灌浆方法与流程

灌浆方法
1.本发明总体上涉及一种灌浆方法。更特别地，本发明涉及一种将浆料施用到海上结构的支腿的方法。更特别地但非排他地，本发明涉及一种将海上结构固定到预打桩的基础桩的方法。
2.海上结构(通常存在于海上风电行业和海上油气行业中)最常见地包括用于支撑水面上方的负载的结构支架。在海上风电行业中，负载是风力涡轮机，而在海上油气行业中，负载往往是作业和/或生活平台。
3.结构支架通过一个或多个基础桩固定到海床，该一个或多个基础桩通常采用打桩到海床中的中空管的形式。为了将结构支架固定到基础桩并且因此固定到海床，将通常称为浆料的粘结材料施用到基础。施用浆料，使得每个基础桩和支架的相应支腿之间的接口被填满。随后使浆料固化。常规地，浆料是通过管道或软管从表面上的泵单元施用。
4.根据本发明的方面，提供一种用于将海上结构固定到预打桩的基础桩的方法，其中，基础桩包括打桩到海底中的管，并且海上结构包括插入基础桩中的支腿，其中，该方法包括：将浆料施用到支腿的端部部分与基础桩内海底之间的第一区域；使得该浆料至少部分地固化；以及然后将浆料施用到第二区域，其中，第二区域是支腿与基础桩之间的环形区域。
5.支腿的端部部分通常可以称为支腿的穿入部或穿入部分。
6.海上结构可以被配置为将负载支撑在水面上方。在完成灌浆之后，负载可以安装到海上结构，例如其支架。负载可以是或可以包括风力涡轮机或油气平台。
7.在负载是风力涡轮机的情况下，本方法可能特别有利。在这种情况下，例如由于风力和/或风力涡轮机的运行，可能存在施加到海上结构的周期性侧向载荷。作为本发明的结果，基础的结构完整性可以在承受这种侧向载荷时提供更可靠的结构。
8.支腿或穿入部可以插入基础桩的开口端中。
9.海上结构可以包括多个基础桩，并且支架可以包括多个对应的支腿。每个支腿可以插入相应基础桩的开口端中。
10.该方法可以包括在将浆料施用到多个基础桩的第二区域之前将浆料施用到所有多个基础桩的第一区域。
11.在将浆料施用到第二区域之前，可以使施用到第一区域的浆料固化到例如预定程度。在将浆料施用到第二区域之前，可以使施用到第一区域的浆料固化直到稳固或变硬，或基本上稳固或变硬。在将浆料施用到第二区域之前，可以使施用到第一区域的浆料固化直到浆料达到其最终凝固。
12.施用到支腿的端部部分与海底之间的区域的浆料可以是或可以包括第一浆料。施用到支腿与基础桩之间的环形区域的浆料可以是或可以包括第二浆料。第一浆料可以不同于第二浆料。即，第一浆料可以具有与第二浆料不同的组合物。在施用第二浆料之前，可以使第一浆料固化例如到预定程度。
13.在施用第二浆料之前，可以使第一浆料固化预定时间段。可以基于施用的第一浆料的体积和/或基础桩处的水温来确定预定时间段。
14.该方法可以包括测试施用到第一区域的浆料(即第一浆料)，例如以确定浆料是否已经固化。该方法可以包括在将浆料施用到第二区域(即，第二浆料)之前测试施用到第一区域的浆料(即，第一浆料)。
15.浆料或第二浆料可以施用到第二区域，直到其填满或溢流出第二区域。
16.可以以声学和/或视觉方式确定第二区域的浆料填满或溢流。可以使用远程操作载具(rov)确定第二区域的浆料填满或溢流。可以使用密度仪或密度计(例如超声密度仪或计、或核密度计或计)确定第二区域的浆料填满或溢流。
17.该方法可以包括经由例如从比如船舶等表面位置穿过支腿或沿着支腿延伸的第一导管将浆料施用到第一区域。第一导管可以在相应支腿的底部处或朝向相应支腿的底部具有第一出口。可以经由例如从表面位置穿过支腿或沿支腿延伸的第二导管将浆料施用到第二区域。第二导管可以在相应支腿的侧面上或朝向相应支腿的侧面具有第二出口。
18.第二出口可以在第一出口上方。第二出口可以与第一出口间隔开。当支腿位于基础桩中时，第二出口可以比第一出口距离海底更远。第二出口可以相对于第一出口旋转地错开。
19.可以经由从表面位置延伸的导管将浆料施用到第一区域。导管可以定位成使得导管的出口在基础桩内在海底上或靠近海底的第一位置。随后可以通过升高导管使得出口处于比第一位置更远离海底的第二位置，从而将浆料施用到第二区域。
20.导管可以包括硬质管，该硬质管具有用于接纳浆料的第一开口端、侧壁和出口。出口可以设置在侧壁中。硬质管可以包括例如与第一端相反的第二端。第二端可以是封闭端。出口可以在靠近封闭端的位置设置在侧壁中。
21.导管优选地与海上结构以及与基础桩分开。例如，导管可以装载在航海船舶(例如供油船)的甲板上，并从航海船舶上完成部署。
22.该方法可以包括在将浆料(即第一浆料)施用到第一区域之后制备施用到第二区域的浆料(即第二浆料)。即，该方法可以包括在例如将第一浆料施用到第一区域之后制备第二浆料。该方法可以包括在使得第一浆料固化到例如预定程度之后制备第二浆料。
23.可以根据施用当天的水温来制备浆料的组合物。
24.第一浆料和/或第二浆料的组合物可以根据施用当天的水温来制备。
25.在本技术的范围内，明确意图是在前述段落、权利要求和/或以下具体实施例和附图中所列的多个不同的方面、实施例、示例和替代方案，特别是其各个特征，可以单独地或以任何组合方式采用。也就是说，所有实施例和/或任何实施例的特征可以以任何方式和/或组合进行组合，除非这些特征是不相容的。为免生疑问，术语“可以”、“和/或”、“例如(e.g.)”、“例如(for example)”和本文所使用的任何类似的术语应解释为非限制性的，从而任何所述特征都不一定存在。实际上，在不脱离发明的范围的情况下，可选用特征的任何组合都是明确设想到的，而无论它们是否被明确地记载在权利要求书中。申请人保留更改任何原始提交的权利要求或相应地提交任何新权利要求的权利，包括将任何原始提交的权利要求修改成从属于任何其他权利要求和/或包括任何其他权利要求的任何特征的权利，尽管一开始没有以这种方式提出权利要求。
26.现在将仅通过举例方式参考附图来描述本发明的实施例，在附图中：
27.图1示出了固定到基础桩的海上结构；
28.图2示出了海上结构的支腿与基础桩之间的接口；
29.图3是示出海上结构的支腿的穿入部分的侧视图；
30.图4是示出海上结构的插入基础桩中的支腿的示意性横截面图；
31.图5是图4的布置，包括用于施用浆料的设备；
32.图6是图4的布置，包括用于施用浆料的另一个设备；
33.图7a是示出处于第一位置的图6的设备的示意图；
34.图7b是示出处于第二位置的图6的设备的示意图；
35.图8示出了图6和图7的设备的一部分；
36.图9示出了在使用中用于引导图6至图8的设备的漏斗引导件；以及
37.现在参考图1，示出了用于将负载(未示出)支撑在水体表面上的海上结构1。在不同的示例中，负载(未示出)可以是风力涡轮机或油气平台。海上结构1包括具有三个支腿3的支架2。在此示例中，支腿3通过十字构件4相互连接。每个支腿3具有主体3a和穿入部分3b(特别是在图3中更清楚地示出)。在此示例中，主体3a和穿入部分3b中的每一者都是中空钢管。在其他示例中，每个支腿3的主体3a和穿入部分3b可以包括不同的材料和构造。在此示例中，海上结构1具有三个支腿3，但是应当理解，海上结构1可以具有任意数量的支腿3，包括四个支腿3。
38.海上结构1通过固定至基础桩5而固定至海床，在此示例中，基础桩是预先打桩到海床中的中空钢管。每个支腿3的穿入部分3b被接纳在相应基础桩5的开口端50内。使用浆料形式的粘结材料来至少基本上填充穿入部分3b与基础桩5之间的剩余区域或容积(由区域a和区域b构成，具体如图4至图6所示)，从而将支架2固定到基础桩5。
39.现在参考图2，示出了支架2与基础桩5之间的接口，其中穿入部分3b插入到基础桩5中。凸缘30a位于每个支腿上的主体3a与穿入部分3b之间。凸缘30a径向延伸。当相应穿入部分3b位于相应基础桩5内时，凸缘30a支撑在基础桩5的开口端50处的边沿上。凸缘30a在支腿3上的位置限定了支腿3、特别是穿入部分3b的插入基础桩5中的量。溢流出口35b贯穿凸缘30a(在图4中更清楚地示出)延伸，从而允许在灌浆操作期间过量的浆料溢流，如下文进一步描述。
40.现在参考图3，示出了支腿3的穿入部分3b。锥形端部部分30b位于穿入部分3b的远离凸缘30a的一端。端部部分30b可以与穿入部分3b的管状部分成一体，或者该端部部分可以由插入到穿入部分3b的端部中的帽形成。端部部分30b包括多个周向间隔开的、径向延伸的翅片31b。端部部分30b的几何形状被配置为易于将穿入部分3b定位在相应基础桩5内，因此更容易将支腿3插入基础桩5中。
41.侧壁32b在凸缘30a与端部部分30b之间延伸。在本示例中，穿入部分3b包括沿着侧壁32b的长度位于凸缘30a与端部部分30b之间的多个剪切键33b。剪切键33b优选地由穿入部分3b的表面中的脊形成。剪切键33b被配置为在支腿3已经被灌浆到基础桩5之后对穿入部分3b和基础桩5之间的相对平移运动提供阻力，以将支腿3更好地固定到基础桩5。
42.现在参考图4，如上所述，当穿入部分3b位于基础桩5内时，凸缘30a用作止动件，从而限制穿入部分3b延伸到基础桩5的开口端中的深度。
43.在一些示例中，凸缘30a的下侧具有周向延伸的密封件34b，密封件呈弹性体o形环的形式、被配置为密封基础桩5的自由端50。溢流出口35b位于周向延伸的密封件34b的径向
内侧，如上所述。
44.图4示出了挖泥线d。挖泥线d是执行打桩作业后基础桩5内的海底水平。在本示例中，挖泥线d位于周围海底(未示出)下方，但可替代地可以与海底齐平或高于海底。如所展示的，支腿3插入基础桩5中，使得端部部分30b与基础桩5内的海底间隔开(即，与挖泥线d间隔开)。
45.由于穿入部3b位于基础桩5内，区域a被描述为位于端部部分30b与基础桩5内的挖泥线d之间。此外，环形区域b被描述为位于侧壁32b与基础桩5的内壁51之间。在灌浆过程中(如下所述)，向区域a和区域b提供浆料。当区域a和区域b充满时，浆料将通过出口35b溢流出环形区域b。密封件34b被配置为防止浆料从除出口35b之外的点或区域泄漏。
46.应当理解，在本示例中，在支架2具有多个支腿3的情况下，每个支腿将具有根据图4的布置。
47.为了将支腿3固定到基础桩5，优选地在安装基础桩5之前对海底进行挖泥。然后，将一个或多个基础桩5打桩到海底中至期望深度并且使得每个桩5的开口端50从海底突出。然后将支架2朝向海底降低并且使相应穿入部分3b位于相应基础桩5的开口端50内。支架2被降低，直到每个凸缘30a支撑在相应开口端50上，从而界定了区域a和区域b。然后将浆料施用于区域a和区域b，如下所述。
48.现在参考图5，示出了图4的布置，其中安装了用于施用浆料的设备。在本示例中，第一导管6a从支架的上部部分延伸到端部部分30b底部的第一出口60a。浆料泵或进料器(例如料斗或储罐)可以例如在表面上的位置处连接到第一导管6a，以向其供应浆料。第二导管6b从支架的上部部分延伸到穿入部分3b的侧壁32b上的第二出口60b。浆料泵或进料器可以例如在表面上的位置处连接到第二导管6b，以向其供应浆料。导管6a、6b中的每一者沿着支腿3的内侧在表面与这些导管的相应出口60a、60b之间延伸。
49.在使用中，为了将浆料施用到被界定在穿入部分3b和基础桩5之间的容积，在表面上制备浆料组合物并且浆料组合物沿着第一导管6a输送到第一出口60a。输送浆料，直到区域a填满。
50.优选地，预定体积的浆料被输送到区域a中。预定体积是基于基础桩的已知直径和基础桩5内的海底(即挖泥线)与穿入部分3b之间的指定距离。在其他示例中，第一导管6a和/或第二导管6b可以包括传感器，该传感器检测区域a中的浆料何时到达(例如，沿着第一导管6a和/或第二导管6b的长度)与区域a的期望深度相对应的特定高度。可替代地，区域a的填充可以通过使用压力传感器或换能器来确定，该压力传感器或换能器位于第一导管6a或第二导管6b上、或位于区域a所界定的容积内。区域a填满可以通过声学方式确定，例如通过远程操作载具(rov)上或支腿3上的声学传感器确定。
51.一旦区域a填满，泵单元关闭并且使填充区域a的浆料固化到预定程度。
52.一旦填充区域a的浆料已经固化到预定程度，浆料沿着第二导管6b输送到第二出口60b。输送浆料，直到区域b填满。
53.在本示例中，区域b填满由溢流出口35b处存在浆料来识别。然而，应当理解，代替提供溢流出口35b，区域b填满可以通过声学方式确定，例如通过远程操作载具(rov)上或支腿3上的声学传感器确定。可替代地，区域b填满可以通过使用压力传感器或换能器来确定，该压力传感器或换能器位于线缆7上或位于区域a和区域b所界定的容积内。在这种情况下，
在没有溢流出口35b的情况下，一旦区域b充满，如果泵单元p保持激活，则可以检测到压力增加。在其他示例中，基于穿入部分3b和基础桩5的已知尺寸，将预定体积的浆料输送到区域b中。这样的示例在没有提供凸缘30a的情况下可能是有利的，以防止浆料溢流。
54.在本示例中，沿第一导管6a和第二导管6b输送的浆料组合物是相同的。
55.在海上结构1具有接纳在相应基础桩5内的多个支腿3的情况下，在本示例中，每个支腿3将具有图5的布置。在这种情况下，每个支腿3的区域a都填充有浆料。这通过将每个第一导管6a连续或同时连接到浆料泵或进料器，并通过第一导管6a将浆料进料到每个相应第一区域a中来实现。在填充区域b之前，使浆料固化到预定程度。
56.虽然描述了沿第一导管6a和第二导管6b输送的、即填充区域a和区域b的浆料组合物是相同的，但不一定是这种情况。事实上，第一浆料组合物可以填充区域a并且不同于第一浆料组合物的第二浆料组合物可以填充区域b。
57.现在参考图6至图8，示出了用于将浆料施用到海上结构1的另一个设备，该海上结构具有插入到基础桩5中的支腿3。特别地，该设备用于用浆料填充如上所述的区域a和区域b。在本示例中，线缆7从表面上的船舶v(图7a、图7b)延伸。凸缘130a与凸缘30a的不同之处在于，除了包括溢流出口135b之外，它还包括另一个孔，该孔是呈入口131a的形式以用于接纳线缆7。线缆7延伸到被界定在穿入部分3b和基础桩5之间的容积中。
58.如图7a和图7b中最清楚地示出，线缆7具有柔性导管或软管70，该柔性导管或软管具有：第一端70a，该第一端连接到浆料源、特别是船舶v上的泵单元p；以及第二端70b，该第二端连接到硬质管71。在此例中，硬质管71由钢形成。柔性导管70由船舶v上的起重机c吊起，但可以附加地或可替代地位于卷筒或线轴上。柔性导管70可以支撑硬质管71的重量以及作为浆料的导管，或者可替代地，硬质管71悬挂在系绳上并且提供单独的导管以向硬质管71供应浆料。例如，硬质管71可以悬挂在链上，而软管向硬质管71供应浆料。
59.如图8所示，特别地，硬质管71具有用于与柔性导管70连接的第一开口端710、以及与第一端710相反的第二封闭端711。硬质管71的侧壁712(在此示例中靠近封闭端711)具有用于浆料的出口72。封闭端711优选地由焊接盖提供，但可以折叠封闭或被塞住。
60.标记或标志73沿硬质管71的长度设置在侧壁712的外表面上。在本示例中，标记或标志73指定了从出口72的中心到沿着硬质管71的长度的不同点的距离。这样的标记73提供了出口72插入到穿入部分3b和基础桩5之间的容积中的深度的指示。
61.可替代地，标记73可以指定从封闭端711到沿硬质管71长度的分立点的距离。
62.特别是如图6、图7a和图7b所示，执行使用图6至图8的设备的灌浆操作。线缆7连接到泵单元p并从船舶v朝向海床s降低(图7a和图7b)。硬质管71与入口131a定位在一起并被降低到界定在穿入部分3b和基础桩5之间的容积中。
63.在第一阶段，线缆7降低到第一位置p1，如图6中的间断的轮廓线所示并且也在图7a中示出。在第一位置p1，封闭端711位于或接近基础桩5内的挖泥线d。为了到达此位置，可以降低线缆7直到系绳中的张力减小，这表明线缆7搁置在海底上。线缆7然后可以可选地略微升高以将其抬离海底。然后使用泵单元p将浆料沿线缆7输送到出口72。输送浆料，直到区域a填满。优选地，预定体积的浆料被输送到区域a中。预定体积是基于基础桩5的已知内径和基础桩5内的海底(即挖泥线)与穿入部分3b之间的指定距离而确定的。在其他示例中，线缆7和/或穿入部分3b可以包括传感器，该传感器检测区域a中的浆料何时沿着硬质管71的
长度达到与区域a的期望深度相对应的特定高度。
64.在本示例中，一旦区域a充满，则线缆7随后由起重机c升高，并且填充区域a的浆料被固化至预定程度。固化程度可以基于水温和浆料的已知固化速率来确定。
65.线缆7可以升高到第二位置p2，如图6中的实线轮廓所示并且也在图7b中示出。第二位置p2在第一位置上方并且在区域a上方。在一些示例中，线缆7从基础桩5移除并移动到海上结构1的其他基础桩5以重复将浆料施用到区域a，如下文进一步描述。
66.在填充区域a的浆料固化到预定程度后，将线缆7移动到第二位置p2。
67.然后，在线缆7处于第二位置p2的情况下，使用泵单元p将浆料沿着线缆7输送到出口72以填充区域b。输送浆料，直到区域b填满。
68.在本示例中，区域b的填满由溢流出口135b处存在浆料来识别。然而，应当理解，代替提供溢流出口135b，区域b填满可以通过声学方式确定，例如通过远程操作载具(rov)上或支腿3上的声学传感器确定。可替代地，区域b的填满可以通过使用压力传感器或换能器来确定，该压力传感器或换能器位于线缆7上或位于区域a和区域b所界定的容积内。在这种情况下，在不存在溢流出口135b(或具有受限制的溢流出口135b)的情况下，一旦区域b充满，如果泵单元p保持激活，则可以检测到压力增加。在其他示例中，基于穿入部分3b和基础桩5的已知尺寸，将预定体积的浆料输送到区域b中。这样的示例在没有提供凸缘130a的情况下可能是有利的，以防止浆料溢流。
69.现在参考图9，示出了漏斗引导件8，用于引导线缆7穿过凸缘130a中的入口131a并且进入穿入部分3b和基础桩5之间的容积中。漏斗引导件8具有朝向入口131a逐渐变细的圆锥形部分80。在本示例中，套筒81与圆锥形部分80连接，该套筒被配置为插入到入口131a中。
70.在示例中，漏斗引导件8可以与凸缘30a或130a一体地形成。
71.在使用中，使用漏斗引导件8为线缆7、特别是其硬质管71提供更大的目标区域。当线缆7朝向海底降低时，这有助于将线缆与入口131a定位在一起。
72.本领域技术人员应理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可设想到前述实施例的若干变型。
73.本领域技术人员还应理解，前述特征和/或附图中示出的特征的任意数量的组合提供了相对于现有技术的明显优点，因此落在本文所述的本发明的范围内。