应用于吸力筒型基础的机械式抗土塞装置及其施工方法与流程

1.本发明属于海上风电基础施工技术领域，更具体的说是涉及一种应用于吸力筒型基础的机械式抗土塞装置。


背景技术：

2.吸力筒型基础是一种极具潜力的环境友好型海上结构基础，与其他海洋基础相比，吸力筒型基础主要是利用从筒内泵出气体或者液体产生压力差形成吸力下沉，具有结构形式简单、安装就位方便、可重复使用和造价低等优点。由于吸力筒型基础发展时间比较短，在设计和施工过程中还存在着一些问题需要解决，土塞问题就是其中之一。
3.所谓土塞问题，即吸力筒内泥面在筒内外压力差或者渗流力的作用下向上雍高，并在吸力筒沉贯后期提前和筒顶盖接触，使吸力筒不能下沉至设计深度。土塞的出现，给吸力筒施工带来了困难，延长了吸力筒海上安装的时间。同时还会造成海底水流对筒体周围土体的冲刷，缩短吸力筒的使用寿命。
4.因此对吸力筒进行改进，进而提供一种抗土塞的装置，是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明对上述问题进行了改进，即本发明要解决的技术问题是吸力筒下沉过程中因土塞问题无法达到设计深度，给吸力筒施工带来了困难，延长了吸力筒海上安装的时间。
6.本发明的具体实施方案是：一种应用于吸力筒型基础的机械式抗土塞装置，其特征在于，包括位于吸力筒内的下部机械结构及位于吸力筒上部的动力与控制结构；所述吸力筒顶部具有预留孔，所述下部机械结构包括位于吸力筒内部的筒塞，所述筒塞外壁与吸力筒内壁保持密封，所述动力与控制结构具有驱动筒塞沿吸力筒竖向移动的驱动装置。
7.进一步的，所述动力与控制结构包括防水外壳，所述驱动装置包括防水外壳下部经轴承连接有与筒塞螺纹配合的传动螺杆及能驱动传动螺杆转动的动力机组，所述吸力筒内壁固定有限制通塞转动的限向轨道，所述限向轨道具有两个以上。
8.进一步的，所述传动螺杆位于吸力筒型基础的纵向中轴线上，传动螺杆的顶端探出吸力筒的顶部；防坠块具有与传动螺杆连接的内孔螺纹，用于防止筒塞在施工过程中脱离传动螺杆。
9.进一步的，筒塞中部具有与传动螺杆表面螺纹配合的内孔螺纹，所述筒塞周向开有供限向轨道使用的凹槽，所述筒塞阻燃密封圈套在筒塞周向以使筒塞与吸力筒内壁接触处保持密封。
10.进一步的，所述防水外壳包括防水壳底座及焊接于防水壳底座上部的防水壳外罩，所述防水壳底座穿过传动螺杆并焊接在吸力筒顶部上；传动螺杆上端套有传动螺杆阻燃密封圈，传动螺杆阻燃密封圈按压在防水壳底座上，完成对对吸力筒顶部与防水外壳的密封；
进一步的，所述传动螺杆伸入防水外壳内的一端同轴固定有传动齿轮，所述动力机组包括主力动力机组及备用动力机组，所述所述主力动力机组及备用动力机组均包括齿轮变速箱与电动机，所述齿轮变速箱内具有与传动齿轮啮合的输出齿轮。
11.进一步的，所述防水壳底座上还固定有为动力机组提供电源的电源组及控制模块。
12.进一步的，所述轴承固定于传动螺杆与吸力筒顶部接触处，所述限向轨道焊接在吸力筒内壁，在所述防水外罩顶部安装有能启闭的维修顶盖。
13.进一步的，述限向轨道沿吸力筒内壁呈环向均匀分布。
14.本发明还包括一种利用如上所述的应用于吸力筒型基础的机械式抗土塞装置的施工方法，其特征在于，按照如下步骤进行：1）入海前先使吸力筒内筒塞下移，直至接触防坠块顶端，通过吸力筒顶部的预留孔向筒内注满水；2）注满水的吸力筒沉入海中，接触泥面后依靠自重开始沉贯入泥，动力与控制结构通过调节传动螺杆的转速，使筒塞向上部移动速度与吸力筒型基础自重入泥速度等大反向；3）自沉入泥结束后关闭吸力筒顶盖预留孔，吸力筒内腔连接有吸力泵，通过启动吸力泵开始吸力沉贯入泥，传动螺杆驱动筒塞向上移动使筒塞上表面压住塞底泥面并使筒塞对泥面的压力与筒塞顶面所受吸力保持平衡；如此，一直到吸力筒型基础沉贯到设计深度。
15.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：可以抑制吸力筒型基础在沉贯过程中的土塞形成，缩短筒型基础沉贯时间，提高施工效率；降低施工成本。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
17.图1附图为本发明提供的机械式抗土塞装置应用于吸力式筒型基础的立体侧视示意图；图2附图为本发明提供的机械式抗土塞装置应用于吸力式筒型基础的立体仰视示意图；图3附图为本发明提供的机械式抗土塞装置的整体结构组装示意图；图4附图为本发明提供的机械式抗土塞装置的整体结构爆炸图示意图；图5附图为本发明提供的机械式抗土塞装置的下部机械结构爆炸图示意图；图6附图为本发明提供的机械式抗土塞装置的上部动力与控制结构爆炸图示意图；图中：100
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吸力筒基础，101
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吸力筒基础顶部预留孔，1
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下部机械结构，2
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上部动力与控制结构，3
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一号限向轨道，4
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二号限向轨道，5
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三号限向轨道，6
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四号限向轨道，7
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防坠块，8
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筒塞，9
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筒塞阻燃密封圈，10
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传动螺杆，11
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轴承，12
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防水壳底座，13
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传动螺杆阻
燃密封圈，14
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传动齿轮，15
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主力动力机组，16
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备用动力机组，17
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主力动力机组齿轮变速箱，18
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主力动力机组电动机，19
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备用动力机组齿轮变速箱，20
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备用动力机组电动机，21
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控制模块，22
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电源组，23
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防水壳外罩，24
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维修顶盖。
具体实施方式
18.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
19.如图1
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6所示，本发明实施例公开了一种应用于吸力筒型基础的机械式抗土塞装置，下部机械结构1，上部动力与控制结构2，下部机械结构1主要位于吸力筒型基础内部，包括传动螺杆10、防坠块7、筒塞8、筒塞阻燃密封圈9、限向轨道、轴承11；具体的，传动螺杆10位于吸力筒型基础的纵向中轴线上，传动螺杆10底端到筒盖底范围内的杆身铸有螺纹，传动螺杆10顶端探出吸力筒筒盖；传动螺杆底端装有防坠块，防坠块通过内孔螺纹与传动螺杆连接；筒塞8铸有内孔螺纹并穿在传动螺杆10上，筒塞8直径等于吸力筒内径，筒塞径向平面与传动螺杆垂直，筒塞周向开有凹槽供限向轨道限位使用，筒塞周向同时套有筒塞阻燃密封圈9以使筒塞与筒壁接触处保持密封；沿吸力筒内壁纵向方向焊有通长的限向轨道，本实施例中所述的限向轨道具有四个包括一号限向轨道3、二号限向轨道4、三号限向轨道5、四号限向轨道6；多个限向轨道沿吸力筒内壁呈环向均匀分布，在限向轨道的限制下，传动螺杆转动后，筒塞可以在防坠块至筒盖底的范围内上下移动而不发生旋转；传动螺杆与吸力筒筒盖接触处套有轴承11。
20.本实施例中，传动螺杆10其杆底与筒裙底同高并呈锥形，具体的，动力与控制结构2位于吸力筒型基础筒顶，包括防水壳底座12、传动螺杆阻燃密封圈13、动齿轮14、主力动力机组15、备用动力机组16、电源组22、控制模块21、防水壳外罩23、维修顶盖24。
21.防水壳底座底面焊在吸力筒筒盖顶，使防水壳底座12穿过传动螺杆10并焊接在吸力筒的顶部；使传动螺杆阻燃密封圈13穿入传动螺杆10并按压在防水壳底座12上，以完成对吸力筒顶盖和防水壳底座的密封，防水壳底座顶面留有地脚螺栓孔，用来固定主力动力机组19、备用动力机组20、电源组22、控制模块21；传动齿轮14穿在传动螺杆上并固定在其顶端；动力机组均为由齿轮变速箱与电动机组成的一体式结构，主力动力机组与备用动力机组安装在传动螺杆齿轮两侧并通过螺栓固定在防水壳底座12的顶面上；组装主力动力机组齿轮变速箱17与主力动力机组电动机18成为主力动力机组15，组装备用动力机组齿轮变速箱19与备用动力机组电动机20成为备用动力机组16，将主力动力机组15与备用动力机组16安装在防水壳底座12上并使传动齿轮与主力动力机组齿轮变速箱17、备用动力机组齿轮变速箱19内的齿轮啮合；在齿轮变速箱靠近传动螺杆齿轮侧开有槽口，传动齿轮伸入凹槽并与齿轮变速箱内的输出齿轮啮合；水下电源组22作为备用电源用来给动力机组和控制模块提供电力；控制模块通过设定程序对动力机组进行自动变速与变向调节，亦可通过无线传输
实现水面人工变速与变向调节；电源组22、控制模块21安装在防水壳底座12上并完成对主力动力机组15、备用动力机组16的布线；防水壳外罩罩住上部动力与控制结构2的所有内部结构，通过焊接固定在防水壳底座上；为方便维修与调试，防水壳外罩23顶部开有维修孔，孔上覆有可拆卸式维修顶盖24，固定时，使用螺栓将维修顶盖24紧固在防水壳外罩23上。
22.具体的，本发明的施工过程如下：1）在陆上加工厂对吸力筒型基础进行适应性改装，完成机械式抗土塞装置的安装。
23.2）将带有机械式抗土塞筒塞的吸力筒型基础运至指定施工海域。
24.3）对机械式抗土塞筒塞进行预调整，使筒塞8降至最低处，直至与防坠块7接触。
25.4）起重船对吸力筒型基础完成垂直度调整而后将其放入水中，通过筒型基础顶部预留孔101向筒型基础内部注满水，使筒型基础受重力作用能快速下沉如海中。
26.5）筒型基础完全沉入水中，接触泥面后开始自沉入泥，控制模块21根据吸力筒型基础预先计算的自重入泥速度对主力动力机组15进行调节，使筒塞8移动速度与吸力筒型基础自重入泥速度等大反向。
27.6）吸力筒型基础自重下沉结束后关闭筒盖预留孔，启动吸力泵，对所述吸力筒内部抽水，使吸力筒依靠负压继续下沉；通过控制模块21对主力动力机组15进行调节，使筒塞8压住筒内泥面，并使筒塞8底面对泥面的压力与筒塞8顶面所受吸力保持平衡；如此，一直到吸力筒型基础沉贯到设计深度。
28.上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。
29.如果本文中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述上对零部件进行区别如没有另行声明外，上述词语并没有特殊的含义。
30.同时，上述本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
31.另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。
32.本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
33.最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。