平板材６１の下面６１ｂに設けられ海水環境空間４３Ｂ内のガスを通過させて上方に送るためのガス抜き穴６７と、下面６１ｂに接合された複数の梁材６５を有し水平板材６１を補強する補強部６３と、を備え、補強部６３は、梁材６５Ａを横切るように設けられ、水平板材６１の下面６１ｂに浮いて溜まるガスを下面６１ｂに沿って水平方向に通過させるガス通過路７１を有する。【選択図】図４

Description

本発明は、洋上構造物のエアタイト構造に関するものである。

従来の洋上構造物として、下記特許文献１に記載の洋上風力発電機が知られている。この種の風力発電機は、海底から上空に延びる脚部の上端に、ナセル及びブレードを含む風力発電機本体が設置された構造をなしている。筒状の構造をなす脚部の中空部には、風力発電機の運転管理を行うための管理設備が設けられる。一方、管理設備よりも下方においては、脚部の中空部に外部の海水面と同じ高さまで海水が侵入している。

特許5993756号公報

このような風力発電機の脚部内においては、管理設備の塩害を抑制するために、海水が浸入している領域を管理設備の領域から気密に封止するエアタイト構造を設置することが考えられる。エアタイト構造は、例えば脚部内を上下に分ける水平板材を有する。水平板材よりも下方でガスが発生する場合、このガスの上昇が水平板材で遮られ当該水平板材近傍に浮いて溜まることが考えられる。この場合には、水平板材にガス抜き穴を設け、当該ガス抜き穴を通じて上記ガスを水平板材の上方に抜き出し、最終的には脚部の外部に排出するなどして処分する。一方、例えば水平板材の下面に梁材を設置するなどの補強構造によって水平板材の強度を確保することも必要である。そうすると、この補強構造によってガス抜き穴へのガスの円滑な移動が妨げられる虞もある。

本発明は、洋上構造物の脚部内で海水面に接する領域をその上方の領域から気密に封止するエアタイト構造において、海水面に接する領域側で発生するガスを円滑に排出することを目的とする。

本発明のエアタイト構造は、洋上構造物の筒状をなす脚部の内部空間に設けられ、内部空間に侵入している海水の海水面に接する海水環境空間を上方の通常環境空間から気密に封止するエアタイト構造であって、海水面の上方で水平に設けられ内部空間を上下に仕切る水平板材と、水平板材の下面に設けられ海水環境空間内のガスを通過させて上方に送るためのガス抜き穴と、水平板材の下面に接合された複数の梁材を有し水平板材を補強する補強部と、を備え、補強部は、梁材を横切るように設けられ、水平板材の下面に浮いて溜まるガスを下面に沿って水平方向に通過させるガス通過路を有する。

梁材が中空構造をなしており、補強部は梁材の中空部を海水環境空間から気密に封止する蓋材を更に有する、こととしてもよい。本発明のエアタイト構造は、内部空間内の海水に浸漬された防食電極を有する電気防食設備の上方に設けられている、こととしてもよい。本発明のエアタイト構造は、ガス抜き穴と、水平板材よりも上方で脚部の外面に設けられガスを脚部の外部に排出するためのガス排出口と、を繋いで通常環境空間内を通過するベンチレーションパイプを更に有する、こととしてもよい。

本発明によれば、洋上構造物の脚部内で海水面に接する領域をその上方の領域から気密に封止するエアタイト構造において、海水面に接する領域側で発生するガスを円滑に排出することができる。

本実施形態のエアタイト構造が適用される風力発電機の正面図である。 風力発電機のプラットフォーム近傍を拡大して示す斜視図である。 風力発電機の脚部の一部を一部破断して示す斜視図である。 （ａ）は、エアタイトプラットフォームを下方から見上げた状態を示す斜視図であり、（ｂ）は、エアタイトプラットフォームの底面図である。 （ａ）は梁材の斜視図であり、（ｂ）は、ガス通過路近傍を拡大して示す側面図であり、（ｃ）はその斜視図である。 （ａ）は、変形例に係るガス通過路近傍を拡大して示す側面図であり、（ｂ）はそのガス通過路が形成された梁材の分解斜視図である。

以下、図面を参照しながら本発明に係るエアタイト構造の実施形態について詳細に説明する。以下の説明において同一又は相当する要素には図面で同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、図面は、理解の容易化のため、簡略化又は誇張して描いている場合があり、寸法比率等は図面に記載のものに限定されない。

図１は、本実施形態のエアタイト構造が適用される洋上構造物の一例として、風力発電機１を示す正面図である。図に示されるように、風力発電機１は、例えば、海底Ｂに設けられており、洋上風力発電を行う。但し、風力発電機１は、海洋に限られず、例えば、湖又は河川等に設けられていてもよい。風力発電機１は、海底Ｂから海水面上に突出して鉛直に延びる脚部４１と、脚部４１の上端部に取付けられた発電機本体４２と、を備えている。

発電機本体４２は、ナセル５と、ナセル５に取り付けられたブレード６と、を備える。ナセル５の内部には発電機及び増速器等が収容されており、例えば、増速器からはローター軸がナセル５の外部に突出している。ブレード６は、ナセル５のローター軸に固定されている。風力発電機１は、例えば、３枚のブレード６を備える。ブレード６が風を受けて回転すると、この回転はナセル５の内部の増幅器により一定の回転数に上げられて、この回転運動はナセル５の内部の発電機によって電力に変換される。例えば、ナセル５は、風向風速計を備えており、風速及び風向に対応してローターの向きとブレード６の角度を制御することにより、効率的な発電を行う。

脚部４１は、海底Ｂに打設されたモノパイルである基礎２と、基礎２の上方に接続されたトランジションピース３と、トランジションピース３の更に上方に接続されたタワー４と、を備える。基礎２、トランジションピース３、及びタワー４の各本体部は、概ね円形断面をなし互いに同軸で鉛直方向に配置されている。なお、基礎２は、モノパイルの基礎形式に代えて、トリパイル式の洋上風力基礎、又はジャケット式の洋上風力基礎を備えていてもよく、基礎の形式は特に限定されない。

基礎２の上端部は海水面下の高さに位置しテーパー形状をなしている。トランジションピース３の下端部は基礎２の上端部のテーパー形状に対応する円錐内側面を有しており、この下端部が基礎２の上端部に被せられるようにして、トランジションピース３が基礎２上に設置されている。施工時には、基礎２上でトランジションピース３の鉛直度が調整された上で、トランジションピース３の下端部と基礎２の上端部との間にグラウトが充填される。このグラウトを介して基礎２とトランジションピース３とが接合（グラウト接合）されており、トランジションピース３の鉛直度が確保され、ひいては風力発電機１の鉛直度が確保されている。タワー４は、例えばコンクリート製又は鋼製の鉛直柱であり、トランジションピース３の上端部にボルト接合されている。

図２は、トランジションピース３とタワー４とのボルト接合部近傍を拡大して示す斜視図である。図２に示されるように、トランジションピース３の内部には風力発電機１の運転や管理を行うための複数層の内部プラットフォーム９が設けられている。内部プラットフォーム９同士の間は、梯子等を介して作業者が移動可能である。更にトランジションピース３の上端部には、外周面３ａから外側に水平に張出した外部プラットフォーム１０が設けられている。また、トランジションピース３にボルト接合されたタワー４の下端部には、タワー４の内部に出入りするための出入口１１が設けられている。風力発電機１の運転管理を行う作業者は、海水面近傍の着船部５１（図１）に接舷された船舶から梯子で外部プラットフォーム１０に移動する。そして作業者は、出入口１１のドアを開けてタワー４の内部に入り、更に内部の梯子等を通じて内部プラットフォーム９にアクセスすることができる。外部プラットフォーム１０は、上記のように作業員のアクセス経路の他、資材の搬入、搬出、仮置き等の目的でも使用され、例えばダビットクレーン（図示せず）が外部プラットフォーム１０上に設置される。

図１に示されるように、基礎２の円柱壁には、海底Ｂのケーブルを脚部４１の内部空間４３内に引き込むためのケーブル穴４５が海底Ｂに近い高さの位置に設けられており、更にケーブル穴４５の上方において海水を内部空間４３に出入りさせる連通穴４７が設けられている。従って、脚部４１の内部空間４３にはケーブル穴４５及び連通穴４７を通じて海水が侵入しており、外部の海水面Ｗと同じ高さで内部空間４３内にも海水面Ｗ１（図３）が存在している。前述のような複数の内部プラットフォーム９（図２）はすべて、上記の海水面Ｗ１よりも高い位置に配置されている。なお、ここで「海水面Ｗ」とは平均海水面を意味する。

図３は、脚部４１の一部を一部破断して示す斜視図である。複数の内部プラットフォーム９には、下部プラットフォーム５３と、エアタイトプラットフォーム５５と、が含まれている。下部プラットフォーム５３は複数のうち最も下層に位置する内部プラットフォーム９であり、エアタイトプラットフォーム５５は下から２層目の内部プラットフォーム９である。なお、エアタイトプラットフォーム５５よりも上層の内部プラットフォーム９には、脚部４１内の電気ケーブルの処理等が行われるケーブルターミネーションプラットフォーム等が含まれるが、これらの図示及び詳細な説明は省略する。

下部プラットフォーム５３は、トランジションピース３を鉛直度調整しながら基礎２に設置する作業を行うためのプラットフォームである。例えば、下部プラットフォーム５３の外周縁部には、複数の高さ調整装置５３ａが周方向に複数配列され設けられている。高さ調整装置５３ａはトランジションピース３に固定されており、基礎２の上端面に反力を取ったジャッキによってトランジションピース３の各位置の高さ調整を行う。このような複数の高さ調整装置５３ａを用いてトランジションピース３の鉛直度が調整された上で、トランジションピース３の下端部と基礎２の上端部との間にグラウトが充填される。内部空間４３において、下部プラットフォーム５３の下方には、前述の海水面Ｗ１が存在している。

前述のように内部空間４３には海水が浸入しており、海水面Ｗ１よりも下方においては基礎２の内壁面２ｂが海水に接している。基礎２は円形鋼管からなるモノパイルで構成されているので、基礎２の内壁面２ｂの海水による腐食を防止する必要がある。このため、下部プラットフォーム５３には、内壁面２ｂの防食のための電気防食設備５７が設けられている。電気防食設備５７は、下部プラットフォーム５３から垂下された複数の防食電極５９を備えている。防食電極５９としては、例えば白金めっき系電極や金属酸化物被覆電極が採用される。

下部プラットフォーム５３の平面視における中央にはケーブル類を挿通するための円形の開口５３ｂが設けられている。各防食電極５９は開口５３ｂを通じて下部プラットフォーム５３から自重で鉛直下方に垂れ下がっている。防食電極５９の下端は海水面Ｗ１の下方に達し海水中に浸漬されている。複数の防食電極５９は、その下端同士が異なる高さに配置されるように、長さが調整されている。更に、電気防食設備５７は、下部プラットフォーム５３において防食電極５９と基礎２の内壁面２ｂとを電気的に接続し両者の間に電位差を生じさせる電源装置５８を有している。これにより、いわゆる外部電源方式の電気防食回路が形成され、防食電極５９と基礎２の内壁面２ｂとの間に海水を通じて電流が流れることで、内壁面２ｂの腐食が抑制される。

この種の電気防食設備５７では、防食電極５９及び内壁面２ｂから塩素ガスと水素ガスとが発生する。このうち塩素ガスは水に溶解し易いために海水に溶け込むか、または空気よりも重いために海水面Ｗ１近傍に滞留する。その一方、水素ガスは空気よりも軽いために海水面Ｗ１から上昇し下部プラットフォーム５３をすり抜けて更にエアタイトプラットフォーム５５に向けて上昇していく。この水素ガスの処理については後述する。

また、上記のように内部空間４３には海水が浸入していることから、内部空間４３内においては海水面Ｗ１の上方の空間であっても塩害により金属等の腐食が発生し易いといった問題がある。そこで、内部空間４３内においては、海水面Ｗ１と接する空間が、エアタイトプラットフォーム５５によって、当該エアタイトプラットフォーム５５よりも上方の空間から気密に封止されている。以下では、内部空間４３のうち、エアタイトプラットフォーム５５よりも下方の空間であり海水面Ｗ１と接する空間を「海水環境空間４３Ｂ」と呼び、エアタイトプラットフォーム５５よりも上方の空間を「通常環境空間４３Ａ」と呼ぶ。

図４（ａ）は、エアタイトプラットフォーム５５を下方から見上げた状態を示す斜視図であり、図４（ｂ）は、エアタイトプラットフォーム５５の底面図である。図３及び図４に示されるように、エアタイトプラットフォーム５５は、内部空間４３内を海水環境空間４３Ｂと通常環境空間４３Ａとに上下２分して仕切る円形平板状の水平板材６１を備えている。水平板材６１の周縁部はトランジションピース３の内壁面３ｂに対して隙間が無いように接合されている。このように内部空間４３の断面を横切る水平板材６１により海水環境空間４３Ｂと通常環境空間４３Ａとが気密に仕切られ、通常環境空間４３Ａにおける塩害が抑制される。

なお、図３に示されるように、エアタイトプラットフォーム５５においては、ケーブルを通過させるためのケーブル穴６２ａや、作業者が通過するための開閉ハッチ６２ｂ等が、水平板材６１を貫通する穴として設けられている。しかし、これらの穴には気密処理が施されており、水平板材６１による気密性を損うものではない。図４においては、図の煩雑化を回避するために、ケーブル穴６２ａ及び開閉ハッチ６２ｂの図示を省略する。

水平板材６１の下面６１ｂには、当該水平板材６１を補強する補強部６３が設けられている。補強部６３は井桁状に配置され水平板材６１の下面６１ｂに溶接された複数の梁材６５を有している。梁材６５は断面Ｕ字状の鋼材からなり、例えば図５（ａ）に示されるように、角型鋼管が２分割されて製作されたものであってもよい。エアタイトプラットフォーム５５のうち海水環境空間４３Ｂに接している部分（水平板材の下面６１ｂ、梁材６５の表面など）には、防食塗装等が施されていてもよい。

水平板材６１の下面６１ｂには、内壁面３ｂの近傍に位置するガス抜き穴６７が形成されている。また、水平板材６１よりも上方の位置において、ガス抜き穴６７の近傍には、トランジションピース３の外壁を貫通するガス排出口６９が形成されている。そして、ガス抜き穴６７とガス排出口６９と接続するように、ベンチレーションパイプ６８が設けられている。ベンチレーションパイプ６８は、通常環境空間４３Ａ内を通過してＬ字状に延びている。海水環境空間４３Ｂは、その上端において、ベンチレーションパイプ６８内を介して脚部４１の外部に連通されている。この構造によれば、前述のように電気防食設備５７で発生した水素ガスの上昇が水平板材６１に遮られて水素ガスは下面６１ｂの下に浮いて溜まり、その後水素ガスは、ガス抜き穴６７を通過してベンチレーションパイプ６８内を通過し、ガス排出口６９を介して脚部４１の外部に排出される。

ここで、水平板材６１の下面６１ｂに設けられた補強部６３の凹凸が、上記水素ガスの円滑な排出の妨げになる虞もある。すなわち、例えば、仮に補強部６３の梁材６５が完全な井桁構造であれば、水素ガスの一部は、平面視において梁材６５に四方を完全に囲まれた四角形の閉鎖領域内に溜まり、この水素ガスが円滑にガス抜き穴６７に移動しないことも考えられる。そこで、本実施形態における補強部６３では、上記のような閉鎖領域が形成されないように構成されている。

具体的には、図４に示されるように、補強部６３には必要な箇所にガス通過路７１が形成されている。図４（ｂ）に示されるように、この補強部６３の梁材６５の配置例では、中央の２つの領域７３が４つの梁材６５に完全に囲まれた閉鎖領域になり得る。従って、上記４つの梁材６５のうちの１つである梁材６５Ａの一部が切り欠かれることにより、当該梁材６５Ａを横切るガス通過路７１が形成されている。ガス通過路７１が設けられた箇所では、水平板材６１の下面６１ｂが露出している。この構成により、領域７３に浮いて溜まる水素ガスは、ガス通過路７１を通過しながら隣接する領域へ下面６１ｂに沿って水平に移動する。すなわち、このガス通過路７１は、水平板材６１の下面６１ｂに浮いて溜まるガスを下面６１ｂに沿って水平方向に通過させる機能を有している。

図５（ｂ）は、ガス通過路７１近傍を拡大して示す側面図であり、図５（ｃ）はその斜視図である。図に示されるように、梁材６５Ａの長手方向の一部が切断され除去されることで、ガス通過路７１が形成されている。この場合、ガス通過路７１における梁材６５Ａの切断端面が当該梁材６５の延在方向に対して傾斜していてもよい。また、梁材６５Ａの上記切断端面においては、梁材６５Ａの中空部を海水環境空間４３Ｂから気密に封止するための蓋材７５が設けられている。蓋材７５は例えば四角形の鋼板小片であり、梁材６５の切断端面及び下面６１ｂに溶接されている。このような蓋材７５の存在により、梁材６５Ａの内部に施す防食塗装等を省略することができる。

更に、図４（ｂ）に示されるように、補強部６３においては、梁材６５が周囲の壁面（トランジションピース３の内壁面３ｂ）まで到達していない。従って、梁材６５の外周側端部と内壁面３ｂとの各間隙も、ガス通過路７７として機能する。このガス通過路７７も、梁材６５を横切るように設けられ、水平板材６１の下面６１ｂに浮いて溜まる水素ガスを下面６１ｂに沿って水平方向に通過させる機能を有する。なお、このガス通過路７７における梁材６５の切断端面にも、上記のような蓋材７５が設けられることで、梁材６５Ａの中空部が海水環境空間４３Ｂから気密に封止されている。

補強部６３においては、以上のようなガス通過路７１，７７が、必要箇所に形成されることにより、例えば、平面視において梁材６５又は内壁面３ｂによって四方を完全に囲まれた閉鎖領域が存在していない。すなわち、ガス通過路７１，７７によって、下面６１ｂ側の各領域が連続的に繋がり、各領域の水素ガスはガス通過路７１，７７を通り下面６１ｂに沿って、ガス抜き穴６７に円滑に移動することができる。その結果、水平板材６１の６１ｂ近傍に集まる水素ガスが、ガス抜き穴６７、ベンチレーションパイプ６８内、及びガス排出口６９を介して脚部４１の外部に円滑に排出される。

なお、ガス通過路７１に代えて、図６（ａ）に示されるようなガス通過路７９が設けられてもよい。ガス通過路７９は、梁材６５Ａのうち水平板材６１の下面６１ｂに接する上縁部が半円形状に切り欠かれて形成されたものである。図６（ｂ）に示されるように、梁材６５Ａの対向する鉛直板部の上縁部に半円形状の切欠き部８１，８１が設けられ、切欠き部８１，８１に架け渡すように半円筒状の蓋材８３が溶接される。このようなガス通過路７９は、ガス通過路７１と同様に、梁材６５Ａを横切るように設けられ、水平板材６１の下面６１ｂに浮いて溜まるガスを下面６１ｂに沿って水平方向に通過させる機能を有している。また、蓋材８３の存在により、梁材６５Ａの中空部が海水環境空間４３Ｂから気密に封止され、梁材６５Ａの内部に施す防食塗装等を省略することができる。

本発明は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。また、上述した実施形態に記載されている技術的事項を利用して変形例を構成することも可能である。各実施形態等の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。例えば、上記実施形態では、補強部６３の梁材６５が断面Ｕ字状で中空構造をなすものであったが、これに代えて、例えばＨ鋼などの中実構造の梁材が補強部６３に採用されてもよい。また、梁材６５の配置は図４のものには限定されず、適宜変更されてもよい。この場合においても、平面視において梁材６５又は内壁面３ｂによって四方を完全に囲まれた閉鎖領域が存在しなくなるように、必要な箇所にガス通過路７１，７７，７９が形成されればよい。また、上記実施形態では、本発明のエアタイト構造部を、洋上風力発電機１の脚部４１内のエアタイトプラットフォーム５５に適用した例を説明したが、本発明は他の洋上構造物にも適用することができる。

１…洋上風力発電機（洋上構造物）、４１…脚部、４３…内部空間、４３Ｂ…海水環境空間、４３Ａ…通常環境空間、５５…エアタイトプラットフォーム、５７…電気防食設備、５９…防食電極、６１…水平板材、６１ｂ…下面、６３…補強部、６５，６５Ａ…梁材、６７…ガス抜き穴、６９…ガス排出口、６８…ベンチレーションパイプ、７１，７７，７９…ガス通過路、７５，８３…蓋材、Ｗ１…海水面。

Claims (4)

1. 洋上構造物の筒状をなす脚部の内部空間に設けられ、前記内部空間に侵入している海水の海水面に接する海水環境空間を上方の通常環境空間から気密に封止するエアタイト構造であって、
   前記海水面の上方で水平に設けられ前記内部空間を上下に仕切る水平板材と、
   前記水平板材の下面に設けられ前記海水環境空間内のガスを通過させて上方に送るためのガス抜き穴と、
   前記水平板材の下面に接合された複数の梁材を有し前記水平板材を補強する補強部と、を備え、
   前記補強部は、
   前記梁材を横切るように設けられ、前記水平板材の前記下面に浮いて溜まるガスを前記下面に沿って水平方向に通過させるガス通過路を有する、エアタイト構造。
2. 前記梁材が中空構造をなしており、前記補強部は前記梁材の中空部を前記海水環境空間から気密に封止する蓋材を更に有する、請求項１に記載のエアタイト構造。
3. 前記内部空間内の海水に浸漬された防食電極を有する電気防食設備の上方に設けられている、請求項１又は２に記載のエアタイト構造。
4. 前記ガス抜き穴と、前記水平板材よりも上方で前記脚部の外面に設けられ前記ガスを前記脚部の外部に排出するためのガス排出口と、を繋いで前記通常環境空間内を通過するベンチレーションパイプを更に有する、請求項１～３の何れか１項に記載のエアタイト構造。

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