安装子结构的装置和方法与流程

本发明涉及子结构的安装，特别是用于支撑风力涡轮机和/或风力涡轮机塔架(例如，离岸)的子结构的安装。

背景技术：

在安装结构时，需要适当的地基使结构能够承受它们在使用期间所受到的力。当从外界环境安装时，大型工业结构(如塔架或桅杆)可能暴露于巨大的外力中。风力涡轮机塔架是这样的结构的一个示例。这样的塔架通常位于环境恶劣的地点，并且越来越多的人将风力涡轮机安装在离岸环境中。这给安装带来了很大难度，以确保得到坚实耐用的地基。

在安装风力涡轮机塔架时，通常在上塔架结构之前安装塔架的子结构。这样的子结构通常被称为“外罩(jacket)”且通常包括设有多个腿部的桁架框架。准备好地基之后，尝试将外罩的腿部降低到地基上，并将其牢固地安装到地基上。

在专利公开wo2011/010937中描述了一种这样的技术，其涉及将外罩的腿部的端部插入桩中，并且用可固化的物质填充桩以将腿部固定在桩上的适当位置。定位装置被设置在每个腿部的端部上，以产生抵靠各个桩的顶部的障碍物(obstruction)并阻止腿部进一步滑入桩中，从而将其保持在适当的位置，同时使可固化的物质能够固化，以便将腿部束缚在桩上。可固化的物质可以包括胶结材料或灌浆材料或者其它结合材料以将腿部结合到基部上。

在这样的安装方法中，对于固化期间腿部与基部之间的相对移动，安全标准已经设定了仅仅几毫米的公差极限，以便确保水泥在桩与腿部之间的完全结合。因此，需要通过允许遵循这些限制的定位装置将外罩支撑在如桩等基部上。

在诸如风力、水流和波浪等恶劣环境中所受环境力的存在使得确保在固化期间对基部上的外罩有足够的稳定性和支撑可能是个挑战。wo2011/010937中描述的解决方案使用了能够在不同的腿部上压缩到不同程度以有助于支撑外罩的弹性材料。但是，环境力在弹性垫上引起的负载可能因腿部与地基桩之间的相对移动导致变形，进而影响腿部与桩之间放置的灌浆材料。特别地，波浪可以控制腿部中的负载波动，并且导致明显的变形(即使在中浪状态时)。

在具有超过三个腿部的外罩中、或在没有准确对齐定位装置中、或者在桩之间存在高度差的情况下可能使这样的效果加重。

技术实现要素：

鉴于上述内容，如所附权利要求书中所述，提供了本发明的多种方案。

本发明的任一方案还可以包括如本文所述的关于任何其它方案所述的特征。一个实施例中所述的特征可以在其它实施例中进行组合。例如，与第二实施例中的设置相容的从第一实施例中选取的特征可以被用作第二实施例中的附加、替代或可选特征(例如插入或更换相似或类似特征)而以与第一实施例中所使用的相同或相应的方式(在第二实施例中)执行。本发明的实施例在如从整个说明书中显而易见的多种方式中是有利的。

附图说明

下文中将仅借助示例并参考附图来描述本发明的实施例，在附图中：

图1a和图1b分别是根据本发明的实施例的安装子结构期间的第一位置和第二位置中的子结构的示意图；

图2是根据本发明的实施例的安装图1a和图1b的子结构使用的装置的局部立体图；

图3是比例尺较小的图2的装置的仰视立体图；

图4是另一比例尺的图2和图3的装置的下侧的立体图；

图5是图2至图4的装置的俯视立体图，其中为了清楚地示出而省略了弹力构件；

图6是根据本发明的另一实施例的安装图1a至图1b的子结构使用的装置的俯视立体示意图；

图7是较大比例尺的图6的装置的俯视立体示意图，其中省略径向附接板以更清楚地示出千斤顶着陆构件(jackandlandingmember)；

图8是与图6相同的俯视立体示意图，但为清楚说明千斤顶着陆构件而额外省略弹力构件；

图9a至图9b是分别以第一构型、第二构型和第三构型依次示出图3至图8的装置中的千斤顶的操作的示意图；

图10是根据本发明的另一实施例的安装图1a至图1b的子结构使用的装置的局部立体示意图；

图11是图10的装置的下侧的立体示意图；以及

图12是本发明的又一实施例中安装子结构使用的装置的立体示意图。

具体实施方式

首先参考图1a和图1b，在这种情况中，示出了一种子结构1，其在将子结构安装在设置于海床3中的桩2a、2b上的过程中用于风力涡轮机塔架。桩2a、2b具有在海床3处具有开口端的管状结构。

子结构1(例如，外罩)具有腿部4a、4b，每个腿部在接近腿部4a、4b的各个端部5a、5b处设有定位装置10。定位装置10被紧固到腿部4a、4b并从腿部4a、4b径向向外突出。在安装期间，子结构1朝着桩2a、2b下降并落在桩2a、2b上。腿部4a、4b的端部5a、5b下降到桩2a、2b的端部中，最终使定位装置抵靠桩2a、2b的端部。定位装置10阻挡腿部4a、4b向下移动到桩中。因此，子结构1由定位装置10支撑在图1b中所示的“着陆位置”处。定位装置10中的着陆构件设有可变形的弹性材料(未示出)，使得当子结构1着陆时，弹性材料吸收冲击负载并承载子结构的重量。接着，使用液压千斤顶(未示出)来致动定位装置10，以将腿部4a、4b稳定在桩2a、2b上的适当位置，使得千斤顶支撑子结构的重量。子结构的重量由弹性橡胶材料承载，直到千斤顶被致动且重量被转移到液压千斤顶上时。千斤顶操作为抬升子结构1并因此使弹性材料减压而使千斤顶承载所有重量。这能稳固子结构1的支撑，从而可以避免使用弹性材料支撑时环境力(如波浪)给予腿部4a、4b的波动负载导致的潜在偏斜。而且，千斤顶允许腿部4a、4b单独被抬升，以便校平整个子结构。

在下文中进一步详细描述了定位装置10和千斤顶的操作的多个示例。通过使用千斤顶致动的定位装置10，腿部4a、4b被设置成相对于桩2a、2b稳定地定位，以用于将腿部安装到桩上。安装过程通常通过将可固化材料(如水泥或灌浆材料)插入桩2a、2b中的腿部与桩之间来执行，使得在固化时，可固化材料在腿部4a、4b与桩2a、2b之间提供强力而牢固地结合。固化之后，施加在子结构1上的重量和负载通过结合连接承载，并且可以停用千斤顶。可固化材料的固化时间通常是大约24小时左右，致动千斤顶以帮助实现高质量的结合。优选地，千斤顶被构造为在这段时间内使腿部相对于给定桩2a、2b的移动在中浪海况时不能超过10mm，即在中浪海况的情况下限制在10mm或更小，例如不超过5mm，以及最优选地不超过1mm。

应该注意的是，子结构1通常具有至少三个或更多腿部，但是为了说明，在图1a和图1b中仅示出两个这样的腿部4a、4b。此外，定位装置不需要应用于所有腿部。

参考图2和图3，示出包括托架形式的定位装置110的装置。以与上述定位装置10相同的方式运用定位装置110。定位装置110被设置在腿部104上并将子结构(未示出)支撑在桩102形式的基部上。定位装置110通过紧固结构111被固定到腿部104。紧固结构111具有围绕腿部104且从腿部104向外径向延伸的上加强板112和下负载板114。加强板112和负载板114沿着腿部104彼此隔开。紧固结构111包括用以加强紧固结构111的多个竖直壁113。壁113被设置在加强板112与负载板114之间，以相对彼此支撑上环形板和下环形板。壁113围绕腿部104的外周彼此隔开。加强板112、负载板114和壁113被牢固地焊接到腿部104的外表面，并且通常包括高强度材料，例如钢或另一种金属。

定位装置110具有千斤顶，在这个示例中，千斤顶以设置成一旦腿部104落在桩102上则被致动为支撑子结构的重量的液压致动器115的形式。致动器115具有外壳115h，外壳115h内部设置有柱塞115p，柱塞115p设置为能够相对于外壳115h移动。油形式的液压流体被用于致动器中用于驱动柱塞115p。多个致动器115被设置成在负载板114上围绕腿部104。

现在再参考图4，图4示出定位装置110的下侧，其中可以看出该装置110具有着陆块(landingblock，着陆块体)120形式的设置成与桩102的端部102e接合的着陆构件。着陆块120在负载板114的下侧连接到紧固结构111，使着陆块120被构造为在使用时安置在负载板114与桩102的端部之间。腿部104通过着陆块120落在桩102上，并且着陆块120用以在子结构落在其上时为子结构提供相对桩102的部分缓冲或减震。

在这个示例中，每个着陆块120均具有邻近腿部104设置的内端120i和从内端120i向外延伸的外端120e。着陆块120围绕腿部104彼此隔开。在这个示例中，致动器115被应用于多个着陆块120内的选定的“活动”着陆块120a。在这个示例中，存在围绕定位装置110沿圆周方向等距隔开的三个活动着陆块120a。

每个着陆块120均具有分层结构，其具有最底部设置的接触板122，向上依次设置的是能够与致动器接合的接合板123形式的板、可变形垫124和连接板125。连接板125附接到紧固结构111的负载板114并附接到可变形垫124，用以将着陆构件连接到紧固结构。连接板125因而可以将力从负载板114传递到着陆块120上。

接触板122在下侧具有用于接触桩102的接触面122s。在选定的活动着陆块120a中，接触板122具有设有齿122t形式的抓紧结构的抓紧面122a，用于接触桩并帮助产生抵抗水平力的阻力。在其它变型中，抓紧面可以是摩擦材料的形式，使接触面与桩之间产生大的摩擦力以防止水平滑动。在这个示例中，接触板122是通过焊接附接到接合板123下侧的薄板，由此接合板123使接触板122与可变形垫124有效地连接，但在其它实施例中，接合板123和接触板122可以是单个板，其可以由相同材料形成为一体。通常，接合板123和接触板122可以具有适应于(例如腿部之间的)基部高度的已知变型的厚度，用以促进子结构的校平和/或力的分布。活动块120a中的接合板123被构造为与致动器的柱塞115p接合。当致动器115被操作时，柱塞115p被向下推动以压靠接合板123的上部。在特定的变型中，柱塞115p可以附接到接合板123和/或接触板122，使接合板123和/或接触板122实际上是柱塞115p的延伸。

可变形垫124由弹性材料和/或弹力材料(如橡胶等)构成，并且在操作致动器115之前被构造为在子结构1的重量作用下在接口板125与接合板123之间被压缩在一起(例如，当子结构1落在桩102上时)。

在这个示例中，可变形垫124被结合到接口板125和接合板123，并可以在接口板125与接合板123之间被拉伸和挤压在一起。因此，垫124允许接合板123与支架111的负载板114之间的一些相对移动。

考虑到垫124的变形，活动块120a还设有设置在块体120a的外端120i上的外保持构件126和用以使接合板123、接触板122和接口板125保持对齐的内保持构件127。保持构件126、127具有用于防止接合板123和/或接触板122相对于负载板114的旋转运动的唇部126p、127p。这有助于确保柱塞115p在板123上的正确位置与接合板123接合。在这个示例中，外保持构件126在接口板125的外端处被紧固到接口板125并在块体120a的端部上从接口板125向下延伸。通过这种方式，保持构件126还防止接合板或接触板122相对于负载板114的径向移动。内保持构件127附接到腿部104。虽然保持构件126、127可以通过这种方式提供旋转对齐和横向对齐，可以注意到，保持构件126、127允许可变形垫124、接合板123和/或接触板122相对于负载板114向下或向上移动，例如，在定位装置110落在桩102上时和/或在致动器115致动时。

进一步参考图5，可以看到定位装置110的致动器115的进一步的细节，为了清楚，在附图中没有示出可变形垫124和保持构件126。在图5中，示出了致动器115，其中柱塞115p的端部115e与接合板123的上表面123u接触。在每个致动器115中，致动器外壳115h被固定到负载板114上。柱塞115p被设置成通过将液压动力流体供应到外壳115h以在柱塞115p上的驱动表面施加压力而可移入外壳或移出外壳。在这个示例中，柱塞115p沿竖直方向移动(而更一般而言可以被构造为向上或向下移动)。致动器115被构造为柱塞115p可移动通过下环形板114、接口板125和可变形垫124，以允许柱塞115p接触接合板123。因此，可变形垫124包括切除部，柱塞115p可以穿过该切除部。类似地，在负载板114和接口板125中设有用以使柱塞115通过的开口。

柱塞115p可以通过致动器的操作而从外壳115h移出以延伸，并且一旦被延伸则可以保持在适当的位置。柱塞端部115e通常可以被构造为与接合板123的上部(例如，上表面123u)接合，以便在与柱塞115p接合时允许着陆构件(因而允许接合板123)倾斜或从倾斜状态恢复一定角度，而不会使倾斜的上表面123u将有害的横向力施加到致动器柱塞115p上。

随着柱塞115p的端部115e与接合板123接触(进而被支撑在桩102的端部上)，致动器115被操作为能够支撑子结构的至少一部分重量。因此，子结构的重量可以通过致动器115承载并由桩支撑。柱塞115p可以从各自的外壳115h延伸以提供足以使致动器115支撑子结构的重量的延长的致动器长度，由此使重量通过致动器115和接合板123被转移到桩102中。为此，柱塞115p可以从图5所示的初始位置移动并进而移出外壳115h以延长致动器长度。这增加了负载板114与接触板122之间的距离。因此，应该理解的是，致动器被构造成柱塞115p从外壳的移动可以产生负载板114相对于接触板122的向上运动，并且相应地可以产生腿部104相对于桩102的向上运动，从而将装置构造为腿部由致动器115支撑在桩上并可以支撑子结构的重量。当落在桩102上时(如上所述)，对于不同的块体120或者对于不同的腿104来说，可变形垫124通常可以被压缩到不同程度。因此，致动器115的操作可以减轻施加到垫124上的负载，并且将柱塞115p移出外壳115h的移动可以使垫124脱离压缩状态，以构成这些垫不传递子结构的任何重量的构造。

每个致动器115可以由动力流体(例如，液压油)操作，使得柱塞相对于外壳保持在适当的位置，或者使得柱塞115p以可控的方式移入外壳115h或移出外壳115h。在这个示例中，从图5中可以看出，每个活动块120a运用两个致动器115a，但应该理解的是，在其它实施例中，每个活动块可以使用一个这样的致动器。也可以使用超过两个致动器。例如，可以设想运用四个这样的致动器，这些致动器被放置在块体的转角附近以用于力的均匀分布。这使得子结构的重量在致动器之间被分担，并且单个致动器的承受量(capacity)降低。这还可以提供在特定致动器故障的情况下的冗余。支架111被构造为相对于桩102e的端部同心地定位。桩102的端部102e限定边缘表面102d，接触板122在边缘表面102d上接触桩102。当定位在桩102的端部上(如图5所示)时，块体120接触块体的内部区域120i与外端120e之间的边缘表面，限定块体与边缘表面之间的接触区域。对于每个活动块120a，一个致动器115被横向地设置到接触区域的内侧，以及一个致动器被横向地设置到接触区域的外侧。因此，活动块120a上的两个致动器115被设置成作用在边缘102d的每一侧上，这能够帮助平衡定位装置、且特别是接合板123和接触板122中的负载。给定的活动块120a上的两个致动器115被设置在竖直加强部113的相反侧。

应该注意的是，在某些变型中，弹性体可变形板124可以被完全省略，在这种情况下，提供一些其它联接设置以使负载板114与接触板122连接，同时允许操作致动器115时接触板122与负载板114之间的相对移动。例如，柱塞115p的下端可以以第一构型预连接到接合板123，接着在落在桩102上之后可以致动致动器115以得到延伸的第二构型。替代地，在腿部104落在桩102上的过程中，可以使用将接触板122保持在适当位置的一些其它联接。

在这样的变型中，致动器115可以在腿部104落在桩102上的过程中被用于为腿部提供在其着陆时相对桩的缓冲和减震(代替弹性材料)。然后通过致动器中的液压油容纳缓冲和减震。

现在参考图6，图6中描绘另一定位装置210，其以与上述定位装置10和110相同的方式被应用。

定位装置210具有附接到子结构(未示出)的腿部204的紧固结构211。更特别地，定位装置210具有加强板212、沿腿部与加强板212隔开的负载板214和在负载板214与加强板212之间上升的壁213。加强板212、负载板214和壁213由钢形成并被焊接到腿部204。

在这种情况下，定位装置210包括在负载板214的下侧向下突出的三个着陆构件块220，用以使子结构落在桩202上。块体220附接到负载板214并围绕负载板214(因而围绕腿部204)间隔开120度。每个着陆块220从底部向上依次包括接触板222、接合板223和可变形垫224。

在这个实施例中，没有提供接口板。每个块体220中的可变形垫224被直接结合到负载板214以及相邻的接合板223，用于使块体220附接到负载板214。这在负载板214的下侧提供了更简单的结构。

致动器215被安装到负载板214并被设置成使得柱塞215p通过负载板214和垫224延伸出外壳215h，以便能够与下面的块体220中的接合板223接合。

进一步参考图7和图8，可以更清楚地看出致动器215在负载板214和紧固结构211的下侧的布置，因为，为了清楚的目的，图7没有示出加强板212、负载板214或壁213，而图8也没有示出可变形垫224。

从图7和图8中看出，柱塞215p从外壳215h延伸并且被定位成其端部与接合板223接触。在这种构型中，它们可以以与上述定位装置110的致动器115相同的方式操作，以便通过致动器115将子结构支撑在桩202上。

在这个示例中，着陆块220设有用以提供横向支撑的外保持构件226和内保持构件227。外保持构件226和内保持构件227均向下倚靠块体220的外端220e和内端220i并具有唇部226p、227p，以便径向地且旋转地提供横向支撑。保持构件226、227附接到负载板214，同时允许接合板223和/或接触板224相对于负载板214向上或向下移动，例如，在定位装置210落在桩的端部上和/或接合致动器215时。

每个块体220被构造为以与上述定位装置110中的活动块体120a相同的方式由两个致动器215接合。作用在给定的块体上的两个致动器215径向地彼此隔开，使其中一个致动器215在外端220e附近与块体220接合而另一致动器215在块体220的内端220i附近与该块体接合，从而帮助平衡负载。可以看出，致动器215作用在桩202的边缘表面202d与接触板222之间的接触区域207的相反侧上。它们还沿周向偏移并被负载板上的其中一个竖直径向壁213分开。

在这个示例中，三个壁在每个相应的块体220上方从邻近腿部的内部中心区域径向向外延伸。该布置提供了额外的支撑，以承受力并将力传递到致动器215被激活位置的块体220中。

参考图9a至图9c，示出了使用中的上述定位装置110、210中的活动块体120a或块体220其中之一的致动器315的操作。

图9a示出子结构已经着陆且接触板322已经与桩的端部302e发生接触之前的初始构型。可变形垫324延伸。致动器315没有被致动，并且柱塞315p处于外壳315h中的缩回位置。柱塞315p的接合端315e没有与接合板323接触。

在图9b中，子结构已经着陆且接触板322已经与桩的端部302e发生接触。板314附接到子结构的腿部。在子结构着陆时，可变形垫324在子结构的重量的作用下被压缩，并且接合板323和接触板322移动得更靠近板314。致动器未被激活并被构造为允许接合板323和接触板322更靠近板314的移动。一旦着陆，柱塞315p则从外壳315h向外移动到图9b所示的位置，使柱塞的端部315e抵靠接合板323。在这个构型中，可以看出，子结构的重量主要通过可变形垫324而非致动器315支撑在基部上，且可变形垫324保持压缩。

然后，致动器被致动以将柱塞315p移动成进一步延伸的构型，从而接合板323和接触板322从板314移离，使致动器进入图9c所示的构型。在图9c中，子结构通过致动器315被支撑在桩上，其中柱塞315p从外壳315h延伸，柱塞315p的端部315e与接合板323接合。可变形垫324延伸且并不能够在板314与桩之间传递重量。相反地，该重量通过致动器315传递。在这个构型中，腿部304的端部可以通过使用可固化材料被安装到桩上(例如，通过水泥接合)。安装之后，液压致动器315被停用。

参考图10和图11，示出了另一示例性定位装置410。该示例中的对应前述示例中那些特征的特征由相似的数字表示，但数字以100的倍数增大。定位装置410通常以与上述相同的方式操作，但在这个示例中，致动器415与着陆构件420分离。

定位装置410通过紧固结构411被设置在子结构的腿部404上，紧固结构411包括加强板412、负载板414和支撑壁(bracingwall)413。壁413向上直立在负载板414上并且上部被焊接到加强板412而下部被焊接到负载板414。加强板412、负载板414和支撑壁413被焊接到腿部404以将定位装置410固定在适当的位置。加强板412和负载板414从腿部404的外表面伸出且加强板具有比负载板更小的径向延伸程度。在这个示例中，加强板412和负载板414是环绕腿部404的环的形式，但是通常这些可以具有不同的形状并例如可以不完全环绕腿部。

定位装置410包括在负载板414的下侧上的着陆构件，每个着陆构件向上依次包括与桩402发生接触的接触板422、下连接板423、包括弹性材料的可变形垫424以及使块体附接到紧固结构的负载板414的上连接板425。块体420内的这些部件以与上述示例中对应部件相同的方式附接(本示例中的对应特征由相同但以100的倍数增加的数字表示)。

子结构在首先着陆时通过着陆构件420留在桩402上，可变形垫414的弹性材料在定位装置410与桩402接触时提供冲击负载的一定程度的缓冲和减震。此后，致动器415接合并在边缘表面402d处向下推压桩402，使得子结构的重量从着陆构件402脱离并通过致动器415传递。

可以看出，柱塞415p是端部在边缘表面402d上对齐的柱形，使得在这种情况下，这些柱塞在从外壳415h向下延伸时竖直地抵靠边缘表面。柱塞415p的端部具有粗糙的抓紧面415g，该抓紧面包括脊以防止在推桩402的端部时的滑动。外壳415h被固定地附接到负载板414(在其上侧向上延伸)，并且柱塞415p向下穿过负载板中的开口。致动器415被设置成使得抵靠桩402的端部的接合发生在周向环绕桩的边缘的三个位置，在每个这样的位置处使用一个致动器415。

参考图12，示出了另一示例性定位装置510，其具有设置成使定位装置510固定到腿部504的紧固结构511(包括加强板512、负载板514和支撑壁513)。每个致动器515均包括附接到负载板514上的外壳515h，并且柱塞515p在负载板下方延伸以用于与桩502的上端接合。在这个示例中没有提供专用或单独的着陆块。

在这种情况下，子结构在首先着陆时通过致动器515安置在桩502上。致动器515被构造为提供缓冲或减震，例如当子结构着陆时产生的冲击负载的缓冲或减震。通过作用在外壳415h与柱塞515p之间的致动器515中的液压流体(例如油)提供缓冲。致动器515可以使用流体供应回路来激活，使得外壳515h中的流体提供适当的阻力来缓冲负载。

着陆之后，致动器515接合并且在周边处(在这个示例中，在边缘表面502d处)向下推压桩502，使得通过致动器在桩与腿部之间的刚性连接允许子结构的重量通过致动器515传递到桩和/或允许子结构校平。

应该理解的是，落有定位装置的桩的表面实际上可以是不平坦的(例如，表面的某些部分高于其它部分)，使得定位装置中的不同着陆块可以基于它们定位的位置而受到不同的力。围绕腿部的不同位置的致动器可以彼此独立地操作并得到不同的延长，并且由此，可以通过致动器以更相等的比例支撑子结构的重量，以此为给定的腿部提供更稳定的支撑。通常，致动器可以被用于在周向地围绕腿部的任意数量的位置处接合基部。因此，任意数量(例如，一个或多个)的致动器或上述活动着陆块可以在任何给定的腿部上使用。

而且，可以注意到，通过在各个的腿部4a、4b、104、204、404、504上提供上述类型的定位装置10、110、210、41、510，每个腿部相对于桩的高度可以独立于每个腿部来调节，以便校平子结构。这在腿部的一个基部或多个基部处的高度稍有不同的(例如，可以是倾斜的)情况下可以是有用的，使得子结构可以倾斜或变得不稳定，并趋于通过外力来回倾覆。通过操作上述致动器115、215、415、515，腿部可以彼此独立地向上移动或向下移动以帮助稳定子结构。

在不脱离本文所述的本发明的范围的情况下，可以进行各种修改和改进。可以注意到，所述定位装置可以应用于将子结构安装在桩之外的其它基部上(例如，重力地基)。基部可以是用于接纳腿部的容座的形式，并且该容座和/或腿部可以具有方形或圆形的截面、或者其它形状。这些设备可以应用于水下及陆地上两方面。还可以注意到，千斤顶通常不一定需要液压操作。