TWI797245B - 用於將具有縱向方向之龐大細長物體提供至水下底層中之裝置與方法 - Google Patents

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Abstract

本發明描述一種用於自一船之一甲板將具有一縱向方向之一龐大細長物體提供至一水下底層之裝置。該裝置包含一提升構件，其經建構以在其提升點處取出該物體且將其定位在該水下底層上；一倒置工具，其連接至該船之一邊緣且經建構以接合自該提升構件懸掛之該物體之一第一圓周部分，並提供一樞轉軸，該物體可圍繞該樞轉軸倒置；及一夾持工具，其連接至該船之一邊緣且經建構以接合自該提升構件懸掛之該物體之一第二圓周部分，藉此該第一及第二圓周部分視情況在該物體之該縱向方向上間隔開。該夾持工具包括一致動器系統，該致動器系統經建構以作用於該倒置工具及該夾持工具中之至少一者上，並控制該第一及第二圓周部分中之至少一者相對於該船的運動。本發明亦描述一種使用該裝置的方法。

Description

用於將具有縱向方向之龐大細長物體提供至水下底層中之裝置與方法
本發明係關於一種用於自一船之一甲板將具有一縱向方向之一龐大細長物體提供至一水下底層之裝置與方法。本發明特定而言係關於一種用於自特定而言浮船之一船之一甲板將一風力渦輪機之一單樁提供至一水下底層中之裝置與方法。
將參考離岸風力渦輪機闡明本發明。然而，對此風力渦輪機之提及並不意味著本發明限於此，且該裝置與方法可應用於向水下底層提供任何其他龐大細長物體，諸如例如其他離岸基礎結構、防波提、雷達及其他塔等等。
海上風力渦輪機之基礎通常具有細長的設計，因為必須橋接與水下底層的高度差。風力渦輪機之頻繁應用基礎包含提供在具有變口體之上部側上之單樁，該變口體形成與佈置在單樁上之渦輪機桅桿的連接。單樁經保持在水下，且下端經驅動至水下底層。因此，單樁基礎之大部分在使用中位於水下。
單樁通常包含鋼或混凝土之中空圓柱形結構，其可具有高達100m及以上之長度，高達11米及以上之直徑，及可上升高達2000噸及以上的重量。此外，風力渦輪機之基礎變得越來越重且越來越大，因為風力渦輪機不斷地按比例放大以產生更多的電能。越來越龐大之單樁基礎使其越來越難以處置。
用於在水下底層上提供單樁之已知方法包含使用諸如起重機之類的提升構件自船取出單樁並將單樁降低至水下底層上或其中，單樁藉由連接至船之樁夾持器在此處在控制下保持處於大致垂直定向位置。該船通常為升降式船，因為升降式船之支腿提供所需的穩定性。在典型的操作順序中，使用樁夾持器藉由提升構件將單樁降低至海床。當載荷從提升構件轉移至海床時，單樁與提升構件解耦合，且驅動錘擊工具安裝至單樁上。在由樁夾持器提供之一些導引下，單樁經進一步驅動至海床中直至達到所要深度。僅在已將單樁固定在海床中之後，單樁才能與樁夾持器解耦合。
Manfred Beyer等人之文章「New BAUER Fly Drill System Drilling Monopiles at Barrow Offshore Wind Farm,UK」揭示用於將風力渦輪機之單樁放置在水下海床中之裝置。使用包含倒置工具或框架以及設置在其下方之夾持工具的倒置及導引系統。該系統連接至船的船尾並形成鉸鏈，單樁可在倒置期間圍繞該鉸鏈旋轉。
WO2017/142418A1揭示一種用於在海床中擺放完整單柱平台的裝置。平台藉由第一船及配置在船之後且由纜繩連接至船的浮橋供應在水上。浮橋自平台下方移除，此允許平台在其自身重量的影響下且使用牽引纜繩旋轉至水中。第一船配備有用於平台之導引裝置，從而當平台懸浮在水中時藉由使平台一起移動來提供多個自由度。
使用升降式船確保船之運動受到限制，但具有一些缺點及限 制，例如與高度及尺寸有關。為了能夠安裝更大更重的單樁，預計需要自浮船上安裝單樁。
在升降式平台上使用的已知樁夾持器不能用在浮船上，因為在浮船上缺少穩定且靜態之工作平台。甚至在其位置受到動態定位(DP)及/或系泊系統稍微限制時，浮船進一步具有相對大的占地面積。已知方法及裝置之另一缺點為其僅可在相對平靜的海面上且針對相對小之物體大小執行。龐大物體在被降低至水中時確實受到來自海(潮流、波浪)以及來自風的大量能量。海況越嚴重，保持龐大物體(諸如越來越大的單樁)受控制就越困難。在此天氣限制的情況下，可能丟失寶貴的時間。
因此，本發明之目的為提供一種用於將具有縱向方向之龐大細長物體提供至水下底層之裝置與方法，這至少部分地消除先前技術之上述缺點。本發明特定而言旨在提供一種用於自浮船將風力渦輪機之單樁安全地提供至水下底層之經改良裝置與方法。
出於此目的，根據本發明提供一種用於自船之甲板將具有縱向方向之龐大細長物體提供至水下底層的裝置，該裝置包含：-一提升構件，其經建構以在其一提升點處取出該物體並將其定位在該水下底層上；-一倒置工具，其連接至船之邊緣且經建構以接合第一圓周部分且在自提升構件懸掛時沿縱向方向支撐物體，因此提供樞轉軸，該物體可圍繞該樞轉軸倒置；及-夾持工具，其連接至船之邊緣且經建構以接合自提升構件懸掛之物體之第二圓周部分，藉此第一及第二圓周部分視情況在物體之縱向方向上間隔開；及 -致動器系統，其經建構以作用在倒置工具及夾持工具中之至少一者上，並控制第一及第二圓周部分中之至少一個相對於船之運動。
所引用的現有技術文獻中並無一者，且特定而言WO 2017/142418 A1，示出致動器系統，該致動器系統適於與倒置框架及/或與夾持工具接合以阻尼或控制第一及/或第二圓周部分相對於船之運動。最多，WO 2017/142418 A1揭示一種系統，該系統經配置以與平台一起移動，該平台與系統接合且懸浮在水中。該已知系統不能作用於懸浮平台，例如藉由阻尼與系統接合之平台之運動(被動補償)，或藉由主動地將運動施加至平台上(主動補償)。
根據本發明之實施方式，第一及第二圓周部分可基本上重合。在此實施方式中，倒置工具及夾持工具在位置上對準，使得其作用在物體之基本上相同的圓周部分上。在另一實施方式中，夾持工具可經建構以用作倒置工具。為此，夾持工具連接至船之邊緣且經建構以當自提升構件懸掛時在縱向方向上支撐物體，因此提供樞轉軸，物體可圍繞該樞轉軸被倒置。
根據本發明之又一實施方式，倒置工具及夾持工具相對於彼此在位置上對準，使得其允許接合在物體之縱向方向上間隔開之第一及第二圓周部分。此具有幾個優點，如下面將進一步闡述。
致動器系統可取決於其操作之階段以不同的模式操作。在典型方法中，物體在其提升點處藉助提升構件取出，並被帶入倒置工具，該倒置工具接合物體之第一圓周部分。然後可將物體倒置至基本垂直位置，同時倒置工具圍繞樞轉軸旋轉。在操作之此階段期間，致動器系統通常經建構以作用於倒置工具並通過阻尼這些運動來控制第一圓周部分相對於船之運動。在此操作階段，致動器系統被稱為以被動模式操作。阻尼第一圓周部分相對於船之運動允許更受控制及安全的操作。
當物體已經倒置至基本垂直位置時，典型的進一步步驟接著包 括將自提升構件懸掛之物體之第二圓周部分與夾持工具接合，且將物體降低至水下底層上及其中。在此操作階段中，致動器系統通常經建構以作用於夾持工具上且藉由被動地阻尼此等運動，或若需要則藉由相對於船將運動主動地施加至第二圓周部分上來限制第二圓周部分相對於船之運動。在另一實施方式中，致動器系統亦經建構以作用於倒置工具上，且藉由相對於船將運動主動地施加至第一圓周部分上來控制第一圓周部分相對於船之運動。在另一實施方式中，致動器系統可經建構以同時作用於倒置工具與夾持工具兩者上，以通過相對於船將運動主動地施加至第一及第二圓周部分上來控制第一及第二圓周部分相對於船的運動。
本發明之特定較佳的實施方式係關於裝置，其中夾持工具包含致動器系統，該致動器系統經建構以使得所倒置物體之第二圓周部分相對於船在基本水平之平面內平移，因此補償該平面中之船隻及物體運動。
該裝置，且更具體而言係倒置工具與夾持工具的組合，提供一種用於較佳地自浮船將物體可控地且精確地提供至水下底層及其中的可靠系統。相互對準之倒置與夾持工具之組合允許減少物體之擺動運動，尤其當自諸如起重機之提升構件懸垂時。起重機確實受到某些可接受之限制。例如，懸掛線之典型最大允許傾斜角值為偏離引線5°及側面引線3°。超過此等限制可能導致吊線自起重機滑輪中溜出，及/或可能導致超過起重機之最大可允許水平負載容量。特別有用的是，當在倒置過程中部分倒置至例如相對於水平方向傾斜約80°之傾斜角時，防止物體之「過度擺動」。
本發明裝置可吸收自提升構件懸掛之物體之至少一些能量，且經建構以將倒置物體相對於水下底層保持在所要位置中，同時將物體降低至提供至該水下地層中之水下底層上。
浮動單樁安裝之主要挑戰之一為將樁安裝在所需安裝公差範圍 內。浮動(且因此移動)船確實具有非常有限之工作性範圍或甚至將不能應對通常所需的緊密公差。作為實施例，對於一些項目，單樁相對於垂直方向之角度的最大偏差可被限制在0.25°以內。本發明之裝置有助於實現此等目標。
提升點較佳地包含物體之上端，且倒置工具及夾持工具中之至少一者經建構以在距提升點一定距離處接合自提升構件懸掛之物體。
本發明之另一方面係關於一種用於自船之甲板將具有縱向方向之龐大細長物體提供至水下底層的方法，該方法包含以下步驟：a)提供如前述請求項中任一項之物體及裝置；b)在其提升點處用提升構件取出物體；c)將物體帶到倒置工具內，並用倒置工具接合物體之第一圓周部分及下端，視情況自提升構件懸掛；d)將該物體倒置至一基本上垂直位置，同時該倒置工具繞一樞轉軸旋轉；e)將自該提升構件懸掛之該物體之一第二圓周部分與該夾持工具接合，藉此該第一及第二圓周部分視情況在該物體之該縱向方向上間隔開，f)將物體降低至水下底層上及其中；及g)將物體與裝置解耦合。
其中該致動器系統作用於該倒置工具及該夾持工具中之至少一者，且控制在步驟d)及f)中之至少一者期間該第一及第二圓周部分中的至少一者相對於該船的運動。
注意，上述方法步驟不需要特定序列。特別可能的是，將自提升構件懸掛之物體之第二圓周部分與夾持工具接合的步驟e)在步驟d)之一部分之前或與其一起執行，亦即，將物體倒置至基本垂直位置，而倒置工具圍繞樞轉軸旋轉。
基本上理解為指定量之至多20%、更佳地至多10%、亦更佳地 至多5%且最佳至多0.5%的偏差。
本發明之實施方式係關於一種裝置與方法，其中致動器系統經建構以至少在步驟d)及步驟f)中之一者期間阻尼所接合之第一及第二圓周部分中之至少一者相對於船之運動。特別較佳的是一種裝置與方法，其中致動器系統經建構以至少在步驟d)及f)中之一者期間阻尼所接合第一及第二圓周部分兩者相對於船之運動。例如當物體之下端沿船波動方向移動時，此等實施方式進一步防止或至少限制物體圍繞倒置工具之垂直軸旋轉期間之旋轉。當物體幾乎處於垂直位置時，例如當物體之下端沿船橫移方向移動時，其亦可防止或至少限制物體上端之突然翻倒。
在倒置期間中或當物體下降時，物體之第二圓周部分被夾持工具接合。夾持工具可以阻尼模式操作，其中物體可以阻尼擺的方式相對於其縱向方向沿橫向方向移動。亦可能組合使用夾持工具及倒置工具來產生旋轉阻尼。然後，該倒置工具用作第一圓周部分之阻尼鉸接點，而夾持工具阻尼第二圓周部分之橫向移動。
在阻尼模式中，倒置工具及夾持工具中的至少一者-且較佳地兩者-避免這些運動達到如此高的幅度，使得裝置及/或物體及/或提升構件可能被損壞。
此外，可藉由移除峰值幅度來獲得更好的受控操作。因此，可在高達2至2.5m之指示波高及以上之更高海況下工作，其中先前技術的方法可僅應用高達1.5m之指示波高。夾持工具亦可以船運動補償模式操作，在該模式中，倒置物體之第二圓周部分在平行於水下底層延伸之平面中相對於水下底層保持在基本上固定的位置，儘管船相對於水下底層之移動。此模式較佳地在倒置物體降低到使水下底層被觸摸或部分穿透的程度之前使用。
在操作中，將倒置工具及夾持工具中之至少一者帶到外側，使 得接合之第一及/或第二圓周部分延伸超出船之邊緣。自提升構件懸掛之懸浮物體然後沿著船邊緣向下懸垂至水中或水上方。
本發明之另一實施方式提供一種裝置，其中步驟f)進一步包括將物體降低至水下底層上及其中，同時使倒置物體之第二圓周部分相對於船在基本上水平平面內平移，因此補償船運動。
本發明之另一實施方式係關於一種裝置，其中致動器系統經建構以在水平平面中，亦即在基本平行於水下底層延伸之平面中，將倒置物體之第二圓周部分相對於水下底層保持在基本上固定位置中。水平平面被限定為基本上平行於水下底層延伸，或替代地延伸至水面。
在漂浮在水面上之船受到表現出6個自由度之運動，包括三個平移運動及三個旋轉運動。在鏈接至船之笛卡耳座標系中，且將z軸定義為垂直延伸，x軸在船之縱向方向上延伸，且y軸在船之橫向方向上延伸，x軸平移運動在此領域中稱作為波動，y軸平移運動稱作為橫移，且z軸平移運動作為浮沉。船圍繞x軸之旋轉運動被稱作為橫搖，圍繞y軸之旋轉被稱為俯仰，且船圍繞z軸之旋轉被稱為平擺。值得注意的是，由船之甲板形成之(x，y)平面將不平行於平行於水下底層運動延伸之平面，這恰好歸因於船在水面上之運動。本發明裝置之致動器系統能夠使倒置物體之第二圓周部分相對於船在基本上水平平面中平移，因此補償船運動，且在一實施方式中，保持物體，且特定而言倒置物體之圓周部分，在水平平面中相對於水下底層之基本上固定位置，亦即平行於水下底層延伸之平面。
此意味著，在鏈接至夾持工具之笛卡耳座標系中，具有平行於船座標系之(x，y，z)座標軸延伸之(x，y，z)軸，在夾持工具座標系之x及y方向上不存在相對水下底層之運動。
在本發明裝置之實施方式中，可實現在水平面中將物體相對於 水下底層保持在基本上固定之位置中，其中致動器系統經建構以使夾持工具在平行於水下底層延伸之平面中相對於船平移。致動器系統可由操作員自船之船橋或甲板控制室控制，例如以至少達到某種程度的準確度來實現上述目標。
本發明之進一步改良介接夾具工具和動態定位/系泊系統控制器。此介接之實施方式包含從夾持工具至DP控制器之力前饋迴路。
本發明之改良實施方式提供一種裝置，該裝置進一步包括感測器系統，該感測器系統經建構以量測倒置物體相對於垂直軸之傾斜。此實施方式允許操作者回應於感測器系統輸出採取適當的動作。例如，其可相對於船平移夾持工具以適應與物體之垂直度的偏差。在本發明之態樣中，藉由藉助於致動器系統主動移動夾持工具或其部件，或藉由主動移動船之位置，藉由操作其DP系統或其系泊系統來調整物體之角位置。後一種系統對於校正相對較大的偏移特別有用。因此，在將配置在水下底層上之物體固定在水下底層之前，可將此物體帶入至正確、大致垂直位置中。角位置由物體之縱向方向與垂直方向形成的角度判定。
此外，根據本發明之實施方式的進一步改良之裝置包含控制系統，該控制系統經建構以回應於感測器系統輸出產生用於致動器系統之控制信號。若期望，此實施方式不需要操作員之介入且可獨自操作。
諸如安裝在水下底層之單樁的細長物體之位置可藉由此領域中已知之任何方式判定，諸如藉由本身已知之全球定位系統。藉由本發明裝置之實施方式可增強物體之精判定位，其中船包括動態定位(DP)或系泊系統。此系統允許將船相對於水下底層保持在相對恆定的位置中，至少在一些公差範圍內，而不使用錨柱(spud pole)，如在升降式平台中。系泊系統可包含多個系泊索，在一端設置有用於連接至水下底層之合適構件，且在另一端設置在絞盤或其他合適的取入/放出構件周圍。系泊索之數目可方便地選擇在一與任何數目之 間，例如2、3、4、5、6、7、8、9、10或甚至更多。
根據本發明之夾持工具之實際實施方式包含用於接合第二圓周部分之夾持單元及用於夾持單元之支撐框架，其中支撐框架連接至船之邊緣。支撐框架將夾持單元連接至船，且在一些實施方式中允許致動器系統在平行於水下底層延伸之平面中相對於船平移夾持單元。
在該裝置之另一有用的實施方式中，該倒置工具及該夾持工具中之至少一者圍繞沿著該邊緣延伸之軸線可樞轉地連接至該船之邊緣，以使該工具在該船之內側及外側。有利地，倒置工具及夾持工具兩者圍繞沿著邊緣延伸之軸線可樞轉地連接至船之邊緣。
為了便於在水平平面中移動夾持單元，該裝置之實施方式包括夾持工具，該夾持工具圍繞垂直於船之甲板延伸之軸線可樞轉地連接至船之邊緣。此軸在基本上垂直的方向上延伸。
本發明之另一實施方式係關於裝置，其中致動器系統包含活塞缸單元，該活塞缸單元作用在船與倒置工具及夾持工具中之至少一者之間，較佳地為液壓活塞缸單元。為了能夠控制倒置及/或夾持工具在水平面中之運動，活塞缸單元較佳地在水平面中延伸或縮短，以調整物體之第二圓周部分在(x,y)平面中相對於船之水平位置。致動器系統主要補償使用期間的所有水平船運動。此等包括與船自身之運動相關的一階運動，諸如波動、橫移、橫搖、俯仰及平擺引起的水平運動。實際上，諸如搖擺之船之旋轉運動可能導致夾持工具之水平或垂直平移分量。
在此等二階運動超過夾持工具致動器系統之補償邊界的狀況下，二階運動亦可藉由夾持工具之致動器系統或替代地藉由動態定位(DP)或系泊佔用面積來補償。亦可使用兩者之組合。
船之所有垂直運動皆經釋放(允許)。此等包括船之起伏、橫搖 及俯仰引起的垂直運動。因此，這些不會傳輸至夾持工具。
圍繞物體(旋轉點)之船平擺亦可得到補償，或在替代實施方式中可經釋放。此為了避免船對物體施加扭矩。
特定而言當物體在使用中尚未到達水下底層時，提供裝置的實施方式可能為有益的，其中致動器系統包括運動阻尼裝置，該運動阻尼裝置經建構以阻尼夾持工具及由夾持工具保持的物體相對於船的運動。較佳地實施方式提供活塞缸單元形式之運動阻尼裝置及用於存在於活塞缸單元中之液壓液體的節流構件。實際實施方式提供致動器系統，其活塞缸單元亦經建構為運動阻尼構件。在此實施方式，致動器系統用作精確定位系統及運動阻尼構件。
運動阻尼構件可經建構以將夾持構件(及容納在其中之物體)的動能相對於支撐結構移動至熱能。由所產生熱量引起之溫度升高可例如藉由冷卻環境空氣中之導管等來控制。在可能實施方式中，該裝置包含用於運動阻尼構件或其組件之冷卻構件。
用於液壓液體之節流構件可存在於活塞缸中。流動的液壓液體藉由節流構件受到液壓阻力，由此摩擦增加且溫度升高。因此產生之動能有效地消散。當需要時，此實施方式可與液壓累積器結合使用，該液壓累積器可視情況產生所要預應力及/或可補償液壓缸腔中可能之體積差異。可藉由應用累積器以簡單的方式控制致動器系統之活塞缸單元之預應力。合適的累積器包含膜累積器及/或活塞累積器。在單樁及夾持工具或其部件的橫向運動的狀況下，此運動-阻尼連接中之抵消應力將增加到取決於累積器中之氣體體積之值，由此抵抗運動。
節流構件可體現為活塞缸之活塞中之開口及/或液壓管道中之收縮。合適的節流裝置例如視情況包含可控節流閥。
根據本發明，致動器系統及其部件，諸如可選的運動阻尼構件 橫向於物體之縱向方向作用。此意味著橫向於容納在倒置及/或夾持工具中之物體之縱向方向之擺動移動橫向於物體之縱向方向作用之力分量抵消。
另一實施方式提供一種裝置，其中倒置工具及夾持工具中之至少一者包含分別圍繞物體之第一及/或第二圓周部分設置的可打開及可重新閉合的環狀結構。
環狀結構較佳地設置有複數個導引臂，該等導引臂在垂直於物體之縱向方向之橫向平面中延伸，且可在橫向平面中在與圓周部分相距一段距離之縮回位置與接合圓周部分之伸出位置之間移動。
更較佳之實施方式提供一種裝置，其中複數個導引臂經建構以允許在物體的縱向方向上之平移及圍繞平行於物體之縱向方向之軸線之旋轉中之至少一者。在倒置物體之縱向方向上之平移對應於基本上垂直平移，且因此允許容納船之起伏。圍繞倒置物體之縱向旋轉對應於圍繞基本上垂直軸線之旋轉，且因此允許容納船之平擺。後一旋轉允許在其被固定至水下底層之前圍繞垂直軸旋轉諸如單樁之倒置物體。
根據本發明之實施方式之倒置工具可包含在物體之縱向方向上間隔開之兩個互連之環狀結構，以形成籠狀結構，該籠狀結構較佳地可打開以接納物體。環狀結構可藉由例如縱向延伸之肋互連。
根據本發明，倒置工具經建構以在自提升構件懸掛時沿縱向方向支撐物體。在實施方式中，此可藉由為倒置工具提供一或多個可伸縮之延伸臂來實現，該等臂設置有鉤，該鉤接合物體之下端。可伸縮之延伸臂允許調整細長物體之下端與第一圓周部分之間的縱向距離，因此提供適應不同物體尺寸的可能性。單臂通常位於物體之下端與船的側殼之間。
作為上述帶鉤之臂的替代方案，物體亦可在倒置期間經夾緊摩擦，例如通過為倒置工具提供摩擦元件，該摩擦元件防止接合之第一圓周部分 相對於倒置工具向下滑動。包含摩擦元件之倒置工具甚至可用作提升構件，在該實施方式中，可省略諸如起重機之單獨提升構件。合適的摩擦元件可包含例如橡膠軌道。
當被推向水下底層並最終接觸該底部時，倒置物體可在其自身重量的影響下進一步穿透該底部。然而，本發明之優選實施方式進一步包括用於將物體驅動至水下底層的構件。因此，可藉由利用本身已知之液壓錘擊單元，藉由鑽孔或藉由另一合適的技術將單樁驅動至底表面中。在較佳方法中，物體由夾持工具支撐，同時物體被驅動至水下底層。
根據本發明之另一進一步改良裝置，其包含配備有噪音減輕系統(NMS)的夾持工具。此實施方式可用於在將物體驅動至水下底層期間強制減少噪音污染的情況。夾持工具設有適當的界面以允許使用此NMS。儘管NMS連接至夾持工具之實施方式為較佳的，但NMS亦可作為單獨結構提供以被帶入夾持單元附近的水中。當連接至夾持工具時，NMS較佳地為可打開的，以便允許物體進入夾持工具及NMS。
根據所附申請專利範圍中所闡述之方法，該裝置特別適用於從船之甲板，較佳地一浮船提供單樁基礎至水下底層。
明確指出，本專利申請案中所描述之本發明之實施方式可與此等實施方式之任何可能組合進行組合，且每一實施方式可單獨地形成分割案專利申請之標的物。
1:裝置
2:倒置工具
3:夾持工具
4:龐大細長物體
4a:第一圓周部分
4b:第二圓周部分
4c:下端
5:水下底層
6:變口體
7:提升構件
10:船
10a:邊緣
10b:工作甲板
20:環狀結構/環/籠狀結構
21:環狀結構/環/籠狀結構
22:縱肋/籠狀結構
23:鉸鏈
24:導引臂
24a:滾輪
24b:滾輪
25:臂
26:鉤/伸縮鉤
27:液壓缸
28:懸掛框架
29:鉸鏈
29a:液壓缸
30:夾持單元
31:支撐框架
32:鉸鏈
33:主框架元件
34:導引臂
34a:滾輪
34b:滾輪
35a:液壓缸
35b:液壓缸
36a:孔
36b:孔
37a:框架臂元件
37b:框架臂元件
38:滑動框架
39:摺疊框架
40:縱向軸線
41:距離
46:提升點
50:人
60:液壓缸
61:滑動界面
62:液壓缸
63:支架
70:纜索
71:提升塊
72:基座
210:滑動導軌
310:滑動軌道
現在將參考以下附圖闡明本發明，但不限於此。在圖中：圖1為設置有根據本發明之實施方式之裝置之浮船的示意性立體圖；圖2為根據本發明之實施方式之包含倒置工具及夾持單元之裝置的示意性 立體圖；圖3A至圖3F表示圖2之實施方式在不同操作階段期間的示意性立體圖；圖4A至圖4C為根據本發明之一實施方式之夾持工具的示意性立體圖；圖5為根據本發明之實施方式之在夾持結構中使用之距離保持元件的示意性立體圖；且最後，圖6A至圖6O示意性地表示根據本發明方法之實施方式的不同操作階段。
參考圖1，示出船10，其配備有根據本發明實施方式之裝置1。裝置1用於將具有縱向軸線40之單樁(其係龐大細長物體4之一種可能之實施方式，其將在接下來用於闡釋本案發明之敘述中使用)提供至水下底層5。待放置之組件可設置在船10之工作甲板上，諸如例如多個變口體6及單樁。船10之工作甲板進一步支撐起重機形式之提升構件7，該提升構件圍繞基座72上之垂直軸線可樞轉地設置。提升構件7設有提升纜索70，且在其自由外端處，具有帶鉤之提升塊71，單樁可自該提升塊在使用中懸掛在提升點46處，設置在單樁之上端處。
船10配備有本身已知之動態定位及/或系泊系統(未示出)。
裝置1之實施方式在圖2中更詳細地示出。裝置1包含倒置工具2，其連接至船10之邊緣10a且經建構以接合第一圓周部分4a並支撐單樁之下端4c。倒置工具2提供樞轉軸，單樁可圍繞該樞轉軸倒置，如將在下面更詳細地描述。裝置1亦包括夾持工具3，夾持工具3亦連接至船10之邊緣10a。夾持工具3經建構以接合單樁之第二圓周部分4b，如圖6E至6M中所示出。如所示出，第一圓周部分4a及第二圓周部分4b在單樁的縱向方向40上在一定距離41上間隔開。第一及第二圓周部分(4a，4b)位於距離提升點46非零距離處。
夾持工具3包含致動器系統，該致動器系統包含多個液壓活塞缸35a、35b(參見圖4)，其經建構以使單樁之第二圓周部分4b相對於船10在基本水平的平面中平移。由此補償由波浪作用引起的船10之運動，如下面更詳細地說明的。
一對滑動導軌(210、310)設置在船10的工作甲板10b上。滑動導軌210用於在平行於與船10相關聯之(x,y)座標系中之y軸之橫向(橫切)方向上平移倒置工具2，用於將倒置工具自圖6A至圖6I所示出之外側位置帶到圖6K至圖6O中所示出之內側位置。滑動軌道310用於使夾持工具3圍繞船的x軸旋轉，該x軸平行於船10之邊緣10a延伸，以使夾持工具3自例如圖4B中所示出之外側位置移動至如圖4C中所示出之內側位置。船座標系中之x軸平行於船10之正舵方向延伸。
站在船10之工作甲板10b上之人50說明裝置1之尺寸。
裝置1允許自浮船10直接打樁。倒置工具2經建構以用於倒置單樁，使其自基本上水平之運輸位置(如圖1中所示出)到達基本上垂直定向。在所示出之實施方式中，倒置工具2與夾持工具3成一直線，並與夾持工具3一起工作，以保持單樁受控制並防止單樁在下降過程中振動。倒置工具2及夾持工具3之工作在單樁之縱向方向40上對準，以接納在兩個工具(2、3)中。然而，若期望，兩個工具(2、3)亦可不成直線使用。
參照圖3A至圖3F，倒置工具2具有兩個相互連接之環狀結構(20、21)，當被接納在倒置工具2中時，該等環狀結構在單樁之縱向40上間隔開。環(20、21)藉由縱肋22互連且一起形成籠狀結構，可接納單樁於其中。環狀結構(20、21)可藉由圍繞鉸鏈23旋轉而打開及重新閉合，例如如圖3B中所示出。單樁可藉由用為此目的設置之液壓缸27打開籠門而自倒置之籠狀結構(20、21、22)裝載及釋放。鎖定缸可用於在倒置期間限制籠狀結構門。
倒置籠狀結構(20、21、22)由懸掛框架28支撐，懸掛框架28可沿著滑動軌道210滑動。籠狀結構(20、21、22)藉由鉸鏈29連接至懸掛框架28，鉸鏈29允許圍繞軸線41自由旋轉，當被接納在倒置工具2中時，橫向於單樁之縱向方向40延伸。懸掛框架28可由滑動系統210向內移動，且藉由(低容量)液壓缸所操作之鎖定銷鎖定在適當位置。倒置框架2圍繞鉸鏈29且相對於船(或懸掛框架28)之旋轉由一對液壓缸29a驅動，液壓缸配置在籠狀結構(20、21、22)之每一側上，在懸掛框架28與設置在鉸鏈29上之軛架之間。液壓缸29a為包含致動器系統之液壓迴路之部分。當單樁被倒置至基本上垂直位置時，倒置工具2圍繞樞轉軸旋轉。在此操作之階段，致動器系統通常經建構以作用於倒置工具2且藉由阻尼此等運動控制接合之單樁相對於船10的運動。在此操作階段，致動器系統被稱為以被動模式操作。在另一實施方式中，亦可進行主動控制。
籠狀結構(20、21、22)圍繞單樁之第一圓周部分4a設置以保持籠狀結構。環狀結構(20,21)另外設置有複數個導引臂24，導引臂24在大約垂直於設置在籠狀結構(20、21、22)中之單樁之縱向方向40之橫向平面中延伸。導引臂24(其詳細視圖在圖5中示出)可在橫向平面中在與圓周部分4a相距一段距離處之縮回位置與在接合圓周部分4a之延伸位置之間移動。對應於船10之橫移，在導引臂24之接合端處，臂設置有滾輪24a及滾輪24b，滾輪24a在使用中允許所接合單樁在z方向(對應於船10之起伏之垂直方向)上相對不受阻礙地移動，滾輪24b在使用中允許所接合單樁圍繞平行於單樁之縱向方向40之軸線相對無阻礙地旋轉。
該倒置工具進一步配備有用於將單樁之下端4c支撐在懸掛位置的構件。此等裝置可包含在單樁之縱向方向40上延伸之可伸縮地延伸的臂25，且設置有鉤26，鉤26在橫向於縱向方向40之平面中延伸且能夠與下端4c接合，例如如圖2中所示出。參考圖3F，鉤26可圍繞臂25之端部分樞轉至釋放單樁之 下端4c的位置。其可例如藉由液壓缸打開。圖3C及圖3D說明臂25之長度可伸縮地調整以適應不同的單樁尺寸。換言之，可調整伸縮鉤26以適應單樁之不同整個桿長度。為了倒置，鉤26可機械鎖定。伸縮鉤26用於在倒置期間限制單樁之底端部分4c。伸縮鉤26各自由滑動缸及兩個鎖定缸(未詳細示出)操作。
倒置工具2之用途是在倒置期間支撐及限制單樁之底端部分4c。在單樁倒置之後，樁4通常被夾持工具3捕獲，其中在倒置工具2籠狀結構(20、21、22)打開且單樁被釋放之後。在釋放單樁之後，可藉由沿著成對的滑動軌道210將其滑入內側來使倒置工具2返回至其內側位置。
參考圖4A及圖4B，示出夾持工具3之實施方式。夾持工具3包含用於接合單樁之第二圓周部分4b之夾持單元30，以及用於夾持單元30之支撐框架31。支撐框架31藉由多個鉸鏈32可樞轉地連接至船10之邊緣10a，該等鉸鏈32設置在船10之工作甲板10b上且允許圍繞沿邊緣10a延伸之軸線旋轉。此連接允許夾持工具3在內側位置(如圖4C中所示出)與外側位置(如圖4B中所示出)之間移動。
支撐框架31進一步包含形成滑動框架38及摺疊框架39之多個支架。滑動框架38旨在將夾持單元30保持在適當位置。在補償期間，夾持單元30藉由啟動在滑動框架38與設置在夾持單元30上之滑動界面61之間延伸的液壓缸60而在滑動框架38上滑動。滑動框架38藉助鉸鏈32連接至摺疊框架39且可藉由致動液壓缸62相對於摺疊框架39移動。摺疊框架39用於在操作期間將滑動框架38定位在外側。摺疊框架39另外藉由鉸鏈32連接至工作台10a上。摺疊框架39亦可利用夾持工具3之滑動系統310摺疊至工作台10a上，如圖4C中所示出。藉由向後滑動設置在摺疊框架39與滑動軌道310之間的支架63來降低摺疊框架39。
夾持單元30形成為導引環，該導引環包括主框架元件33且另外 鉸接地連接兩個框架臂元件(37a、37b)，其在單樁被裝載到夾持單元30內之後被鎖定就位。導引環之臂元件(37a、37b)由分別位於主框架元件33與臂(37a、37b)之間的液壓缸(35a、35b)致動。臂元件(37a、37b)可藉由銷鎖定，設置穿過臂(37a、37b)中之孔(36a、36b)，且例如藉由液壓缸插入。
與倒置工具2一樣，主框架元件33及臂(37a、37b)設置有複數個導引臂34，導引臂34沿著夾持單元30之圓周設置且在垂直於設置在夾持單元30中的單樁之縱向方向40之橫向平面中延伸。導引臂34可與上面參考圖5所描述之導引臂24相同。導引臂34(亦稱作為滾輪箱)用於將單樁保持在夾持單元30內之中心位置中。液壓缸放置在滾輪箱內，以藉由推出或縮回滾輪34a來調整夾持單元30中之支撐直徑。可將額外(水平)定向滾輪34b推靠在單樁上，以將單樁相對於垂直(平擺)軸放置在所要定向中。雖然在圖4中繪製四個滾輪，但滾輪的總數可為任意選擇，且可多於四個，例如六個或八個，或甚至更多，此取決於單樁之支撐需求。
致動器系統至少包含液壓活塞缸單元(60、62)，且較佳地亦包含液壓缸29a，適當地併入在液壓迴路(未示出)中。液壓缸62允許平移夾持單元30，且因此亦允許設置在導引單元30中之倒置單樁之第二圓周部分4b相對於船10在基本上水平平面中平移，因此補償此平面中之船運動。x及y方向上之平移係由圍繞鉸鏈32之旋轉引起的。此是因為夾持工具3圍繞垂直於船10之工作甲板10b延伸之軸線可樞轉地連接至船10之邊緣10a。水平平面被定義為基本上平行於水下底層延伸，或替代地延伸至水面。
液壓活塞缸單元(60、62)可設置有用於存在於活塞缸中之液壓液體的節流構件，因此允許用作運動阻尼構件，該運動阻尼構件經建構以阻尼夾持工具3相對於船10之運動。其可視情況被冷卻。
至少包含液壓活塞缸單元(60、62)之致動器系統可經建構以將 倒置單樁之第二圓周部分4b相對於水下底層保持在基本上固定的位置，亦即在平行於水下底層之平面中延伸。此可藉由致動器系統在該水平面中相對於船10平移夾持工具3來實現。此外，提供感測器系統(未示出但本身已知)，其經建構以量測倒置單樁相對於垂直軸之傾斜度，且感測器系統輸出用於產生用於致動器系統之控制信號，以便保持傾斜角度在與垂直方向可容許的偏差內。諸如傾斜儀之類的角度量測系統本身為已知的，且可使用任何合適的類型。亦可能且較佳地藉由除傾斜計之外的其他手段量測傾斜角。例如，可能藉由物體之頂端及底端的位置量測來導出物體之傾斜度，且自相對於水下底層判定之此兩個位置導出傾斜度。
該裝置可進一步配備有用於將倒置單樁驅動至水下底層的構件，例如液壓錘擊單元。亦可使用噪音減輕系統(NMS)，較佳地附接到夾持單元。
本發明裝置1可有利地用於自浮船10之甲板向水下底層提供單樁的方法中。
參考圖6A至圖6O，該方法可包含幾個步驟。這些通常可如下。
在第一步驟中，打開倒置工具2之籠且準備裝載單樁(圖6A)。倒置工具2之籠在此階段基本上水平定向。可伸縮地延伸的臂25在單樁之縱向方向40上延伸，且經建構以支撐單樁之下端4c的鉤26為關閉的。
然後將單樁以提升構件7之形式由提升構件取出並裝載至倒置工具2內，直到其下端面4c到達閉合鉤26。替代地，在已將單樁裝載在倒置工具2內之後，可將鉤26帶至下端面4c。倒置工具2之籠關閉，以便將單樁裝載並保持在倒置工具2之籠內(圖6B)。單樁定向在基本上水平位置中，大約平行於船10之工作甲板10b。
如圖6C中所示，夾持工具3之夾持單元30藉由向外旋轉臂(37a、 37b)而打開，且單樁被提升構件7倒置。此亦導致倒置工具2圍繞其樞轉軸自由旋轉，樞轉軸將通孔28連接至船10。在此實施方式中需要打開夾持工具3，以使單樁通過夾持單元3。
單樁與提升構件7及倒置工具2一起倒置，直至達到一定的傾斜角，該傾斜角相對接近於垂直方向(圖6D)。
為了使單樁接近基本上垂直的方向，藉由圍繞單樁之第二圓周部分4b旋轉臂(37a、37b)來閉合夾持工具3之夾持單元30，如圖6E中所示出。
單樁進一步倒置，直至其位於基本上垂直的位置，如圖6F中所示出。夾持工具3之夾持單元30在倒置之最後階段提供額外穩定性。
圖6G說明下一步驟，其中伸縮鉤26被打開以自倒置工具2中清除單樁，至少在大約平行於z軸的垂直方向上。單樁現在僅懸掛在提升構件7中。
帶有鉤26之伸縮臂25在倒置工具2之籠內縮回，且單樁進一步下降，由夾持單元3及倒置工具2提供導引，其中籠仍然圍繞單樁保持閉合(圖6H)。
在將單樁降低至恰好在水下底層表面上面至位置之後，打開倒置工具2之籠架以至少自倒置工具2釋放單樁。此步驟在圖6I中示出。
現在參照圖6J，倒置工具2圍繞其與船10朝向工作甲板10b之鉸接連接旋轉，且沿著滑動軌道210平移至船10之甲板上之靜止位置。
然後在將單樁刺入水下底層之前藉由沿平擺箭頭的方向使用滾輪箱34之滾輪34b圍繞其縱向軸線40定向單樁，如圖6K中所示出。夾持工具3之夾持單元30顯然仍設置在單樁周圍，以便使滾輪34b在第二圓周部分4b中接觸單樁之表面。
參考圖6L，然後將單樁進一步驅動至水下底層，較佳地在其自 體重量下，直至與底部之接觸點形成用於單樁之鉸鏈。在此位置中，致動器系統及液壓活塞缸(60、62)特別係藉由將夾持單元30及被此單元捕獲之第二圓周部分4b在水平面上平移而變得活躍，以便在穿透水下底層期間使單樁保持在基本上垂直位置中。致動器系統較佳地回應於源自傾斜或位置感測器之輸出的信號而操作。致動器系統操作上以將單樁之第二圓周部分4b相對於水下底層保持在穩定位置，因此補償水平面中之船運動。單樁之下端4c之目標位置可藉由量測具有動態定位系統之船10之位置、提升構件7之位置及夾持單元30之位置來判定。
在下一階段中，如圖6M中所示出，單樁被錘入至海床，而夾持工具3及致動器系統繼續其運動補償操作。
當單樁已經穿透水下底層至其所需程度時，停止錘擊並藉由縮回臂(37a、37b)打開夾持工具3，如圖6N中所示出。當錘子即將達到夾持工具3之高度水平時，夾持工具3亦可打開。在此情況下，單樁通常足夠穩定，以使夾持工具3不支撐，即使其尚未達到其最終所要穿透深度。
然後夾持單元3藉由使其朝向船之工作甲板10a旋轉而被帶至其靜止位置，直至其到達大約垂直位置(圖6O)。然後可將船10航行至另一位置，並可重複上述步驟以將另一單樁提供至水下底層。
本發明不限於上述實施方式，且亦包含其修改，只要在屬於下文所附申請專利範圍之程度內。
1:裝置
4:龐大細長物體
5:水下底層
6:變口體
7:提升構件
10:船
10a:邊緣
46:提昇點
70:纜索
71:提昇塊
72:基座

Claims (26)

  1. 一種用於自一船之一工作甲板將具有一縱向方向之一龐大細長物體提供至一水下底層中的裝置，該裝置包含：-一提升構件，其經建構以在其一提升點處取出該物體並將其定位在該水下底層上；-一倒置工具，其連接至該船之一邊緣且經建構以接合該物體之一第一圓周部分且在自該提升構件懸掛時沿該縱向方向支撐該物體，因此提供一樞轉軸，該物體可圍繞該樞轉軸倒置；及-一夾持工具，其連接至該船之一邊緣且經建構以接合自該提升構件懸掛之該物體之一第二圓周部分，藉此該第一及第二圓周部分視情況在該物體之該縱向方向上間隔開，且-一致動器系統，其經建構以作用於該倒置工具及該夾持工具中之至少一者上，且控制該第一及第二圓周部分中之至少一者相對於該船之運動，其中該控制至少包含緩衝該第一及第二圓周部分中之該至少一者相對於該船之該移動。
  2. 如請求項1所述之裝置，藉此該第一及第二圓周部分在該物體之該縱向方向上間隔開。
  3. 如請求項1或2所述之裝置，其中該致動器系統經建構以作用於該夾持工具上且使該倒置物體之該第二圓周部分相對於該船在一基本上水平平面中平移，因此補償該船之運動。
  4. 如請求項3所述之裝置，其中該致動器系統經建構以在一水平平面中(在平行於該水下底層延伸之一平面中)將該倒置物體之該第二圓周部分相對於該水下底層保持在一基本上固定的位置中。
  5. 如請求項1或2所述之裝置，其進一步包含一感測器系統，該感測器系統經建構以量測該倒置物體相對於一垂直軸之一傾斜度。
  6. 如請求項5所述之裝置，其進一步包含一控制系統，該控制系統經建構以回應於該感測器系統輸出而為該致動器系統生成控制信號。
  7. 如請求項1或2所述之裝置，其中該船為一浮船且包含一動態定位(DP)或系泊系統。
  8. 如請求項6所述之裝置，其中該控制系統包含在該夾具工具與設置在該船上之一動態定位(DP)控制器之間的一界面，其中該界面視情況包含自該夾具工具至該DP控制器之一力前饋迴路。
  9. 如請求項1或2所述之裝置，其中該夾持工具包含用於接合該第二圓周部分之一夾持單元及用於該夾持單元之一支撐框架，其中該支撐框架連接至該船之該邊緣。
  10. 如請求項1或2所述之裝置，其中該倒置工具及該夾持工具中之至少一者圍繞沿著該邊緣延伸之一軸線可樞轉地連接至該船之該邊緣，以使該工具在該船之內側及外側。
  11. 如請求項1或2所述之裝置，其中該夾持工具圍繞垂直於該船之該甲板延伸之一軸線可樞轉地連接至該船之該邊緣。
  12. 如請求項1或2所述之裝置，其中該致動器系統經建構以在平行於該水下底層延伸之一平面中相對於該船平移該夾持單元。
  13. 如請求項1或2所述之裝置，其中該致動器系統包含活塞缸單元，該活塞缸單元作用在該船與該倒置工具及該夾持工具中之至少一者之間。
  14. 如請求項13所述之裝置，其中該致動器系統之運動阻尼構件包含一活塞缸單元及用於存在於該活塞缸中之液壓液體之節流構件。
  15. 如請求項1或2所述之裝置，其中該夾持工具設置有一噪音減輕系統。
  16. 如請求項1或2所述之裝置，其中該倒置工具及該夾持工具中之 至少一者包含圍繞該物體之該第一及/或第二圓周部分設置之一可打開及可重新閉合的環狀結構。
  17. 如請求項16所述之裝置，其中該環狀結構設置有複數個導引臂，該等導引臂在垂直於該物體之該縱向方向之一橫向平面中延伸，且可在該橫向平面中在與該圓周部分相距一段距離之一縮回位置與接合該圓周部分之一伸出位置之間移動。
  18. 如請求項17所述之裝置，其中該複數個導引臂經建構以允許在該物體之該縱向方向上之一平移及圍繞平行於該物體之該縱向方向之一軸線之一旋轉中之至少一者。
  19. 如請求項1或2所述之裝置，其中該倒置工具包含在該物體之該縱向方向上間隔開之兩個互連之環狀結構，以形成一籠狀結構。
  20. 如請求項1或2所述之裝置，其中該倒置工具具有用於支撐自該提升構件懸掛之該物體之一下端的構件，該提升裝置包含可伸縮延伸的臂，該等臂設有與該下端接合的鉤。
  21. 如請求項1或2所述之裝置，其中該提升點包含該物體之一上端，且該倒置工具及該夾持工具中之至少一者經建構以在距該提升點一定距離處接合自該提升構件懸掛之該物體。
  22. 如請求項1或2所述之裝置，其進一步包含用於將該物體驅動至該水下底層的構件。
  23. 如請求項1或2所述之裝置，其中該物體包含一風力渦輪機之一單樁。
  24. 一種用於自一船之一甲板將具有一縱向方向之一龐大細長物體提供至一水下底層中的方法，該方法包含以下步驟：a)提供如請求項1至23中任一項之一物體及一裝置； b)在其一提升點處用該提升構件取出該物體；c)將該物體帶到該倒置工具內，並用該倒置工具接合該物體之一第一圓周部分自該提升構件懸掛；d)將該物體倒置至一基本上垂直位置，同時該倒置工具繞一樞轉軸旋轉；e)將自該提升構件懸掛之該物體之一第二圓周部分與該夾持工具接合，藉此該第一及第二圓周部分視情況在該物體之該縱向方向上間隔開，f)將該物體降低至該水下底層上及其中；及g)將該物體與該裝置解耦合。 其中該致動器系統作用於該倒置工具及該夾持工具中之至少一者，且控制在步驟d)及f)中之至少一者期間該第一及第二圓周部分中的至少一者相對於該船的運動。
  25. 如請求項24所述之方法，其中至少在步驟d)及f)中之一者期間，該致動器系統緩衝該第一及第二圓周部分中之至少一者相對於該船的運動。
  26. 如請求項24或25所述之方法，其中步驟f)進一步包含將該物體降低至該水下底層上及其中，同時使該倒置物體之該第二圓周部分相對於該船在一基本上水平平面內平移，因此補償船運動。
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