立方体海洋冲击吸收结构的制作方法

专利名称：立方体海洋冲击吸收结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及接附到海洋设施的保护结构，海洋设施例如船鸡、码头、 离岸气和油钻井平台和装载站，以吸收来自大船舰的潜在损坏的冲击 力。
背景技术：
在意外的损失动力的情况下，或在暴风雨或其他不利天气条件下， 大的海洋船舰，例如货船和原油运输船，以及^务和供应驳船和船，能 够造成对海洋设施的显著的沖击损害。已经提出多种牺牲的冲击吸收构架，以用于这些海洋和离岸环境。例如USP 4,398,848披露一种开口管 状构架的海洋栅栏，其由可变形的撞击吸收构件支撑。然而，开口网络 管状框架构架是不同直径的金属管，包括那些相对小的且具有小的冲击 能量耗散能力的金属管。框架不意味着是组合结构的主要能量吸收元 件。似乎没有任何启示形成栅栏的管用任何材料填充，或者为了保护 支撑设施免受船舰的冲击，管状栅栏构架将破坏性地变形。相反，具有 内部联接隔膜和外部套环的 一 连串伸缩圆柱充当轴向枢转的撞击吸收 器组件。在一个位置处沿水平延伸的管状栅栏的沖击传输给所有的吸收 元件以耗散力。USP 4,398,848中披露的结构具有有限的吸收足够严重以 破坏性地使框架变形的冲击的能力。实际上，如果框架构件变形，撞击 吸收构件可能失效。现有技术已经建议用于在海洋环境中吸收冲击能量以保护结构设 施的多种其他结构。披露了不同的形状、构造和构架的结构，以想要使 用弹性的和弹性可变形的元件吸收冲击力。在一些结构中，联接元件永 久地变形或折断，它们必须被更换以用最小的更换代价将剩余结构恢复 使用。在其他结构中，弹性元件在正常服务期间接收且吸收或耗散重复 的冲击。例如，Marshall等的USP 5,480,265披露了 一种管状结构，其 依靠顺性的结构组件的弹性响应，结构组件吸收冲击动能且然后恢复至ij 它的原始构造。尽管该结构可以起吸收有限数量的能量的作用，且可能 将偶尔的沖击偏转，这样的单元在较大的冲击力下可能塌陷，吸收少的 船舰的动能，剩余的过多的能量传递到下面的海洋结构，引起永久的损害。因此，本发明的目的在于提供牺牲的冲击吸收结构和用于它的构架 的方法，其能够固定到海洋设施以保护它们免受由于大船舰的冲击引起 的损害。本发明的另一目的在于提供用于海洋环境的保护结构，其贯穿它的 构架元件将遭受塑性变形，以在由海洋船舰冲击的情况下提供最大的能 量吸收。本发明的进一步的目的在于提供冲击吸收结构，其为可靠的、设计 上相对简单的、构建经济的且容易安装的。发明内容本发明提供上述目的和其他优势，其中，从多个具有一致的截面构 造的管状构件构建一种新的冲击吸收栅栏结构，以提供三维立方体结 构。在优选实施例中，构架的单独的单元包括形成开口立方体框架的管状构件。构架的大体模式和结构的使用在2003年2月10日提交的共同 悬而未决的申请系列号10/361,335中详细描述，该申请的整个4皮露以参 考的方式引入。如以下进一步详细阐述的，已经发现管的截面尺寸、长度和壁厚 之间的特定关系在优化该结构的能量吸收能力方面是重要的。本发明涉及一种改进的三维牺牲海洋冲击能量吸收结构，其包括以 特别构造焊接在 一起的十二个管，以形成以特定定向定位在海洋设施上 的开口立方体单才各。当被靠近的船、油轮或其他海洋船舰挤压时，从接 触表面延伸的水平管轴向变形，而在垂直冲击平面中形成阵列的管侧向 变形。能量在正交于冲击平面的管的塑性屈曲中和在形成冲击平面的垂 直平面和平行后平面的管的塑性变平中都被吸收。相对较短的八个管状元件接合到定向为其轴线平行于立方体结构 的开面单元的剩余四个较长的元件。在优选实施例中，四个4支长的元件 定向为它们的纵向轴线正交于所保护的海洋设施的外部垂直表面。以下 术语用于描述本发明及其使用方法。四个较长的管称为法向管。 一般地，四个法向管从海洋设施支撑结 构水平地延伸而去。远离海洋设施安装的单元的面称为接触或冲击表面
的平面。相对较长的法向管优选地在它们的端处焊接到较短的管以形成单 元的角部。用该构架，施加到外部沖击或接触平面的力必须通过这四个 法向管或通过这四个法向管连通。尽管这是优选的定向，当用平行于设 施壁的较长构件接附时，立方体结构也充当牺牲的能量吸收结构。在当前优选实施例中，管状构件从软钢制作且焊接在一起。为了在 海洋环境中提供对生锈和/或腐蚀的抵抗，管可以电镀或涂覆其他保护材料，例如用于井套管和其他地下装备的类型的聚合材料。在特别优选的实施例中，管状构件为圆形截面。碳钢管是可容易得 到的且便宜的。也可以使用商业上可得到的其他形状，例如正方形和直 线管道。然而，当在破坏性的冲击下塑性变形时，圆管在最大化能量吸 收能力方面提供优势。圆截面在冲击期间也提供更稳定的结构且对载荷 力的方向更不專丈感。管道可以具有/人大约6英寸到15英寸或14cm到30cm的外径，且 具有/人大约0.125英寸到0.5英寸或3mm到13mm的壁厚。管道可以乂人 碳钢或类似材料制作。管道应当为能够切割且容易焊接的材料以利于可 变形栅栏的组装。在一个优选实施例中，由构成组装结构的管的内部限定的内部空间 互相连接，即一个管的内部空间与其接合到的一些或所有管的内部空间 流体连通。该构造的内部流体连通通过在管组装之前或在管组装期间在 管中切割开口提供。一个或更多管可选地用冲击吸收i某介填充。填充物媒介可以为硬的 聚合泡沫材料，例如聚氨酯甲醛泡沫或其他这种材料。 一个或更多管也 可以用水填充且管提供有压力释放孔，压力释放孔由塞封闭，当增加的 冲击压力传输通过基本不可压缩的水时，塞破裂或从它们的配件释放。 压力释放孔的数量和尺寸被预先确定以优化由该结构提供的能量耗散。 该结构的不同构件可以没有、具有一个或多个变动尺寸和压力释放值的 孔，从而它们在结构框架的冲击和破坏性的、能量耗散挤压后在不同时 刻开始排出水。空管的壁也可以提供有一个或更多孔，以允许水从填充 有水的相邻管通过。牺牲的沖击吸收结构的淹没的元件可以提供有小的开口孔口 ，以允 许安装在待保护的设施上之后淹没的一个或更多的管用水填充。破裂塞 和/或大的压力释放孔口可选地如上文所述地提供。为了用可膨胀的硬泡沫组合物或用水填充管，在管中合适的位置处 提供一个或更多的填充物孔口。在管的内部不彼此互连和流体连通的实 施例中，选定的管可以基于预定方向的可能最大沖击而填充。例如，当 入坞或停泊平台典型地被从 一 个方向的驳船或服务船靠近时，可以计算 冲击区和可能的力矢量，且从该信息确定传输到且通过冲击吸收结构的 相应的力矢量。因而，当最大的冲击力矢量正交于所保护的设施时，平 行于该矢量的管用补充的能量吸收媒介填充，当包含管被挤压或另外塑 性变形时，其用于进一步耗散冲击能量。管也可以用诸如木材的固体材料填充。木材可以以新的或用过的打 桩、铁路枕木或木料的形式，或甚至在组装之前稳固地装填到一个或更 多管内的较小的废料或碎片，但如果包含管变形，其将随抵抗压缩。硬 的泡沫和松散的木材填充物材料的组合可以采用以最小化成本。本发明的改进的结构能够使用本领域中已知的常规方法和硬件接 附到离岸或其他海洋设施。接附的手段包括焊接到离岸钻井平台的钢支 撑腿、栓紧的支架组件、钢缆等。


本发明将在以下进一步描述且参考附图，其中 图1是根据本发明构建的冲击吸收单元或单格结构的透视图； 图2是沿线2-2截取的图1的实施例的截面图； 图3是对于本发明的典型立方体结构的施加的载荷或力对位移曲线 的图形表示；图4是在试验完结时本发明的立方体冲击吸收器的图示；图5是对于具有不同纵横比的吸收器的载荷对位移曲线的图形表示；图6是最大不稳力和纵横比之间的关系的图形表示； 图7是对于具有相同纵横比和不同直径的吸收器的载荷对位移曲线 的图形表示；图8是比能和纵横比之间的关系的图形表示；以及 图9是比能乘以纵横比对纵横比的图形表示。 具体实施方式
本发明将参考附图进一步描述，其中图l示意性地图示本发明以立 方体沖击吸收框架10的形式的一个实施例，框架由一般称为12具有圆形截面的管形成。管12a可选地提供有密封的暴露端盖14。管12b在它 们各自的端15处切割以符合管12a的外部轮廓。在该优选实施例中， 管12a和12b具有增加到框架结构的总体冲击吸收能力的相同的截面和 直径。参见图2的截面图，显示了四个法向管相对于形成垂直平面的管的 定向。在图1的实施例中，管12a和12b的几个在预定位置处可以提供 有可选的填充孔口 20,以接收可流动的流体，例如水，和/或可膨胀的 硬泡沫组合物。进口孔口 20可以为有螺紋的塞22、具有螺紋的阀26以 接收软管配件24，或类似物。又如图1中所示，管12的一个或更多可 以提供有一个或多个压力释放或放出配件30。如上文所阐述的，当一个 或更多管用诸如水的不可压缩流体填充时，这些配件可选地采用，不可 压缩流体起减慢管12的挤压或其他变形速率的作用。较大的配件可选 地提供以允许水的快速排出，以最小化管12将沿纵向接缝破裂从而减 少它的能量吸收能力和可能相关框架结构的整体性的可能性。较短连接元件的端切割成较长纵向元件的轮廓以准备焊接。以与偶 然冲击的预期最大力矢量F大体相同的方向延伸的元件12a能够可选地 用随机长度的废木料和木材填充。他们能够随后通过前述所安装的配件 用硬的曱醛泡沫填充，以在冲击情况下提供对管状钢元件的塑性变形的 附加抵抗。将这些增强材料放置在吸收冲击的最大能量的元件中将起在 偶然冲击情况下最小化对驳船或船的船体的损害的作用。一连串的海洋冲击吸收结构的实验室规模的原型被构建并试验。试 验结构根据图l构建，其中吸收器包括由八个水平管接合在一起的四个 垂直管。由于试验机器的定向，当装配在海洋设施上时，立方体从它的 位置旋转90。。因此在试验期间沖击表面是水平的且称为上部单元并将 ;故挤压以在下部单元的方向移动。法向管在试-睑机器中垂直定向。为了方便，形成试验立方体的所有管具有相同的外径(D)、内径 (d)和壁厚(t)。为立方体的最大尺度的法向管的长度为L。如图1 和2所示，剩余的管短大约外径(D)的两倍。纵横比(R)定义为长度 (L)对外径(D)的比 R = L/D ( 1 )图3中显示用于挤压海洋立方体管状吸收器的吸收曲线，其中载荷 (kN)对单位为毫米(mm)的位移绘出。图3中包括了挤压试验期间在不同间隔时获取的五张照片，引线指 示它们在曲线上相应的位置。挤压在图的原点开始，且因为管状元件由 于在焊接期间单元的扭曲而没有完全加载，载荷在第 一数个毫米内以低 速增加。载荷急剧地增加到位置a所标识的峰值。试^r中，在该点处， 在10-mm位移处获取第 一张照片。正交于施加的力的平面的管的渐进塑 性屈曲在位置a开始。图示的变形模式是具有两个凸起的菱形非对称模 式。在20-mm位移处获取的照片清楚地显示法向管的非对称变形。尽管 形成垂直平面的管还没有变形，八个接合点遭受塑性变形，水平管为法 向管的轴向变形提供边界约束且也遭受一些局部变形。渐进的塌陷在垂直管的上或下侧开始，但对于该分配没有一般的模 式。照片在30-mm和40-mm位移处获取，而由于第二回》炎形成的抵抗， 载荷增加。由于短垂直管，垂直管中的第二回旋不独立地进行且变形延 伸到八个接合点内，如在56-mm位移处获取的照片中所示。四个垂直管的轴向4齐压和八个水平管的侧向变平之间的相互作用 继续，而水平管的间接侧向变形在40mm位移后发生。由于在相对的水 平管之间没有直接接触，变平是间接的，且变平通过八个接合点完成。 该间接变平显示在56-mm位移处获取的框架中。在64-mm位移处，上 部水平管触及下部水平管，引起载荷抵抗的突然增加。当达到试验机器 的最大许可载荷时，试-验在70.64-mm位移处停止。也试验了具有不同纵横比但具有相同外径的立方体沖击吸收结构。 代表性的曲线显示在图5中。如这些曲线所示，随着纵横比增加，吸收 器尺寸增加且挤压距离也增加。随着纵横比增加，塑性变形模式从渐进 塑性扭弯改变成全面塑性弯曲，在具有力吸收机构的减少参与的垂直管 中有一个塑性弯曲铰链。从该数据可以断定，结构的平均力吸收能力随 纵横比的增加而下降，导致较低的管效率，即较低的总体能量吸收保护。 在所有情况下，载荷增加到最初的峰值且然后减少直到上部水平管触及 下部水平管。载荷的最初峰值和第二增加之间，在曲线的特性中没有大 体的趋势。然而，该区极大地受纵向管的渐进塌陷影响。注意到，由于 小纵横比(例如R-5)的法向或垂直管的连续塌陷引起的载荷的变化，
而大纵横比(例如R=9)的较稳定的下降载荷，其中在垂直管中间的 局部铰链处的全面塑性屈曲主导变形模式。基于试验数据，纵横比R = 2需要最大的能量以塌陷具有焊接在一 起的四个垂直管的结构。对于两个平行平面之间的轴向挤压才莫式获得该最大能量吸收能力，其中力通过试验机器的实心板均匀地施加。在不同 的载荷条件下，例如点载荷、线载荷或非平行板之间的载荷，可以获得 不同的结果。从实践海洋观点，封闭的紧凑吸收器不是优选的设计。具 有纵横比R = 2的吸收器意味着吸收器将阻碍引起不希望的高的液体动 力的行进的水和波的路线。图6中显示最大的不稳力和纵横比之间的关系。如预期，不稳力随 形成单格的管的截面面积的增加而增加，但是由于全面屈曲效应随纵横比的增加而减少。大的纵横比意味着具有长垂直管的大的单格，其趋于 以欧拉(Euler)屈曲模式塌陷。图7描绘了具有相同纵横比(R = 2)但具有不同外径的立方体单格 的载荷变形曲线。在这些曲线中大体趋势是相同的，且平均挤压力随管 直径的增加而增加。对于D = 25mm比能获得高值。载荷曲线的方波图 案在设计冲击能量吸收器中是希望的，因为它产生船舰和可能在船上的 任何乘客的恒定的减速。在最初峰值之后的载荷的均匀性归于四个法向 管的渐进塑性屈曲之间的相互作用。四个管的渐进塌陷不是同时的。由 于焊接，管并不独立地起作用且在扭弯顺序中并不精确地;波此跟随。每个样本的比能在图8和9中绘出。在图8中，比能(J/g)对测试 的四个直径的纵横比绘出。该数据得出，具有较小直径的管比较大的管 更有效。参见图9的曲线，基于在该比率下对于测试的四个尺寸的三个 的较高的体积能值，R-5的纵横比最优。延伸试验选定的形状为圆形，且数据证明关于正交于冲击平面的部 件的均匀的扭弯和在垂直定向平面中的管的变平的良好结果。然而，本 发明广泛地期待使用其他截面的管，包括正方形、矩形和那些具有弧形 角部和平或平面侧边的形状。其他形状，例如卵圆和椭圆也能够采用， 椭圆的长轴定向为正交于冲击平面以最大化对变平的抵抗。从当前说明对于本领域中普通技术人员显而易见的是，在冲击力下 法向管状构件对扭弯的抵抗能够通过增加管的壁厚而增加。然而，为了 充当牺牲的沖击吸收器，管状构件必须在能够由该结构接附在其上的海
洋设施承受的载荷下开始塑性变形。换句话说，损害的冲击力不应当传 输到海洋设施支撑件而没有法向构件的变形。管状构件的尺寸和壁厚参 考海洋设施构架的性质而确定。这些工程参数的确定在本领域中技术人 员的日常事务之内。从本发明以及示例的上述说明显而易见的是，可以对结构在构建方 法和材料上进行多种修改和改变，而不偏离随后的权利要求书中阐述的 本发明的精神和范围。
权利要求
1. 一种牺牲的冲击吸收结构，其用于安装在海洋设施上以保护设施免受由海洋船舰的偶然冲击的破坏性力，该结构包括多个管状构件，其永久地固定在一起以形成开口的三维的大致立方体框架，管状构件由塑性可变形材料构建。
2. 根据权利要求1所述的结构，其包括在它们各自端固定在一起的 十二个管状构件。
3. 根据权利要求1所述的结构，其中纵向轴线平行对准的四个相对 较长的管状构件在它们各自的端处由八个相对较短的管状构件接合，以 形成冲击平面阵列和第二平面阵列的角部。
4. 根据权利要求1所述的结构，其中管状构件是钢且通过焊接固定 在一起。
5. 根据权利要求1所述的结构，其中管状构件具有相同的内径和外径。
6. 根据权利要求1所述的结构，其中由多个管状构件的至少部分限 定的内部空间是流体连通的。
7. 根据权利要求6所述的结构，其进一步包括一个或更多流体进口 孔口 。
8. 根据权利要求7所述的结构，其进一步包括与由一个或更多管状 构件限定的内部空间连通的一个或更多压力释放设备，由此由该结构的 变形传输通过流体的压力是可释放的。
9. 根据权利要求1所述的结构，其中由一个或更多管状构件限定的 内部空间被从包括水、硬膨胀泡沫组合物、木材以及这些材料的组合的 组选择的材料占据。
10. 根据权利要求8所述的结构，其中压力释放设备在管状构件内部 传输的预定压力下被促动。
11. 根据权利要求10所述的结构，其中具有不同预定促动压力的多 个压力释放设备安装在一个或更多管状构件上。
12. —种牺牲的沖击吸收和能量耗散结构，其用于安装在海洋设施上 以保护设施免受由海洋船舰的偶然冲击的破坏性力，该结构包括a. 四个管状构件永久地固定在一起以形成正方形的第 一平面阵列；b. 四个管状构件永久地固定在一起以形成正方形的第二平面阵列；C.四个接合的、塑性可变形的管状构件，其相对端永久地固定到第 一和第二平面阵列的相应角部，以从而形成硬的、大致立方体的开口框架。
13. 根据权利要求12所述的结构，其中管状构件由塑性可变形材料构建。
14. 根据权利要求12所述的结构，其中管状构件具有大致相等的截 面面积和壁厚。
15. 根据权利要求12所述的结构，其中管状构件具有圆形截面且所 有管状构件的外径和壁厚相同。
16. 根据权利要求12所述的结构，其中管状构件为钢且通过焊接固 定在一起。
17. 根据权利要求16所述的结构，具有纵横比11 = 5,其中R是立方 体框架的侧边的长度对圆形管状构件的外径的比。
18. 根据权利要求16所述的结构，其中管状构件提供有防锈涂层。
19. 根据权利要求12所述的结构，其中构成框架的两个或更多的管 状构件的内部空间是流体连通的。
20. 根据权利要求19所述的结构，其中流体连通通过第一管状构件 在它与第二构件的接合点处的单个开口提供。
全文摘要
一种用于保护海洋设施免受由海洋船舰的偶然冲击的破坏性力的牺牲的冲击吸收和能量耗散结构从多个不昂贵的钢管或管状构件构建，其件通过焊接永久地固定在一起，以形成塑性可变形材料的开口三维立方体框架。形成该结构的一个或更多管状构件可选地用水、硬的泡沫材料和/或木材元件填充，这在包含管遭受变形冲击的情况下将提供附加的能量耗散能力。填充物孔口、排出孔口、压力释放塞和阀能够可选地提供在一个或更多管状构件上。
文档编号E02B3/26GK101400859SQ200680032148
公开日2009年4月1日 申请日期2006年6月15日 优先权日2005年7月1日
发明者A·A·阿尔-加姆迪, A·M·拉万 申请人:沙特阿拉伯石油公司