一种小型海洋平台自升式桩腿的制作方法

1.技术领域：

本专利从技术角度，涉及对船舶及海洋工程技术的综合应用，属于船舶及海洋工程装备类技术领域。

2.

背景技术：

目前海洋自升式平台(指海上石油钻井及采油平台)，一般使用“自升式桩腿”作为支撑物将该平台固定于海底特定位置。桩腿的升降主要采用齿轮一齿条装置。从原理上，这是一种普通的机械传动技术。但实际上，由于桩腿在海水中的长度很长(达几十米甚至几百米)，且平台的重量很大(有的上万吨)，而且要求定位准确、牢固稳定，而且要能经受海洋巨大风浪的袭击，这种传动机构不仅体型庞大，动力强大、加工精密，而且成本高昂。我国的许多自升式平台的升降模块，大都从国外进口。

有些近海工程，例如，浅海风电机的桩基工程、风电机的安装工程、海岸工程建筑物的水下打桩等工程的发展，导致小型平台船应运而生。例如浅海钻探、地质采样、以及海上桩基的抗压负荷试验及抗拉拔桩试验等，海上平台船所在的海域水深并不大(例如小于100m)，平台船的自升重量也不太大(例如小于5000吨)，此时，平台船自升式桩腿的升降机构即没有必要再采用昂贵的齿轮一齿条机构。

3.本专利的内容：

3.1概述

本专利的目的是：实现桩腿的升降不再采用机械式齿轮一齿条或蜗轮蜗杆的技术，而是采用筒形桩腿内部的静水压力或浮力，再加上卷扬机的拉力使其升降的原理，这虽然也是常规的机械技术，但更简单、更可靠、且成本很低，用于小型海洋平台装置非常适合。

3.2一种小型海洋平台自升式桩腿专利的构成

本专利所述的一种小型海洋平台自升式桩腿，是由4部分构成：其一是套在船舶柱形管内的钢质筒形桩腿；其二是设置在筒形桩腿内的潜水泵―阀箱系统，它是由潜水泵和与阀箱系统组成；其三是与筒形桩腿相连接的卷扬机升降系统及传动系统；其四是桩腿的液压锁紧系统，可以将筒体与套筒锁紧在一定的位置。

所谓筒形桩腿，是一根大型水密钢管，是承受船舶重量的支撑构件。设置在平台的桩腿套筒之内。其上部，通过定滑轮、动滑轮组和钢缆与设置在平台上的二组液压卷扬机相连接，可以使桩腿在套筒内自由上下滑动；既可以一直下沉到海底，也可以被收到平台内，也可以停留在中间位置；

所谓潜水泵―阀箱系统，设在桩腿内的底部，通过阀箱中的阀门调节，当需要将桩腿下降到海底时，可泵入海水，产生重力，加上筒体和桩靴及压载物的重量，再加上一组液压卷扬机的拉力，可以将整个桩腿降到海底；同样，调整相应的遥控阀件，也可以将筒体内的海水排出筒体外，利用筒体产生的浮力及另一组卷扬机的牵引力使桩腿上升，将其收入平台内。阀箱内设遥控阀，可以根据自动控制系统的要求，控制阀件的启闭。

所谓卷扬机系统，是由固定在平台甲板上的支架、液压卷扬机、滑轮组及连接钢缆组成。卷扬机座在支架的底部，与平台甲板连接在一起。液压卷扬机和牵引钢缆分为二组，一组卷扬机牵引钢缆的上端经过定滑轮与桩腿上端连接，产生将桩腿向上的拉力；另一组卷扬机牵引钢缆的上端直接与桩腿上端连接产生将桩腿向下的拉力，。

所谓桩腿锁紧装置，是在桩腿套筒(套筒与平台固定)内设置的若干组液压油缸控制的伸缩销。当高压油进入油缸内时，活塞销即可插入到桩腿筒体预设的孔槽内，将桩腿筒体与套筒锁紧，桩腿将被稳定在平台的一定位置。

3.3一种小型平台船自升式桩腿的升降过程

本小型平台船自升式桩腿的升降是利用水压力+卷扬机拉力来实现的。其升降原理与过程如下(参见附图1)：

3.3.1桩腿的下降

当升降桩腿需要下降时，打开遥控海底阀⑦，将海水放入升降腿⑤的内部，释放液压锁紧止动销⑧，当升降桩腿内的海水到达船舶吃水线时，松开升降卷扬机③的刹车装置，并开启升降卷扬机⑩，升降桩腿将在套筒(包括压载物)重力及卷扬机⑩向下拉力的联合作用下、开始下降，再开启潜水泵压载泵⑥，海水将通过遥控海底阀⑦继续被吸入，可使升降桩腿一直下降到海底。此时可关闭遥控阀⑦(因桩靴处的开口有可能被海底遮蔽)，再开启遥控阀⑨，将海水继续吸入到升降桩腿内部，直至灌满升降桩腿；再关闭遥控海底阀⑨，锁紧液压止动销⑧，关断卷扬机③与⑩的开关并锁紧刹车装置，即完成桩腿下降至海底的程序。如果需要将船舶抬起，可释放液压锁紧止动销⑧，且松开升降卷扬机的刹车装置，开启卷扬机⑩，可将整个船舶吊起到吃水线以上需要的位置。

3.3.2桩腿的上升

当桩腿需要上升复位时，可首先释放液压止动销⑧，释放升降卷扬机③、⑩的刹车，将船体缓缓放下，直至到正常浮态。然后开启海底遥控阀⑨，让桩腿内的海水自动流出。当桩腿内的水面与外海齐平之时，应开启潜水压载泵⑥，将桩腿内的海水全部排空，依靠水对桩腿的浮力，并开启升降卷扬机③，将桩腿吊起，再锁紧液压止动销⑧，即可恢复至正常的原始状态。

3.3.3桩靴被“吸住”或陷入淤泥之中时的自救措施。

如果海底有较厚的淤泥，使平台船陷入其中一定的深度，但不至于“完全沉没”，尚可通过自身的能力进行自救，这一阶段是该平台船的工作能力的限度。平台船排水量的大小、桩腿直径、长度、桩靴大小的选择等，均要考虑此因素。

本专利所设想的“自救”方式是在桩靴底部及四周装置旋转切削刀片和“脉冲高压水”喷头，在桩靴底部及四周的旋转切削刀片，可将粘附的淤泥切碎，同时喷出脉冲高压水，将吸附住桩腿与桩靴的淤泥冲开，然后将桩腿收回。

4.附图说明：

图1是：一种小型海洋平台自升式桩腿

图1的图例是：

①——升降桩腿吊升滑轮

②——升降桩支架

③——升降卷扬机(产生将桩腿上拉的力)

④——升降桩腿套筒

⑤——升降桩腿

⑥——潜水压载泵

⑦——海底遥控阀

⑧——液压锁紧止动销

⑨——海底遥控阀

⑩——升降卷扬机

(产生将桩腿下拉的力,机座在与图面的垂直方向，图上未表示)

图2是：一种小型自升式平台船的设计方案

该船用于浅海的地质勘探、海岸建筑、风电机等桩基工程的抗拉与抗压试验、风电机安装等。适用水深50m以下。采用4个自升式桩腿(本发明方案)。

图2的图例是：

①——平台船船体

②——尾部360°全回转推进器

③——后桩腿

④——试验装置的纵向轨道

⑤——抗压(或抗拔)静载荷试验装置

⑥——钻探机

⑦——前桩腿

——侧推器

图3是：一种小型自升式平台船的抗压静载荷试验装置

(本图是图2的a-a-a1-a1剖面示意图)在进行抗压静载荷试验时，需要将船体升高至水面以上，再吸入大量的压载水，才能对试验桩施加足够大的压力。用本发明的方案是比较经济适用的。

图3的图例是：

①——平台船船体

③——后桩腿

④——试验装置纵向轨道

⑧——试验装置可升降立柱

⑨——试验装置主梁

⑩——传感器

——千斤顶

——压力表

——试验桩(最大直径7m)

——桩靴(边缘与底部设有旋转刀片及高压水喷头)

图4是：一种小型自升式平台船的抗拔静载荷试验装置

(本图是图2的a-a-a1-a1剖面示意图)抗拔静载荷试验对试验桩而言要施加与抗压试验相反的力，不需要将船体升高至水面以上，用本专利的方案更为简单。

图4的图例是：

——拉筋

(其它同图3)

5.具体实施方式

下面根据船舶设计原理，给出一个使用4个桩腿的小型自升式平台船的设计实例，说明本专利的具体实施方式：

5.1设计说明

5.1.1船型、航区及用途

船型；本船为适应工程施工的需要，尾部为双尾，双尾之间有一块较大的开口水域。全船设4个圆柱形的自升式桩腿，首部为圆形。

航区：本船作为工程船，适用于中国沿海水深50m以下的海域；作为航行船舶，可航行(包括作业)于中国沿海3类海区。

用途：本船主要用于对海岸工程及海上风力发电机的塔架桩基等水工结构物进行抗压、抗拔试验，进行海上地质钻探。在配置吊机之后，还可以进行海上风力发电设备的安装及维护。

5.1.2船舶的主要参数：

5.1.3桩腿(自升式)

本船共设计4个自升式桩腿，其参数如下：

5.1.4动力及定位系统

全电力推进。设主电站、应急电站、尾360°全回转推进器、首侧推器。定位系统为dp-2。

5.2抗压试验

5.2.1抗压试验程序：

按前述“桩腿的下降”程序，将4只桩腿均注满海水，使桩腿压向海底；先排干船舶内的压载水(以减轻船舶重量)；开启将船舶升起的卷扬机，可将船舶升起并脱离水面，锁紧船舶后，再将压载水注入，使桩腿对海底压力增大。

在调整好船舶位置(使抗压试验的主梁呈水平状态)以后，即可进行抗压静载荷的试验，设计压力设定为3000t。

5.2.2抗压试验的主要参数：

船舶理论最大排水量(假定上甲板被淹没，不含桩腿)

δmax＝5136t

船舶理论最大重量(含桩腿内装满海水)

wmax＝8475t

理论最大压力(假定水深50m,扣除桩腿浮力)

wpmax＝6388t；

5.3抗拔试验:

5.3.1抗拔试验程序

按前述“桩腿的下降”程序，将4只桩腿均注满海水，使桩腿压向海底。抗拔试验时，不必将平台船抬出水面(除非是为了减小波浪的干扰)，可以在平台船在设计排水量状态下进行。

5.3.2抗拔试验的主要参数：

理论最小拔力(假定水深50m)，应为设定的测试最大拔力加上扣除桩腿浮力后的桩腿重量：

设定的测试最大拔力为：

pup0＝3000t

理论最小拔力为

pupmin＝3000+1252＝4252t。