一种串联空心微珠复合材料浮筒的张力筋腱定位系统的制作方法

本发明属于深海工程装备制造领域，涉及一种串联空心微珠复合材料浮筒的张力筋腱定位系统。

背景技术：

随着陆上能源储量的告急，人们的视野渐渐转向了海洋资源的勘探与开发。越来越多的海上油气田被开发利用，其中张力腿平台由于其半刚性半柔性的优良运动性能和经济性，在近几十年来得到很广泛的应用和发展。张力腿平台按照其发展顺序，目前分为第一代张力腿平台和第二代张力腿平台。通过第一代张力腿平台的生产实践，进一步证明了张力腿平台的优越性能。但随着平台应用水深的增加，所面临的环境更加恶劣，为了进一步降低张力腿平台的成本，提高其稳定性、安全性和适应性，越来越多不同结构形式的第二代张力腿平台应运而生。其中采用串联多浮筒式张力筋键定位系统的张力腿平台，其运动性能得到了显著改善，平台的纵荡、横荡及垂荡响应幅度大大减小，使得张力腿平台能够应用于更深的海域。

对于这种结构形式最为关键的浮筒，目前绝大多数采用钢质空心圆柱结构。这种结构形式对于钢材来说不易加工，而且在连接处一般进行焊接或栓接，可能由于疲劳效应导致漏水。并且钢材耐腐蚀性差，更是大大降低了这种结构的耐久性，对浮筒的维护将付出很大的代价。随着工作水深增加，浮筒所面临的环境更加恶劣，浮筒的损坏可能对平台安全造成不可逆转的破坏，从而引发灾难性事故。寻找一种更加优质的浮筒材料，来解决上述钢质浮筒所存在的问题，并且在此基础上更好地提高张力腿平台的性能，这也是这种串联多浮筒式张力筋键定位系统亟待解决的一个问题。

技术实现要素：

本发明针对串联多浮筒式的张力筋键定位系统的上述问题。提供一种串联空心微珠复合材料浮筒的张力筋腱定位系统。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种串联空心微珠复合材料浮筒的张力筋腱定位系统，包括平台主体1、张力筋腱2、新型浮筒3、锚固环4、海底基础5。

所述的新型浮筒3选用空心微珠复合材料，采用实心环形圆柱的结构形式，其上下表面设有圆形凹槽。空心微珠填充到高强度基质中得到空心微珠复合材料，填充量为30％-70％，为一种低密度、高抗压强度、低吸水率、耐腐蚀的复合材料，空心微珠复合材料的密度为0.3g/cm³-0.7g/cm³，最高抗压强度能达到110mpa，能够满足10000m深海环境作业要求。将空心微珠填充基质中得到新型浮筒3，所述的空心微珠材质为玻璃、陶瓷无机材料，所述的高强度基质包括环氧树脂、乙烯基脂、氨基树脂，具有高强度特性。通过选用不同的空心微珠和基质调节新型浮筒3的物理机械性能，如密度、抗压强度等，以满足不同工况下浮筒的要求。

所述的四根张力筋键2的上端与平台主体1下部的四根立柱通过紧固支座铰接，下端铰接在海底基础5上，该连接方式能够释放浮筒在海流作用下对张力筋键端部产生的弯曲应力。

所述的张力筋腱2上串联多层新型浮筒3，四根张力筋腱上设有4×n个新型浮筒，每层浮筒对应的水深相同。单根张力筋腱2沿新型浮筒3中轴线空心区域贯穿，新型浮筒3通过锚固环4固定在张力筋腱2上；所述的锚固环4内嵌到新型浮筒3的上下表面的圆形凹槽内，并通过螺纹与刚性钢管张力筋腱2连接，使得结构具有良好的整体性。

本发明的有益效果为：

1)新型浮筒所选用的空心微珠复合材料密度(0.3g/cm³-0.7g/cm³)相比较钢材(7.9g/cm³)可以提供更大的净浮力，即浮筒所能提供的净浮力显著增加，同时浮筒能够抑制张力筋腱的涡激振动，导致张力筋键的预张力增大，能够有效减小平台纵荡、横荡及垂荡响应幅度，改善张力腿平台的运动性能。

2)新型浮筒所选用的空心微珠复合材料耐腐蚀，吸水率低，并且结构采用实心环形圆柱体形式的整体结构，密闭防水性好，提高了浮筒的耐久性和使用寿命。

3)新型浮筒所选用的空心微珠复合材料具有良好的机械加工性能和耐腐蚀性，较刚性浮筒来说方便切割加工成各种形状，节约了加工成本，提高浮筒的可靠性和使用寿命。

4)空心微珠复合材料可以通过调整空心微珠的种类、填充量、壁厚来控制其物理机械性能，所以新型浮筒可以根据特定的环境选用最适合该环境的材料，可选择范围广，在保证浮筒性能的基础上可以尽可能地节约材料成本。

5)由于锚固环通过螺纹与张力筋键相连，新型浮筒依靠自身浮力套在张力筋键上，构件结构形式简单，使得新型浮筒能够较为方便地进行拆卸、配置和重复利用，大大地节约了建造成本。

6)分层布置新型浮筒，可以提高张力筋腱的刚度，从而有效地抑制张力腿的涡激振动，具体效果见图4。

附图说明

图1是本发明的串联空心微珠复合材料浮筒的张力筋腱定位系统示意图；

图2是本发明的锚固环与张力筋腱、新型浮筒连接的侧视示意图；

图3是本发明的锚固环与张力筋腱、新型浮筒连接的俯视示意图；

图4是实施例中串联于张力筋键的简化浮筒水动力性能计算模型；

图5是浮筒涡脱形态模拟示意图；

图中：1平台主体；2张力筋腱；3新型浮筒；4锚固环；5海底基础。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

对比例：一种串联多浮筒式刚性张力筋腱定位系统，平台主体、张力筋腱浮筒所处位置、浮筒规模参数与实施例一致，两者区别在于对比例中张力筋腱上串联的浮筒材质为钢材，密度为7850kg/m³，实施例中串联浮筒材质为空心玻璃微珠复合材料，密度为390kg/m³。

实施例：

如图1、2、3所示，刚性钢管张力筋键2上端与平台主体1四根立柱上布置的紧固支座铰接，下端铰接在海底基础5上，张力筋腱2上串联单层新型浮筒3，四根张力筋腱上公有4个一层新型浮筒，每层浮筒对应的水深相同。单根张力筋腱2沿新型浮筒3中轴线空心区域贯穿，锚固环4通过螺纹连接套在张力筋腱2上，分别内嵌于新型浮筒3上下表面凹槽内，以固定新型浮筒3相对于张力筋键的位置。

将玻璃材质的空心微珠填充到基质环氧树脂中得到新型浮筒3，填充量为60％。浮筒直径较大，与直径较小的张力筋腱组合成变截面圆柱4，张力腿系统的固有频率会发生改变浮筒，远离旋涡脱落频率，图5所示的浮筒两侧的涡脱形态与较低的振动幅度对应，因此能有效的抑制张力筋腱的涡激振动问题。

串联多浮筒式混合系泊定位系统的具体安装步骤如下：

步骤1.分段预留的刚性钢管张力筋腱堆放于海上一艘安装船。

步骤2.安装张力筋腱2，当张力筋腱2安装深度达到指定要求时安装套有浮筒的张力筋腱段，使用带有螺纹的张力筋键，并在浮筒上下表面处安装锚固环，以约束浮筒位置。

步骤3.完成剩余张力筋腱段的安装工作后，在张力筋键水面处安装浮块和分离锁。

步骤4.当所有张力筋腱安装完毕后，将平台主体牵拉至指定位置，逐一拆除浮块，将张力筋腱上端与立柱下端铰接，通过张紧器逐渐收紧张力筋腱，使平台到达所需的工作水深。

实施例和对比例的性能比较：平台作业水深200m，浮筒放置在水深100m处，两种浮筒的相关参数以及平台纵荡响应幅值如表所示,m1代表对比例中的钢材质浮筒，n1代表实施例中空心玻璃微珠复合材料材质新型浮筒：

从表中可以看出，在波高3m、波周期10s的规则波作用下，新材料浮筒有效的降低了平台的纵荡方向运动响应，降低幅值约为12.4％；故而在总体积，总重量几乎不变条件下，空心玻璃微珠复合材料浮筒性能较钢质浮筒更加优异。