坐底自升式風電打樁船的制作方法

本發明涉及海工設備領域，更具體地說，涉及風電打樁船。

背景技術：

目前開發可再生能源風靡世界，其中風電市場具有舉足輕重的地位。據知，英國規劃到2030前要將用電30％改為風電，其中突出是海上風電。如眾已周知：中國高度重視風能的開發和利用，陸上風電已趨向飽和，開發海上風電方興未艾。我國沿海蘊藏有巨大的風能，據中央氣象局統計，近海水深5米至25米范圍的風電潛能有5億千瓦。按國家十三五規劃，海上風電預計為開發1000萬千瓦。據知，已經批準的海上風電項目近600萬千瓦，而建成的海上風電僅約100萬千瓦，由此今后開發海上風電任務艱巨。

海上風電機組的安裝需要進行打樁，為風電機組的安裝提供平臺。傳統打樁作業主要使用插樁式打樁船，插樁式打樁船由起重機、船體、樁腿和樁靴、抱樁器以及升降系統組成。在進行作業時，將帶有巨大樁靴的大直徑樁腿(直徑4米以上)深深插入海底海床的泥中，直達硬土層(軟質土壤條件下可能需要插入20～30米深)，為打樁船提供支撐。為減小浪涌對打樁船船體的沖擊(視不同船型浪涌沖擊可達3000～4000噸)，需要用樁腿將主船體稍抬離水面約5～6米，以令浪涌從其下方穿過，使其在海上風浪涌襲擊下保持穩定。

傳統的插樁式打樁船的作業過程存在如下的困難。

插樁和預壓載：大型風電安裝船(總重達2萬噸)作業前必須對樁腿進行“預壓”，載荷達8000～10000噸。以防止產生地基穿刺，導致平臺傾斜甚至傾翻。使用壓載水進行預壓非常緩慢，上萬噸容積的壓載艙也難以實現，只能采用兩腿受力的“對角壓”，這種狀態下主船體受力極大，導致船體結構增加重量數百甚至上千噸。即便配有100平米的大型樁靴，軟土條件往往也需數十米插深才能提供足夠的承載力，不但增加了樁腿的長度，齒條帶上的泥沙嚴重影響升降齒輪壽命。極端條件下，甚至可能會因樁腿長度不夠或太長導致強度不足無法實現作業。

拔樁：巨大的樁靴在插入泥面以下十幾米后，其上覆蓋泥土重量在拔樁時帶來巨大下壓力。同時還要克服樁靴底部負孔隙水壓形成的吸附力、土壤粘聚力、側摩阻力及土剪切破壞力。插深較深時，拔樁力很大，拔樁非常困難。高壓水沖樁可以補充樁靴底部孔隙水，消除負壓吸力。但樁靴在泥中插深較深時，土體強度很高，沖樁難度也很大。在特殊情況下，甚至可能沖不動樁。拔樁時要借用船的浮力克服拔樁力，一只一只的進行。耗時費力，拔樁出現困難時，可能需數日、1～2周，甚至更長(有案例耗費10周時間)。有時千方百計仍拔不出，不得已只好割掉樁靴。在軟土海域，甚至可能因拔樁困難而影響到承接安裝任務，對打樁船而言無疑是一大限制條件。

效率和風險：據調研，插樁式打樁船作業順利時，平均打一根樁約1周左右。在泥質條件下，插拔壓樁可占1/3～1/2作業時間，而遇到困難的時候，時間更不可控制。當出現拔樁困難時，不僅存在時間消耗，而且成為不受控制的不確定性狀態。在海上需要面對每天的漲潮、落潮和變化的風浪等條件，不但增加了升降系統的負荷和壽命，整船的風險性也大為增加。

從上述的分析可知，插拔樁過程是打樁船作業過程中最耗時耗力的環節，但其作用僅為提供穩定的作業平臺。若能在保證平臺穩定性的前提下避免插拔樁的過程，對提高效率，加速風電場建設，以及降低海上作業風險性，均具有重大意義。

技術實現要素：

本發明提出一種能避免插拔樁的風電打樁船。

根據本發明的一實施例，提出一種坐底自升式風電打樁船，包括：上船體、起重機、樁腿和下浮體。起重機安裝在上船體上。樁腿安裝在上船體上。下浮體與樁腿連接。坐底自升式風電打樁船漂浮，上船體浮于水面上，樁腿收起，下浮體收起至上船體底部，下浮體位于水面下。坐底自升式風電打樁船站立，樁腿伸出，下浮體下沉至海床上，下浮體固定在海床上，上船體被樁腿頂起，上船體脫離水面。

在一個實施例中，下浮體包括：圓筒、立筒、橫梁和抗滑樁。數個圓筒并列設置形成下浮體的主體。立筒設置在由數個圓筒形成的下浮體的主體的兩側。橫梁橫向設置在由數個圓筒形成的下浮體的主體的頂部和底部。抗滑樁設置在由數個圓筒形成的下浮體的主體的兩側。

在一個實施例中，抗滑樁設置在數個立筒之間的間隙中，抗滑樁能向下伸出或者向上收起，抗滑樁能向下伸出插入海床，固定下浮體并承載水平載荷。

在一個實施例中，橫梁的內側與圓筒的頂部或者底部接觸，橫梁的內側形成弧形凹槽以與圓筒匹配。

在一個實施例中，樁腿連接到由數個圓筒形成的下浮體的主體的頂部。

在一個實施例中，樁腿通過球鉸連接到位于頂部的橫梁上。

在一個實施例中，圓筒中注入或者排出水，使得下浮體具備不同的浮力。

在一個實施例中，立筒中注入或者排出水，以平衡起重機的傾覆力矩。

本發明的坐底自升式風電打樁船不需要插拔樁，能大幅度提升作業效率，降低作業風險。該坐底自升式風電打樁船的下浮體能通過注排水來調節浮力并平衡起重機的傾覆力矩。

附圖說明

本發明上述的以及其他的特征、性質和優勢將通過下面結合附圖和實施例的描述而變的更加明顯，在附圖中相同的附圖標記始終表示相同的特征，其中：

圖1揭示了根據本發明的一實施例的坐底自升式風電打樁船的結構圖，圖1中坐底自升式風電打樁船處于漂浮狀態。

圖2揭示了根據本發明的一實施例的坐底自升式風電打樁船的結構圖，圖2中坐底自升式風電打樁船處于站立狀態。

圖3揭示了根據本發明的一實施例的坐底自升式風電打樁船中下浮體的結構圖。

圖4揭示了根據本發明的一實施例的坐底自升式風電打樁船中下浮體的橫向剖視圖。

圖5揭示了根據本發明的一實施例的坐底自升式風電打樁船中下浮體的縱向剖視圖。

具體實施方式

為解決傳統插樁式打樁船作業過程中插拔樁的困難，提出坐底自升式風電打樁船。傳統的插樁式打樁船相比，坐底自升式風電打樁船取消了樁靴，改為具有大排水量和底面積的下浮體。打樁船的重量不再僅由樁靴承受，而是由浮力和下浮體底面共同承受，并按需求可隨時調節。

大體而言，坐底自升式風電打樁船由上船體與下浮體構成，上船體和下浮體由樁腿連接。下浮體可坐在海水下泥面上。依靠下浮體浮力和坐底反力承擔自重，并將風電打樁船的上船體抬離水面5米到6米，以便風浪涌穿過,減小沖擊。非作業狀態時，下浮體可收入到上船體內，以便利調遣或航行。

船體總重并非全部作用在下浮體上，而是坐底自升式風電打樁船自重＝泥上坐底載荷+浮力。由此，設計排水量足夠大的浮體，調節下浮體的排水量(吸排下浮體內的水可調節浮力)即可改變坐底載荷，從而可以適應海底不同承載力的泥層(甚至是淤泥)，從而擴大風電打樁船的適用范圍。

因風浪涌產生的水平力一部分被垂直力與泥面產生的摩擦力承受，另一部分被下部插入表層泥中的無樁靴的抗滑樁的水平抗剪力來承受。起重機運行時產生的傾覆力矩由吸排水系統來平衡。正常吊重作業時，在泥面上只有比較均布的垂直載荷，基本上不會出現因力矩而產生的偏載。

參考圖1和圖2所示，圖1和圖2揭示了根據本發明的一實施例的坐底自升式風電打樁船的結構圖，其中圖1中坐底自升式風電打樁船處于漂浮狀態，圖2中坐底自升式風電打樁船處于站立狀態。

如圖所示，該坐底自升式風電打樁船包括：上船體103、起重機101、樁腿102和下浮體104。起重機101安裝在上船體103上。樁腿102安裝在上船體103上。下浮體104與樁腿102連接。坐底自升式風電打樁船漂浮時，如圖1所示，上船體103浮于水面上，樁腿102收起，下浮體104收起至上船體103底部，下浮體103位于水面下。坐底自升式風電打樁船站立時，如圖2所示，樁腿102伸出，下浮體104下沉至海床上，下浮體104固定在海床上，抗滑樁105插入到海床的泥中，上船體103被樁腿102頂起，上船體103脫離水面。在一個實施例中，樁腿102將上船體103頂起至距離水面5～6米的距離，以防風浪涌的沖擊。

圖3、圖4和圖5揭示了根據本發明的一實施例的坐底自升式風電打樁船中下浮體的結構圖，其中圖4揭示了下浮體的橫向剖視圖，圖5揭示了下浮體的縱向剖視圖。

如圖所示，下浮體包括：圓筒201、立筒202、橫梁203和抗滑樁105。數個圓筒201并列設置形成下浮體的主體。在一個實施例中，數個直徑為7米的圓筒201并列設置，形成下浮體的主體。參考圖4所示，在圓筒201內設置有支撐柱211，支撐柱211起到加強筋的作用。立筒202設置在由數個圓筒形成的下浮體的主體的兩側。橫梁203橫向設置在由數個圓筒形成的下浮體的主體的頂部和底部。在圖示的實施例中，橫梁203的內側與圓筒201的頂部或者底部接觸，橫梁203的內側形成弧形凹槽以與圓筒201匹配。抗滑樁105設置在由數個圓筒形成的下浮體的主體的兩側。在圖示的實施例中，抗滑樁105設置在數個立筒202之間的間隙中，抗滑樁105能向下伸出或者向上收起，抗滑樁105能向下伸出插入海床，固定下浮體并承載水平載荷。如圖所示，樁腿102連接到由數個圓筒形成的下浮體的主體的頂部。在一個實施例中，樁腿102通過球鉸連接到位于頂部的橫梁203上。橫梁203是整體結構且較為堅固，因此適于與樁腿102連接。球鉸能夠減少連接部位的應力集中，有效的保護下浮體的整體結構，實現坐底自升式風電打樁船的合理的應力分布。

圓筒201中能注入或者排出水，通過控制圓筒201的注排水使得下浮體具備不同的浮力。兩側的立筒202中能分別注入或者排出水，通過控制兩側的立筒202的不同的注排水，能夠平衡起重機作業時的傾覆力矩。

在圖1所示的漂浮狀態，該坐底自升式風電打樁船漂浮于海面上，以進行短程調遣和拖帶遠航。圖2所示的站立狀態是作業狀態，在升降機構作用下，下浮體下沉到海床上，抗滑樁插入海床，坐底自升式風電打樁船依靠下浮體與海床的摩擦力以及抗滑樁的水平剪力來實現抵抗水平載荷。坐底自升式風電打樁船依靠下浮體的浮力調節來實現調控坐底力，以實現適應不同地質特點的海床。由于采用下浮體，放棄樁靴，所以就沒有拔樁之苦，在轉運樁位時，提升了工作效率。

對下浮體的圓筒進行注排水來實現下浮體的浮力調節，進而實現調節坐底自升式風電打樁船的坐底力。抗滑樁是為了抵抗由于風浪涌等產生的水平載荷。由于上船體上設置有起重機，在起重機作業時會產生大小時刻在變化的傾覆力矩，可以通過對下浮體的立筒調撥壓載水來實現力矩平衡。

本發明的坐底自升式風電打樁船不需要插拔樁，能大幅度提升作業效率，降低作業風險。該坐底自升式風電打樁船的下浮體能通過注排水來調節浮力并平衡起重機的傾覆力矩。

上述實施例是提供給熟悉本領域內的人員來實現或使用本發明的，熟悉本領域的人員可在不脫離本發明的發明思想的情況下，對上述實施例做出種種修改或變化，因而本發明的保護范圍并不被上述實施例所限，而應該是符合權利要求書提到的創新性特征的最大范圍。