一种自浮式海洋平台桩腿抗冰装置

本发明涉及海洋结构件抗海冰冲击，尤其是一种自浮式海洋平台桩腿抗冰装置。

背景技术：

1、伴随着我国海洋事业的不断发展，海上石油开采以及海上风力发电等海洋工程日益活跃，生产了巨大的社会财富。然而，在我国渤海以及北部高纬度寒区等海域，冬季环境下海冰在季风的作用下会对海洋结构物导管持续撞击，持续的冰载荷以及冰激振动严重影响了海洋结构物的安全运营，对人员以及经济产生极大地危害。冰排在结构物前的破坏形式主要有挤压、压屈、剪切、弯曲等形式，严重影响海洋结构物安全有效的运行。经过国内外科学研究表明，由于海冰的弯曲强度远远小于挤压强度，因此在结构物潮位附近加装锥体结构，使得海冰与锥体作用模式由挤压破坏改变为弯曲破坏，可以大大降低作用在结构上的峰值冰荷载，有效的减弱了冰载荷对海洋结构物桩腿的撞击。

2、目前为了降低海冰的危害应用于海上石油平台导管架的抗冰锥体都是固定式的，主要是在导管架桩腿上根据海平面平均值位置设置固定式抗冰锥体。例如，中国发明专利cn108118673a公开了一种改进柔性锥体海洋平台结构抗冰性能的破冰装置，在原有锥体桩腿的表面、沿竖直方向安装有棱条型抗冰结构。所述的棱条型抗冰结构由三角形截面的钢条构成。所述的钢条的截面尺寸根据锥体桩腿的直径确定，钢条的长度和加固位置由水线位置确定。所述的钢条按照圆周上每20度一根均匀焊接于锥体桩腿表面，共18根共同棱条型抗冰结构。虽说，此技术方案可以有效避免海冰与锥体结构作用过程中局部持续冰压力的形成，进而减弱挤压破碎产生冰载荷对海洋平台结构所造成的不良影响。然而，该类型椎体破冰装置固定于桩腿上，无法随海平面上冰层位置的变化而变化，由于潮差段内海平面流冰的位置随潮位是随时上下变化，导致固定式抗冰锥体在多数情况下很难发挥其最佳破冰、分解、化解冰载荷的效果，并且固定式抗冰锥结构还存在额外加强基础设计，导致安装繁琐，基础成本增加。

3、为此，近些年来，大连理工大学新研发出一款抗冰装置，可根据潮位变化以对其自身相对高度位置进行适应性调整。正如，中国发明专利cn107150770b所述，其公开了一种适用于壳体桩腿自升式海洋平台的抗冰装置，包括抗冰锥体、至少一个齿轮箱、至少一个齿轮箱固定板、至少一个带导轨的齿条；其中，抗冰锥体为设置在桩腿外周的圆锥形抗冰结构，位于平台下甲板与桩靴之间；桩腿外周沿轴向方向设置带导轨的齿条；齿轮箱的一侧内部设置导轨嵌入区，将齿轮箱嵌入导轨的导槽内，同时令设置于导轨嵌入区内部的齿轮与齿条相啮合，齿轮中心与齿轮箱轴连接；抗冰锥体通过齿轮运动控制装置控制齿轮与齿条的相对运动，实现抗冰锥体沿桩腿的上下运动。在实际应用中，抗冰锥体可随潮位变化上下浮动，从而使锥体始终具有破冰的最佳锥度角，进而控制海冰对抗冰锥体的作用力始终保持在最小状态和把冰载荷对平台结构物作用力的影响降到最低的新型防结冰浮动式抗冰装置。然而，亦同时存在有以下问题：1)齿条的齿极易被破碎状海冰所填充，不但会增加齿轮的旋转阻力，而且还会导致齿轮和齿条之间的配合精度超差，共同作用最终导致抗冰锥体上下位移困难度剧增；2)受到破碎海冰的影响，齿轮和齿条极易发生大面积点蚀或局部形变现象的发生，使用寿命被大幅度缩短；3)受到应用环境的局限，需要将为齿轮箱提供驱动力的电机严格地密封于抗冰锥体的内部，从而对抗冰椎体提出了更高的制作要求。且齿轮齿条驱动机构设计结构复杂，零件繁多复杂，后续安装、维修均极为不便，且对后续装配精度提出了极高的要求，最终导致该抗冰装置的总体制造成本居高不下，经济性极差，其应用前景渺茫。因而，为本课题组提供了新的研究方向。

技术实现思路

1、故，本发明课题组鉴于上述现有的问题以及缺陷，乃搜集相关资料，经由多方的评估及考量，并经过课题组人员不断实验以及修改，最终导致该自浮式海洋平台桩腿抗冰装置的出现。

2、为了解决上述技术问题，本发明涉及了一种自浮式海洋平台桩腿抗冰装置，包括抗冰锥和位置锁定功能部。抗冰锥采取间隙配合方式环绕海洋平台桩腿进行套设，且其由正锥体和倒锥体对接而成。在高速位移态海冰冲击抗冰锥的进程中，正锥体或/和倒锥体发生作用以对海冰的位移方向进行优化。抗冰锥的总体密度小于相应海域海水的密度，可漂浮于海面上。实际应用中，抗冰锥因受到潮位变化影响而发生高度位置变动后，位置锁定功能部即时启动以对抗冰锥的相对高度位置进行锁定，且维持设定时长。位置锁定功能部包括环形气囊和充气单元。环形气囊套设于抗冰锥和海洋平台桩腿之间，且跟随抗冰锥沿着上下方向同步地位移。当对抗冰锥的相对高度位置执行锁定操作时，充气单元启动，且随着时间的推移，环形气囊因受到被充入压缩气体量增多因素的影响而发生体积膨胀现象，直至抗冰锥和海洋平台桩腿之间的装配间隙被完全地填充。而当对抗冰锥的相对高度位置执行解锁操作时，充气单元再次启动，以将压缩空气由环形气囊中抽出，且随着时间的推移，环形气囊因受到被充入压缩气体量减少因素的影响而发生体积萎缩现象，直至其脱离与抗冰锥或/和海洋平台桩腿的接触。

3、作为本发明所公开技术方案的进一步改进，环形气囊优选由橡胶制成，且极限抗压强度不低于0.12mpa，且充气后一小时压降不超过3％。

4、作为本发明所公开技术方案的进一步改进，充气单元包括有充气泵和高压管路。充气泵在作功进程中伴随产生压缩气体。高压管路同时连通环形气囊和充气泵。

5、作为本发明所公开技术方案的更进一步改进，充气泵固定于海洋平台桩腿上，且位于所述抗冰锥的正上方；假定海洋平台所处海域的涨潮和落潮海平面高度差为a，所述充气泵和所述抗冰锥之间的距离为b，则b-0.5m＞a。

6、当然，作为上述技术方案的另一种改型设计，充气泵固定于抗冰锥的顶壁上，且在其外围设有防冲击罩。

7、作为本发明所公开技术方案的进一步改进，环形气囊被留置于抗冰锥和海洋平台桩腿之间所形成的装配间隙中，且保持独立。当环形气囊处于萎缩状态时，其可自由地游离于抗冰锥和海洋平台桩腿之间的装配间隙中。

8、当然，作为上述技术方案的另一种改型设计，环形气囊可拆卸地与抗冰锥固定为一体。环形气囊因受到被充入压缩气体量增多因素的影响而发生体积膨胀以迫近海洋平台桩腿。

9、作为本发明所公开技术方案的进一步改进，位置锁定功能部还包括有超声波水位探测仪和信号输出系统。超声波水位探测仪用来实时地监测海平面高度，且其可拆卸地固定于抗冰锥的顶壁上。信号输出系统与超声波水位探测仪相配套，以用来接收海平面高度数据，且经过数据处理后，即时向着充气单元发出控制信号，环形气囊因被充入压缩气体得以体积膨胀，抑或环形气囊因失去压缩气体得以体积萎缩。

10、作为本发明所公开技术方案的进一步改进，在正锥体或/和倒锥体的内部设有水密封腔，抑或正锥体或/和倒锥体由高强度低密度工程塑料制成。

11、在具体应用中，自浮式海洋平台桩腿抗冰装置的功能发挥进程分以下几个阶段执行：

12、1)因抗冰锥的总体密度小于相应海域海水的密度，其可漂浮于海水中。在具体应用中，当海水潮位发生改变时，与海洋平台桩腿相套设的抗冰锥沿着高度方向自由地执行位移运动，直至抗冰锥与预来犯海冰保持正对位，与此同时，萎缩态的环形气囊同步地执行跟随性位移运动。当抗冰锥的相对高度位置被初步确定后，启动充气单元，环形气囊因受到被充入压缩气体量增多因素的影响而发生体积膨胀现象，直至抗冰锥和海洋平台桩腿之间的装配间隙被完全地填充，换言之，在膨胀态环形气囊的辅助作用下，抗冰锥得以稳定、可靠地抱持于海洋平台桩腿上；

13、2)在后续相当长的时间段内，抗冰锥始终保持于特定高度位置，亦可始终与预来犯海冰保持对位，且在锥形面的导向作用下使得海冰与冰锥体作用模式由挤压破坏转换为弯曲破坏，从而大大地降低了海冰的破坏、损毁能力；

14、3)因潮汐现象的存在，海水潮位亦始终处于变动状态，且随着时间的继续推进，因受到潮涨潮落影响，当抗冰锥和预来犯海冰之间的对位关系恶化到一定程度后，充气单元再次启动，以将压缩空气由环形气囊中抽出，环形气囊因受到被充入压缩气体量减少因素的影响而发生体积萎缩现象，抗冰锥得以重新恢复至自由状态，即意味着抗冰锥可在海水浮力/自重力的作用下沿着海洋平台桩腿定向地执行上升运动，抑或，抗冰锥在重力的作用下沿着海洋平台桩腿定向地执行下降运动。

15、4)重复上述步骤1-3，直至确保抗冰锥相对于海洋平台桩腿再次占据有正确高度位置。

16、相较于传统设计结构形式，本发明所公开的自浮式海洋平台桩腿抗冰装置在实际应用中至少取得了以下几方面的有益技术效果：

17、1)抗冰锥和海洋平台桩腿之间所形成的间隙空间相对较大，即意味着其不易被破碎状海冰所填充，加之，在浪涌力的持续作用下，非锁定状态抗冰锥沿着高度方向执行小幅度往复位移运动，如此，在极端状况下，即便少量破碎状海冰被填充至装配间隙中，亦可被及时、有效地排出，从而确保非锁定状态抗冰锥可以始终顺延着海洋平台桩腿自由地、低阻力地执行位移运动；

18、2)当环形气囊处于膨胀状态时，其内侧壁与海洋平台桩腿保持于紧密贴触状态，而其外侧壁与抗冰锥保持于紧密贴触状态，在两组相对摩擦力的共同作用下，抗冰锥得以稳定、可靠地抱持于海洋平台桩腿上；

19、3)在极端状况下，即便有极少量的破碎状海冰被留存于抗冰锥和海洋平台桩腿之间所形成的间隙中，因受到环形气囊的自由收缩、膨胀特性影响，其亦可实现对装配间隙的有效、充分填充，在此情形下，破碎状海冰处于被环形气囊全包裹或半包裹状态，保证环形气囊相对于抗冰锥以及海洋平台桩腿均尽可能地保持有足够大的贴触面积，进而确保抗冰锥得以更为稳定地、持久地抱持于海洋平台桩腿上；

20、4)该自浮式抗冰装置设计结构极为简洁，且所包含的零件数量相对较少，利于实现制造、组配，具有良好的经济性，利于在海洋结构件领域进行大规模应用、推广。