JP6302777B2 - 浮体係留装置 - Google Patents

Description

本発明は、水上の浮体を係留する浮体係留装置に関する。

例えば石油生産施設、洋上風力発電施設、及び水産施設等の海洋や湖沼、河川等の水面上で運用される浮体式構造物は、カテナリー方式、ＴＬＰ（Ｔｅｎｓｉｏｎ Ｌｅｇ Ｐｌａｔｆｏｒｍ）方式、Ｔａｕｔ方式等の種々の技術を用いて係留されている。

カテナリー方式では、チェーン等の係留索の重量を利用して浮体構造物の位置を保持する。またＴＬＰ方式では、浮体構造物と例えば水底に設置した杭基礎、あるいは重力式構造とを鋼管で接続し、浮力によって生じる緊張力を利用して浮体構造物を保持する。さらに、Ｔａｕｔ方式では、係留索に初期張力を発生させて係留索を緊張させた状態で係留することで浮体構造物の位置を保持する。

また、例えば特許文献１には、浮体下部の外周に沿って接続された６本の係留索をアンカーによって海底に固定することで浮体を係留する、Ｔａｕｔ方式を応用した係留装置が記載されている。

特開２０１１−２４５８７９号公報

ここで、上記特許文献１に記載された係留装置では、波浪や風などによって浮体に外力が加わった場合、係留索に働く張力もこの外力に比例して増大する。このため、張力の増大を係留索の伸び量のみによって吸収することとなる。しかしながら、係留索の伸び量を上回る張力が生じた場合、係留索に損傷等を生じ、浮体を安定的に係留することができなくなってしまう。さらに、係留装置を設置するに当たって、係留索の伸び量を考慮して張力を調整する必要があり、作業性の低下を招く可能性もある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、容易に設置できるとともに、浮体を安定的に係留することができる浮体係留装置を提供することを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を採用する。
本発明の請求項１に係る浮体係留装置は、一端が水底に固定される係留索と、水面上に浮く浮体と前記係留索の他端との間に配され、前記水面に沿う方向に延びる回転軸線回りに回動可能な状態で前記浮体に支持されるとともに、前記浮体から下方に向かうに従って外方へ延びる本体部、及び、前記本体部における前記浮体から離間する側に設けられて前記浮体が浮く水よりも大きな比重を有する重量部を有する支持部材と、前記支持部材と前記浮体とを接続するとともに、前記水底から前記水面に向かう方向への前記支持部材の回動に対して、該支持部材に付勢力を与える弾性部材と、を備える。
本発明の請求項２に係る浮体係留装置は、一端が水底に固定される係留索と、水面上に浮く浮体と前記係留索の他端との間に配され、前記水面に沿う方向に延びる回転軸線回りに回動可能な状態で前記浮体に支持されるとともに、前記浮体から下方に向かうに従って外方へ延びる本体部、及び、前記本体部における前記浮体から離間する側に設けられて前記浮体が浮く水よりも大きな比重を有する重量部を有する支持部材と、前記支持部材の前記浮体から離間する側に設けられ、前記支持部材の延びる方向と交差する方向に弾性変形可能な板バネと、を備え、前記係留索の前記他端は前記板バネの先端に接続される。

このような構成によれば、重量部が設けられていることにより、支持部材における浮体から離間する側は水中に没した状態となる。この状態で、波浪や風、流れによって浮体に変位が生じると、支持部材が回転軸線回りに回動する。同時に、重量部には、水中へ没しようとする力（沈降力）が生じることから、浮体の動揺によって一旦水底から水面に向かう方向に沿って回動した支持部材は、水面から水底に向かう方向に沿って回動する。すなわち、重量部は支持部材に対して一定の復元力を付与する。これにより、浮体の動揺に伴って係留索に生じる張力の急激な増大を緩和吸収することができる。
加えて、水底で固定された係留索の一端側に対して付加される張力をも緩和することができるため、水底地盤への負荷を軽減することができる。
また、本発明の請求項１に係る発明によれば、支持部材が水底から水面へ向かう方向に沿って回動する際に、支持部材には弾性部材による付勢力が付加される。したがって、支持部材が不用意に回動することで浮体が安定性を失う可能性を低減することができ、浮体をさらに安定的に係留することが可能となる。
また、本発明の請求項２に係る発明によれば、係留索に加わる張力が急激に増大した場合であっても、板バネが変形することで、この張力の増大が吸収され、支持部材には直接的には伝わらない。したがって、支持部材が不用意に回動することで浮体が安定性を失う可能性を低減することができ、浮体をさらに安定的に係留することが可能となる。

本発明の請求項３に係る発明において、上記請求項１又は請求項２に係る浮体係留装置では、前記支持部材は中空部を有し、前記重量部は前記中空部の一部に充填された充填材であってもよい。

このような構成によれば、充填材が充填されていない場合には、支持部材の浮体から離間する側は水上に浮上した状態となる。したがって、係留索と支持部材との接続作業を、水上で行うことができる。加えて、中空部に充填材を充填する作業も水上で行うことができる。これにより、作業性を向上させることができる。

本発明の請求項４に係る発明において、上記請求項１から請求項３に係る浮体係留装置は、前記浮体上に設けられ、前記支持部材と当接することで、前記水面から前記水底に向かう方向への前記支持部材の回動を規制するストッパーを備えていてもよい。

このような構成によれば、ストッパーは、水面から水底に向かう方向への支持部材の回動を規制する。これにより、波浪や風等によって浮体に働く外力が所定の閾値を超過するまでは、支持部材を静止させることができる。すなわち、波浪や風が軽度な状況下では支持部材は回動しないため、係留索による張力の変動のみによって浮体を安定的に係留することが可能となる。
一方で、波浪や風が卓越し、浮体に対して所定の閾値以上の外力が加わる状況下では、支持部材が回動することで、係留索に付加される張力を緩和することができる。

本発明の請求項５に係る発明において、上記請求項１から請求項４に係る浮体係留装置は、前記浮体の外周に沿って互いに離間して設けられた複数の前記支持部材と、各々の前記支持部材と前記水底との間にそれぞれ配される複数の前記係留索と、を備えていてもよい。

このような構成によれば、浮体の外周から離間する方向に沿って複数の支持部材が設けられることにより、浮体の鉛直軸回りの回転（ヨーイング）に対する復元モーメントを大きくすることができる。回転モーメントが増加することによって、浮体は水面上で回転（ヨーイング）を起こしにくくなる。したがって、浮体をさらに安定的に係留することが可能となる。

請求項１、２の浮体係留装置によれば、浮体の動揺に伴って係留索に生じる張力の急激な増大を支持部材によって緩和吸収することができるため、浮体を安定的に係留することができる。
請求項１の浮体係留装置によれば、弾性部材が支持部材の不用意な回動を規制するため、浮体をさらに安定的に係留することができる。
請求項２の浮体係留装置によれば、係留索に加わる張力の増加を板バネが吸収するため、張力の増加が浮体に対して直接的に伝わる可能性が低減される。これにより、浮体をさらに安定的に係留することができる。

請求項３の浮体係留装置によれば、係留索と支持部材との接続作業を、水上で行うことができるため、作業性を向上させることができる。

請求項４の浮体係留装置によれば、浮体に付加される外力が小さい場合には係留索によって浮体を安定的に係留することができる。一方で、浮体に付加される外力が大きい場合には支持部材が回動することで、係留索に加わる張力を緩和することができる。よって、浮体を安定的に係留することができる。

請求項５の浮体係留装置によれば、浮体の鉛直軸回りの回転モーメントを大きくすることができるため、浮体に生じるヨーイングが低減される。これにより、浮体をさらに安定的に係留することができる。

本発明の実施形態に係る浮体及び浮体係留装置の全体図である。 本発明の第一実施形態に係る浮体係留装置を示す図である。 本発明の第一実施形態に係る支持部材と係留索との接続作業時の状態を示す図である。 本発明の第二実施形態に係る浮体係留装置を示す図である。 本発明の第三実施形態に係る浮体係留装置を示す図である。 本発明の実施形態に係る浮体係留装置を備えた浮体を上方から見た図である。 本発明の実施形態に係る浮体に作用する外力と、支持部材の回転角度との関係を表す図である。 本発明の実施形態に係る浮体の変位量と、係留索に作用する張力との関係を表す図である。

（第一実施形態）
以下、本発明の第一実施形態に係る浮体係留装置２０について、図面を参照して説明する。
図１に示すように浮体係留装置２０は、一端が水底Ｂに固定される係留索２２と、水面Ｓ上に浮く浮体１０と係留索２２の他端との間に配される支持部材２１と、を備えている。

浮体１０は、例えば石油生産施設、洋上風力発電施設、及び水産施設等を上部に備え、水面Ｓ上に浮かべられて運用される施設一般を指す。また、浮体１０が運用される水面Ｓは、海洋、湖沼、河川のいずれであってもよい。

支持部材２１は、回動支持部２６を介して浮体１０に支持されるとともに、浮体１０から離間する方向に沿って延びる本体部２３と、この本体部２３における浮体１０から離間する側に設けられる重量部２４と、を有する。

支持部材２１はおおむね柱状に形成された部材であり、一方の端部は上述の回動支持部２６によって浮体１０に接続されている。回動支持部２６は、水面Ｓに沿う方向に延びる回転軸線Ｐ回りに回動可能な状態で支持部材２１を支持する。この回動支持部２６としては例えばヒンジ等の装置が用いられる。

本実施形態では支持部材２１は中空に形成されて中空部Ｈとされており、この中空部Ｈには液体等の充填材Ｘが充填可能となっている。また、充填材Ｘを充填する前の支持部材２１単体は水よりも小さな比重を有する材料で形成されている。これにより、上述の充填材Ｘを充填しない状態では、支持部材２１は水に浮くようになっている。なお、ここで言う水とは、浮体１０が運用される水面Ｓを構成する水全般を指すものであって、海水、淡水を問わない。

ここで、本実施形態では、支持部材２１の中空部Ｈの一部に充填材Ｘを充填することで、重量部２４とされる。充填材Ｘとしては、例えばバライト等を水に混合してなるバラスト水が好適に用いられる。さらに、支持部材２１において上記重量部２４を除く部分は、中空のままに保たれて本体部２３とされる。すなわち、充填材Ｘが充填された状態において、支持部材２１は、中空状態の本体部２３と、充填材Ｘが充填されてなる重量部２４とから構成される。

上述のように構成された支持部材２１は、浮体１０に設けられたストッパー２７と当接し、これにより、回動が規制されている。図１に示すように、本実施形態においてストッパー２７は浮体１０の表面から離間する方向に向かって延びる棒状の部材によって形成される。このようなストッパー２７の先端部は、支持部材２１の延在中途における一部と当接する。これにより、支持部材２１は、図１に示すように、浮体１０から下方に向かうに従って外方（浮体１０から離間する方向）に向かうように傾斜した状態で維持される。

係留索２２は、その一端が水底Ｂに固定されるとともに、一端と反対側の他端が、上述の支持部材２１における浮体１０から離間する側の端部（先端部２５）に接続される。これにより、浮体１０が水面Ｓ上に浮くとともに、安定的に係留される。

なお、係留索２２としては、耐水性、耐食性を有する公知のケーブル状の部材が好適に用いられる。さらに、水底Ｂ側に位置する係留索２２の一端は、一例として水底Ｂ上に設けられたアンカーによって移動不能に固定される。また、浮体１０を係留した状態において、十分な張力が作用することで係留索２２は緊張した状態とされている。すなわち、係留索２２の長さは、水面Ｓ上の浮体１０から水底Ｂ上のアンカーまでの寸法とおおむね同一となるように設定されている。

また、図６に示すように、浮体１０には複数の浮体係留装置２０が設けられている。本実施形態では、上方から見た浮体１０の形状を略円形とし、この円周に沿って３つの浮体係留装置２０が設けられる構成とされている。しかしながら、浮体係留装置２０が適用される浮体１０の形状や寸法はこれに限定されない。加えて、浮体係留装置２０の設けられる個数も３つに限定されず、浮体１０に要求される係留力や、水底Ｂの地形に応じて適宜変更可能である。

続いて、上述のように構成された浮体係留装置２０の設置方法の概略について、図３を参照して説明する。
まず、浮体１０が運用される水域の水底Ｂに上述のアンカー等を設け、係留索２２の一端をアンカーに固定する。

次に、浮体１０の所定の位置に、回動支持部２６を介して支持部材２１を設置する。なお、この状態では、支持部材２１の中空部Ｈには充填材Ｘは充填されていない状態とする。さらに、支持部材２１は水よりも比重の小さな材料によって形成されている。したがって、支持部材２１の中空部Ｈに充填材Ｘを充填しない状態では、支持部材２１の先端部２５は水面Ｓ上に浮かんだ状態となる。

上記のように支持部材２１の先端部２５が水面Ｓ上に浮かんだ状態で、係留索２２の他端と支持部材２１の先端部２５とを接続する。係留索２２と支持部材２１との接続作業は、例えば浮体１０上から行ってもよいし、作業船上から行ってもよい。

続いて、係留索２２と支持部材２１との接続が完了したのち、支持部材２１の中空部Ｈに充填材Ｘを充填する。支持部材２１の下方内部に貯留された充填材Ｘは、上述のように重量部２４を形成する。さらに、この重量部２４を除く領域は本体部２３を構成する。このとき、充填材Ｘが充填されるに従って、支持部材２１の先端部２５、すなわち重量部２４側は徐々に水中に没する。具体的には、回動支持部２６における回転軸線Ｐを中心として、水面Ｓから水底Ｂに向かう方向に沿って支持部材２１が回動する。
やがて、充填材Ｘが所定の量だけ充填されると、支持部材２１はその一部が、浮体１０に設けられたストッパー２７に当接する。これにより、支持部材２１は、浮体１０から離間するに従って下方（水底Ｂに向かう方向）に向かうように傾斜した状態で維持される。
上述した手順を繰り返すことにより、浮体１０に対して複数の浮体係留装置２０を設置する。
以上により、浮体係留装置２０の設置が完了する。

上述のような構成によれば、支持部材２１に重量部２４が設けられていることにより、浮体１０を係留する状態において、支持部材２１の先端部２５側は水中に没した状態となる。この状態で、波浪や風、流れによって浮体１０に動揺が生じると、支持部材２１が回転軸線Ｐ回りに水底Ｂから水面Ｓに向かう方向に沿って回動する。同時に、重量部２４には、水中へ没しようとする力（沈降力）が生じることから、浮体１０の動揺によって一旦水底Ｂから水面Ｓに向かう方向に沿って回動した支持部材２１は、反対の方向（水面Ｓから水底Ｂに向かう方向）に沿って回動を始める。すなわち、重量部２４は支持部材２１に対して一定の復元力を付与する。したがって、浮体１０の動揺に伴って係留索２２に生じる張力の急激な増大を緩和吸収することができる。加えて、水底Ｂで固定された係留索２２の一端側に対して付加される張力をも緩和することができるため、水底Ｂの地盤への負荷を軽減することができる。

さらに、上述のような構成によれば、支持部材２１の中空部Ｈに充填材Ｘが充填されていない状態では、支持部材２１の先端側は水上に浮上した状態となる。したがって、係留索２２と支持部材２１との接続作業を、水上で行うことができる。これにより、作業性を向上させることができる。

さらに、上述のような構成によれば、浮体１０に設けられたストッパー２７によって、水面Ｓから水底Ｂに向かう方向への支持部材２１の回動が規制される。これにより、波浪や風等によって浮体１０に働く外力が所定の閾値を超過するまでは、支持部材２１を静止させることができる。すなわち、波浪や風が軽度な状況下では支持部材２１は回動しにくいため、係留索２２による張力の変動のみによって浮体１０を安定的に係留することが可能となる。

一方で、波浪や風が卓越し、浮体１０に対して所定の閾値以上の外力が加わる状況下では、支持部材２１が水底Ｂから水面Ｓに向かう方向に沿って回動することで、浮体１０の動揺を吸収し、係留索２２に付加される張力を緩和することができる。

具体的には、支持部材２１の回転軸線Ｐ回りの回転角度θと、浮体１０に働く外力Ｆとの関係は、図７に示すようになる。図７中で、θ０は支持部材２１がストッパー２７に当接している状態において支持部材２１と鉛直線とがなす初期角度である。さらに、同図中で、Ｆ０は支持部材２１が回動を始める閾値を表す。このとき、外力Ｆが閾値Ｆ０よりも小さな値である場合には、支持部材２１の回転角度θは初期角度θ０を維持する。一方で、外力Ｆが所定の閾値Ｆ０を超過した場合には、支持部材２１が回動を始め、θの値はθ０から次第に増大する。

さらに、浮体１０の水面上での変位をｄとし、係留索２２に付加される張力をＴとした場合、図８に示すように変位ｄが増加するに従って、張力Ｔも非線形的に増加する。すなわち、浮体１０の変位ｄが０＜ｄ＜ｄ１である場合に比して、ｄ≧ｄ１である場合には、張力Ｔの増加率（ｄ−Ｔ線の傾き）が小さくなる。なお、ここで変位ｄ１は、浮体１０に作用する外力ＦがＦ０であるときの浮体１０の水面Ｓ上での変位量を表している。
このように、浮体１０の変位ｄが増大するに伴って、係留索２２に働く張力Ｔが線形的に増大し続けることを抑制することができる。

さらに、上述のような構成によれば、浮体１０の外周から離間する方向に沿って複数の浮体係留装置２０が設けられることにより、浮体１０の回転モーメントを大きくすることができる。より詳細には、図６に示すように、例えば浮体１０の上方から見た外周形状が円形である場合、支持部材２１が設けられていることにより、この円の中心点Ｏから支持部材２１の先端部２５までの水平距離Ｒ１は、中心点Ｏから浮体１０の外周縁までの水平距離Ｒ０に比して十分に大きくなる。したがって、浮体１０が中心点Ｏの回りに回転するような外力が浮体１０に対して加わった場合、距離Ｒ１が距離Ｒ０よりも大きいことにより、回転に要するモーメントが増大する。回転モーメントが増加することによって、浮体１０は水面Ｓ上で鉛直軸回りの回転（ヨーイング）を起こしにくくなる。よって、浮体１０をさらに安定的に係留することが可能となる。

（第二実施形態）
続いて、本発明の第二実施形態について図４を参照して説明する。なお、上述の第一実施形態と同様の構成、部材については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
図４に示すように、本実施形態に係る浮体係留装置２０は、支持部材２１の回動に対して付勢力を与える弾性部材２８が、浮体１０と支持部材２１との間に配されている点で、上述の第一実施形態と異なる。

より詳細には、弾性部材２８は、支持部材２１における水面Ｓに近接する側の端部近傍の領域と、浮体１０との間に配されることで、支持部材２１の水底Ｂから水面Ｓに向かう方向への回動に対して付勢力を与える。弾性部材２８の具体的な態様としては、例えばゴム等で形成されたセル型防舷材を用いることが好適である。すなわち、この防舷材の有する弾性復元力によって、支持部材２１の回動に対する付勢力を得ることができる。
なお、弾性部材２８を配置する位置は本実施形態によって限定されない。要は、回転軸線Ｐを基準として、水底Ｂから水面Ｓに向かう方向への支持部材２１の回動に対して付勢力を与えることができる限りにおいて、弾性部材２８の位置は任意に決定されてよい。

上述のような構成によれば、支持部材２１が水底Ｂから水面Ｓへ向かう方向に沿って回動する際に、支持部材２１には弾性部材２８による付勢力が付加される。これにより、波浪や風等によって浮体１０に働く外力が所定の閾値を超過するまでは、支持部材２１をより安定的に静止させることができる。すなわち、波浪や風が軽度な状況下では支持部材２１は回動しにくいため、係留索２２による張力の変動のみによって浮体１０を安定的に係留することが可能となる。
一方で、波浪や風が卓越し、浮体１０に対して所定の閾値以上の外力が加わる状況下では、支持部材２１が回動することで、浮体１０の動揺を吸収し、係留索２２に付加される張力を緩和することができる。したがって、浮体１０に加わる外力が小さい状況下で、支持部材２１が不用意に回動することで浮体１０が安定性を失う可能性を低減することができ、浮体１０をさらに安定的に係留することが可能となる。

（第三実施形態）
続いて、本発明の第三実施形態について図５を参照して説明する。なお、上述の各実施形態と同様の構成、部材については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
図５に示すように、本実施形態に係る浮体係留装置２０は、支持部材２１における浮体１０から離間する側の端部（先端部２５）に、板バネ２９が配されている。この板バネ２９は、支持部材２１の延びる方向と概ね同一の方向に延びるように配される。すなわち、板バネ２９は支持部材２１の延びる方向と交差する方向に沿って弾性変形可能となっている。さらに、この板バネ２９の先端（支持部材２１と反対側の端部）には、係留索２２が接続される。

このような構成によれば、浮体１０に作用する外力の大きさに応じて、浮体係留装置２０の挙動を変えることができる。すなわち、浮体１０に働く外力が所定の閾値を超過するまでは、係留索２２の張力の変動のみによって浮体１０を係留する。
一方で、浮体１０に働く外力が該閾値を超過した場合には、板バネ２９が弾性変形する。板バネ２９が弾性変形することにより、係留索２２に作用する張力が線形的に増大することを抑制することができる。
さらに、板バネ２９の弾性変形の許容量をも超過するような外力が浮体１０に作用した場合には、上述の各実施形態と同様に、支持部材２１が回転軸線Ｐ回りに回動する。これにより、係留索２２に付加される張力を緩和することができる。したがって、支持部材２１が不用意に回動することで浮体１０が安定性を失う可能性を低減することができ、浮体１０をさらに安定的に係留することが可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態、実施例について説明したが、これらの実施形態、実施例は、あくまで本発明の要旨の範囲内の一つの例に過ぎず、本発明の要旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。すなわち本発明は、前述した説明によって限定されることはなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定され、その範囲内で適宜変更可能である。

１０ …浮体
２０ …浮体係留装置
２１ …支持部材
２２ …係留索
２３ …本体部
２４ …重量部
２５ …先端部
２６ …回動支持部
２７ …ストッパー
２８ …弾性部材
２９ …板バネ
ｄ …浮体の変位量
Ｂ …水底
Ｆ …浮体に作用する外力
Ｈ …中空部
Ｏ …中心点
Ｐ …回転軸線
Ｓ …水面
Ｔ …張力
Ｘ …充填材
θ …支持部材の回転角度

Claims (5)

1. 一端が水底に固定される係留索と、
   水面上に浮く浮体と前記係留索の他端との間に配され、前記水面に沿う方向に延びる回転軸線回りに回動可能な状態で前記浮体に支持されるとともに、前記浮体から下方に向かうに従って外方へ延びる本体部、及び、前記本体部に前記浮体から離間する側に設けられて前記浮体が浮く水よりも大きな比重を有する重量部を有する支持部材と、
   前記支持部材と前記浮体とを接続するとともに、前記水底から前記水面に向かう方向への前記支持部材の回動に対して、該支持部材に付勢力を与える弾性部材と、
   を備える浮体係留装置。
2. 一端が水底に固定される係留索と、
   水面上に浮く浮体と前記係留索の他端との間に配され、前記水面に沿う方向に延びる回転軸線回りに回動可能な状態で前記浮体に支持されるとともに、前記浮体から下方に向かうに従って外方へ延びる本体部、及び、前記本体部に前記浮体から離間する側に設けられて前記浮体が浮く水よりも大きな比重を有する重量部を有する支持部材と、
   前記支持部材の前記浮体から離間する側に設けられ、前記支持部材の延びる方向と交差する方向に弾性変形可能な板バネと、
   を備え、
   前記係留索の前記他端は前記板バネの先端に接続される浮体係留装置。
3. 前記支持部材は中空部を有し、
   前記重量部は前記中空部の一部に充填された充填材である請求項１又は２に記載の浮体係留装置。
4. 前記浮体上に設けられ、前記支持部材と当接することで、前記水面から前記水底に向かう方向への前記支持部材の回動を規制するストッパーを備える請求項１から３のいずれか一項に記載の浮体係留装置。
5. 前記浮体の外周に沿って互いに離間して設けられた複数の前記支持部材と、
   各々の前記支持部材と前記水底の間にそれぞれ配される複数の前記係留索と、を備える請求項１から４のいずれか一項に記載の浮体係留装置。

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