一种改进型水下封隔器的制作方法

1.本实用新型涉及水下封隔器技术领域，尤其涉及一种改进型水下封隔器。


背景技术：

2.海上固定式平台一般是由上部组块和下部导管架组成。导管架对上部组块提供支撑。导管架在海底的固定结构是：在导管架主腿底部固接套筒，套筒与打入海底的钢桩进行固定，套筒与钢桩的固定通过灌注在它们之间环形间隙的水泥浆实现。
3.海上用水下封隔器的主要功能有二个：1)在打桩完毕后灌浆，套筒底部完成封堵套筒内径表面和钢桩外径表面之间的环形空间，防止水泥浆流出；2)对于软土海底表面，需要封隔器自身或配套的装置用来防止海底的软土泥巴在打桩过程中进入钢桩外径和套筒内径之间的环形空间，以保证水泥浆不被污染。
4.目前，海上用于导管架安装的水下封隔器按工作类型分为主动式封隔器和被动式封隔器两种。传统主动式封隔器主要是采用气胀式封隔器，气胀式封隔器的优点是：在钢桩插入、下桩和打桩的过程中，气胀式封隔器处于未充气状态，它的内表面不与钢桩的外表面接触，只在灌浆后通过进气管线充气，以通过膨胀的封隔器来达到对水泥浆封堵的目的。不受水泥浆重量(灌浆水泥柱的高度)和水深的限制；能够允许套筒的向上运动(当导管架进行海上调平作业时)和钢桩的适度偏心；可以承受或避免打桩时的振动和钢桩在下桩过程中由于海上吊机在风浪中垂向运动而引起的钢桩的垂向冲击荷载。但其缺点是：系统复杂，需要配备动力站、高压管线、rov(水下机器人)应急接口以及需要配套装置(如安装水平橡胶环)用来防止海底的软土泥巴在打桩过程中进入钢桩外径和套筒内表面之间的环形空间，以保证水泥浆不被污染。一旦管线损坏后需要使用rov(水下机器人)在水下充气连接软管；陆地安装调试工作量大、费用高，海上操作复杂、费用高；有残留的大量五金件消耗阳极，高压管线的存在危害潜水员水下操作；造价高，通常比被动式封隔器价格要高出几倍。
5.被动式封隔器主要有机械式封隔器和crux封隔器。被动式封隔器的优点是：不需要高压管线、动力系统、阀门安装和水下rov备用系统；不需要陆地调试和海上操作；同时起到阻挡泥巴进入环形空间的作用(隔离器的二个需求功能之一)；基本没有残留的五金件消耗阳极，没有危害潜水员水下操作的各种管线和阀门；陆地安装调试工作可以在制造厂家完成，费用低；总体价格便宜。缺点主要有：破损率高于主动式封隔器，用于深水导管架时，封隔器破损后修复的费用非常高。所以应用受到水深受限制，特别是机械式封隔器。容易造成破损的主要原因是：在钢桩快速下落或海上吊机在风浪中垂向运动产生的垂向撞击，使钢桩底部外表面锋利的直角有可能会在插入钢桩顶部时造成封隔器橡胶部件的破损、失效。
6.所有水下封隔器都需要借助外力在灌浆过程中完成对泥浆的封堵。借助不同形式的外力以及针对存在不同大小的间隙都能够实现对泥浆的有效封堵是所有水下封隔器用来代表自身功能的核心要素。对主动气胀式封隔器，它借助的外力是：由安置在导管架顶部的空压机，通过水下管线向每一个封隔器内注入高压空气来完成对灌浆的封堵。在充气的
过程中，气胀式封隔器能够针对不同大小的间隙，自动变形来实现对泥浆的封堵。
7.被动机械式封隔器借助外力的方式是：在钢桩插入套筒和下桩及打桩过程中，钢桩对固定在套筒内径表面的橡胶环以及通过硫化与橡胶环粘接的弯曲钢条进行侧向水平挤压。这些由于水平挤压而形成的弹性橡胶回复力被依托成在灌浆过程中对水泥浆的封堵力。由于机械式封隔器通常只适用于浅水导管架的安装，所以面对的间隙都比较小。在机械式封隔器实际应用中，固定在套筒内径表面的环形橡胶环(内径小于钢桩外径并位于间隙块的下方)，弯曲钢条顶部固定或底部固定容易受到钢桩底部外表面锋利直角在插桩和打桩过程中的破坏而产生失效。由于上述机械式封隔器在结构设计上的不足之处，它在实际应用中的总体破损率比较高，通常只适合应用于浅水导管架和直径比较小的钢桩。
8.被动式crux封隔器借助外力的方式是：一个水平安置并位于间隙块下方的橡胶环；橡胶环的前部与一个大直径圆形环(在圆心增加了柔性加强材料)连接，圆形环的内径小于钢桩的外径；后部环形结构受制于在套筒内径表面上固定的环形限制结构。在插桩过程中钢桩的底部穿过圆形环，并将先前水平安置的橡胶环挤压变形成垂直方向安置的橡胶环。当钢桩穿过圆形环后，其内径的扩张使得圆形环紧密贴附于钢桩外径表面上，因而起到阻挡泥巴进入环形空间的作用。同时，挤压成垂直状态的橡胶环产生的弹性回复力形成了在灌浆过程中对水泥浆的封堵力。当封隔器用于深水导管架安装时，钢桩外径表面通常会安装等间距的剪力键，采用钢筋条焊接在钢桩外径表面，用于增强水泥在垂直方向的抗剪切能力。crux封隔器的圆形环必须允许安装剪力键的钢桩通过。crux封隔器在结构设计上的不足之处在于：水平安置的橡胶环在插桩过程中容易被钢桩底部外表面锋利的直角刮伤或破损。海上导管架安装统计数据表明：crux封隔器的总体破损率高于气胀式封隔器。
9.综上所述，各种封隔器都必须依托各自不同形式的外力来完成在灌浆过程中水泥浆的封堵功能。目前市场上广泛应用的传统气胀式封隔器或被动式封隔器都存在不同形式的不足之处。因此，有必要发明一种新型被动式封隔器，它必须依托与上述不同的外力来实现在灌浆过程中对水泥浆的封堵，并且应使其在使用过程中出现的破损率低于上述传统气胀式封隔器。
10.美国专利号9,677,241,发明人james lee,中文姓名：李军，在2014年8月首先提出了一种新型被动式封隔器，它依托的外力是水泥浆本身的重力。该发明的设计原理是：利用在灌浆过程中灌入一个环形橡胶袋，由腔体内水泥浆(比重：1.92g/cm3)重力所产生的压力与环形橡胶袋腔体外海水重力产生的压力(比重：1.05g/cm3)之间的压力差，作为依托外力来实现在灌浆过程中对水泥浆的封堵。由于水泥浆在灌浆过程中是液体，这种压力差不但在垂直方向会产生压力，同时在水平方向也会产生与垂直方向大小相同的压力。在垂直方向的受力，通过环形橡胶袋的侧面橡胶层传递给安装在套筒内径表面上的连接件，在水平方向的力，通过环形橡胶袋内侧表面对钢桩外表面之间的正压力，形成了在灌浆过程中对水泥浆的封堵力。随着这种压力差的增加(水泥柱高度的增加)，环形橡胶袋内表面对钢桩外表面的密封效果会随之提高。这种灌浆过程中的封堵功能和传统气胀式封隔器的形式类似，但依托的外力不同。举例说明，如果钢桩直径为2.13米，而水泥柱的水下高度为12米，作用在环形橡胶袋腔体内(高度0.4米)的内表面对钢桩外表面总体对水泥浆的封堵压力大于20吨。
11.上述新型被动式封隔器提及的环形橡胶袋都具备以下基本特征：环形橡胶袋与外
钢套筒同轴；多根加了纤维加强材料的橡胶带底部与环形橡胶袋的顶部连接；每根橡胶带顶部连接着安装在套筒内径表面上的相应固定件；橡胶带之间的空隙提供了水泥浆进入环形橡胶袋腔体的通道；环形橡胶袋的中间部分是一个加了纤维加强材料和内径略小于钢桩直径的环形橡胶套筒；橡胶套筒与橡胶带的连接段为锥体形橡胶层；环形橡胶袋底部借助与底部附近固定在套筒内径表面的密封结构连接并在套筒内径与钢桩外径之间形成密封的水泥浆容置腔。
12.在2017年5月，在上述新型被动式封隔器美国专利的后续专利中，美国专利号9,970,171,发明人james lee,中文姓名：李军，提出二点改进方法：1)在环形橡胶袋底部密封结构的下方增设一个固定在套筒内径表面上的水平环形底托板或一个锥体形底托板。水平环形底托板的作用是减少间隙的径向宽度并且利用环形底托板来支撑部分垂直方向重力以减少垂直方向重力对环形橡胶袋侧面橡胶层以及在套筒内径表面上连接部件所承受的负载。锥体形底托板除了可以起到水平环形底托板相似的功能外，还可以和环形橡胶袋底部结构合作对间隙产生堵塞功能。这种对间隙的堵塞功能创造了一种在灌浆过程中对水泥浆封堵的全新方法，并可以提高系统在水泥浆封堵方面的可靠性；由于水平环形底托板或锥体形底托板的存在，环形橡胶袋侧面橡胶层以及底部橡胶层的负载能够大幅度的降低，环形橡胶袋侧面胶层的厚度和底部橡胶层的厚度都可以相应地大幅度的降低。但是降低厚度的薄橡胶层在间隙顶部受到水泥浆负载后会出现鼓起和大变形的现象，因而产生局部应力集中，容易造成薄橡胶层的破损。提出的改进意见就是在间隙顶部薄橡胶层表面位置增加一个加厚的橡胶环，这种局部加强的设计可以降低在间隙段的鼓起和变形，从而降低造成破损的可能性。有了上述二项改进的发明，环形橡胶袋总体重量就可以得到大幅度的降低。降低环形橡胶袋总体重量不但可以降低制造成本，还便于运输和现场安装。此外，在间隙顶部局部加厚的橡胶环还可以和锥体形底托板结合用于产生对间隙的堵塞功能，从而进一步提高系统封堵水泥浆的可靠性(形成了独立具有双重保险封堵的封隔器)。
13.上述新型被动式封隔器或改进型被动式封隔器提及的环形橡胶袋都需要担负三个基本功能：1)环形橡胶袋的内径必须小于钢桩的直径以防止海底的软土泥巴在打桩过程中进入钢桩外径和套筒内径之间的环形空间，为此所付出的代价是环形橡胶袋内侧表面在钢桩插入、下桩、和打桩的过程中必须与钢桩外表面接触，特别是与钢桩底部外表面锋利直角的接触；2)传统橡胶层和套筒内表面上的固接件必须承受水泥浆的主要重力；3)在间隙顶部必须不但要承担在压力状态下跨越间隙的结构支撑功能，而且还要承担不同间隙大小的水泥浆密封功能。
14.导管架海上安装已经有超过60多年的历史和经验。深水导管架底部套筒和钢桩之间间隙的大小都已经标准化了。大多数用于深水导管架的钢桩的直径都在2米左右，处于相应套筒的直径内。传统设计间隙块的径向宽度是50mm，钢桩的最大允许偏心也是50mm。如果采用40mm宽的水平环形底托板(环形底托板的径向宽度必须小于间隙块的宽度)，上述封隔器环形橡胶袋底部必须封堵的设计间隙是60mm(最大间隙＝50mm+50mm-40mm)。这样大小的间隙使用上述改进型被动式封隔器是可以胜任的。
15.海上风机的安装是近期发展起来的新兴行业。海上风机通常由上下二部分组成：上部是叶片和电机部分；下部是支撑结构，下部支撑结构通常采用大直径单根钢桩或是多根钢桩的结构。当采用多根钢桩结构时，通常先完成多根钢桩各自的打桩作业，然后再将这
些钢桩在海上作业时作为风机支座多根主腿底部垂直段插入的套筒(套筒底部打入海底，顶部高出水平面)，同时水下封隔器安装在主腿底部垂直段的下部，灌浆管线系统安装在主腿底部内径的表面上。由于钢桩的打桩是各自独立完成的，它们之间的距离的精度控制比较受限，所产生的距离误差可能比较大，从而导致对封隔器间隙处理能力的要求也相应比较大。海上风机安装通常都是在浅水海域，海上安装作业时的风浪都很小。
16.用于风机安装的水下封隔器，对间隙要求可能达到120mm～300mm。面对这么大的间隙，上述以环形橡胶袋底部结构(加入纤维加强材料以增强橡胶层的结构强度)为基础的被动式封隔器是难以胜任的。用于风机海上安装的水下封隔器所面临的主要挑战是上述超大的间隙。


技术实现要素：

17.本实用新型的目的在于公开一种改进型水下封隔器，不仅可封堵任意大小的间隙，且简化了结构，密封效果好，能有效防止漏浆。
18.为实现上述目的，本实用新型提供了一种改进型水下封隔器，包括外桩和置于外桩内的套筒，所述外桩和套筒形成环形间隙，所述改进型水下封隔器安装在环形间隙中环形支撑板上表面；所述改进型水下封隔器包括环形密封袋，若干个连接在环形密封袋上的翻板，压持部件，牵拉部件，灌浆管线；所述环形密封袋外侧边被牵拉部件牵拉，所述环形密封袋内侧边被压持部件压持，所述灌浆管线出口和环形密封袋入口连接；所述压持部件和牵拉部件连接在套筒外壁上或外桩内壁上，灌浆后，所述环形密封袋压动翻板翻转并封堵环形间隙。
19.在一些实施方式中，所述压持部件包括环形支撑板，连接在环形支撑板上的环形下板，连接在环形下板上的第一螺柱，套设在第一螺柱上且和环形下板压合的环形上板，螺接在第一螺柱上且压持环形上板的第一螺母；所述环形密封袋套设在第一螺柱上且被环形上板和环形下板共同压持，所述环形支撑板连接在套筒外壁上或外桩内壁上。
20.在一些实施方式中，所述环形密封袋内侧边设有环形条，所述环形条和套筒外壁或外桩内壁紧密贴合。
21.在一些实施方式中，还包括套设在第一螺柱上且压持环形密封袋的第一钢环，所述第一钢环被环形上板和环形下板共同压持。
22.在一些实施方式中，所述环形上板和环形下板压合面凹凸配合。
23.在一些实施方式中，所述牵拉部件包括若干个第二钢环，若干条弹性拉紧绳，若干个第三钢环；所述第二钢环连接在套筒外壁上或外桩内壁上，所述弹性拉紧绳顶端连接在第二钢环上，所述第三钢环安装在环形密封袋上，所述弹性拉紧绳底端连接在第三钢环上。
24.在一些实施方式中，所述环形密封袋由条形袋片翻折而成，所述条形袋片两端通过拉链连接。
25.在一些实施方式中，所述套筒底端设有插头，所述插头上端设有环形橡胶清洁板用于清除粘和在套筒内表面海底淤泥，所述环形橡胶清洁板和外桩内壁贴合。
26.在一些实施方式中，所述翻板底端抵接在环形支撑板上表面。
27.在一些实施方式中，所述翻板外表面上连接有若干块加强板。
28.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型提供的改进型水下封隔
器，不仅可封堵任意大小的间隙，且简化了结构，密封效果好，能有效防止漏浆。
附图说明
29.图1为本实用新型所示的一种改进型水下封隔器未灌浆状态的结构示意图；
30.图2为本实用新型所示的一种改进型水下封隔器灌浆后的结构示意图；
31.图3为本实用新型所示的一种改进型水下封隔器的另一种实施方式未灌浆状态的结构示意图；
32.图4为本实用新型所示的一种改进型水下封隔器的另一种实施方式灌浆后的结构示意图；
33.图5为本实用新型所示的压持部件的结构示意图；
34.图6为本实用新型所示的牵拉部件的结构示意图；
35.图7为本实用新型所示的环形密封袋的结构示意图；
36.图8为本实用新型所示的翻板的结构示意图。
具体实施方式
37.下面结合附图所示的各实施方式对本实用新型进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本实用新型的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本实用新型的保护范围之内。
38.如图1-8所示的一种改进型水下封隔器，包括外桩1和置于外桩1内的套筒2，所述外桩1和套筒2形成环形间隙8。所述外桩1底端插入海底线b，外桩1和套筒2顶端都超过海面线a。
39.所述改进型水下封隔器安装在环形间隙8中。该改进型水下封隔器的使用不受环形间隙8大小的限制，套筒2可从任何位置处插入外桩1内，即外桩1中心线和套筒2中心线可重叠或不重叠。
40.所述改进型水下封隔器包括环形密封袋3，若干个连接在环形密封袋3上的翻板6，压持部件5，牵拉部件4，灌浆管线7。
41.所述压持部件5和牵拉部件4连接在套筒2外壁上或外桩1内壁上。具体地，当该改进型水下封隔器用于风机海上安装时，如图1和2所示，所述压持部件5和牵拉部件4连接在套筒2外壁上，当该改进型水下封隔器用于导管架海上安装时，如图3和4所示，所述压持部件5和牵拉部件4连接在外桩1内壁上，两种安装方式的工作原理相同，为避免赘述，在本实施例中，对压持部件5和牵拉部件4连接在套筒2外壁上这种安装方式进行具体说明。
42.所述套筒2底端设有锥形的插头21，所述插头21上设有环形橡胶清洁板22，所述环形橡胶清洁板22和外桩1内壁贴合，用于预先清洁外桩1内壁。
43.如图7所示，所述环形密封袋3由条形袋片30翻折而成，环形密封袋3类似环形兜状袋，所述条形袋片30两端通过拉链连接并用密封胶密封，防止漏浆。所述条形袋片30上边即环形密封袋3外侧边31上设有若干个第三钢环33，所述条形袋片30下边即环形密封袋3内侧边32上设有环形条34。
44.如图7和8所示，所述翻板6间隔均匀地环布在环形密封袋3上，所述翻板6上连接有若干块加强板62，大大提高了翻板6的承载能力，能够为环形密封袋3提供支撑力，防止环形
密封袋3掉落导致漏浆。所述翻板6为曲面翻板。还包括第二螺栓61和螺接在第二螺栓61上的第二螺母610，所述第二螺栓61依次穿过环形密封袋3和翻板6并配合第二螺母610以实现两者的连接，使翻板6和环形密封袋3能够同步运动。此外，第二螺栓61上还配设有密封垫片，起到密封作用，防止漏浆。
45.所述环形密封袋3外侧边31被牵拉部件4牵拉，所述环形密封袋3内侧边32被压持部件5压持，从而将环形密封袋3支撑起来，使环形密封袋3保持正常形状，防止瘫软，便于灌浆。
46.如图5所示，所述压持部件5包括环形支撑板51，焊接在环形支撑板51上的环形下板52，若干个间隔均匀地连接在环形下板52上的第一螺柱53，套设在第一螺柱53上且和环形下板52压合的环形上板55，螺接在第一螺柱53上且压持环形上板55的第一螺母54。所述环形密封袋3套设在第一螺柱53上且被环形上板55和环形下板52共同压持，所述环形支撑板51连接在套筒2外壁上。所述环形上板55和环形下板52压合面凹凸配合，错位接触，便于准确定位。
47.所述环形密封袋3内侧边32设有环形条34，所述环形条34和套筒2外壁紧密贴合，起到密封作用，防止环形密封袋3和套筒2外壁间隙漏浆。
48.还包括套设在第一螺柱53上且压持环形密封袋3的第一钢环56，第一钢环56被环形上板55和环形下板52压持，起到密封作用，防止环形密封袋3和第一螺柱53外壁间隙漏浆。
49.如图6所示，所述牵拉部件4包括若干个第二钢环42，若干条弹性拉紧绳41，若干个第三钢环33。所述第二钢环42连接在套筒2外壁上且间隔均匀地环布在套筒2外壁上，所述弹性拉紧绳41顶端连接在第二钢环42上，所述第三钢环33安装在环形密封袋3上，所述弹性拉紧绳41底端连接在第三钢环33上。所述弹性拉紧绳41具有一定弹性，便于适应环形密封袋3的状态。所述弹性拉紧绳41优选尼龙绳。
50.所述灌浆管线7安装在套筒2内壁上，所述灌浆管线7出口和环形密封袋3入口连接，从而便于向环形密封袋3中灌浆。灌浆后，所述环形密封袋3压动翻板6翻转并封堵环形间隙8，具体地，所述翻板组件底端抵接在环形支撑板51和环形下板52交界点，在环形密封袋3的压动下，所述翻板6以翻板6底端为支点向外桩1内壁转动，最终，翻板6顶端抵住外桩1内壁以实现环形间隙8的封堵，环形密封袋3部分贴合外桩1内壁。
51.上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本实用新型的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本实用新型的保护范围，凡未脱离本实用新型技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本实用新型的保护范围之内。
52.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。