坐底自升式风电打桩船的制作方法

本发明涉及海工设备领域，更具体地说，涉及风电打桩船。

背景技术：

目前开发可再生能源风靡世界，其中风电市场具有举足轻重的地位。据知，英国规划到2030前要将用电30％改为风电，其中突出是海上风电。如众已周知：中国高度重视风能的开发和利用，陆上风电已趋向饱和，开发海上风电方兴未艾。我国沿海蕴藏有巨大的风能，据中央气象局统计，近海水深5米至25米范围的风电潜能有5亿千瓦。按国家十三五规划，海上风电预计为开发1000万千瓦。据知，已经批准的海上风电项目近600万千瓦，而建成的海上风电仅约100万千瓦，由此今后开发海上风电任务艰巨。

海上风电机组的安装需要进行打桩，为风电机组的安装提供平台。传统打桩作业主要使用插桩式打桩船，插桩式打桩船由起重机、船体、桩腿和桩靴、抱桩器以及升降系统组成。在进行作业时，将带有巨大桩靴的大直径桩腿(直径4米以上)深深插入海底海床的泥中，直达硬土层(软质土壤条件下可能需要插入20～30米深)，为打桩船提供支撑。为减小浪涌对打桩船船体的冲击(视不同船型浪涌冲击可达3000～4000吨)，需要用桩腿将主船体稍抬离水面约5～6米，以令浪涌从其下方穿过，使其在海上风浪涌袭击下保持稳定。

传统的插桩式打桩船的作业过程存在如下的困难。

插桩和预压载：大型风电安装船(总重达2万吨)作业前必须对桩腿进行“预压”，载荷达8000～10000吨。以防止产生地基穿刺，导致平台倾斜甚至倾翻。使用压载水进行预压非常缓慢，上万吨容积的压载舱也难以实现，只能采用两腿受力的“对角压”，这种状态下主船体受力极大，导致船体结构增加重量数百甚至上千吨。即便配有100平米的大型桩靴，软土条件往往也需数十米插深才能提供足够的承载力，不但增加了桩腿的长度，齿条带上的泥沙严重影响升降齿轮寿命。极端条件下，甚至可能会因桩腿长度不够或太长导致强度不足无法实现作业。

拔桩：巨大的桩靴在插入泥面以下十几米后，其上覆盖泥土重量在拔桩时带来巨大下压力。同时还要克服桩靴底部负孔隙水压形成的吸附力、土壤粘聚力、侧摩阻力及土剪切破坏力。插深较深时，拔桩力很大，拔桩非常困难。高压水冲桩可以补充桩靴底部孔隙水，消除负压吸力。但桩靴在泥中插深较深时，土体强度很高，冲桩难度也很大。在特殊情况下，甚至可能冲不动桩。拔桩时要借用船的浮力克服拔桩力，一只一只的进行。耗时费力，拔桩出现困难时，可能需数日、1～2周，甚至更长(有案例耗费10周时间)。有时千方百计仍拔不出，不得已只好割掉桩靴。在软土海域，甚至可能因拔桩困难而影响到承接安装任务，对打桩船而言无疑是一大限制条件。

效率和风险：据调研，插桩式打桩船作业顺利时，平均打一根桩约1周左右。在泥质条件下，插拔压桩可占1/3～1/2作业时间，而遇到困难的时候，时间更不可控制。当出现拔桩困难时，不仅存在时间消耗，而且成为不受控制的不确定性状态。在海上需要面对每天的涨潮、落潮和变化的风浪等条件，不但增加了升降系统的负荷和寿命，整船的风险性也大为增加。

从上述的分析可知，插拔桩过程是打桩船作业过程中最耗时耗力的环节，但其作用仅为提供稳定的作业平台。若能在保证平台稳定性的前提下避免插拔桩的过程，对提高效率，加速风电场建设，以及降低海上作业风险性，均具有重大意义。

技术实现要素：

本发明提出一种能避免插拔桩的风电打桩船。

根据本发明的一实施例，提出一种坐底自升式风电打桩船，包括：上船体、起重机、桩腿和下浮体。起重机安装在上船体上。桩腿安装在上船体上。下浮体与桩腿连接。坐底自升式风电打桩船漂浮，上船体浮于水面上，桩腿收起，下浮体收起至上船体底部，下浮体位于水面下。坐底自升式风电打桩船站立，桩腿伸出，下浮体下沉至海床上，下浮体固定在海床上，上船体被桩腿顶起，上船体脱离水面。

在一个实施例中，下浮体包括：圆筒、立筒、横梁和抗滑桩。数个圆筒并列设置形成下浮体的主体。立筒设置在由数个圆筒形成的下浮体的主体的两侧。横梁横向设置在由数个圆筒形成的下浮体的主体的顶部和底部。抗滑桩设置在由数个圆筒形成的下浮体的主体的两侧。

在一个实施例中，抗滑桩设置在数个立筒之间的间隙中，抗滑桩能向下伸出或者向上收起，抗滑桩能向下伸出插入海床，固定下浮体并承载水平载荷。

在一个实施例中，横梁的内侧与圆筒的顶部或者底部接触，横梁的内侧形成弧形凹槽以与圆筒匹配。

在一个实施例中，桩腿连接到由数个圆筒形成的下浮体的主体的顶部。

在一个实施例中，桩腿通过球铰连接到位于顶部的横梁上。

在一个实施例中，圆筒中注入或者排出水，使得下浮体具备不同的浮力。

在一个实施例中，立筒中注入或者排出水，以平衡起重机的倾覆力矩。

本发明的坐底自升式风电打桩船不需要插拔桩，能大幅度提升作业效率，降低作业风险。该坐底自升式风电打桩船的下浮体能通过注排水来调节浮力并平衡起重机的倾覆力矩。

附图说明

本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1揭示了根据本发明的一实施例的坐底自升式风电打桩船的结构图，图1中坐底自升式风电打桩船处于漂浮状态。

图2揭示了根据本发明的一实施例的坐底自升式风电打桩船的结构图，图2中坐底自升式风电打桩船处于站立状态。

图3揭示了根据本发明的一实施例的坐底自升式风电打桩船中下浮体的结构图。

图4揭示了根据本发明的一实施例的坐底自升式风电打桩船中下浮体的横向剖视图。

图5揭示了根据本发明的一实施例的坐底自升式风电打桩船中下浮体的纵向剖视图。

具体实施方式

为解决传统插桩式打桩船作业过程中插拔桩的困难，提出坐底自升式风电打桩船。传统的插桩式打桩船相比，坐底自升式风电打桩船取消了桩靴，改为具有大排水量和底面积的下浮体。打桩船的重量不再仅由桩靴承受，而是由浮力和下浮体底面共同承受，并按需求可随时调节。

大体而言，坐底自升式风电打桩船由上船体与下浮体构成，上船体和下浮体由桩腿连接。下浮体可坐在海水下泥面上。依靠下浮体浮力和坐底反力承担自重，并将风电打桩船的上船体抬离水面5米到6米，以便风浪涌穿过,减小冲击。非作业状态时，下浮体可收入到上船体内，以便利调遣或航行。

船体总重并非全部作用在下浮体上，而是坐底自升式风电打桩船自重＝泥上坐底载荷+浮力。由此，设计排水量足够大的浮体，调节下浮体的排水量(吸排下浮体内的水可调节浮力)即可改变坐底载荷，从而可以适应海底不同承载力的泥层(甚至是淤泥)，从而扩大风电打桩船的适用范围。

因风浪涌产生的水平力一部分被垂直力与泥面产生的摩擦力承受，另一部分被下部插入表层泥中的无桩靴的抗滑桩的水平抗剪力来承受。起重机运行时产生的倾覆力矩由吸排水系统来平衡。正常吊重作业时，在泥面上只有比较均布的垂直载荷，基本上不会出现因力矩而产生的偏载。

参考图1和图2所示，图1和图2揭示了根据本发明的一实施例的坐底自升式风电打桩船的结构图，其中图1中坐底自升式风电打桩船处于漂浮状态，图2中坐底自升式风电打桩船处于站立状态。

如图所示，该坐底自升式风电打桩船包括：上船体103、起重机101、桩腿102和下浮体104。起重机101安装在上船体103上。桩腿102安装在上船体103上。下浮体104与桩腿102连接。坐底自升式风电打桩船漂浮时，如图1所示，上船体103浮于水面上，桩腿102收起，下浮体104收起至上船体103底部，下浮体103位于水面下。坐底自升式风电打桩船站立时，如图2所示，桩腿102伸出，下浮体104下沉至海床上，下浮体104固定在海床上，抗滑桩105插入到海床的泥中，上船体103被桩腿102顶起，上船体103脱离水面。在一个实施例中，桩腿102将上船体103顶起至距离水面5～6米的距离，以防风浪涌的冲击。

图3、图4和图5揭示了根据本发明的一实施例的坐底自升式风电打桩船中下浮体的结构图，其中图4揭示了下浮体的横向剖视图，图5揭示了下浮体的纵向剖视图。

如图所示，下浮体包括：圆筒201、立筒202、横梁203和抗滑桩105。数个圆筒201并列设置形成下浮体的主体。在一个实施例中，数个直径为7米的圆筒201并列设置，形成下浮体的主体。参考图4所示，在圆筒201内设置有支撑柱211，支撑柱211起到加强筋的作用。立筒202设置在由数个圆筒形成的下浮体的主体的两侧。横梁203横向设置在由数个圆筒形成的下浮体的主体的顶部和底部。在图示的实施例中，横梁203的内侧与圆筒201的顶部或者底部接触，横梁203的内侧形成弧形凹槽以与圆筒201匹配。抗滑桩105设置在由数个圆筒形成的下浮体的主体的两侧。在图示的实施例中，抗滑桩105设置在数个立筒202之间的间隙中，抗滑桩105能向下伸出或者向上收起，抗滑桩105能向下伸出插入海床，固定下浮体并承载水平载荷。如图所示，桩腿102连接到由数个圆筒形成的下浮体的主体的顶部。在一个实施例中，桩腿102通过球铰连接到位于顶部的横梁203上。横梁203是整体结构且较为坚固，因此适于与桩腿102连接。球铰能够减少连接部位的应力集中，有效的保护下浮体的整体结构，实现坐底自升式风电打桩船的合理的应力分布。

圆筒201中能注入或者排出水，通过控制圆筒201的注排水使得下浮体具备不同的浮力。两侧的立筒202中能分别注入或者排出水，通过控制两侧的立筒202的不同的注排水，能够平衡起重机作业时的倾覆力矩。

在图1所示的漂浮状态，该坐底自升式风电打桩船漂浮于海面上，以进行短程调遣和拖带远航。图2所示的站立状态是作业状态，在升降机构作用下，下浮体下沉到海床上，抗滑桩插入海床，坐底自升式风电打桩船依靠下浮体与海床的摩擦力以及抗滑桩的水平剪力来实现抵抗水平载荷。坐底自升式风电打桩船依靠下浮体的浮力调节来实现调控坐底力，以实现适应不同地质特点的海床。由于采用下浮体，放弃桩靴，所以就没有拔桩之苦，在转运桩位时，提升了工作效率。

对下浮体的圆筒进行注排水来实现下浮体的浮力调节，进而实现调节坐底自升式风电打桩船的坐底力。抗滑桩是为了抵抗由于风浪涌等产生的水平载荷。由于上船体上设置有起重机，在起重机作业时会产生大小时刻在变化的倾覆力矩，可以通过对下浮体的立筒调拨压载水来实现力矩平衡。

本发明的坐底自升式风电打桩船不需要插拔桩，能大幅度提升作业效率，降低作业风险。该坐底自升式风电打桩船的下浮体能通过注排水来调节浮力并平衡起重机的倾覆力矩。

上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。