近海风能装置基础系统的制作方法

本发明涉及一种用于近海有效载荷(payload)的基础系统，优选地，近海风能装置，但是也适用于原油和天然气设施。

背景技术：

基础系统设有三个或更多个吸力桶(以下也称为“桶”)。基础系统具体被设计为用于为9mw和更高的下一代近海风能装置。具体地说，基础系统被设计为用于支撑单个直立的桅杆(也称为杆或柱)，该桅杆优选在其顶端支撑有效载荷。在风能装置的情况中，桅杆优选包括直立的单极子并且在它的顶部是直立的塔，其中塔支撑在其顶部的机舱(nacelle)。不是舱而是有效载荷可包括平台，例如用于石油或天然气设施。桅杆、单极子和塔优选是单个管和/或由钢制成，但是加强的矿物水泥混凝土也是可行的。有效载荷优选位于海上方，例如至少10或20米。海深度通常是至少10米、20米或50米。

gb-b-2300661和ep-b-0011894(通过援引并入本文)中介绍了吸力式桶以及如何安装它们。简单地说，吸力式桶是薄壁的钢套管或管或圆筒，该圆筒在它的纵向顶端被隔壁(也称为顶板)或不同的密封装置闭合，并且该圆筒利用与隔壁相对的开口端密封地坐落在海底底部，因为由于吸力桶的重量导致这个开口端深入海底底部。因此，由圆筒和隔板限定的腔(也称为吸力空间)由海底地面密封，这样可以通过从吸力空间移出水产生真空或吸力，这样产生的力往往使吸力桶更深地深入到海底地面。吸力的生成可以借助于抽吸源，比如泵，该抽吸源位于吸力桶附近或与吸力桶相距一定距离并且连接到吸力空间。例如，施加的吸力水平可以是基本恒定的，平稳地增加或减少或其他脉动，对此来说，有方便的方法。使用后，可通过在吸力空间内产生超压，例如通过泵入(海水)，轻松地将吸力桶移走。

例如，本发明的wo99/51821(sip1)或ep-a-1101872(sip2)介绍了一种自安装的海洋结构，例如，应用吸力桶的平台。wo02/088.475(sip3)公开了顶部装有风力涡轮机的塔和作为基础的吸力桶。

吸力桶作为近海风能涡轮机的基础的一部分，正得到越来越广泛的应用。对于这样的应用，通常应用三个或更多个相互隔开的吸力桶，提供静态平衡(在三个吸力桶的情况下)或超平衡(在三个以上的吸力桶的情况下)的支撑。在运行中，吸入桶至少几乎完全深入海床，在相等或基本上相等的水平上，并且具有提供至少5米(通常为大约20米)的间隙或至少0.5或1.0倍吸力桶直径的间隙的相互横向间距(间隙意思是面对的侧壁之间的最短距离)。吸力桶组件承载单个单极子或钢梁的空间构架(也称为夹套)或管并且在它的顶部，垂直塔支撑在其顶端的风能涡轮机的机舱，该风能涡轮机设有转子叶片，通常围绕水平轴旋转并由风驱动。风能涡轮机将风能转化为电能。风力涡轮机通常是风电场的一部分，该风电场由相同的风力涡轮机组成，每个风力涡轮机设有它自己的有三个或更多个吸力桶的基础。电缆将风力涡轮发电机的电输送到岸上的电力消费者，例如住户。

吸力桶的好处之一是，通过给海洋结构提供一个或更多个吸力桶，可将海洋结构设计成自承重和/或自安装。因此，可以省去吊装装置和安装基础的设备，例如，锤击装置。

由于该结构设有一个或更多个吸力桶，使用后可方便的拆卸(也称退役)，因为通过将吸力桶压出，可将锚固在水下底部的结构移走。该结构通常至少基本由金属制成，通常是钢。

优选地，每个吸力桶有一个或多个特征：直径为至少5米，通常在10至15米之间，或甚至以上；高度为最少5米，通常在10至15米或甚至以上，视土壤情况而定；壁厚为至少1厘米，通常至少3或5厘米；吸力桶的纵轴与(由吸力桶支撑的上部结构的)相关的支撑腿基本上呈直线或偏心。

技术实现要素：

发明目的

特别是对于风能涡轮机来说，在许多方面都有严格的要求。这些主题的例子有：结构的整个使用寿命(通常为20年)期间塔的垂直度；振动频率；低生产成本；环境友好；有效恢复垂直度以修复故障。

对于垂直度来说，通常情况下，偏离垂直度超过1度将导致风力涡轮机运行抱死，这可能会导致补偿要求(penaltyclaims)。这样的偏差可发生在结构寿命期间的任何时候，例如由吸力桶下方或附近的土壤沉降、海浪或风力的过度力导致。

作为振动频率主题的一个例子，设计必须是使得在运行过程中产生的振动不会导致近海结构的结构破坏。自然频率在这方面起着重要的作用。优选地，避免共振。

本发明的目的是多方面的，并且可以从申请文件中公开的信息得知。

在一个优选的实施例中，本申请发明人已经开发了针对近海风能装置的基础系统体现的对象的技术方案，具有一个或多个下列特征：n个，至少三个，吸力桶位于假想的优选正多边形(在俯视图中查看)的角处；圆形或多边形连接器主体(在俯视图中查看)，该连接器主体优选具有至少n个径向外部角并且优选在它的中心支撑有效载荷，例如风能装置的塔，并且该连接器主体在n个角的每一个处通过刚性连接与相关吸力桶的顶端连接，使得全部n个吸力桶与连接器主体刚性连接；连接器主体设置在完全低于海平面和/或具有中空的单体式结构或承载蒙皮，可能提供径向支持和/或是非管样；连接器主体为其完全延伸的闭合轮廓，优选地，没有任何缝隙和/或具有不可渗透的蒙皮；连接器的横截面径向向外在高度(即吸力桶的轴向)和/或宽度上(即切线方向)变窄；吸力桶或它的顶板与连接器主体之间的垂直距离小于5米或2米或1米，更优选地，小于25厘米。本发明也在权利要求书中有定义。

因此，包括桅杆或单极子和/或塔的上部结构由连接器主体支撑的塔，并且连接器主体由吸力桶支撑。换句话说，上部结构位于连接器主体上并且连接器主体位于吸力桶上。

优选地，下列一个或多个特征适用于连接器主体：包括中心定位的塔或单极子容纳元件；被设计为是压载材料(ballastmaterial)或优选地它的围闭体积的至少50％用压载材料填充；由钢或加强的矿物水泥混凝土制成；是薄壁的；将全部荷载(包括垂直和水平荷载、弯矩和转矩)从单极子和/或塔转移到吸力桶；是高度紧凑的，例如允许在车间制造，其优选不超过单极子和/或塔的柱状部分外径的1.5倍；在俯视图中看到，宽度为使得基础系统提供具有最大跨度测量为吸力桶外径的至少3倍的包络线；在俯视图中看到，与吸力桶重叠并且优选地径向延伸不超过吸力桶；基本上水平延伸或沿与水平方向的夹角小于10度或20度的角度延伸；基本上呈盒子形状；由平的薄片制成；一个或多个侧面，上部面和下部面基本上都是平的和/或在它们相互连接处形成角和/或局部设有加强筋，优选地在内部；至少对于它的手臂来说，具有角形截面；存在于吸力桶的顶板上方；脱离海床；与海床保持至少25或50厘米的间隙；其臂具有高度为(优选在它们的最大高度的位置处测量)单极子在连接器主体平面处的直径的至少0.5、0.6或0.75倍和/或小于单极子在连接器主体平面处的直径的1.5、2或2.5倍；其臂具有宽度为(优选在它们的最大宽度的位置处测量)臂高度的至少0.25或0.5倍和/或小于臂高度的1.0或1.5或2倍(优选地，在它们的最大高度的位置处测量)；在俯视图中看到，基本上是星形或三角形或正方形形状；具有壁厚度为至少2毫米、5毫米或10毫米和/或少于200毫米、100毫米或50毫米；具有基本上平的下侧面。臂是从中心向桶延伸的部件。

本发明是基于发明者的发现，即通过将基础系统尽可能深地保持在水位以下，优选地，在海床上方10或15米以下，就可以完全满足一个或多个或所有的严格要求。因此，桅杆或单极子或塔必须尽可能长。

本发明还基于由发明人获得教导，即下列一个或多个特征是可行的：倾斜校正；便利的水上运输至最终的近海目的地；将吸力桶更深地深入到海底部；将压载物定位在吸力桶顶部；最大限度地减少由桶顶部板的循环荷载导致的泵送效果，该循环荷载是由有效载荷造成的。

对于桅杆/单极子/塔来说，可采用以下一个或多个特征：连接到连接器主体上的下面部分具有增大的直径，例如直径为10或12米，相比之下，柱形部分为6.5米；在水位处的直径至少比连接器主体平面处的直径小1或2米；壁厚为至少20或35毫米和/或少于200毫米，例如大约50毫米；中空的；薄壁的；基本上其完全高度上的圆柱形；高于吸力桶顶部板的上部面或连接器主体的下侧面的平面。

现有技术示出了许多关于桅杆、单极子或塔的基础系统的建议。例如：wo2012103867a1(weserwind)公开了一种用于近海风能设施的在海平面以下延伸的三脚类型基础，使用三个进入海床的夯桩(rammedpiles)；ep2558648b1(siemens)公开了另一种用于近海风能设施的三脚类型，使用三个进入海床的夯桩；ep1805414b1(bardengineering)公开了一种用于近海风能设施的从海床延伸到海平面以上的三脚类型，使用三个进入海床的夯桩，还解决了对避免基础的固有频率等于转子频率以避免共振的需要；us5567086a公开了一种用于近海石油钻井的在海水平面以下延伸的张力腿类型系统；ep1074663a1公开了一种用于风能设施的地面埋入式星形类型的基础系统，使用地面锚定杆(groundanchoringrods)。

本申请中引用的文献通过引用插入本文并且每个文献都提供了用于更好地理解本发明的背景技术。

在安装入海床完成后，吸力空间内的土塞顶部与闭合的吸力桶顶部之间可留有间隙(也称“空隙”)。对于风力涡轮机设施来说，这样的间隙需要填充填充材料或填充体，以防止吸力桶沉降，并将荷载(例如，向下的或剪切)从风力涡轮机和结构转移到海床。填充材料进入间隙后固化或硬化或成为刚性是可行的。这种填充材料提供了吸入空间内的主体(以下也称为“盖板(slab)”)。显然，这个盖板通常是在吸力桶沉入水底部并且深入水土壤至其最终深度之后，通过将当时可流动的盖板的材料浇注或铸造到海水填充的空间中提供的，该海水填充的空间位于顶部隔壁与吸力桶内部的土塞的顶部面之间。

这个盖板通常具有高度为至少10或20或30厘米和/或小于50、100或150厘米。

应注意的是，本发明优选地针对用于基础的吸力桶，换句话说，被设计为用以承载上部结构的重量，例如，放置于顶部的风力涡轮机或平台，以避免这样的上部结构下沉到海底底部。因此，基础吸力桶承受着来自相关上部结构的荷载，而该荷载往往使吸力桶进一步进入地面。顶部隔板下面的盖板被设计为用以防止由于上部结构的重量产生的推动荷载导致吸力桶移入更深的海底底部。基础吸力桶由于其荷载性质不同于锚定吸力桶，该锚定吸力桶必须禁得起被锚物的拉力，被锚物通过试图将锚定吸力桶从海底底部拉出而试图离开其期望位置。

优选地，一个或多个下列特征适用：安装期间将吸力桶深入海底底部和/或沉降修正期间施加超压或从海床抽取吸力桶所需的吸力是在吸力桶内部，盖板上方或吸力桶的顶部隔板上方产生的，优选地，因为抽吸泵装置的抽吸侧或压力泵装置的压力侧在盖板上方的位置与吸力桶连接，例如，顶部隔板设有管口或不同的可密封端口，用于吸力空间与抽吸或压力泵装置的流体连接；吸力桶的直径与高度之比为常数(高度是从顶部隔板朝向相对的开口端的方向)；从顶部隔板开始，吸力桶的圆筒壁平行延伸；被设计为首先坐落在海底上的吸力桶的开口端是完全开口的，换句话说，它的孔径仅仅以圆筒壁为边界；水深是使得当吸力桶的下端接触海床时(换句话说，当吸力桶的下端还没有深入海底时，吸力桶完全在水面以下；基础包括三个、四个或更多个相互隔开的吸力桶；盖板完全填满间隙；随着吸力桶深入海底完成，顶部隔板与海底间隔开和/或盖板的下侧面抵在海底上，与吸力桶外部的海底平面相比该海底很可能在吸力桶内处于升高的平面处，这归因于由吸力桶深入海床导致吸力空间内的海床塞升高；通过可释放密封装置，例如阀，允许水进入或退出吸力桶的顶部隔板上的选择性可闭合端口设有联结装置(couplingmeans)，该联结装置被设计为用于分别在吸力桶分别进入和退出海底土壤的安装、沉降修正和移出时临时接合抽吸和/或压力泵，该端口与流体流动通道连接。

优选地，吸力桶的设计是使得来自源头(例如压力泵)的流体从源头流过密封通道，在隔板下方和吸力空间内终止。抽吸期间，压力通常低于吸力桶外部的局部水压至少0.1或0.25或0.5或1个大气压。压出(校正操作或退役)期间，压力通常高于吸力桶外部的局部水压至少0.25或0.5或1或2个大气压。

吸力桶还优选在邻近其顶部隔板处或在其顶部隔板上设有已知像这样的阀门和/或舱口，用于选择性地允许水和空气通过吸力桶的顶侧进入或离开吸力空间。

优选地，本发明针对的是近海基础系统或所述系统的吸力桶，吸力桶优选具有开口底部和闭合顶部，最好是圆柱形，细长的壳提供吸力隔室或吸力空间，所述闭合顶部具有面向外部的上部面和相反的朝向吸力空间面向的下部面，并且优选设有一个或更多个阀门，选择性地允许吸力空间和环境之间的流体连通，吸入空间设有固定定位的盖板并且其中在使用中，盖板底部抵在吸力空间内部的土塞的顶部上，吸力桶的顶部隔板抵在盖板上。

可行的过程如下：安装设有至少三个吸力桶的基础系统，并且当桶到达它们进入海床的最终深入深度(如沙子或粘土)时，通过引入可流动的填充材料提供盖板(如果应用)，使得间隙完全或基本上充满。随后，安装被基础系统支撑的上部结构。首先，将单极子定位在基础系统的顶部，然后将塔安装在单极子的顶部。塔在其顶端装有风能涡轮机机舱。塔完全或部分在水位之上方。

所使用的压载材料优选具有比重为至少每立方米1400公斤(如沙子)或2000公斤(如岩石)，因此是水比重的至少1.4倍或两倍。在一个实施例中，压载物集中在吸力桶附近，例如位于吸力桶的顶部。压载物可具有厚度为至少1米、1.5米或2米。对连接器主体和/或吸力桶应用压载物也是可行的。

连接器主体与单极子之间的连接可通过注浆、焊接或机械紧固方式(如铆接或螺栓连接)来提供。优选使用快速连接件，例如，所谓的滑动接头类型，比如ep2910686(kcitheengineers，通过引用在此处公开)中公开的以及权利要求14所针对的。

滑动接头类型的快速连接件优选是通过楔形壁相对于塔的轴向呈锐角倾斜提供的(参见图15)，并且在塔深入连接器主体的位置(或相反的情况)定位在塔上和/或连接器主体上，被定向为使得当在塔(塔位于安装时的其最终垂直姿态)的朝上方向塔查看时所述楔形壁从塔向外延伸，使得楔形壁提供一个圆锥形形状的圆周或周边，例如，环样，意思是，第一个在塔处，第二个在连接器主体处并且被配置为使得如果塔和连接器主体是相互深入或插入，那么第一个和第二个的楔形壁相互接合和接触，保持塔避免由重力作用导致进一步下降并且还在这些楔形壁之间产生径向向内指向的夹紧力，保持塔夹在连接器主体上。第一个和第二个形成一对，并且优选地，存在两对，塔的轴向相互隔开至少0.5米。

“桅杆(mast)”、“单极子(monopole)”和“塔”有各自的含义，但也有相同的含义，例如更一般的，比如：每一个都是细长的管或杆样物体。因此，如果在本公开中使用了这三个词中的任何一个，它也可以具有与这三个词中的其他两个一样的含义和/或更普遍的含义。

附图说明

通过非限制的，目前优选的实施例的方式进一步阐明本发明，这些实施例提供本发明的最佳实施方式并且显示在附图中。

图1a-c从三个不同角度显示了第一实施例；图2-4分别显示了第二、第三和第四实施例的透视图；图5a-c显示了将单极子安装到基础系统的三种可选方式的分解式透视图；图6-8在侧面视图中显示了近海风能装置的可能安装方式期间的三个主要阶段；图9-14显示现有的基础系统；图15显示了从侧面剖开的双滑动接头。

具体实施方式

图1显示了三个吸力桶，在它的顶部是具有三个臂的星形形状的连接器主体，每个臂径向向外汇聚，其上方是提供桅杆和/或塔和/或单极子的单个直立管。桅杆的下面部分具有圆锥形形状。

图2显示了三个吸力桶，其上方是三角形形状的连接器主体并且连接器主体上方是柱状桅杆。水位100也显示出来了。图3显示了四个吸力桶，星形形状的连接器主体具有四个臂，连接器主体上方是柱状桅杆。图4显示了星形形状的连接器主体具有三个臂和柱状桅杆。

在图5a中，桅杆的下端深入连接器主体中。在图5b中，桅杆的下端深入从连接器主体向上突出的过渡连接件中。在图5c中，过渡连接件深入桅杆的下端中。在这三种情况中，均可使用滑动接头。

根据图6，吸力桶和连接器主体提供与桅杆或塔或单极子分开的子组件。将这个子组件航行到它的最终近海位置，在那里将吸力桶深入到海床中。在此之后，添加桅杆的一部分(图7)，并且在此之后，添加桅杆的另外一部分(图8)。

与图6-8不同，另一种安装方式是将图7所示的子组件(桶、连接器主体和单极子在远程位置相互组装)航行到最终近海位置并将它安装在那里，在此之后添加有效载荷。

图9显示了夹套类型(jackettype)，图10三脚类型、图11三脚类型、图12三桩类型、图13埋置类型、图14张力腿类型近海结构。

通常地，通过吸力空间内的吸力将吸力桶深入海底的过程分为三个阶段。在初始阶段，通过重力作用，已经将吸力桶的开口底部深入海床，使得吸力空间被密封。第二阶段是通过抽吸将水从吸力空间中抽走获得的，使得吸力在吸力空间内形成，这样吸力桶更深地深入海床，因此它的顶部更靠近海床。在第三阶段，将吸力桶深入到其最终深度，对位于其顶部的重量提供它的设计荷载承受能力。通常地，顶部隔板与海底是隔开的。由于吸力桶的深入，在吸力桶内部，从桶侧壁，海底材料的表面上升。这样的圈闭在吸力空间内的海床部分也称为土塞。通常地，隔板和土塞之间的空隙是由盖板(slab)或主体(body)填充的。吸力空间以顶部隔板、圆柱形侧壁和与顶部隔板相对的开口端为边界。

图15显示了内管(例如，单极子)和外管(例如，用来容纳单极子的连接器主体中央孔的壁)。每个管设有两个轴向隔开的圆锥形环，提供两对的每对内管的内环和外管的外环。由于向下指向力fv，根据重力定向，产生了径向向内指向夹紧力(仅仅显示了上面的一对)。

本发明不限于上述描述和附图说明的实施例。例如，海洋结构可以有不同数目的吸力桶。附图、说明书和权利要求书中包含了许多组合的特征。本领域技术人员也可单独考虑这些特征，并将它们组合成另外的实施例。本文公开的实施例中不同的特征可以以不同的方式组合，某些特征的不同方面被认为是可互换的。所有描述的或在附图中公开的特征提供了本发明的技术主题本身或本发明技术主题的任意组合，还独立于它们在权利要求书中的布置或它们的提到的布置。