一种适用深水的海上风电场勘测、安装与运维自升式平台

1.本发明涉及海洋工程技术领域，具体涉及一种适用深水的海上风电场勘测、安装与运维自升式平台。


背景技术：

2.近年来，社会对可再生清洁能源需求的逐步增加，近海风电能源的开发逐渐趋于饱和，海上风电走向深远海区域是必然趋势。
3.海上风电场址勘测被视为项目前期开发的关键性环节，也是海上风电开发建设最重要的输入边界资料。与浮式勘测平台相比，自升式海上勘测平台可营造陆地勘测环境，提高勘测精度和效率，改善作业人员的工作环境。目前，海洋勘测平台作业地点多为近海浅水区域，难以满足深水化勘测需求，寻求适用深水的勘测平台形式迫在眉睫。在海上风电场施工和运行阶段，风电安装和运维平台（船）作为不可或缺的基础装备，市场需求旺盛。且风电安装与运维作业与海上勘测作业类似，均对平台的耐波性和抗风浪能力有着极高的要求。所以自升式平台是满足上述三种作业需求的最佳船型。
4.但不管是自升式勘测平台还是自升式风电安装船都不断有新的形式出现，却暂时没有能同时实现勘测、安装、维护作业的综合型自升式平台。
5.综上，现需要设计一种适用深水的海上风电场勘测、安装与运维自升式平台来解决现有技术中上述问题。


技术实现要素：

6.为解决上述现有技术中问题，本发明提供了一种适用深水的海上风电场勘测、安装与运维自升式平台，通过对各功能组块的设计布置，利用了更加宽敞的甲板，提升勘测作业效力的同时，合理拓展了平台的功能，可做到对风电场勘测、施工、运维的全周期服务，从而大大提升了平台的经济适用性。
7.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种适用深水的海上风电场勘测、安装与运维自升式平台，包括：平台本体，其设有可升降的桩腿且首尾处设有推进器；所述平台本体包括装载区和钻探作业区；所述桩腿设有用于测量入泥深度-桩腿底面压力关系的传感器；若干个月池，沿直线分布于所述钻探作业区上并贯穿所述平台本体；主吊机和副吊机，所述主吊机设有起重小车，所述起重小车的作业范围覆盖所述钻探作业区；所述副吊机的作业范围覆盖所述装载区；井架滑移机构，其包括滑移组件与滑移配合件，所述滑移配合件固定于所述平台本体上，所述滑移组件与所述滑移配合件滑动连接，所述滑移组件在若干个所述月池之间滑移；其中，所述滑移组件包括滑移本体和滑动件，两者通过顶升件连接；所述滑移本体与所述起重小车相配合用于实现勘测设备的升降与转移。
8.在本发明的一些实施例中，所述桩腿底部焊接有桩靴，所述桩靴的上部主弦管处设有所述传感器所述传感器为应变传感器，用以收集桩腿入泥过程的应变数据，根据应力应变关系形成桩腿入泥深度与桩靴底部所受压力的对应关系。
9.在本发明的一些实施例中，所述滑移本体具有第一位置和第二位置，当所述滑移本体在移动状态时，所述顶升件增大所述滑移本体与所述滑动件的间距，以使所述滑移本体到达所述第一位置，当所述滑移本体在固定状态时，所述顶升件减小所述滑移本体与所述滑动件的间距，以使所述滑移本体到达所述第二位置。
10.在本发明的一些实施例中，所述滑移组件还包括第一连接件，所述第一连接件通过若干个所述顶升件与所述滑移本体连接，所述滑动件与所述第一连接件固定连接；若干个所述顶升件并联连接以保证所述滑移本体在所述第一位置与所述第二位置运动过程中始终与所述第一连接件保持平行。
11.在本发明的一些实施例中，当所述滑移本体位于所述第二位置时，所述滑动件与所述滑移配合件的间距大于0；当所述滑移本体位于所述第一位置时，所述滑动件与所述滑移配合件接触。
12.在本发明的一些实施例中，所述井架滑移机构还包括固定卡槽，所述固定卡槽位于各个所述月池的两侧，所述滑移本体的底部设有与所述固定卡槽相匹配的限位件，用于增强所述滑移本体在所述月池上方作业时的稳定性；当所述滑移本体到达所述第二位置时，所述限位件与所述固定卡槽卡接。
13.在本发明的一些实施例中，所述滑移本体上设有月池孔，所述月池孔贯穿于所述滑移本体；当所述滑移本体位于任意月池上时，所述月池孔与所述月池的位置对应。
14.在本发明的一些实施例中，所述滑移配合件固定于所述平台本体上，所述滑移配合件为滑槽结构；所述固定卡槽设有所述平台本体上；所述滑移配合件与所述固定卡槽垂直设置。
15.在本发明的一些实施例中，所述平台本体上设有绞车，其通过牵引件与所述井架滑移机构连接用于提供所述滑移本体的滑移与刹车的动力；所述滑移本体上设有与所述牵引件固定的第二连接件。
16.在本发明的一些实施例中，所述平台本体上还设有土工实验室、样品储藏室与采样设备器材储存室，其均采用模块化方舱的形式且均布置于所述装载区；所述起重小车还用于在各个月池之间对静探设备、工程地质取样设备、海底基座等勘测装备进行收放与转移。
17.本发明的技术方案相对现有技术具有如下技术效果：一、本发明通过设置可升降的井架滑移机构，可灵活配置各种勘测设备，可完成各种水文、地质勘测任务，防止勘测设备对甲板的过度占用以及对吊装作业的干涉；主吊机与各个副吊机配合可完成风机安装作业以及后期的大部件更换维护作业；服务于风场全生命周期，提升平台甲板利用率、平台使用率与经济效力。
18.二、本发明通过设置位于月池上方的起重小车，其与井架滑移机构配合，实现勘测装备与材料的快速就位，各个月池呈直线排列，一次站位所勘测的区域更广，勘测效率进一步提高。
19.三、本发明通过在桩靴上部设置的传感器可获得入泥深度-压力的数据关系，在某就位点进行勘探作业时该关系可与该点的地质物探和钻探结果相互印证，丰富了勘探平台所能搜集的地质信息，此外在进行之后该就位点的安装作业和运维作业时，该关系能作为平台就位时的直接指导数据，从而大大提升其安全性。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为实施例中所示出的一种适用深水的海上风电场勘测、安装与运维自升式平台的结构侧视图。
22.图2为实施例中所示出的一种适用深水的海上风电场勘测、安装与运维自升式平台的平台本体的结构示意图。
23.图3为所述平台本体布局俯视图。
24.图4为实施例中所示出的所述滑移组件的结构俯视图。
25.图5为实施例中所示出的所述滑移组件的固定状态的正视图。
26.图6为图5中a部分的放大图。
27.图7为实施例中所示出的所述滑移组件的移动状态的正视图。
28.图8为图7中b部分的放大图。
29.附图标记：100-平台本体；110-装载区；120-钻探作业区；210-桩腿；211-传感器；220-桩靴；230-升降机构；310-尾部推进器；320-首部推进器；410-第一月池；420-第二月池；430-第三月池；440-第四月池；500-井架滑移机构；510-滑移组件；511-滑移本体；512-限位件；513-第一连接件；514-滑动件；515-顶升件；516-第二连接件；517-月池孔；520-滑移配合件；530-固定卡槽；540-钻探井架；610-主吊机底座；620-主吊机回转盘；630-主吊臂；640-停臂架；650-起重小车；710-第一副吊机；720-第二副吊机；800-科研绞车。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
32.参照图1-图3所示，一种适用深水的海上风电场勘测、安装与运维自升式平台，包括：平台本体100、桩腿210、推进器、月池、井架滑移机构500、主吊机、副吊机；
所述平台本体100为船型，船尾与船首分别设有尾部推进器310和首部推进器320，以实现自航。
33.所述桩腿210为四条桁架式桩腿安装于平台本体100上，桩腿210底部焊接桩靴220，桩靴220上部主弦管设有传感器211，以测量入泥深度-桩靴底面压力关系。
34.所述月池为多个，沿直线分布于主吊机吊臂正下方钻探作业区120，并贯穿平台本体100；所述主吊机为绕桩式起重机，用于大型风机部件的吊装。与常规绕桩式起重机不同的是，主吊臂630上设起重小车650，由主吊机操控，用于在各个月池之间对静探设备、工程地质取样设备、海底基座等勘测装备进行收放与转移。
35.井架滑移机构500，其包括滑移组件510与滑移配合件520，所述滑移配合件520固定于所述平台本体100上，所述滑移组件510与所述滑移配合件520滑动连接，所述滑移组件510在若干个所述月池之间滑移；其中，所述滑移组件510包括滑移本体511和滑动件514，两者通过顶升件515连接；所述平台本体100上部甲板可分为装载区110与钻探作业区120，装载区110被第一副吊机710和第二副吊机720的作业范围所覆盖，用于小型调查船、运维交通船、风机部件、钻探所需物料、实验室与储藏室方舱的装载和布置，钻探作业区120被起重小车650作业范围所覆盖，该区可供钻探作业，在井架滑移机构500移至月池上方时，也可供装载风机部件。
36.在本发明的一些实施例中，所述桩靴220上部的传感器211安装于桩靴220上部主弦管第一腿节距中部，具体为振弦式传感器与温度传感器，用以收集桩腿入泥过程的应变数据，根据应力应变关系形成桩腿入泥深度与桩靴底部所受压力的对应关系；传感器211与信号传输线路做好防水处理。
37.在本发明的一些实施例中，所述滑移本体511具有第一位置和第二位置，当所述滑移本体511在移动状态时，所述顶升件515增大所述滑移本体511与所述滑动件514之间的距离，以使所述滑移本体511到达所述第一位置；具体地，参照图8所示，所述滑移本体511与所述滑动件514之间的有一定距离，该距离足以使得所述滑移本体511移动时，此时所述滑移本体511即处于第一位置；当所述滑移本体511在固定状态时，所述顶升件515减小所述滑移本体511与所述滑动件514之间的距离，以使所述滑移本体511到达所述第二位置；具体地，参照图6所示，所述滑移本体511与所述滑动件514之间的距离接近于0时，即所述滑移本体511与第一连接件513接触时，此时所述滑移本体511即处于第二位置。
38.在本发明的一些实施例中，对于月池，本实施例中以三个月池为例，分别为第一月池410、第二月池420和第三月池430，其成一字排开，每个月池均贯穿船身；具体地，通过勘测设备与月池的配合一次站位可以进行三个点位表层取样、钻探和静力触探。各为3.6m*3.6m的尺寸，可满足常用海底基盘、海床cpt及其他物探设备吊放等多功能使用需求；相互间距26m，以满足常用勘测点位间距要求；各月池在甲板下布置滑盖式井盖，避免影响滑移本体511的移动，在执行非勘测作业任务时，可关闭各月池井盖。
39.在本发明的一些实施例中，对于滑移组件510的结构，参照图4所示，在滑移本体511的中间位置设有月池孔517，所述月池孔517贯穿于所述滑移本体511；当所述滑移本体511位于任意月池上时，所述月池孔517与所述月池的位置对应即正对下方月池。
40.具体地，滑移本体511为肋板结构，由板材焊接而成，滑移本体511的下表面固定设有多个限位件512，该限位件512沿滑移本体511的纵向方向设置，能够增加滑移本体511的强度，同时在进行钻探作业时作为承力支座。
41.所述滑移组件510还包括第一连接件513，所述第一连接件513通过若干个所述顶升件515与所述滑移本体511连接，所述滑动件514与所述第一连接件513固定连接；若干个所述顶升件515并联连接以保证所述滑移本体511在所述第一位置与所述第二位置运动过程中始终与所述第一连接件513保持平行。
42.继续参照图4所示，第一连接件513分布于月池孔517的两侧，并与限位件512垂直设置。第一连接件513为箱型结构，滑动件514安装于第一连接件513上，顶升件515安装于第一连接件513的顶面。
43.在本发明的一些实施例中，所述井架滑移机构500还包括固定卡槽530，所述固定卡槽530位于各个所述月池的两侧，所述滑移本体511底部的限位件512与所述固定卡槽530相匹配，用于增强所述滑移本体511在所述月池上方作业时的稳定性。
44.具体地，顶升件515可以采用垂直液压油缸；在钻探作业过程中，当滑移本体511需要移动时，顶升件515同时加压伸长，第一连接件513与滑移本体511的间距增大，当滑移本体511到达第二位置时，滑动件514与滑移配合件520接触且可以沿所述滑移配合件520滑动，滑移本体511及其所载装置的重量由顶升件515传递至第一连接件513，最后由滑动件514至滑移配合件520。当滑移本体511到达指定位置需要固定时，各个顶升件515同时收缩，滑移本体511与第一连接件513的间距减小，滑移本体511下放，直至其底部的限位件512嵌入固定卡槽530中，滑移本体511到达第一位置，此时滑移本体511及其所载装置的重量由限位件512传至固定卡槽530上，滑移本体511与钻探系统由此固定于指定月池之上。
45.在本发明的一些实施例中，参照图3所示，所述滑移配合件520固定于所述平台本体100上，所述滑移配合件520为滑槽结构；所述固定卡槽530设有所述平台本体100上；所述滑移配合件520与所述固定卡槽530垂直设置。滑移配合件520和固定卡槽530均采用陷于平台本体100表面的结构，节省了平台的甲板面积，以方便装载更多的风机组件，同时保证甲板的平整性，可供履带吊行走。
46.在本发明的一些实施例中，所述平台本体100上设有绞车，其通过牵引件与所述井架滑移机构500连接用于提供所述滑移本体511的滑移与刹车的动力；所述滑移本体511上设有与所述牵引件固定的第二连接件516。具体地，牵引件可以采用牵引绳，第二连接件516为牵引挂耳，使用时由绞车引出的牵引绳连接牵引挂耳上。
47.在本发明的一些实施例中，滑移本体511在除非站立作业工况下均应移至第三月池430之上进行嵌入固定，并额外设置插销固定，以保证平台稳性，该井架滑移机构500可保证勘测系统移动时与作业时的安全与效率，同时经济可靠。
48.在本发明的一些实施例中，对于平台本体100，其为船型自航平台，可灵活移动，设计阶段考虑船体型线优化。其四周设有四个桩腿210、驱动桩腿210升降的升降机构230；所述桩腿210为三角桁架式桩腿，平台本体100采用四个等边三角形桁架式桩腿，采用 x型斜撑，鉴于作业海域多样性，桩腿210底部桩靴220采用纺锤形小桩靴设计，顶面大坡度，便于拔桩，并配置冲桩系统。桩靴220底面坡度较小，中部凸出，便于穿过薄弱土层，并提高抗侧滑能力。
49.布置在平台本体100底部的用于平台本体100前进与转向的推进器，具体地，平台本体100首部的底部设有首部推进器320，为两个管隧式推进器；平台本体100尾部设三个尾部推进器310，均为z型全回转推进器，以实现自航。
50.所述平台本体100上还固定有主吊机和多个副吊机，在实施例中，涉及第一副吊机710和第二副吊机720；所述主吊机作业范围是0
°‑
360
°
，所述主吊机上设有起重小车650，所述起重小车650与所述滑移本体511相配合用于实现勘测设备的升降与转移。设置主吊机和多个副吊机可完成一定水深条件的吊装作业，以及部分勘测设备的部署，小型调查船与运维交通船的回收与下放。
51.主吊机为绕桩式桁架起重机并包括主吊机底座610和安装在主吊机底座610内的主吊机回转盘620上的主吊臂630，主吊机底座610固定在右舷后部的固桩架外侧坐于主甲板之上。主吊臂630长120m，可360
°
回转，可满足深水大型风机的吊装。主吊臂630上设起重小车650，由主吊机操控，用于在各个月池之间对静探设备、工程地质取样设备、海底基座等勘测装备进行升降与转移。以此实现主吊臂630的多重利用，提升多点位勘测时的效率。
52.所述第一副吊机710布置于左舷，第二副吊机720布置于船艉。副吊机功率低、起升速度快，小吨位起吊时（如无人船的释放与回收、勘测作业所需物料、装备的移送等），无需启动主吊机，直接由辅起重机进行作业，提高作业效率同时又节省资源。在进行海上风机的吊装作业时，也可与主吊机配合完成翻桩作业等复杂施工动作。
53.在本发明的一些实施例中，所述平台本体100上还设有土工实验室、样品储藏室与采样设备器材储存室，其均采用模块化方舱的形式且均布置于所述装载区110内。
54.在本发明的一些实施例中，所述平台设有勘测系统，其包括了钻探系统、静探设备、工程地质取样设备，相应装备可在一个月池上完成勘测任务之后可通过滑移系统快速移动到下一个月池进行勘测。
55.优选的，鉴于海上勘测对准确定位的需求，该平台配置dp-1系统，型线优化和dp系统设计紧密结合。
56.优选的，鉴于海上勘测作业与安装作业的快速性，该平台配置齿轮齿条升降系统，可快速完成平台就位和迁移，并设置液压齿条锁紧装置。
57.优选的，在第二副吊机720的作业范围内可增设第四月池440与可拆卸钻机系统，以进一步增加一次站位的勘测点位。
58.优选的，所述平台本体100的尾部设置可拆卸科研绞车800，所述科研绞车800用于起落海洋观察仪器。
59.本发明的使用过程为：平台航行至预定地点，启动升降机构230下放桩腿210，起升平台脱离水面，期间应变传感器记录每个桩靴入泥深度与压力之间的关系，对平台进行预压载，然后将平台升高到距离海面一定高度，最后启动锁紧装置锁定平台，进入站位状态进行作业。当平台完成作业任务后，将平台降至水面，进行拔桩——升桩作业，平台航行至下一作业地点，进行新的作业任务。
60.勘测作业任务前，主吊臂630停靠于船首的停臂架640上，此时主吊臂630上的起重小车650可充当位于勘测作业区上方的天车，以实现海洋钻机、静力触探装备与海底取样装置在各月池之间的转移与升降部署。而钻探系统固定在滑移本体511上进行移动。从而在一
次站位中，利用有限的钻探、静探与取样装备对多个月池点位进行勘测作业。
61.吊装作业任务前，将可拆卸的钻探设备、绞车、调查艇等卸下平台，难以拆卸的勘测设备如钻探系统可依靠起重小车650和滑移配合件520移动至第三月池430之后，盖上月池盖，如此以来装载区110与钻探作业区120均可用作风机、叶片与塔筒等吊装物的装载；主吊臂630上的起重小车650停靠于主吊机底座610端，再利用吊臂远端的吊钩与第一副吊机710、第二副吊机720配合来实现吊装作业。
62.本发明在进行运维任务前的准备工作同吊装作业，以整理出大片平整甲板。可搭载需要更换的大型风机部件、保养维护物资与多艘小型运维交通船进场；在进入站立状态后，利用主副吊机起吊风机部件完成大部件的更换，副吊机完成小型运维交通船的起吊与下放，平稳舒适的生活区可满足运维人员的生活需求。此时自升平台可作为整个运维任务在深远海的“母港”，避免了传统运维船执行深远海运维任务时需要花费大量成本频繁往返港口和风电场的问题。
63.本发明的技术方案相对现有技术具有如下技术效果：a)适用水深更深：以更大的平台尺度以及桩腿长度，在保持平台稳性的基础上，使适用水深可达百米。
64.b)多功能：可灵活配置各种勘测设备，可完成各种水文、地质勘测任务。主吊机与第一副吊机、第二副吊机配合可完成风机安装作业以及后期的大部件更换维护作业，服务于风场全生命周期，提升平台甲板利用率、平台使用率与经济效力。
65.c)在进行勘测作业时，利用月池上方的起重小车，实现勘测装备与材料的快速就位；三个月池呈直线排列，一次站位所勘测的区域更广；勘测效率进一步提高。
66.d)有了勘探作业期间平台就位实测的入泥深度-压力关系，以及可携带的多项物探设备，使得平台在该风电场进行后续的安装、运维作业时可实时监测水下信息并参考本平台勘测作业所测信息，实时为作业提供指导，更具有安全性。
67.在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
68.以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。