TW202200448A - 通用浮力體、通用浮力體的製造方法及其用途 - Google Patents

Abstract

本發明涉及一種用於海上浮動底座的圓柱形構型的通用浮力體，其至少包括內管、外管、上蓋和下蓋。本發明還涉及一種通用浮力體的製造方法及其用途。

Description

通用浮力體、通用浮力體的製造方法及其用途

本發明涉及一種用於浮動底層結構的通用浮力體以及一種浮動底層結構的通用浮力體的製造方法及其用途。

目前已知的例如風能設施的浮動底層結構大部分在造船廠中由人工生產，並且大多數具有圓柱形浮力體。它們構造有大量的造船業中已知的加強件，以確保剛度。這些加強件通過若干焊接連接以橫向水平肋的形式固定至圓柱形浮力體的各個組件上。浮力體上會產生強烈的疲勞載荷，因此對焊接連接提出更高的質量要求，這樣不利地導致浮動底層結構的製造成本增高。由於造船廠和人工成本很高以及造船廠能力有限，目前無法批量生產浮動底層結構。

同樣已知生產海上架構基礎樁的單樁技術。這種類型單樁的具體製造方式是，首先將鈑金彎曲成管段（即所謂的“節”），然後焊接彎曲節的邊緣。隨後將製成的各節接合成更大段。通過將各節或段彼此對齊並焊接內圓與外圓接縫來完成單樁的最終組裝。在單樁的最終組裝之後，對它們進行塗覆。

因此，對圓柱形構型的浮力體的需求日益增長，該浮力體可以採用自動化或半自動化方法製造為標準組件，而無需耗時又作業密集的加強件。

本發明的目的在於提供一種用於浮動底層結構的通用浮力體，與現有技術相比，該通用浮力體設計簡單並且無需製造任何複雜的加強件。本發明的另一目的在於提供一種經濟有效的通用浮力體的製造方法。

本發明達成上述目的解決方案為具有如請求項1所述特徵的通用浮力體，其有利設計方案又參閱從屬請求項。此外，本發明達成上述目的的解決方案為具有如請求項8所述特徵的方法。

根據本發明，一種用於浮動底層結構的圓柱形構型的通用浮力體至少具有以下組件：

- 內管，

- 外管，

- 上蓋，以及

- 下蓋。

根據本發明，內管貫穿蓋中的開口並在貫穿區域中連接至蓋。該連接可以採用材料配合式構造，或也可脫離，例如通過螺絲。眾所周知，材料配合式構造包括焊接、釺焊或粘接。該連接優選地以焊接連接的形式採用材料配合式構造。

此外，根據本發明，內管布置在外管之內，並且蓋在雙側連接至外管的末端。同樣根據本發明，蓋構造為夾層件，並且管均由至少一段鋼片節形成。

外管的功能在於確保通用浮力體的浮力。

這類通用浮力體有利地不具有任何焊接肋形式的附加加強部。此外，這類通用浮力體有利地具有較少的耗時且高成本的焊接連接，並且能夠以自動化或半自動化的方法來製造。此外，所述通用浮力體的構造和組裝有利地縮短浮動底層結構在造船廠的時間，因為通用浮力體可以在造船廠之外製作，而在造船廠中僅進行與浮動基座的對接。

從本發明的意義上，浮動底層結構例如是用於風能設施、平臺和/或海洋能源系統的底層結構。

從本發明的意義中，通用浮力體是指圓柱形浮力體，其尺寸和量綱可以在較寬範圍內變化。這種通用浮力體的可擴展性使其很容易就能整合到已知的浮動底層結構中，例如張拉錨固構型（又稱為TLP構型）或半潛式構型（又稱為Semi-Submersible構型）。在一些實施方式中，通用浮力體借助特定的適配器整合到浮動底層結構中。

在一些實施方式中，內管和外管具有圓形橫截面。

在一些實施方式中，內管在單側連接至至少一個蓋。在本文中，單側是指內管連接至蓋的一側。在本文中，蓋的一側是指蓋的頂側或底側。蓋的頂側和底側是指通用浮力體沿高度的垂直取向。在一些優選實施方式中，內管在雙側連接至至少一個蓋。在本文中，雙側表示內管連接至蓋的頂側和底側。

在一些實施方式中，浮動底層結構的其他結構組件在海床方向上鄰接內管，例如錨索、主錨、繩索和耐張串。

在一些實施方式中，內管在貫穿區域內優選地借助焊接連接而材料配合式連接至蓋。

在一些實施方式中，內管構造為中心管，並居中布置在外管中。在本文中，中心是指內管的圓柱軸線布置在外管的圓柱軸線上。內管或外管的圓柱軸線表示內管或外管的縱向軸線，其沿著內管和外管的高度延伸穿過底面和頂面的中心點。

在一些實施方式中，蓋在雙側材料配合式連接至外管的末端。在本文中，雙側是指一蓋連接至外管的一端，其中下蓋在下端封閉外管，而上蓋在上端封閉外管。蓋可以在單側或雙側連接至外管，即蓋的底側或頂側或蓋的底側和頂側連接至外管。在其他實施方式中，蓋在雙側借助焊接連接至外管的末端。

根據本發明，管均由至少一段鋼片節形成。從本發明的意義上，鋼片節是指彎曲成圓柱體的鋼片，其中鋼片的邊緣彼此連接，優選地以材料配合式彼此連接。在一些實施方式中，管均由至少一段鋼片節借助單樁技術形成。在一些實施方式中，鋼片可以適當地具有50 mm至150 mm範圍內的壁厚。根據設計，鋼片也可以具有更厚或更薄的壁厚。在一些實施方式中，內管和/或外管在其長度上均具有可變構造的壁厚。即，內管和/或外管的壁厚在蓋的區域中構造得較厚，因為此處存在更高的材料應力，這樣有利地能夠更好地導出應力。

在其他實施方式中，由至少一段鋼片節形成的內管具有2 m至5 m範圍內的內徑。在其他實施方式中，由至少一段鋼片節形成的外管具有10 m至15 m範圍內的內徑。根據通用浮力體的應用和載荷情況，可能有利的是，內管和外管的內徑為更大或更小的直徑。

在一些實施方式中，多段鋼片節彼此疊置，以便形成一定長度的管，並使通用浮力體適配不同的應用情況。在其他實施方式中，彼此疊置的鋼片節優選地借助焊接而彼此材料配合式連接。

在一些優選實施方式中，內管如此構造為引導由通用浮力體產生的力流主要通過內管。

在一些實施方式中，內管如此構造為使得形成內管的鋼片節的壁厚大於形成外管的鋼片節的壁厚。這類內管有利地具有高度軸向剛性，使得經由內管的上端或下端引入通用浮力體的載荷大部分直接經由內管導過通用浮動體。就此而言，內管用作牽引彈簧。在一些實施方式中，內管如此構造為使得形成內管的鋼片節的壁厚小於或等於形成外管的鋼片節的壁厚。

在一些優選實施方式中，夾層件均包括至少兩個彼此間隔布置的鋼板以及布置在鋼板之間的填料。

如此構造的蓋可以有利地承受應用期間因水壓引起的高度應力。與已知的蓋相比，這種類型的蓋還可以更輕鬆又更快速地製造，並且與現有技術相比，不具有任何焊接肋形式的複雜加強部。

在一些實施方式中，鋼板由多層材料配合式連接的鋼片形成。在此情形下，多層在垂直方向上彼此連接，從而形成合適厚度的鋼板。根據通用浮力體的應用和載荷情況，可能有利的是，鋼板具有更厚或更薄的厚度。在一些實施方式中，鋼板具有10 mm至40 mm範圍內的厚度。

這些蓋因其構型而有利地確保通用浮力體的承載能力，因為它們與內管相比具有更低的剛性和螺旋彈簧的特性。這樣，引導到浮力體中的力作用或衝擊主要經由內管轉移，不會完全傳遞到外管上，而是受到蓋的緩衝，從而確保外管釋放應力。

在一些實施方式中，蓋的鋼板具有平面形狀並形成平面式蓋。在一些實施方式中，蓋的鋼板具有圓錐形狀並形成錐形蓋。從本發明的意義上，錐形蓋是指截錐體，該截錐體的頂面對應於內管貫穿的開口。在一個實施方式中，蓋的鋼板具有彎曲形狀並形成彎曲式蓋。蓋的鋼板有利地在與內管和/或外管的連接區域中具有彎曲部。

在一些優選實施方式中，至少一個蓋如此連接內管和外管，即至少一個蓋垂直於內管和外管布置，其中蓋的至少兩片鋼板彼此平行間隔布置。至少一個如此構造的蓋就與外管齊平。

這類蓋有利地呈平面狀並易於製作。這種蓋還有利地在製作中需要更少的材料。在這類蓋中，內管還可以有利地構造得更短。

在一些實施方式中，鋼板適當地採取150 mm至500 mm的距離彼此平行間隔布置。根據設計，鋼板也可以採取更大或更小的距離彼此平行地間隔布置。

在一些實施方式中，兩個蓋如此連接至內管和外管，即兩個蓋垂直於內管和外管布置，其中蓋的至少兩片鋼板彼此平行間隔布置。

在一些實施方式中，蓋的一片鋼板形成蓋的頂側，其另一片鋼板形成蓋的底側。

在一些優選實施方式中，至少一個蓋如此連接至內管和外管，即至少一個蓋與內管成小於90°的角度且與外管成大於90°的角度，其中蓋的至少兩片鋼板彼此間隔布置，使得至少兩片鋼板之間的距離自外管到內管徑向漸增。蓋的這種構造又稱為錐形構造、錐形蓋或錐形。

這類蓋有利地呈錐形構造，並在應用情況下可承受因水壓引起的更高應力。這類錐形蓋還有利地因其更高的機械剛性而具有更佳的載荷分布。

在一些實施方式中，兩個蓋如此連接至內管和外管，即蓋均與內管成小於90°的角度且與外管成大於90°的角度，其中蓋的至少兩片鋼板彼此間隔布置，使得至少兩片鋼板之間的距離自外管到內管徑向漸增。

在一些實施方式中，至少兩片鋼板之間的距離自外管到內管徑向漸增，並適當地均處於150 mm至500 mm範圍內。根據設計，至少兩片鋼板之間的距離可以自外管到內管徑向漸增，並處於更大或更小的範圍內。

在一些實施方式中，上蓋如此連接至內管和外管，即上蓋垂直於內管和外管布置，其中上蓋的至少兩片鋼板彼此平行間隔布置，並且下蓋如此連接至內管和外管，即下蓋與內管成小於90°的角度且與外管成大於90°的角度布置，其中下蓋的兩片鋼板彼此間隔布置，使得至少兩片鋼板之間的距離自外管到內管徑向漸增。

在一些實施方式中，下蓋如此連接至內管和外管，即下蓋垂直於內管和外管布置，其中下蓋的至少兩片鋼板彼此平行間隔布置，並且上蓋如此連接至內管和外管，即上蓋與內管成小於90°的角度且與外管成大於90°的角度布置，其中上蓋的兩片鋼板彼此間隔布置，使得至少兩片鋼板之間的距離從外管到內管徑向漸增。

在一些優選實施方式中，夾層件和/或內管的鋼板具有至少一個孔口，該孔口允許在夾層件的鋼板之間填充和布置填料。

這樣有利地能夠簡單填充填料以形成夾層件。

在一些實施方式中，用於填充填料的至少一個孔口適當地具有100 mm至300 mm範圍內的直徑。根據設計，至少一個孔口也可以具有更小或更大的直徑。在一些實施方式中，鋼板和/或內管具有若干孔口，這有利地允許同時地且借此均勻地填充填料。還有利地，更加快速地填充填料。

在一些優選實施方案中，填料選自下組：混凝土、樹脂和廢物。

這樣有利地產生可加高應力的蓋，而無需焊接肋形式的加強部。

從本發明的意義上，樹脂為合成樹脂，例如環氧樹脂。

本發明還包括一種製造圓柱形構型的通用浮力體的改進方法。

根據本發明，一種由內管、外管、下蓋和上蓋製造圓柱形構型的通用浮力體的方法至少包括以下步驟：

a）通過單樁技術製作外管和內管；

b）提供內管、外管、第一鋼板、第二鋼板、第三鋼板和第四鋼板以及填料，

其中，管均由至少一段鋼片節制成，且

其中，鋼板至少均具有用於內管貫穿的開口，並且各至少兩片彼此間隔的鋼板以及布置在鋼板之間的填料形成下蓋和上蓋；

c）將外管置入組裝架中；

d）將內管置入組裝架中的外管中；

e）將第一鋼板如此置入到組裝架中，即第一鋼板布置在外管的下端的高度上，並且第一鋼板的開口容納內管，然後第一鋼板連接至內管和外管；

f）使用第二鋼板、第三鋼板和第四鋼板重複步驟d），其中，第二鋼板與第一鋼板定向間隔布置，第三鋼板與第二鋼板定向間隔布置，第四鋼板與第三鋼板定向間隔布置布置在外管的上端處；

g）在第一鋼板與第二鋼板之間填充填料，以形成構造為夾層件的下蓋；

h）在第三鋼板與第四鋼板之間填充填料，以形成構造為夾層件的上蓋；

i）使填料固化。

根據本發明的方法有利地能夠經濟地製造通用浮力體，而無需焊接肋形式的加強部。

在一些實施方式中，該方法以a）、b）、c）、d）、e）、f）、g）、h）和i）的順序進行。

借助單樁技術製作的內管和外管有利地具有簡單的結構設計，能夠快速地自動化或半自動化且可擴展地進行生產，從而有助於降低通用浮力體的成本。

在一些實施方式中，在步驟b），提供由多層材料配合式連接的鋼片形成的鋼板。在其他實施方式中，在步驟b），提供厚度適當地在10 mm至40 mm範圍內的鋼板。在其他實施方式中，在步驟b），提供厚度更薄或更厚的鋼板。

在一些實施方式中，在步驟c），將外管豎立置入到組裝架中。豎立是指外管的圓柱軸線在組裝架中垂直取向。

在一些實施方式中，在步驟d），將內管居中置入到組裝架中的外管中。在一些實施方式中，借助起重機將內管和外管置入到組裝架中。

在一些實施方式中，步驟e）和f）中的連接借助焊接方式進行。在其他實施方式中，步驟e）和f）中的連接在單側或雙側進行。在本文中，單側是指第一鋼板的一側連接至內管和外管。第一鋼板的一側是指第一鋼板的頂側或底側。雙側是指第一鋼板的頂側和底側皆連接至內管和外管。

在一些實施方式中，在步驟f），將第二鋼板與第一鋼板布置成在150 mm至500 mm範圍內定向間隔。

在一些實施方式中，在步驟f），將第三鋼板與第二鋼板布置成在5m至15m範圍內定向間隔。

在一些實施方式中，在步驟f），將第四鋼板與第三鋼板布置成在150 mm至500 mm範圍內定向間隔。

在一些實施方式中，將第二鋼板、第三鋼板和第四鋼板布置成彼此定向間隔更短或更長的距離。

在一些實施方式中，步驟g）和h）同時發生。

在一些實施方式中，一種由內管、外管、下蓋和上蓋製造圓柱形構型的通用浮力體的方法至少包括以下步驟：

i. 通過單樁技術製作外管和內管；

ii. 提供內管、外管、下蓋和上蓋，

其中，管均由至少一段鋼片節制成，且

其中，蓋至少均具有用於內管貫穿的開口，且

蓋構造為由至少兩片彼此間隔布置的鋼板和布置在鋼板之間的填料組成的夾層件；

iii. 將外管置入到組裝架中；

iv. 將內管置入到組裝架中的外管中；

v. 將下蓋置入到組裝架中，使其布置在外管下端的高度上，下蓋的開口容納內管，然後將下蓋連接至外管和內管；

vi. 將上蓋置入到組裝架中，使其布置在外管上端的高度上，上蓋的開口容納內管，然後將上蓋連接至外管和內管。

在一些實施方式中，在步驟iv，內管居中置入到組裝架中的外管中。在一些實施方式中，借助起重機將內管和外管置入到組裝架中。

在一些實施方式中，步驟v和vi中的連接借助焊接方式進行。在其他實施方式中，步驟v和vi中的連接在單側或雙側進行。在本文中，單側是指蓋的一側連接至內管和外管。蓋的一側是指蓋的頂側或底側。雙側是指蓋的頂側和底側皆連接至內管和外管。

在一些優選實施方式中，在步驟g）和/或h），通過鋼板和/或內管中的至少一個孔口填充並布置填料。

這樣就能有利地易於填充填料，以便將下蓋和上蓋構造為夾層件。

在一些實施方式中，用於填充填料的至少一個孔口適當地具有100 mm至300 mm範圍內的直徑。根據設計，至少一個孔口也可以具有更小或更大的直徑。在一些實施方式中，鋼板和/或內管具有若干孔口，這樣能夠同時並借此加速填充填料。

在一些實施方式中，根據本發明的通用浮力體的組件至少部分地具有腐蝕防護。這種腐蝕防護的類型和應用是已知的技術，例如形成厚壁、噴漆或應用陰極電化學腐蝕防護技術。

本發明還包括一種至少一個根據本發明的通用浮力體和/或通過根據本發明的方法製造的通用浮力體在風能設施、浮動平臺和/或海洋能源系統的浮動底層結構中的用途。

從本發明的意義上，風能設施尤其包括海上風能設施。從本發明的意義上，浮動平臺是指浮動鑽井平臺、變換設備浮動平臺（又稱為變電設備浮動平臺）、浮動工作平臺或多功能浮動平臺。

從本發明的意義上，海洋能系統是指利用海洋能的能量系統，例如利用潮汐、洋流、波浪、鹽梯度或溫度梯度的發電廠。

本發明還包括風能設施、浮動平臺和/或海洋能系統的浮動底層結構，其包括至少一個根據本發明的通用浮力體。

為了實現本發明，也有益地將根據本發明的上述技術方案、實施方式和申請專利範圍所述的特徵組合在有益的布置中。

實施例1：帶平面式蓋的通用浮力體

根據圖1，帶平面式蓋的圓柱形構型的通用浮力體1具有內管10、外管11、上蓋12和下蓋13。在圖1中可以看出，內管10貫穿上蓋12和下蓋13中的開口。此外，從圖1中可以看出，蓋12、13垂直於內管10和外管11布置。蓋12、13在貫穿區域中連接至內管11，並連接至外管11的末端。

圖2以圖1中的上蓋12為例示出細節A和B。圖2中的細節視圖A示出上蓋12與內管10之間的連接。上蓋12構造為夾層件，包括兩個彼此間隔布置的鋼板121以及布置在鋼板之間的填料122，諸如混凝土。圖2中的細節視圖B示出上蓋12與外管11的連接。此外，從圖2中的細節視圖A和B可以看出，上蓋12垂直於內管10和外管11布置。上蓋12的鋼板121彼此平行間隔。

實施例2：帶錐形蓋的通用浮力體

根據圖3，帶錐形蓋的圓柱形構型的通用浮力體1具有內管10、外管11、上蓋12和下蓋13。在圖3中可以看出，內管10貫穿上蓋12和下蓋13中的開口。此外，從圖3中可以看出，蓋12、13如此連接至內管10和外管11，即蓋12、13與內管10成小於90°的角度且與外管11成大於90°的角度布置。

圖4以圖3中的上蓋12為例示出細節C和D。圖2中的細節視圖C示出上蓋12與內管10之間的連接。上蓋12構造為夾層件，包括兩個彼此間隔布置的鋼板121以及布置在鋼板之間的填料122，諸如混凝土。圖4中的細節視圖D示出上蓋12與外管11的連接。此外，從圖2中的細節視圖C和D可以看出，上蓋12的兩片鋼板121如此彼此間隔布置，即鋼板121之間的距離自外管11到內管10徑向漸增。

1:通用浮力體 10:內管 11:外管 12:上蓋 121:鋼板 122:填料 13:下蓋

圖1示出具有平面式上蓋和下蓋的圓柱形通用浮力體以及該通用浮力體的縱剖面； 圖2示出圖1中標記區域A和B的細節視圖； 圖3示出具有錐形上蓋和下蓋的圓柱形通用浮力體以及該通用浮力體的縱剖面； 圖4示出圖3中標記區域C和D的細節視圖。

1:通用浮力體

10:內管

11:外管

12:上蓋

13:下蓋

Claims (11)

1. 一種用於浮動底層結構的圓柱構型的通用浮力體，其至少具有以下組件： - 內管， - 外管， - 上蓋，以及 - 下蓋， 其中，所述內管貫穿所述蓋中的開口並在貫穿區域中連接至所述蓋，且 其中，所述內管布置在所述外管之內，且 其中，所述蓋在雙側連接至所述外管的末端，且 其中，所述蓋構造為夾層件，且 其中，所述管均由至少一段鋼片節形成。
2. 如請求項1所述的通用浮力體，其中，所述內管如此構造為引導由所述通用浮力體產生的力流主要通過所述內管。
3. 如請求項1或2所述的通用浮力體，其中，所述夾層件均包括至少兩個彼此間隔布置的鋼板以及布置在所述鋼板之間的填料。
4. 如請求項3所述的通用浮力體，其中，至少一個蓋如此連接至所述內管和所述外管，即所述至少一個蓋垂直於所述內管和所述外管布置，其中，所述蓋的至少兩片鋼板彼此平行間隔布置。
5. 如請求項3或4所述的通用浮力體，其中，至少一個蓋如此連接至所述內管和所述外管，即所述至少一個蓋與所述內管成小於90°的角度且與所述外管成大於90°的角度，其中，所述蓋的至少兩片鋼板彼此間隔布置，使得所述至少兩片鋼板之間的距離自所述外管到所述內管徑向漸增。
6. 如請求項3至5中任一項所述的通用浮力體，其中，所述夾層件和/或所述內管的鋼板具有至少一個孔口，所述孔口允許在所述夾層件的鋼板之間填充和布置所述填料。
7. 如請求項3至6中任一項所述的通用浮力體，其中，所述填料選自下組：混凝土、樹脂和廢物。
8. 外管、下蓋和上蓋製造圓柱形構型的通用浮力體的方法，其至少包括以下步驟： a）通過單樁技術製作外管和內管； b）提供內管、外管、第一鋼板、第二鋼板、第三鋼板和第四鋼板以及填料， 其中，所述管均由至少一段鋼片節制成，且 其中，所述鋼板至少均具有用於內管貫穿的開口，並且各至少兩片彼此間隔的鋼板以及布置在所述鋼板之間的填料形成所述下蓋和所述上蓋； c）將所述外管置入組裝架中； d）將所述內管置入所述組裝架中的所述外管中； e）將所述第一鋼板如此置入到所述組裝架中，即所述第一鋼板布置在所述外管的下端的高度上，並且所述第一鋼板的開口容納所述內管，然後所述第一鋼板連接至所述內管和所述外管； f）使用所述第二鋼板、所述第三鋼板和所述第四鋼板重複步驟d），其中，所述第二鋼板與所述第一鋼板定向間隔布置，所述第三鋼板與所述第二鋼板定向間隔布置，所述第四鋼板與所述第三鋼板定向間隔布置布置在所述外管的上端處； g）在所述第一鋼板與所述第二鋼板之間填充所述填料，以形成構造為夾層件的下蓋； h）在所述第三鋼板與所述第四鋼板之間填充所述填料，以形成構造為夾層件的上蓋； i）使所述填料固化。
9. 如請求項8所述的方法，其中，通過所述鋼板和/或所述內管中的至少一個孔口填充並布置所述填料。
10. 一種至少一個如請求項1至7中任一項所述的通用浮力體和/或通過如請求項8或9所述的方法製造的通用浮力體在風能設施、浮動平臺和/或海洋能系統的浮動底層結構中的用途。
11. 一種風能設施、浮動平臺和/或海洋能系統的浮動底層結構，其包括至少一個如請求項1至7中任一項所述的通用浮力體。

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