一种海洋平台张力索型系泊系统 |
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| 申请号 | CN201710276553.3 | 申请日 | 2017-04-25 | 公开(公告)号 | CN106926977A | 公开(公告)日 | 2017-07-07 |
| 申请人 | 周俊麟; 林国珍; | 发明人 | 周俊麟; 林国珍; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种海洋平台张 力 索型系泊系统的技术方案，该海洋平台的系泊系统由三部分组成：即(1) 张力 索系统；(2)重力锚系统；(3)卷扬机与自动控制系统。本发明的张力索分二类：其一是“边牵引索”，是设置在平台之下将平台与边锚连接起来的 钢 索；其二是“垂直索”，是将平台与其下的锚连接起来的钢索。依靠重力锚本身重量与海底之间产生的 摩擦力 来平衡平台承受的 水 平作用力；依靠锚本身重量与平台 浮力 产生的钢索张力来平衡垂直作用力。这两组钢索在卷扬机与自动控制系统的共同作用下，平衡来自各个方向的干扰力，保持平台 位置 的稳定。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种海洋平台张力索型系泊系统，其特征在于，所述的海洋平台张力索型系泊系统由3个部分构成：即(1)张力索系统；分为“边牵引索”与“垂直索”二类，其主要功能是将海洋平台与海底锚连接起来，以平衡平台遭遇的各个方向的干扰力；(2)重力锚系统；设置在海底，依靠本身重量维持平台的稳定；(3)卷扬机与自动控制系统，协调各钢索的动作。 |
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| 说明书全文 | 一种海洋平台张力索型系泊系统1、技术领域： [0002] 本专利所谓的“海洋平台”(以下简称“平台”)泛指一切承载各种装置、非自航式的海上浮式建筑物。例如海洋采油平台、风电平台、海上浮动式油库、海上宾馆、海上浮动岛、海上养殖网箱、海上浮动机场、海上旅游景点、船舶、海上城市等等。 [0003] 人类在海洋进行生活、生产与经济发展的各种活动，最基本的条件是要有生存的空间，因而要建造一定量的海上浮式或潜式建筑物。这些建筑物在海上位置的固定，现在主要采用锚固或桩固，这两种方式都存在一定的缺陷，因而有一定的使用范围。对于浅海，例如100m水深左右，常使用锚加锚链或锚索予以固定的方式，但这是一种柔性的固定方式，在大风浪来袭时，其空间位置往往不易稳定，导致其上的设备或装备不能很好地工作；若采用桩基固定的方式，又需要在海上打桩，尤其在深海，将会大大增加建设成本。 [0004] 本专利是在现有技术的基础上，利用船舶的浮力原理，将海上浮动建筑物内的部分空间(一般称为“压载舱”)装满压载水后使其下沉到一定吃水(或潜入到海洋一定的深度)，将系泊索安置好之后，再抽出部分或全部压载水，以产生向上的浮力而使系泊索张紧(这样的连接索可称为“张力索”)。该索与在海底设置的重力锚之间产生一定的拉紧力，从而将浮动式建筑物牢固系紧。 [0005] 我国海岸线绵长，海洋资源十分丰富。为开发近海及远海的海上资源时，需要建立许多海上浮动式建筑物，或在海面以下设置悬浮式建筑物。若采用本项技术，就可以大幅度降低建设成本。本项技术的最大特点就是原理简单，设备简单、安全可靠，成本低廉。3、发明内容 [0007] 3.1一种海洋平台张力索型系泊系统的组成 [0008] 如图1所示的海洋平台，其主体⑧是由一个称为“中心岛”的箱体单元及与其铰接起来的环形箱体单元(本例是8个)组成。其系泊系统由3大部份构成，即(1)张力索系统；(2)重力锚系统；(3)卷扬机与自动控制系统. [0009] 3.1.1张力索系统：分为二类：第一类称为“边牵引索”(参阅图2、图3、图4)。这类索设置在平台之下，将平台单元的角点(A2、A3；B2、B3；C2、C3；D2、D3；E2、E3；F2、F3；G2、G3；H2、H3)分别与设在平台对角线与对称线处的边锚点(A、B、C、D、E、F、G)连接起来(图1中命名为③、④)。它们的主要功能是，当平台遭遇水平方向的干扰力，如风力、水流力、波浪力作用时，利用钢索的张力将其稳定在原置位置。第二类索称为“垂直索”(在图1中用虚线表示⑤⑥)，将设置在平台对角线处的中间锚(简称中锚)(参见图2、图3)各点(A4、A1；C4、C1；E4、E1；G4、G1)与平台单元的角点(A2、A3；C2、C3；E2、E3；G2、G3；)连接起来。垂直索的功能是，在平台遭遇垂直方向的干扰力作用时，以其钢索中产生的张力将其平衡。这两组钢索的共同作用，即可以平衡来自各个方向的干扰力，以保持平台位置的稳定。 [0010] 垂直分布的钢索中的张力产生的机理是：先通过调整平台内的压载舱的水量，使平台保持某一吃水(例如设计吃水)的平浮位置，然后均匀增加压载水，使其平浮于“重载”吃水状态，系紧并调整各垂直索及牵引索，使其处于拉直(或接近拉直)的状态，此时再泵出一定量的压载水。此时泵出压载水的重量，就是平台增加的浮力，此浮力就可产生各钢索的张力。浮力的大小就是各钢索张力大小的矢量总和。通过调整各压载舱浮力的大小，即可调整整个平台的平衡位置。浮力的最大值将取决于各张力索的破断强度。 [0011] 应当指出的是，这种张力索平台的稳定系统，除了平台处于水面漂浮状态可以应用之外，还可以应用于平台处于水下悬浮状态，或者处于海底状态。这对于需要应对特殊海况或特殊用途的平台更有意义。 [0012] 我国沿海，尤其是东南沿海，是一个多台风的水域，每年都有多起会产生巨大破坏力的热带风暴及台风。例如，当海上浮式风电平台、或海上设施遭遇特大台风袭击、或海上水产养殖网箱遭遇赤潮袭击时，需要将平时在海面上漂浮的建筑物潜入水下，以躲避风浪的袭击。采用本项技术将可以很方便实现这一点。 [0013] 需要整个平台潜浮于水下时，在风暴到来之前可将大量的压载水灌入平台，使平台下沉至水面下一定深夜，然后系紧各钢索，此时再抽出一定量的压载水，让各张力索“绷紧”，使平台稳定在水面下一定位置。当赤潮或风暴过后，再逐渐按程序释放卷扬机，让平台浮出水面既定位置。这是本专利的特殊用途。 [0014] 3.1.2重力锚系统：本专利采用的重力锚，是依靠本身重量产生的摩擦力来平衡水平作用力的，因而就需要锚具有较大的重量。再有，本专利不仅适用于浅海(如水深100m以下)，而且也可以适用于较深的海域(例如水深1000m左右)。这些要求，常规的船用锚及锚链都是不适宜的。 [0016] 本专利使用的所谓“特别设计”的重力锚的构造如图5所示。 [0017] 本例重力锚由4部分组成：其一，圆桶形中心体④；其二，分为多块的外挂重物②，又称为外挂体；其三，防滑锥①；其四，附属体③⑤⑥⑦⑨⑩ 组成。中心体与外挂体均由钢筋混凝土浇筑而成，外挂体外部用钢板条带⑨挂在中心体结构的耳板③上，再用螺栓相互连接；外挂体的外部用一组钢箍⑩围起来，相互用螺栓 连接形成一个整体。底部的防滑锥①由钢结构做成。当整体重力锚设置在海底平面后，在重力锚重量的压力下，防滑锥会逐渐陷入海底泥砂中。这将有利于防止重力锚的位移。该重力锚中心体的中部⑧是空的，可以充填海砂、石砾、金属矿石等物资以增加重量。 [0019] 3.1.3卷扬机与自动控制系统：对于各类钢索，均可以采用独立或组合式的卷扬机进行控制，将钢索拉紧与释放，均在自动控制系统的控制下进行。自动控制系统的传感器，应能够将各钢索的实际张力传输到电脑中，并将预计应达到的张力设置在电脑程序中，用以控制各卷扬机的运作。这些是常规的自动控制技术。兹不赘述。4、附图说明 [0020] 附图1一种海洋平台张力索型系泊系统示意图 [0021] 图例： [0022] ①垂直式重力锚； ②边重力锚； [0023] ③边牵引索； ④边牵引索 [0024] ⑤垂直张力索； ⑥垂直张力索； [0025] ⑦空气管； ⑧平台主体； [0028] 太阳能光伏板架。 [0029] 附图2海洋平台平面受力及钢索分布示意图 [0030] 附图3A-A2-A3-O剖面牵引索及垂直张力索布置及受力分析 [0031] 附图4B-B2-B3-O剖面牵引索布置及受力分析 [0032] 附图5a一种海洋平台重力锚剖面图 [0033] 图例： [0034] ①重力锚防滑锥； ②重力锚外挂体； [0035] ③重力锚外挂体锁扣； ④重力锚中心体； [0036] ⑤重力锚吊环； ⑥重力锚盖板； [0037] ⑦重力锚连接法兰； ⑧重力锚中空部分； [0038] ⑩重力锚外挂体钢箍； [0039] 附图5b一种海洋平台重力锚俯视图图 [0040] ⑨重力锚外挂体钢挂带； ⑩重力锚外挂体钢箍； [0041] 重力锚外挂体钢箍锁紧螺栓； [0042] 5、具体实施方式(设计实例) [0043] 下面根据船舶设计理论，给出一个边长为100m的正方形铰接式“海上浮式风、光发电及水产养殖示范平台”的设计实例。 [0044] 5.1设计依据 [0045] 5.1.1设计使用海区：本平台设计例选择用于台湾海峡福建罗源—厦门的“外海”，位置大约为东径118°-120°，北纬23°-26.5°(计算实例取为25°N，地球自转柯氏力系数：f＝0.22)的广大海域，此海域为台湾海峡两岸多台风水域。 [0047] 某气象站对一次特大台风测定的数据如下： [0048] 当地平均大气压Pa＝1013.6百帕(hPa) [0049] 台风中心风压：Po＝914百帕 [0050] 气压差：ΔP＝Pa-Po＝99.6百帕 [0051] 最大风速半径(距台风中心的距离)：R＝27海里＝50公里 [0052] 台风移动速度：Uf＝20公里/小時＝10.8节＝5.56m/s [0053] (注：上述数据接近2016年台风“莫兰蒂”) [0054] 5.2平台主要尺度 [0055] 作为实例(参见图1、图2)，本平台其主要尺度如下： [0056] [0057] 5.3台风区域波浪要素计算： [0058] 这里所指的“波浪要素”是指波高H1/3、波长λ、周期T1/3。 [0059] 采用较为通用的Bretschneider(1957)下列经验公式: [0060] 计算16级台风时波浪要素的最大值如下： [0061] 海面上10m处最大梯度风速(Ug)max为： [0062] (Ug)max＝0.868×[73×0.1718×(ΔP)1/2-0.575R×0.22] [0063] ＝105.23(节)＝54.14m/s [0064] 此值相当于蒲福风级16级， [0065] 海面上10m处最大持续风速Ur(节)，由下式得出： [0066] 对于移动台风： [0067] Ur rmax＝0.865×(Ug)max+0.5Uf＝96.52节＝49.65m/s [0068] 求得Ur rmax之后，再利用下列二式可以求得该台风形成的深水最大有效波高H1/3max和周期T1/3max。 [0069] H1/3max＝5.03exp(0.000295×R×ΔP) [0070] ×(1+0.208×Uf/(Ur)^(1/2))＝14.45m [0071] T1/3max＝8.6exp(0.000148×R×ΔP) [0072] ×(1+0.104*Uf/(Ur)^(1/2))＝14.3s [0073] 根据深水波浪的周期与计算波长的关系公式，对应于此波浪周期的波长如下： [0074] λmax＝(g/(2×π))×T2＝9.81/(2×3.1416)×14.3^2＝318m [0075] 以上参数作为计算平台受力的依据。 [0076] 5.4按张力索原理确定系泊系统 [0077] 5.4.1平台漂浮状态所承受的载荷 [0078] (1)风载荷，按《港口程载荷规范》(JTJ215P) [0079] 计算公式： [0080] 作用于平台的风载荷：Wk＝μs×μz×W0(KN) [0081] 其中：风载荷标准值，按《港口程载荷规范》附表取： [0082] W0＝V12/1600＝1.79 [0083] 其中：V1——按16级台风选取的距海面10m高度的风速 [0084] V1＝53.5m/s [0085] μs——体型系数，取为1.5 [0086] μz——风压高度变化系数，取值2.12 [0087] 另考虑计算误差系数1.2，由此得： [0088] WK＝1.2×1.5×2.12×1.79＝6.83kPa [0089] 于是：作用于平台的单位面积风载荷为： [0090] Foh＝WK/9.81＝0.696t/m2 [0091] 平台侧面的受风面积，经计算： [0092] AW1＝492m2 [0093] 由此总的风载荷为：FW1＝0.696×492＝342.42t [0094] (2)水流力FW2按《港口程载荷规范》： [0095] 其中：ρW——水的密度，取为ρW＝1.025t/m3 [0096] AW2——水流力面积，本例AW2＝B×T＝100×2＝200m2 [0097] VM——水流速度，取VM＝4节＝2.058m/s [0098] CW——阻力系数取CW＝1.5 [0099] 由此：水流力FW2＝1.5×1/2×1.025×2.0582/9.81＝66.35t [0100] (3)波浪力 [0101] 按中国《海港水文》推荐的Sainflou法 [0102] 适用于相对水深h/λ＝0.1～0.3；H/λ≥0.33范围的水域。 [0103] 本例：水域水深h＝50m，波长取16级台风中心区最大波长：λmax＝318m，有义波高H1/3＝14.4m，即相对水深h/λ＝0.157；波陡H1/3/λ＝0.045，均在适用该方法的范围之内，由此参见《海岸工程中的海浪计算方法》一书P.227所附图表查得参数：r＝1.84,△2＝1.19，由此得出：作用于本平台的波浪力 [0104] FW3＝100.74t [0105] 作用于平台的水平作用力总和为： [0106] ΣF＝FW1+FW2+FW3＝486.7t [0107] 5.4.2平台张力索的布置 [0108] 参见图2与图3，布置在海底的锚分为2类，其一，在平台之外有8个，称为边锚；钢索与边锚的连接点分别命名为A、B、C、D、E、F、G、H；每个边锚吊环上系钢丝索2组，共有16组；钢索与平台的连接点分别命名为A2、A3；B2、B3；C2、C3；D2，D3；E2、E3；F2、F3；G2、G3；H2、H3。其作用是产生拉力，以平衡沿水平方向的作用力。在平台平面投影之内有8个锚，称为中锚。每个中锚吊环上系钢丝索1组，共有8组，均沿平台对角线布置；钢索与平台的连接点分别命名为A1、A4；B1、B4；C1、C4；D1、D4；E1、E4；F1、F4；G1、G4；H1、H4。其作用是产生张力，以平衡沿垂直方向的作用力。 [0109] 5.4.3作用于平台的力 [0110] 作用于平台的力是很复杂的。可简化分为水平方向的作用与垂直方式向的作用力。 [0111] 5.4.3.1水平方向作用力： [0112] 假设平台(参见图2)承受了沿X轴方向的作用力ΣF，此作用力由沿与X轴成45°角的A-A2-A3-O钢索(简称a组索)与C-C2-C3-O钢索(简称c组索)、及X轴向的B-B2-B3-0(简称b组索)共同承受。令在此3个方向索之间的负荷分配系数为εa,εb,εc，分别为30％：40％：30％。 (注：3个方向索之间的负荷分配系数应由模型试验确定) [0113] 对a组索而言(参见图3)，设三角形AA3A1的张角为θ1，三角形AA2A4的张角为θ2。假定作用于A2点(索a①)与A3点(索a②)的水平负荷按下列比例分配，经计算： [0114] εa1＝cosθ1/(cosθ1+cosθ2)＝0.556 [0115] εa2＝1-εa1＝0.444 [0116] (注：2根牵引索之间的负荷分配系数也应由模型试验确定) [0117] (1)作用于钢索a的水平方向作用力 [0118] 参见图2，在A-A2-A3-O对角线上的钢索承受的总水平作用Fa可按下式计算： [0119] Fa＝εa*ΣF/cos45°＝260.48t [0120] Fa1＝εa1*Fa＝0.556*260.48＝114.7t [0121] 参见图3，A-A2-A3-0剖面张力索布置图及受力分析可知： [0122] 由三角形A-A1-A3可以求得夹角θ1。对本例：h0＝40.75m a1＝84.66m [0123] Tanθ1/a1＝0.48 [0124] 由此θ1＝25.65° [0125] 由三角形A-A2-A4可以求得夹角θ2。对本例：h0＝40.75m a2＝42.43m [0126] Tanθ2/a2＝0.96 [0127] 由此θ2＝43.85° [0128] (2)作用于钢索a①方向的作用力FA1 [0129] FA1＝k1*Fa1/cosθ1＝165.42t [0130] 其中取不均匀分布系数K1＝1.3 [0131] (3)锚重量的确定 [0132] 沿着钢索A-A3的力FA1作用于锚A，可以分解为在海底平面的索引力Fa1与垂直于海平面的上升力Fa1y。取重力锚与海底的摩擦系数为μ＝0.15，则可确定克服此滑动力所需要的锚重量为： [0133] Pa1＝Fa1/μ＝764.7t [0134] FA1产生垂直于平台的力，将锚向上拉，使锚重量减轻，故锚的总重量Wa1应加上此力，即： [0135] Wa1＝Pa1+Fa1y＝Pa1+Fa1*sinθ1＝836.31t [0136] (4)铰车的牵引力 [0137] 若取动滑轮的绳索根数为4，则在铰车滚筒上每根钢索的牵引力为： [0138] FA10＝FA1/n1＝41.35t [0139] 此计算值为索a①钢索的选型依据 [0140] 实际选用钢索型号为：6*37S,直径d＝40mm,σb＝1670MPa,其破断拉力为：Sb＝95.1t, [0141] 按照上述同样的原理，可以对连接A-A2的钢索a②以及对连接B-B2，B-B3的钢索b①及b②进行同样的计算，计算结果如下表所示： [0142] 5.4.3.2垂直方向作用力： [0143] 根据平台重量及浮力计算，平台在设计吃水时，需要进入压载舱的压载水的重量为WBT＝712.25t，可以设想，此时如果将设置在平台A2、A3；C2、C3……等角点的钢索拉紧，然后再将这部分压载水泵出平台之外，则产生的垂直方向的浮力就会在钢索A2-A4、A3-A1之间产生张力，将钢索拉得更紧。 [0144] 在仅考虑静浮力的条件下，将平台全部沉入海平面之下，即“潜浮”于水中，然后再全部排出压载水并下沉到预定吃水时，就能够在垂直设置的钢索内产生最大的张紧力。 [0145] 经计算，本平台主体全部沉入水面之下的排水量： [0146] △m＝6427.86t [0147] 平台下沉到甲板距水面12m时平台的总排水量 [0148] △max＝9306.33t [0149] 平台下沉到甲板距水面12m时最大压载水量BWmax应为最大排水量与空船排水量之差，即 [0150] BWmax＝△max-ΣW0＝9306.33-3572.99＝5733.84t [0151] 其中，ΣW0为空平台重量，ΣW0＝3572.99t. [0152] 若将此压载水重量全部抽空，产生的最大张力为Δδ＝5733.84t。 [0153] 全平台共设有8组垂直张力索③，取不均匀系数为K2＝1.3，每组张力索的平均张力FL： [0154] FL＝K2*δΔ/8＝1.3*5733.84/8＝931.75t [0155] 选用滑轮组的动滑轮钢索根数为N＝8,则每根钢索的拉力应为FL0＝FL/N＝931.75/8＝116.47t。 [0156] 此拉力用以钢索③的选型。选型为6V*37S+IWR,直径d＝52mm,σb＝1670MPa,其破断拉力为：Sb＝172t, [0157] 而FL＝931.75t用以垂直锚的重量选型，该垂直锚每个的重量取为1000t。现将本例各钢索的计算结果列为下表： [0158] [0159] [0160] 6、重力锚及负荷计算 [0161] 6.1重力锚构造 [0162] 为了在16级台风的巨大风力作用下，保持平台在漂浮与潜浮状态的位置稳定，同时也考虑制作锚的成本及安装经济性，本平台采用了作者特别设计的一种重力锚形式。 [0163] 所谓“重力锚”，就是仅依靠锚本身的重量固定于海底的一种锚。而常规的船用锚(例如霍尔锚、斯贝克锚等)，不仅依靠锚及锚链的重量，而且还依赖于锚爪陷入海底泥土产生的抓力来将船舶系泊。 [0164] 6.2典型重力锚主要参数: [0165] 重量为2000t的重力锚(本例的8只边锚)，其外圆直径为17.9m,总高度为8.95m。为加大重力锚的重量，在中心体的外缘设置一圈“挂重”，整个重力锚的总重量(干重)为3559.07t,在整个锚体入水且中空部分灌入海砂后，扣除浮力1556.52t，其整个重力锚在海水中的重量为2002.6t,可视为2000t；重量为1000t的重力锚(本例的8只垂直锚)，其外径为D1＝14.18m，整个重力锚的总重量(干重)为1779.47t,在整个锚体入水且中空部分灌入海砂后，扣除浮力776.83t，其整个重力锚在海水中的重量为1002.64t,即视为1000t。 [0166] 6.3本例“重力式锚”的特点 [0167] 本例所谓“重力式锚”其基本原理是用人工方式将重物在海底堆积成“小山”，产生可以抗击海上风、浪、流的基础。而使基础不发生位移的重物，是海边最易取得、且最便宜的石头与砂粒，因而，本方案最大的优点之一是成本低廉。 [0168] 本方案无须打桩，对安装施工工艺要求不高，对安装点处的地质条件也要求不高，只需一块较平整的海底地面即可；锚的中心体与挂重均可设计成可拼接的小块，运到现场组装；既可用大型吊机起吊下水，也可从驳船上拖滑下水(或用气囊配合下水)，无需使用起重船配合，可节省大量的安装时间与费用。 [0169] 本方案是针对于水深50m的海上平台的案例，实际上对于更深的海域(例如水深100m)从原理上是一样的。只需将重力锚设计得更大一些即可。因而本方案有很大的推广价值。 |
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