一种海上风机海缆过渡段保护系统及方法 |
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| 申请号 | CN202311184834.8 | 申请日 | 2023-09-14 | 公开(公告)号 | CN117335354A | 公开(公告)日 | 2024-01-02 |
| 申请人 | 中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司; | 发明人 | 靳胜举; 黄玉佩; 金涛; 黄建武; 方伟定; 李琪; 戴炜; 陈莉; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种海上 风 机海缆过渡段保护系统，包括 钢 管桩，所述钢管桩竖直固定在海床泥面上，所述钢管桩上固定有J型护管，J型护管靠近海床泥面的一端为J型护管喇叭口，所述J型护管喇叭口与钢管桩表面贴合；所述钢管桩上设置有若干海缆约束装置，所述海缆约束装置分布在J型护管喇叭口和海缆抬高点之间；海缆从海缆抬高点开始抬高，依次穿过海缆约束装置和J型护管；还公开了一种海上风机海缆过渡段保护方法。本发明通过改变海缆过渡段的接入 位置 和接入方向，使得海缆从海缆抬高点开始贴着钢管桩表面延伸到J型护管中，避免了海缆因为悬空而导致的振动疲劳破坏，同时施工过程方便易操作。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种海上风机海缆过渡段保护系统，其特征在于，包括钢管桩(1)，所述钢管桩(1)竖直固定在海床泥面(2)上，所述钢管桩(1)上固定有J型护管，J型护管靠近海床泥面(2)的一端为J型护管喇叭口(5)，所述J型护管喇叭口(5)与钢管桩(1)表面贴合；所述钢管桩(1)上设置有若干海缆约束装置(6)，所述海缆约束装置(6)分布在J型护管喇叭口(5)和海缆抬高点(11)之间；海缆从海缆抬高点(11)开始抬高，依次穿过海缆约束装置(6)和J型护管。 |
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| 说明书全文 | 一种海上风机海缆过渡段保护系统及方法技术领域[0001] 本发明涉及海上风电技术领域，尤其是涉及一种海上风机海缆过渡段保护系统及方法。 背景技术[0002] 目前，海上风机机位附近海底电缆与风机基础连接部位，通常采用J型护管与海缆相连，J型护管的喇叭口通常距离床面一定高度，且护管喇叭口方向背离桩基表面，因此电缆从海床面延伸至护管的这段距离电缆将处于悬空状态，在海流波浪等将造成悬空电缆还会发生振动，导致电缆受力增大，长期的振动还容易发生疲劳破坏。 [0003] 在中国专利文献上公开的“一种海上风机电缆保护系统”，其公开号为CN204538629U，公开日期为2015‑08‑05，该系统具有竖向固定于海床泥面中的钢管桩、套在钢管桩上部的过渡连接段、与该连接段顶部连接的上部风机，过渡连接段上通过电缆支撑管垂直的焊接有若干根I型的电缆护管，电缆护管之间通过电缆连杆横向连接；述电缆护管内穿有海底电缆，电缆护管底部装有采用橡胶密封垫密封的对接法兰盘，法兰盘下端连接有耐海水的橡胶护管；海底电缆从橡胶护管端部，经对接法兰盘、电缆护管与上部风机塔筒内部的高压环网柜连接。该技术将电缆过渡护管埋置与泥面以下，防止电缆外露悬空，但是该方法需要在桩基防护施工之前进行电缆过渡护管的埋置，考虑到桩基的冲刷作用，在打桩结束后应该尽快进行桩基的防护施工，否则防护施工延迟，冲刷量过大将导致防护成本的上升，施工过程复杂不易操作。 [0004] 在中国专利文献上还公开了“一种海上风电的电缆管结构”，其公开号为CN116111522A，公开日期为2023‑05‑12，包括基础结构，基础结构的上方设有基础平台，基础结构通过连接结构固定连接有若干固定套管，固定套管内滑动连接有电缆管，电缆管的上端滑动连接有顶套管，顶套管可拆卸地固定连接于基础平台，顶套管的上端面固定连接有顶法兰，顶法兰用于固定穿过电缆管的海底电缆，以形成海底电缆的固定段，电缆管升降时，调节顶套管和电缆管之间的相对位置，从而改变海底电缆的固定段的长度，调节海底电缆的张紧程度。该技术通过设置电缆管的升降装置来降低电缆的悬空高度，但是其护管喇叭口的方向依然是背离钢管桩的，仍然无法避免有部分电缆处在悬空状态，使得悬空电缆长期受力和振动导致疲劳破坏。 发明内容[0005] 本发明是为了克服现有技术中从海床面延伸到护管段的电缆处于长时间的悬空状态，容易因受力增大和持续振动导致疲劳破坏的问题，提供了一种海上风机海缆过渡段保护系统及方法，改变海缆过渡段的接入位置和接入方向，使得海缆从海缆抬高点开始贴着钢管桩表面延伸到J型护管中，避免了海缆因为悬空而导致的振动疲劳破坏，同时施工过程方便易操作。 [0006] 为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案： [0007] 一种海上风机海缆过渡段保护系统，包括钢管桩，所述钢管桩竖直固定在海床泥面上，所述钢管桩上固定有J型护管，J型护管靠近海床泥面的一端为J型护管喇叭口，所述J型护管喇叭口与钢管桩表面贴合；所述钢管桩上设置有若干海缆约束装置，所述海缆约束装置分布在J型护管喇叭口和海缆抬高点之间；海缆从海缆抬高点开始抬高，依次穿过海缆约束装置和J型护管。 [0008] 本发明中相比于现有技术中J型护管长管端平行于钢管桩表面，喇叭口端背离钢管桩表面的设置，将整个J型护管都贴合钢管桩表面的设置，使得J型护管喇叭口的朝向从原先的背离钢管桩表面改变为与钢管桩表面近似平行，有利于海缆以类似盘旋缠绕的方式贴着钢管桩表面从海缆抬高点延伸到J型护管中；同时通过海缆约束装置将海缆抬高点和J型护管喇叭口之间的海缆约束在贴近钢管桩表面的位置，从而避免了海缆过渡段的海缆悬空问题，防止悬空海缆因为长期振动和受力增大导致的疲劳损坏，同时施工过程方便易操作，易于推广。 [0009] 作为优选，所述J型护管的J型护管起点与钢管桩上的海缆管套接，所述J型护管喇叭口与钢管桩固定连接； [0010] 所述J型护管起点与海床泥面的距离大于等于所述海缆的最小弯曲半径，所述J型护管起点和所述海缆抬高点在钢管桩表面的环向间距大于等于所述海缆的最小弯曲半径。 [0011] 本发明中钢管桩上的海缆管固定在钢管桩上，因此J型护管起点与其套接时间接完成固定，然后再将J型护管喇叭口固定在钢管桩上，完成整个J型护管的固定；同时J型护管喇叭口高于海缆抬高点，与海床泥面间隔一定距离；对于J型护管起点与海床泥面的距离设置以及环向间距的设置，是为了防止过度弯曲海缆，避免损坏。 [0012] 作为优选，所述海缆约束装置包括分布在海缆两侧的约束装置固定轴和绳索，所述约束装置固定轴垂直于钢管桩表面固定在钢管桩上；所述绳索对约束装置固定轴和海缆进行约束。 [0013] 本发明中海缆约束装置在海缆抬高点和J型护管喇叭口之间设置有若干个，J型护管喇叭口、若干个海缆约束装置和海缆抬高点之间的连线近似于绕钢管桩表面盘旋上升的一端曲线，从而将海缆约束在钢管桩表面，避免悬空。 [0014] 作为优选，所述J型护管喇叭口靠近钢管桩的一侧与钢管桩表面贴合；所述J型护管喇叭口靠近钢管桩一侧的扩度小于远离钢管桩一侧的扩度。 [0015] 本发明中J型护管喇叭口靠近钢管桩的一侧与钢管桩表面贴合，使得喇叭口的朝向与钢管桩表面近似平行，方便海缆贴着钢管桩表面顺滑地进入J型护管。 [0016] 作为优选，所述海缆约束装置还包括约束装置滚轮，所述约束装置滚轮套设在约束装置固定轴上。 [0017] 本发明中在约束装置固定轴上套设约束装置滚轮，使得海缆夹在两个约束装置滚轮之间，可以方便海缆的拖曳施工，避免海缆与固定轴的直接摩擦。 [0018] 一种海上风机海缆过渡段保护方法，包括： [0019] 确定钢管桩在海床泥面处的位置； [0020] 确定海缆方向和海缆抬高点的位置，根据海缆的最小弯曲半径R0和钢管桩半径R，计算J型护管的位置；进行J型护管的安装； [0021] 将海缆从海缆抬高点开始依次穿过海缆约束装置和J型护管，完成海缆在过渡段的安装。 [0022] 本发明中海缆从靠近海床泥面的海缆管中穿出，从海缆抬高点开始贴着钢管桩表面依次穿过若干个海缆约束装置后从J型护管喇叭口穿入J型护管，从而完成海缆在过渡段的安装，使得海缆在过渡段不存在悬空问题，避免因为长期振动和受力增大导致的疲劳损坏。 [0023] 作为优选，所述计算J型护管的位置的过程包括： [0024] 计算海缆抬高点和J型护管起点在水平面上的投影分别与钢管桩中心的连线所成的角度，其具体计算方式为：θ≥R0/R，单位为rad； [0025] 计算J型护管起点距离海床泥面的高度，其具体计算方式为：h≥R0。 [0026] 本发明中为了保证海缆不会因为过度弯曲而损坏，因此对于J型护管起点与海床泥面的距离设置以及环向间距的设置存在一定要求，对于具体计算结果是一个存在下限值的范围，以θ和h取下限值时为一种最佳选项，也可以根据实际情况适当选取更大的值，但是对于角度的范围而言一般选择小于九十度的数值，避免暴露在外的海缆过渡段太长。 [0027] 作为优选，所述J型护管的安装过程包括： [0028] 校核钢管桩在海床泥面处的位置； [0029] 根据计算得到的J型护管位置安装J型护管，J型护管喇叭口与钢管桩的表面贴合； [0030] 将J型护管喇叭口与钢管桩固定。 [0031] 本发明中对于钢管桩在海床泥面处的位置的校核其目的在于将钢管桩的实际位置和预计设计位置控制在误差范围内，然后根据计算得到的J型护管位置对应安装J型护管，将J型护管贴合安装在钢管桩上。 [0032] 作为优选，所述完成海缆在过渡段的安装的过程包括：安装海缆约束装置；将海缆穿过从海缆抬高点开始依次穿过海缆约束装置和J型护管；用绳索对海缆和海缆约束装置进行再次约束。还可以包括：将海缆穿过从海缆抬高点开始依次穿过海缆约束装置和J型护管；安装海缆约束装置；用绳索对海缆和海缆约束装置进行再次约束。 [0033] 本发明中对于海缆过渡段的安装是从靠近海床泥面的海缆管中拖曳出海缆，将海缆经过海缆抬高点然后依次穿过若干个海缆约束装置以后从J型护管喇叭口进入J型护管中；在海缆穿过海缆约束装置后通过绳索或者铁链等将海缆和海缆约束装置进行再次约束，使得海缆始终贴合钢管桩表面。 [0034] 本发明具有如下有益效果：将J型护管喇叭口贴合钢管桩表面设置，使得喇叭口朝向与钢管桩表面近似平行，改变海缆过渡段中海缆的接入位置和接入方向，使得海缆从海缆抬高点开始通过海缆约束装置的约束贴着钢管桩表面延伸到J型护管中，避免了海缆因为悬空而导致的振动疲劳破坏，同时施工过程方便易操作。附图说明 [0035] 图1是本发明中海上风机海缆过渡段保护系统立面图； [0036] 图2是本发明中海上风机海缆过渡段保护系统俯视图； [0037] 图3是本发明实施例中的喇叭口示意图； [0038] 图4是本发明实施例中的喇叭口俯视放大图； [0039] 图5是本发明实施例中的海缆约束装置立面放大图； [0040] 图6是本发明实施例中的海缆约束装置截面图； [0041] 图7是本发明实施例中的一种海缆形态示意图； [0042] 图8是本发明实施例中的另一种海缆形态示意图； [0043] 图中：1、钢管桩；2、海床泥面；3、J型护管起点；4、J型护管弯曲段；5、J型护管喇叭口；6、海缆约束装置；7、约束装置固定轴；8、约束装置滚轮；9、绳索；10、海缆；11、海缆抬高点。 具体实施方式[0044] 下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。 [0045] 如图1和图2所示，一种海上风机海缆过渡段保护系统，包括钢管桩1，钢管桩1竖直固定在海床泥面2上，钢管桩1上固定有J型护管，J型护管靠近海床泥面2的一端为J型护管喇叭口5，J型护管喇叭口5与钢管桩1表面贴合；J型护管喇叭口5在海床泥面2上一定距离；钢管桩1上设置有若干海缆约束装置6，海缆约束装置6分布在J型护管喇叭口5和海缆抬高点11之间；海缆10从海缆抬高点11开始抬高，依次穿过海缆约束装置6和J型护管。 [0046] J型护管从上到下依次为J型护管起点3、J型护管弯曲段4和J型护管喇叭口5，J型护管起点3与钢管桩1上的海缆管套接，J型护管喇叭口5与钢管桩1固定连接； [0047] J型护管起点3与海床泥面2的距离大于等于所述海缆的最小弯曲半径，J型护管起点3和海缆抬高点11在钢管桩1表面的环向间距(海缆抬高点和J型护管起点在水平面上的投影对应的钢管桩表面上两点之间的圆弧段长度，如图2中θ角所对应的圆弧长度)大于等于所述海缆的最小弯曲半径。 [0048] 如图3所示，J型护管喇叭口5靠近钢管桩1的一侧与钢管桩1表面贴合；J型护管喇叭口5靠近钢管桩1一侧的扩度小于远离钢管桩1一侧的扩度。 [0049] 如图5所示，海缆约束装置6包括分布在海缆两侧的约束装置固定轴7和绳索9，约束装置固定轴7垂直于钢管桩1表面固定在钢管桩1上；绳索9对约束装置固定轴7和海缆进行约束。海缆约束装置6还包括约束装置滚轮8，约束装置滚轮8套设在约束装置固定轴7上。 [0050] 本发明中相比于现有技术中J型护管长管端平行于钢管桩表面，喇叭口端背离钢管桩表面的设置，将整个J型护管都贴合钢管桩表面的设置，使得J型护管喇叭口的朝向从原先的背离钢管桩表面改变为与钢管桩表面近似平行，有利于海缆以类似盘旋缠绕的方式贴着钢管桩表面从海缆抬高点延伸到J型护管中；同时通过海缆约束装置将海缆抬高点和J型护管喇叭口之间的海缆约束在贴近钢管桩表面的位置，从而避免了海缆过渡段的海缆悬空问题，防止悬空海缆因为长期振动和受力增大导致的疲劳损坏，同时施工过程方便易操作，易于推广。 [0051] 本发明中钢管桩上的海缆管固定在钢管桩上，因此J型护管起点与其套接时间接完成固定，然后再将J型护管喇叭口固定在钢管桩上，完成整个J型护管的固定；同时J型护管喇叭口高于海缆抬高点，与海床泥面间隔一定距离；对于J型护管起点与海床泥面的距离设置以及环向间距的设置，是为了防止过度弯曲海缆，避免损坏。 [0052] 本发明中海缆约束装置在海缆抬高点和J型护管喇叭口之间设置有若干个，J型护管喇叭口、若干个海缆约束装置和海缆抬高点之间的连线近似于绕钢管桩表面盘旋上升的一端曲线，从而将海缆约束在钢管桩表面，避免悬空。 [0053] 本发明中J型护管喇叭口靠近钢管桩的一侧与钢管桩表面贴合，使得喇叭口的朝向与钢管桩表面近似平行，方便海缆贴着钢管桩表面顺滑地进入J型护管。 [0054] 本发明中在约束装置固定轴上套设约束装置滚轮，使得海缆夹在两个约束装置滚轮之间，可以方便海缆的拖曳施工，避免海缆与固定轴的直接摩擦。 [0055] 一种海上风机海缆过渡段保护方法，包括： [0056] 确定钢管桩在海床泥面处的位置。 [0057] 确定海缆方向和海缆抬高点的位置，根据海缆的最小弯曲半径R0和钢管桩半径R，计算J型护管的位置；进行J型护管的安装。 [0058] 计算J型护管的位置的过程包括： [0059] 计算海缆抬高点和J型护管起点在水平面上的投影分别与钢管桩中心的连线所成的角度，其具体计算方式为：θ≥R0/R，单位为rad； [0060] 计算J型护管起点距离海床泥面的高度，其具体计算方式为：h≥R0。 [0061] J型护管的安装过程包括： [0062] 校核钢管桩在海床泥面处的位置； [0063] 根据计算得到的J型护管位置安装J型护管，J型护管喇叭口与钢管桩的表面贴合； [0064] 将J型护管喇叭口与钢管桩固定。 [0065] 将海缆从海缆抬高点开始依次穿过海缆约束装置和J型护管，完成海缆在过渡段的安装。 [0066] 完成海缆在过渡段的安装的过程包括：安装海缆约束装置；将海缆穿过从海缆抬高点开始依次穿过海缆约束装置和J型护管；用绳索对海缆和海缆约束装置进行再次约束。还可以包括：将海缆穿过从海缆抬高点开始依次穿过海缆约束装置和J型护管；安装海缆约束装置；用绳索对海缆和海缆约束装置进行再次约束。 [0067] 本发明中海缆从靠近海床泥面的海缆管中穿出，从海缆抬高点开始贴着钢管桩表面依次穿过若干个海缆约束装置后从J型护管喇叭口穿入J型护管，从而完成海缆在过渡段的安装，使得海缆在过渡段不存在悬空问题，避免因为长期振动和受力增大导致的疲劳损坏。 [0068] 本发明中为了保证海缆不会因为过度弯曲而损坏，因此对于J型护管起点与海床泥面的距离设置以及环向间距的设置存在一定要求，对于具体计算结果是一个存在下限值的范围，以θ和h取下限值时为一种最佳选项，也可以根据实际情况适当选取更大的值，但是对于角度的范围而言一般选择小于九十度的数值，避免暴露在外的海缆过渡段太长。 [0069] 本发明中对于钢管桩在海床泥面处的位置的校核其目的在于将钢管桩的实际位置和预计设计位置控制在误差范围内，然后根据计算得到的J型护管位置对应安装J型护管，将J型护管贴合安装在钢管桩上。 [0070] 本发明中对于海缆过渡段的安装是从靠近海床泥面的海缆管中拖曳出海缆，将海缆经过海缆抬高点然后依次穿过若干个海缆约束装置以后从J型护管喇叭口进入J型护管中；在海缆穿过海缆约束装置后通过绳索或者铁链等将海缆和海缆约束装置进行再次约束，使得海缆始终贴合钢管桩表面。 [0071] 在本发明的实施例中，以钢管桩的直径为9m，海缆的最小弯曲半径为4米为例，J型护管如图3和图4所示，钢管桩上固定的海缆管与J型护管起点套接，J型护管起点、J型护管弯曲段和J型护管喇叭口都与钢管桩表面贴合，J型护管喇叭口朝向与钢管桩表面近似平行，喇叭口在靠近钢管桩一侧扩度较小，方便与海缆顺滑相接，同时在J型护管喇叭口附近对J型护管进行加固从而固定J型护管的位置。 [0072] 在本实施例中的海缆约束装置如图5和图6所示，海缆约束装置包括约束装置固定轴，约束装置固定轴固定于钢管桩且垂直于钢管桩表面，约束装置固定轴上套有约束装置滚轮，约束装置滚轮可以方便海缆的拖拽施工，便于将海缆从海缆抬高点拖到J型护管；海缆约束装置分布于J型护管和海缆抬高点之间，且每个海缆约束装置的两个约束装置固定轴分别分布在海缆两侧，对侧的约束装置固定轴之间以绳索相连，完成对海缆和海缆约束装置的再次约束。此外在靠近海床泥面的水平海缆管中的海缆靠近钢管桩的状态可能呈现出多样性，如图7和图8所示，从水平海缆管中出来的海缆还未到达海缆抬高点，此时可先将海缆沿钢管桩环向铺设一段距离达到海缆抬高点，然后再开始从海缆抬高点到J型护管喇叭口的海缆铺设，此时J型护管起点和海缆抬高点在钢管桩表面的环向间距略大于海缆的最小弯曲半径，在进行J型护管安装时，使得图7和图8中J型护管起点和水平海缆管出口在钢管桩表面的环向间距对应的圆弧角度小于直角。 [0073] 基于本实施例中的海缆过渡段保护系统，还提供有一种海缆过渡段保护方法，包括： [0074] 第1步，确定钢管桩在海床泥面处的位置。 [0075] 第2步，确定海缆方向和海缆抬高点的位置，根据海缆的最小弯曲半径R0和钢管桩半径R，计算J型护管的位置(θ,h)，其中θ代表海缆抬高点和J型护管起点在水平面上的投影分别与钢管桩中心的连线所成角度，如图4所示，θ≥R0/R＝0.889，单位为rad，约51°，h代表J型护管起点距离海床泥面的高度，如图5所示，h≥R0＝4m。 [0076] 第3步，校核钢管桩在泥面处的位置，使实际位置和预计位置控制在误差范围内，进行J型护管的安装，将J型护管喇叭口附近部位与钢管桩固定。 [0077] 第4步，安装海缆约束装置，将海缆穿过海缆约束装置和J型套管，用绳索将海缆和海缆约束装置进行再次约束，完成海缆在过渡段的施工。 [0078] 本实施例的海上风机海缆过渡段保护系统及方法通过对现有技术中要素的重新合理配置，改变海缆过渡段的接入位置和方向，使得海底电缆贴合钢管桩表面从海缆抬高点延伸至J型护管，避免了电缆因为悬空而导致的振动破坏问题，同时还充分考虑了实际施工的过程，具有简单方便，易操作，易推广等特点。 |
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