一种适用于冰区多桩柱水工结构的抗冰锥系统

本发明涉及多桩柱水工结构施工，尤其是一种适用于冰区多桩柱水工结构的抗冰锥系统。

背景技术：

1、伴随着我国海洋能源开发事业的不断发展，海洋石油开采以及海上风电运营等海洋工程日益活跃。在高纬度海域，冬季环境下受低温影响海面上会生成大量浮冰、冰排，进而势必会对海洋结构物桩腿造成持续地撞击，所引发的冰载荷和冰激振动会对海洋结构物的正常运营、人员安全以及经济造成巨大的安全风险。尤其是，在多桩腿协同支撑海洋构建物的情形下，如导管架平台，还极易发生冰堵塞现象，即海冰填满了多桩腿结构之间的空间，受热胀冷缩效应影响，桩腿结构极易因不均衡力作用而出现剧烈振动问题，进而势必会对桩腿的稳定性以及海洋平台的运营安全性造成不利的影响。

2、为降低作用在桩腿上的峰值冰荷载，进而有效地减弱冰载荷对海洋结构物桩腿的撞击。抗冰锥成为目前冰区海洋工程的优选结构形式。对于多桩腿导管架平台来说，现有的抗冰锥虽然可以起到破冰的效果，但是大体积浮冰、冰排被被破坏为碎冰后，从抗冰锥表面攀爬、滑落，部分滑落碎冰随海流聚集在桩腿之间，且随温度的降低以及持续时间的延续，会进一步加剧桩腿间的冰塞问题，进而引起桩腿结构的剧烈振动。再者，现有的抗冰锥大多为简易、固定式钢架结构，对薄冰层的破坏效果显著，然而，在其受到极寒地区厚冰层撞击的情形下，当碎冰沿着抗冰锥攀爬、滑落的进程中，所生成的摩擦力较大，受冰激振动因素影响，势必会严重地破坏桩腿的结构稳定性，最终导致抗冰锥的实际应用效果欠佳。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，最终导致该适用于冰区多桩柱水工结构的抗冰锥系统的出现。

2、为了解决上述技术问题，本发明涉及了一种适用于冰区多桩柱水工结构的抗冰锥系统，包括抗冰锥。抗冰锥用来对来犯海冰的位移方向进行优化，其环绕冰区柱腿进行套设、且固定。另外，适用于冰区多桩柱水工结构的抗冰锥系统还包括有分隔单元和高压气体发生装置。抗冰锥由沿着由上至下方向依序连接为一体的正锥体、隔板以及倒锥体构成，且附带地在隔板的上、下方分别形成有上置空腔、下置空腔。分隔单元由上置锥形件和下置锥形件构成。上置锥形件置于上置空腔中，且被正锥体所包围，协同隔板以将上置空腔分隔为沿着由外至内方向依序而置的第一上置子分腔、第二上置子分腔。下置锥形件置于下置空腔中，且被倒锥体所包围，协同隔板以将下置空腔分隔为沿着由外至内方向依序而置的第一下置子分腔、第二下置子分腔。在正锥体、倒锥体的侧壁上分别均布有多个上置排气孔、下置排气孔。高压气体发生装置内置于抗冰锥内，且其由隔板所直接负担。工作状态下，高压气体发生装置启动，所生成的高压气体被供应至第一上置子分腔，且后续经由与之相配套的的上置排气孔而外排，或被供应至第一下置子分腔，且后续经由与之相配套的下置排气孔而外排，抑或所生成的高压气体被同时供应至第一上置子分腔和第一下置子分腔，且后续分别经由与之相配套的上置排气孔、下置排气孔而外排。

3、作为本发明所公开技术方案的进一步改进，高压气体发生装置包括有供水管路、补气管路、蒸汽发生罐、稳压罐、连接管路、主排气管路、气体输送泵以及液体输送泵。蒸汽发生罐包括有罐体和电加热单元。供水管路与罐体相连通，且与液体输送泵相配套以向着罐体供入海水。电加热单元用来将海水加热至沸腾，直至有水蒸气生成，其内设于罐体中。补气管路与罐体相连通，且伴随着水蒸气的生成进程其与气体输送泵相配套以持续地向着罐体补充气体。稳压罐用来暂存水蒸气，且其借由连接管路以实现与罐体的连通。主排气管路与稳压罐相连通，经其将水蒸气供入第一上置子分腔或/和第一下置子分腔。

4、作为本发明所公开技术方案的更进一步改进，高压气体发生装置还包括有三通接头、第一排气支管路以及第二排气支管路。第一排气支管路、第二排气支管路均借由三通接头以实现与主排气管路的连通。第一排气支管路、第二排气支管路分别一一对应地与第一上置子分腔、第一下置子分腔相连通。

5、作为本发明所公开技术方案的更进一步改进，高压气体发生装置还包括有第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀以及第五电磁阀。第一电磁阀用来控制向着罐体的供水进程，其与供水管路相配套。第二电磁阀用来控制向着罐体的补气进程，其与补气管路相配套。第三电磁阀用来控制所生成水蒸气向着稳压罐的供入进程，其与连接管路相配套。第四电磁阀用来控制所生成水蒸气向着第一上置子分腔的供入进程，其与第一排气支管路相配套。第五电磁阀用来控制所生成水蒸气向着第一下置子分腔的供入进程，其与第二排气支管路相配套。

6、作为本发明所公开技术方案的更进一步改进，高压气体发生装置还包括有第一单向阀以及第二单向阀。第一单向阀与第一排气支管路相配套，且布置于第四电磁阀的下游。第二单向阀与第二排气支管路相配套，且布置于第五电磁阀的下游。

7、作为上述技术方案的另一种改型设计，适用于冰区多桩柱水工结构的抗冰锥系统还包括有上置分层单元和下置分层单元。上置分层单元由m件内置于第一上置子分腔中的、且相互平行而置的上置分层隔板构成，附带地，第一上置子分腔被分隔为相互隔绝、均可借由第一排气支管路独立地泵入水蒸气的、且借由上置排气孔与外界相连通的第一上置孙分腔、第二上置孙分腔……第m+1上置孙分腔。下置分层单元由n件内置于第一下置子分腔中的、且相互平行而置的下置分层隔板构成，附带地，第一下置子分腔被分隔为相互隔绝、均可借由第二排气支管路独立地泵入水蒸气的、且借由下置排气孔与外界相连通的第一下置孙分腔、第二下置孙分腔……第n+1下置孙分腔。

8、作为本发明所公开技术方案的进一步改进，适用于冰区多桩柱水工结构的抗冰锥系统还包括气体智能分配系统。气体智能分配系统用来控制向着第一上置孙分腔、第二上置孙分腔……第m+1上置孙分腔、第一下置孙分腔、第二下置孙分腔……第n+1下置孙分腔泵入水蒸气的进程。

9、作为本发明所公开技术方案的进一步改进，气体智能分配系统包括有超声波水位探测仪、信号输出系统、m+1个上置电磁阀以及n+1个下置电磁阀。各上置电磁阀分别一一对应地与第一上置孙分腔、第二上置孙分腔……第m+1上置孙分腔相配套应用，以控制向其供入水蒸气的进程。各下置电磁阀分别一一对应地与第一下置孙分腔、第二下置孙分腔……第n+1下置孙分腔相配套应用，以控制向其供入水蒸气的进程。超声波水位探测仪用来实时地监测海平面高度，其可拆卸地固定于冰区柱腿的侧壁上，且位于抗冰锥的上方。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，即时分别向着m+1个上置电磁阀和n+1个下置电磁阀发出开合信号。

10、作为本发明所公开技术方案的更进一步改进，气体智能分配系统包括有m+1个上置单向阀以及n+1个下置单向阀。各上置单向阀分别一一对应地与上置电磁阀相配套应用，且布置于上置电磁阀的下游。各下置单向阀分别一一对应地与下置电磁阀相配套应用，且布置于下置电磁阀的下游。

11、作为本发明所公开技术方案的进一步改进，电加热单元优选为布置于罐体空腔中的盘绕状加热管或回转状加热管。

12、在实际应用中，内置于抗冰锥中的高压气体发生装置持续不断地生成高压气体(＞12mpa)。在倒锥体被海水部分浸没的情形下，高压气体被直接供应至第一下置子分腔中，且最终经由下置排气孔外排；而在海水越过隔板所处高度，浸没部分正锥体的情形下，高压气体同时被直接供应至第一上置子分腔和第一下置子分腔中，且最终分别经由上置排气孔、下置排气孔外排；而在正锥体完全被海水所浸没的情形下，高压气体亦同时被直接供应至第一上置子分腔和第一下置子分腔中，且最终分别经由上置排气孔、下置排气孔外排。在高压气体被持续地充入海水的进程中，伴随着气泡的大量生成。且初态气泡因受到内外水压差的影响而迅速膨胀，且外观上呈现不对称收缩、坍塌形态，从而产生微射流，所释放的大量脉动能作用于浮冰，加之，气泡持续不断地上浮至冰层下方并聚集，在气泡融合以及湮灭进程中会释放大量的热能和冲击能，冰层得以瞬时破裂，从而最终达到破碎冰层的目的。

13、再者，在气泡上浮的进程中，其体积逐渐地膨胀，到达极限急剧收缩，从而引发强烈的水气混合激流现象，在抗推体或桩柱的外围形成一层气体减阻层，如此，不但会在一定程度上提升抗冰锥的破冰效率、优化破冰效果，而且还会大幅度地降低海冰相对于抗推体或桩柱的摩擦力，利于碎冰顺利、快速地沿着抗冰锥进行攀爬、滑落，最终实现了减弱冰区桩柱上冰激振动效应的设计目的。

14、还需要说明的是，因气泡上浮进程中所产生水汽混合激流可以有效地冲散聚集于桩柱外围的碎冰，以避免碎冰在桩柱间持续聚集而引起的“冰塞”现象的发生。