TWM650772U - 一種繫泊系統 - Google Patents

Abstract

本申請涉及水上繫泊技術領域，尤其涉及一種繫泊系統，包括繫泊索，繫泊索的一端連接水底的錨點，且另一端用於連接水面上的漂浮式結構物，繫泊索上設有至少一個浮筒和至少兩個配重塊，配重塊與浮筒沿繫泊索的長度方向間隔佈置，每個浮筒的兩側分別有至少一個配重塊。在繫泊索上設置“配重塊-浮筒-配重塊”形式的組合結構，使得繫泊系統在水平方向上形成約束漂浮式結構物偏移的能力，同時又具有足夠的柔性，整體剛度較小，猶如給繫泊系統中間增加了一個低剛度的防震緩衝裝置，可以將繫泊索內波頻激勵帶來的動態張力幅度降低一到兩個數量級，大幅降低繫泊索的使用長度，並且繫泊索的拉力等級也可以下降一個數量級，大幅度降低成本。

Description

一種繫泊系統

本申請涉及水上繫泊技術領域，尤其涉及一種繫泊系統。

漂浮式結構物在海上受到外界風、浪、流等外界載荷的作用，需要有相應的繫泊系統將其與海底相連接，才能保證其被系留在目標位置附近，不至於被風浪流沖跑或吹跑。常見的繫泊系統根據目標水深的不同，繫泊系統的形式也不同。根據漂浮式結構物的尺寸與水深的相對比例關係，繫泊系統可以分為深水繫泊和淺水繫泊。記漂浮式結構物水下部分在水平面的投影外輪廓面積為S，定義漂浮式結構物外輪廓特徵尺度L=√S，記設計極端環境條件波浪譜峰週期對應的波長為λ，記水深為WD，當滿足WD＜λ⁄2或WD＜5L時，對應的繫泊系統可認為是淺水繫泊，其它可認為是中等水深或深水繫泊。

對於中等水深或深水繫泊系統，通常的繫泊系統的線型有懸鏈線形式、半張緊式、或者張緊式繫泊。深水繫泊系統設計相對比較容易。而對於淺水繫泊系統，尤其是長期或永久繫泊，繫泊系統需要能夠經受較大環境條件時，其設計則有非常大的技術挑戰。淺水繫泊的設計難度在於，如果繫泊索設置為懸鏈線形式，則為了保證漂浮式結構物在最大偏移的情況下錨點處仍然不被拎起來，繫泊索長度要設置的非常長，通常淺水繫泊如果採用懸鏈線形式的繫泊，繫泊半徑會到水深的十幾倍，乃至二三十倍。為了改善繫泊索的動力響應特性，降低繫泊半徑，工程上會在繫泊索中間增加若干配重，在漂浮式結構物偏移時，錨點處繫泊索不至於被拎起來，但即使增加重塊，繫泊半徑通常仍然在水深的十幾倍以上。這樣就造成淺水繫泊系統的繫泊索等物料使用量極大，設計指標高，整體的繫泊系統成本居高不下，單純繫泊系統的成本接近甚至超過漂浮式結構物本身的結構物料造價。同時，淺水繫泊系統很難被做成小繫泊半徑（如十倍水深以內）的張緊式繫泊方案，其原因在於如果淺水張緊式繫泊，則繫泊索在受到外部載荷後，偏離設計平衡位置，繫泊索整體處於繃緊的狀態，此狀態下，在經受較高環境條件海況時，漂浮式結構物在海洋波浪的載荷的激勵下，除了讓其偏移的波浪慢漂力和定常力（風、流）外，還受到波浪的波頻載荷的激勵，通常波浪激勵載荷要比慢漂載荷大一個甚至兩個數量級，平臺在波頻激勵下的運動，傳遞到繃緊的繫泊索上，此時的繫泊索只能靠其自身材料的彈性變形來承擔平臺傳遞的載荷，由於繫泊索本身材料沿其長度方向的剛度較大，猶如繃緊的琴弦，在上端被彈撥，這就造成繫泊索內部會有極大的動態張力，動態張力的峰值要比承受單純靜態偏移的值大許多倍，兩者比值能夠達到十幾倍乃至幾十倍。淺水張緊式繫泊這樣的動態響應特徵就決定了淺水繫泊系統在工程上，如果作為長期繫泊、要承受較大海況條件的情況下，無法簡單採用小半徑張緊式繫泊系統。

本申請要解決的技術問題是提供一種小繫泊半徑、低張力的繫泊系統，以克服現有技術的上述缺陷。

為了解決上述技術問題，本申請採用如下技術方案：一種繫泊系統，包括繫泊索，繫泊索的一端連接水底的錨點，且另一端用於連接水面上的漂浮式結構物，繫泊索上設有至少一個浮筒和至少兩個配重塊，配重塊與浮筒沿繫泊索的長度方向間隔佈置，每個浮筒的兩側分別有至少一個配重塊。

優選地，繫泊索設有多根，至少一根繫泊索上設有配重塊和浮筒。

優選地，浮筒的最大浮力大於浮筒兩側的配重塊的水下重力之和。

優選地，繫泊索採用錨鏈或鋼絲繩或複合材料纜繩。

優選地，錨點提供水平承載力和垂向承載力。

優選地，錨點採用吸力錨或入泥板錨。

優選地，配重塊包括鋼製外殼，鋼製外殼內部填充混凝土或鐵礦砂。

優選地，浮筒採用浮球，浮球為鋼製中空結構。

優選地，單個浮筒包括若干個分佈佈置的小浮體。

優選地，單個配重塊包括若干個分佈佈置的小重塊。

與現有技術相比，本申請具有顯著的進步：

本申請的繫泊系統，在繫泊索上設置“配重塊-浮筒-配重塊”形式的組合結構，使得繫泊系統整體在水平方向上形成約束漂浮式結構物偏移的能力，同時繫泊系統整體又具有足夠的柔性，整體剛度較小，漂浮式結構物波頻運動帶動繫泊連接點的運動，無法造成繫泊系統整體的動態響應載荷的大幅度增大，猶如給繫泊系統中間增加了一個低剛度的防震緩衝，由此可以將繫泊索內波頻激勵帶來的動態張力幅度降低一到兩個數量級，波頻激勵帶來的動態張力降低到繫泊索承受的靜態偏移載荷同一個級別。因此，採用本申請的繫泊系統可以大幅降低繫泊索的使用長度，並且繫泊索的拉力等級也可以下降一個數量級，將原本價格高昂的淺水繫泊系統整體成本大幅度降低，具有重要的經濟價值。

下面結合附圖對本申請的具體實施方式作進一步詳細說明。這些實施方式僅用於說明本申請，而並非對本申請的限制。

在本申請的描述中，需要說明的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“後”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內”、“外”等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本申請和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本申請的限制。此外，術語“第一”、“第二”僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本申請的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本申請中的具體含義。

此外，在本申請的描述中，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上。

如圖1至圖4所示，本申請的繫泊系統的一種實施例。本實施例的繫泊系統是根據淺水繫泊系統的動力響應特點，提出的一種適用於淺水繫泊的小繫泊半徑、低張力的複合式繫泊系統。

參見圖1，本實施例的繫泊系統包括繫泊索1，繫泊索1的一端（如下端）連接水底a的錨點2，錨點2錨固於水底a，繫泊索1的另一端（如上端）用於連接水面b上的漂浮式結構物5，以將漂浮式結構物5系留在水面b上目標位置區域。繫泊索1上設有至少一個浮筒4和至少兩個配重塊3，配重塊3與浮筒4沿繫泊索1的長度方向間隔佈置，形成多段繫泊索依次連接配重塊3和浮筒4的複合式結構，每個浮筒4的兩側分別有至少一個配重塊3，從而在繫泊索1上形成“配重塊3-浮筒4-配重塊3”形式的組合結構，通過這樣的組合結構，依靠浮筒4在水中向上的浮力和配重塊3向下的重力，可以在繫泊索1中實現一種類似彈簧的柔性載荷緩衝功能。

具體地，由於浮筒4在水中向上的浮力作用，通過浮筒4的最大浮力與配重塊3的水下重力的配置，優選為，浮筒4的最大浮力大於浮筒4兩側的配重塊3的水下重力之和，可使得“配重塊3-浮筒4-配重塊3”形式的組合結構在水中呈兩側配重塊3被中間的浮筒4吊起的狀態，當該組合結構因漂浮式結構物5存在而受到拉力的時候，兩側配重塊3之間的距離會被拉開，並且由於浮筒4的存在，兩側配重塊3一直會有往中間靠近的趨勢，故使得整個繫泊系統在錨點2與被繫泊的漂浮式結構物5之間形成一種類似彈簧的回復約束機構，具有柔性載荷緩衝功能，能夠在水平方向上約束漂浮式結構物5的水面偏移幅度：若漂浮式結構物5偏移，繫泊索1上端和漂浮式結構物5相連，也會跟隨移動，當漂浮式結構物5遠離錨點2時，繫泊索1上“配重塊3-浮筒4-配重塊3”形式的組合結構也會被拉伸，對漂浮式結構物5的約束載荷變大；而當漂浮式結構物5靠近錨點2時，繫泊索1上“配重塊3-浮筒4-配重塊3”形式的組合結構中的拉力變小。即無論漂浮式結構物5如何運動，“配重塊3-浮筒4-配重塊3”形式的組合結構中兩側配重塊3與中間浮筒4三者之間的空間位置都會跟隨調整，並且，由於配重塊3的水下重力和浮筒4的浮力作用，使得整個組合結構中一直有張力，因此該組合結構在水平方向上一方面能夠對漂浮式結構物5形成一個往錨點2方向的恢復力，另一方面，當漂浮式結構物5運動後，該組合結構自動調整自身的空間結構位置，一直會相應的提供恢復力。

不同於傳統的繫泊索單純加配重塊來改善繫泊索的恢復力曲線，或者配重塊-單邊浮筒形式，本實施例的繫泊系統，通過在浮筒4兩側設置配重塊3的“配重塊3-浮筒4-配重塊3”形式的組合結構，使得繫泊系統的柔性更強，並且預張力可控，這樣整個繫泊系統可以對漂浮式結構物5有更好的水平方向約束能力。此外，本實施例的繫泊系統的整體剛度相較不設置“配重塊3-浮筒4-配重塊3”形式的組合結構的繃緊繫泊索的剛度要小得多，亦即本實施例的繫泊系統具有很大的柔性。當受到環境載荷後，漂浮式結構物5會在定常力或緩變力（流力、風力、波浪慢漂力）作用下偏移至新的平衡位置，同時在新的平衡位置上，由於波浪波頻作用力的激勵而運動，由於本實施例的繫泊系統的柔性較大，波頻激勵會被繫泊系統的柔性約束給緩衝掉，因此漂浮式結構物5的波頻運動不會在繫泊索1中造成幾十倍於繫泊索1靜平衡張力的動態張力，而是形成一個和繫泊索1靜平衡張力同等量級的動態張力。由此，整個繫泊系統內繫泊索1的整體張力也就限制到了一個較低的水平，從而降低了繫泊系統中各部件的技術等級和要求，可以大幅降低繫泊索1的使用長度，並且繫泊索1的拉力等級也可以下降一個數量級，將原本價格高昂的淺水繫泊系統整體成本大幅度降低。

本實施例中，優選地，單個浮筒4可以包括若干個分佈佈置的小浮體，由若干個小浮體分佈佈置，整體上形成等效於一個浮筒4的功能。優選地，單個配重塊3可以包括若干個分佈佈置的小重塊，由若干個小重塊分佈佈置，整體上形成等效於一個配重塊3的功能。

本實施例中，圖1顯示為繫泊系統採用單根繫泊索1，該單根繫泊索1上設有“配重塊3-浮筒4-配重塊3”形式的組合結構。對於設有“配重塊3-浮筒4-配重塊3”形式的組合結構的單根繫泊索1，其上設有的組合結構的數量並不局限，可以根據實際工程需要在單根繫泊索1上設置一組或多組“配重塊3-浮筒4-配重塊3”形式的組合結構，多組“配重塊3-浮筒4-配重塊3”形式的組合結構之間可以相互鑲套，也可以與其它形式的繫泊索結構形式組合應用；組合結構中浮筒4和配重塊3的數量也不局限，可以是圖1中所示一個浮筒4和兩個配重塊3，也可以根據實際工程需要增加配重塊3和浮筒4的數量。

由於水上環境條件的載荷方向實際上不是恒定不變的，為確保對漂浮式結構物5的定位效果，優選地，本實施例的繫泊系統中，繫泊索1可以設有多根，其中至少一根繫泊索1上設有配重塊3和浮筒4，即至少一根繫泊索1上設有“配重塊3-浮筒4-配重塊3”形式的組合結構，當然，最佳地，是所有的繫泊索1上均設有“配重塊3-浮筒4-配重塊3”形式的組合結構，以使繫泊系統整體效果最佳。例如，圖2和圖3顯示為繫泊系統設有四根繫泊索1，圖4顯示為繫泊系統設有八根繫泊索1，當然繫泊索1的數量和空間佈置形式並不局限於圖2-圖4所示的方式，可以根據實際工程需要，視水況條件、周邊是設施、可用水域面積等諸多因素而定，同一漂浮式結構的繫泊系統即使都採用本實施例的繫泊索形式，每根繫泊索的具體技術參數也不必和其它繫泊索完全一致。單根繫泊索1上配重塊3和浮筒4的配置如上所述，可以在保證形成至少一組“配重塊3-浮筒4-配重塊3”形式的組合結構的前提下，根據實際工程需要選擇配重塊3和浮筒4的數量及佈置形成。

本實例中，繫泊索1起承擔張力的作用，優選地，繫泊索1可以採用錨鏈或鋼絲繩或複合材料纜繩，錨鏈可以是鋼製無檔錨鏈。當然，繫泊索1也可以採用其它能夠實現同等力學功能的材質。多段繫泊索1之間的連接可以採用鋼製卸扣或其它等效功能的構件完成。

本實例中，錨點2實現繫泊索1下端在水底a的錨固，優選地，錨點2提供水平承載力和垂向承載力。較佳地，錨點2可以採用吸力錨或深入泥板錨。當然，錨點2也可以採用其它能夠實現水底錨固承載功能的結構。

本實例中，配重塊3提供水中向下的重力，優選地，配重塊3可以包括鋼製外殼，鋼製外殼內部填充混凝土或鐵礦砂。當然，配重塊3也可以採用其它能夠提供需要的水下重力的結構。

本實例中，浮筒4提供水中向上的浮力，優選地，浮筒4可以採用浮球，浮球為鋼製中空結構。當然，浮筒4也可以採用其它能夠提供需要的浮力的結構。

實施時，本實施例的繫泊系統可以按以下步驟進行安裝：1）錨點2預安裝，將錨點2和與錨點2相連的一段繫泊索通過施工船安裝到設計的水底a錨點位置，並將該段繫泊索的上端連上臨時的定位繩索和浮球，便於識別；2）將“配重塊3-浮筒4-配重塊3”形式的組合結構在岸上或輔助船舶上由多段繫泊索連接裝配好，然後將該組合結構放入水中，將其一端的配重塊3與已經安裝好的錨點2上的繫泊索的上端連接；3）將另一段繫泊索的一端與漂浮式結構物5連接，然後將漂浮式結構物5拖運到位，再將該段繫泊索的另一端與組合結構另一端的配重塊3連接，由此形成具有“配重塊3-浮筒4-配重塊3”形式的組合結構的複合式繫泊索1結構。在實際施工時，上述安裝步驟可以根據實際施工資源與工具靈活調整。

參見圖5，以漂浮式結構物5為漂浮式駁船51為例，漂浮式駁船51為一個船長度100m、船寬10m、乾弦1m、吃水3m的駁船，佈置在水深為10m的水域中，對垂直於船長方向的波浪進行消波，圖5中箭頭所示為環境載荷方向。按照風浪流同向，整個繫泊系統佈置如圖5所示，當繫泊半徑為30m（設計靜平衡情況下，繫泊索與漂浮式駁船51連接處距錨點處水平距離），對應的設計環境條件為有義波高Hs=1.0m、譜峰週期6.1s、表面流速2m/s、風速50m/s。

如果直接採用40m長（4倍水深）的鋼鏈作為錨固系統，則鋼鏈迎風側的鋼鏈動態載荷可達到八九百噸，主要原因是由於水深太淺，漂浮式駁船51偏移到新的平衡位置後，鋼鏈被緊繃，還有波頻運動導致鋼鏈上端部隨著漂浮式駁船51運動，在此狀態下，鋼鏈只能通過自身的材料彈性變形來抵抗漂浮式駁船51運動帶來的頂端位移，故鋼鏈的動態載荷極大，如果按照最大載荷選取帶有相應安全係數的鋼鏈，不僅鋼鏈本身成本高昂，而且對漂浮式駁船51上的連接結構、水底的錨點載荷也極大，對應的設計難度也大，成本也極高。工程上通常採用加大繫泊半徑延長繫泊索長度，並在繫泊索中間單純增加重塊的方式改善鋼鏈的載荷，其思路是當繫泊半徑增加後，當漂浮式駁船51在偏移後的平衡位置處疊加波頻運動時，對應繫泊索的上端隨著運動，此時繫泊索的線型隨著與錨點距離遠近變化，可能會把重塊拎起或下放，能夠改善繫泊索的載荷，但是不足以根本性降低動態載荷。最大的張力載荷仍能夠達到五六百噸的級別。

而採用本實施例的繫泊系統，繫泊半徑不變，將每根繫泊索改為具有“配重塊3-浮筒4-配重塊3”形式的組合結構的複合式繫泊索1結構，從漂浮式駁船51到錨點2依次配置為：一段12m的繫泊索、一個水下重力5噸的配重塊3、一段12m的繫泊索、一個最大浮力12噸的浮筒4、一段12m的繫泊索、一個水下重力5噸的配重塊3以及一段22m的繫泊索，則在同樣的環境條件下，繫泊系統的最大載荷下降至24噸。故採用本實施例的繫泊系統，繫泊索1的整體的技術等級要求可以大幅度下降，相應的成本也可以大幅度下降。相應的錨點2載荷也變低，漂浮式駁船51連接處的載荷也變低，整個繫泊系統所有環節的技術難度和要求均下降，繫泊系統的成本可以達到原先的4%-20%的比例，有顯著的經濟優勢。

再以漂浮式結構物5為排水量12000噸-14000噸的半潛式漂浮式風電系統為例，在水深40m-60m的海域，設計風速50m/s，表面流速2m/s，如果設計波譜的譜峰週期為14s，有義波高10m，則這也是典型的淺水繫泊系統設計。如果採用傳統的懸鏈線線型中間單純加重塊的繫泊形式，即便採用9點繫泊佈置的形式來分散錨固載荷，則繫泊半徑仍可達八九百米，採用的無檔錨鏈或鋼絲繩的破斷力要超過2000噸，對應的錨點等級也極高，整個系統的僅物料成本可達七至九千萬人民幣，成本極高，並且由於系統笨重複雜，對應海上安裝還是施工需要的施工船舶等級要求高，對應海上施工成本也高。而採用本實施例的繫泊系統，則對應的繫泊系統內張力最大值可以控制到200噸的級別，繫泊半徑可以控制在水深的5-10倍之內。故採用本實施例的繫泊系統對應的物料成本遠遠低於傳統的繫泊系統，經濟優勢極其明顯，同時，由於繫泊系統上整體載荷下降，和平臺連接處的結構設計要求也明顯降低，進一步降低了漂浮式平臺的成本和工程設計難度，能夠對海上漂浮式風電系統的整體降本起到極大的推動作用。

以上所述僅是本申請的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本申請技術原理的前提下，還可以做出若干改進和替換，這些改進和替換也應視為本申請的保護範圍。

1:繫泊索 2:錨點 3:配重塊 4:浮筒 5:漂浮式結構物 51:漂浮式駁船 a:水底 b:水面

圖1是本申請實施例的繫泊系統第一種實施方式的側視示意圖。

圖2是本申請實施例的繫泊系統第二種實施方式的側視示意圖。

圖3是本申請實施例的繫泊系統第二種實施方式的俯視示意圖。

圖4是本申請實施例的繫泊系統第三種實施方式的俯視示意圖。

圖5是漂浮式駁船受環境載荷的示意圖。

1:繫泊索

2:錨點

3:配重塊

4:浮筒

5:漂浮式結構物

a:水底

b:水面

Claims (10)

1. 一種繫泊系統，其中，包括繫泊索，該繫泊索的一端連接水底的錨點，且另一端用於連接水面上的漂浮式結構物，該繫泊索上設有至少一個浮筒和至少兩個配重塊，該配重塊與該浮筒沿該繫泊索的長度方向間隔佈置，每個該浮筒的兩側分別有至少一個該配重塊。
2. 如請求項1所述的繫泊系統，其中，該繫泊索設有多根，至少一根該繫泊索上設有該配重塊和該浮筒。
3. 如請求項1所述的繫泊系統，其中，該浮筒的最大浮力大於該浮筒兩側的該配重塊的水下重力之和。
4. 如請求項1所述的繫泊系統，其中，該繫泊索採用錨鏈或鋼絲繩或複合材料纜繩。
5. 如請求項1所述的繫泊系統，其中，該錨點提供水平承載力和垂向承載力。
6. 如請求項5所述的繫泊系統，其中，該錨點採用吸力錨或入泥板錨。
7. 如請求項1所述的繫泊系統，其中，該配重塊包括鋼製外殼，該鋼製外殼內部填充混凝土或鐵礦砂。
8. 如請求項1所述的繫泊系統，其中，該浮筒採用浮球，該浮球為鋼製中空結構。
9. 如請求項1所述的繫泊系統，其中，單個該浮筒包括若干個分佈佈置的小浮體。
10. 如請求項1所述的繫泊系統，其中，單個該配重塊包括若干個分佈佈置的小重塊。