一种水力喷冲沉桩辅助装置的制作方法

一种水力喷冲沉桩辅助装置
1.技术领域
2.本实用新型涉及海洋平台的海底电缆保护桩管的沉桩设备，特别是一种水力喷冲沉桩辅助装置。
3.

背景技术：

4.海上油田的中心平台与卫星平台之间的电力系统按照“陆上网电为主”的原则，形成了以“陆地变电站
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海底电缆
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中心平台变电站
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海底电缆
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卫星平台”为主的电源建设模式，中心平台与卫星平台之间由海底电缆组成“手拉手式”的环网供电模式，将电能供给各卫星平台。
5.但是，海上油田一般处在滩海交界地带，海洋动力、海底地貌条件复杂，存在大面积冲刷区域，导致海底电缆多处裸露和悬空，海冰引起的电缆护管装置振动的破坏作用也尤为明显。
6.特殊的地理和海洋环境，易导致海底电缆出现电缆护管旋转接头脱落、电缆悬空、电缆护管开裂、电缆磨损等故障隐患，使海底电缆由此引发各类故障。据统计，其中以登平台处电缆护管底端电缆入口处对海底电缆的磨损占比最大，可达45.83%。海底电缆发生故障会造成大面积的停电，影响油井正常生产，严重危害到油田的产能建设及生产安全，因海底电缆故障带来的直接以及间接经济损失非常巨大。
7.目前，国内外海底电缆登录平台端，多采用j型或i型电缆护管进行电缆的支撑及安全防护。电缆护管与导管架腿的连接方式主要采用多根短管焊接或采用管卡与导管架外壁固定在一起，护管端部连接旋转接头、喇叭口或弯曲限制器。弯曲限制器能够组合成链状，具有最小锁死弯曲半径，防止电缆弯折。其弯曲限制器最小锁死弯曲半径大于海缆安全工作半径，从而对海缆起到保护作用。
8.为了方便海底电缆的安装，电缆进入电缆护管底部的高度均在海底冲刷后泥面以上，而海底电缆均埋设于海底冲刷后泥面以下1.5米，电缆在进入电缆护管前只有几米的裸露段，不会产生较大的振动。但是这种电缆护管在海底的安装和固定方式若用于海上平台的海底电缆，则另当别论。由于海洋潮汐动力影响、浅层工程地质、海底动力地貌条件复杂和平台构筑物的存在，平台附近海床冲刷明显。海底电缆近平台端极易产生悬空、裸露现象，使得近平台端电缆出现明显的晃动或振动，进一步导致电缆护管与平台导管架连接的支撑结构焊缝开裂、电缆护管旋转接头脱落、弯曲限制器断裂等现象。
9.通过多年对海上平台海底电缆损坏的案例研究和分析，结论是由于电缆护管末端未入泥，受海底冲刷的影响，海底电缆安装后，平台周围一定范围内会形成较大的冲刷坑。j型护管端部及电缆就出现较大范围的悬空现象，如说明书附图中图1所示：j型护管端部与海底冲后泥面能够悬空4.8m、距离5m处与海底冲后泥面悬空4m、距离10m处与海底冲后泥面悬空3.2m、距离15m处与海底冲后泥面悬空2m、距离20m处与海底冲后泥面悬空0.9m，在海流及海浪的作用下，海底电缆就会在j型管底端入口处晃动，不可避免地与j型管喇叭口钢构件产生摩擦，在交变位移的持续作用下，导致电缆疲劳损伤，进而引起电缆的磨损和破坏。
10.典型的海底电缆悬空情况有两种：一种为电缆入泥点距离护管管口水平距离较
远，电缆绷紧，管口处是应力集中点；电缆与喇叭口之间的摩擦带来的影响较大，此工况同样存在于i型电缆护管。另一种为电缆入泥点距离护管管口垂直距离较远，电缆自管口处垂下，管口处应力集中，电缆与喇叭口之间的摩擦带来的影响较大。
11.这两种情况的产生，分析根源主要是电缆进入护管的高度引起，常规电缆护管为了方便施工安装，护管喇叭口在海床泥面以上1米左右，但由于平台附近的冲刷深度达到2
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3米，所以电缆在进入护管前的自由高度多在3米以上。另外，平台周围由于冲刷的影响，冲刷坑的冲刷半径大约在30米左右，如此长的悬空和自由段，在海流、海浪作用下，往复晃动就难以避免了，从而引起电缆的磨损或疲劳破坏。
12.如果在服役的海洋平台的桩腿周围为海底电缆安装保护和固定用的电缆保护桩，就需要考虑沉桩方式，常规海上沉桩方式主要采用锤击式打入，采用冲击锤或振动锤，均是依靠浮吊起重船，将桩锤固定于桩顶部，冲击锤依靠锤冲击能量将钢管桩打入泥面以下，振动锤依靠锤振动使海底土壤液化，钢管桩在自身重量和桩锤的重量作用下逐渐下沉至设计深度。但这两种沉桩设备均受一定条件制约，比如不能在海洋平台甲板下面打入，因为桩锤设备需要一定安装和操作空间，平台甲板下的高度无法满足。而如果将电缆保护桩安装于平台外较远距离，电缆保护桩就需要独自承受海流、海浪和海冰作用，电缆保护桩的刚度难以达到原设计要求，也就是说，电缆保护桩需要海洋平台桩腿的支撑和加强。海上沉桩方式，还有一种是采用钻井船钻孔，成孔后，在孔内下入钢桩，但这种沉桩主要依靠钻井船，也无法在海洋平台甲板下实施，而且费用高，桩基承载力不如打入式桩基高等，更不适用。
13.所以，应该研制一种震动小、在海洋甲板下方辅助沉桩的沉桩辅助装置，助力选择使用的沉桩切削装置，完成沉桩施工。


技术实现要素：

14.本实用新型针对海洋平台使用的海底电缆存在护管脱落，电缆悬空、电缆磨损等问题，提供一种水力喷冲沉桩辅助装置，辅助沉桩切削装置，克服常规的打桩设备和打桩手段在海洋平台和桩腿附近沉桩对海洋平台和桩腿的影响，将电缆保护桩管沉入海底泥面以下，让海底电缆从海底泥面以下穿入，使海洋平台和桩腿附近的沉桩施工顺利进行。保护海底电缆，提高经济效益。
15.本实用新型的技术解决方案是：
16.一种水力喷冲沉桩辅助装置设有桩管供水管线、供水管线法兰接头、储水能量腔和喷冲喷头，桩管供水管线和高压供水软管线连接在供水管线法兰接头的两端，桩管供水管线的下端与装有喷冲喷头的储水能量腔连通，高压供水软管线的另一端与施工船上面的水泵连接。
17.所述供水管线法兰接头的两端分别设有供水管线接口，桩管供水管线和高压供水软管线分别与供水管线法兰接头两端的供水管线接口连接。
18.所述储水能量腔是管状体，管状体上端的顶板是盲板、管状体下端不封闭，所述的管状体中部内腔装有隔板并且在隔板中装有喷冲喷头。
19.安装所述喷冲喷头的隔板不设中心孔，喷冲喷头设置在隔板的外周。
20.所述储水能量腔是管状体，管状体上端的顶板是设置了切削装置传动轴通过孔的孔板、管状体下端不封闭，所述的管状体中部内腔装有隔板并且在隔板中装有喷冲喷头。
21.安装所述喷冲喷头的隔板设有中心孔且中心孔内能够穿过沉桩切削装置的传动轴，喷冲喷头设置在隔板中心孔的外周。
22.位于所述供水管线法兰接头上方的供水管线接口的上端封闭，位于所述供水管线法兰接头下方的供水管线接口的下端不封闭；所述桩管供水管线的上端管口与设在供水管线法兰接头上方的供水管线接口的管壁连通；高压供水软管线与设在供水管线法兰接头下方的供水管线接口连接。
23.所述桩管供水管线的上部是回形管，桩管供水管线的下端与储水能量腔连接；桩管供水管线上端的回形管通过水力喷冲沉桩辅助装置吊耳固定在电缆保护桩管的外面，与所述桩管供水管线下端连接的储水能量腔安装在电缆保护桩管的下端。
24.所述水力喷冲沉桩辅助装置吊耳的耳板之间设有悬挂轴，水力喷冲沉桩辅助装置吊耳的耳板焊接在电缆保护桩管外壁的上部；所述桩管供水管线上部的回形管通过钢丝或缆绳固定在水力喷冲沉桩辅助装置吊耳的悬挂轴上面。
25.所述喷冲喷头是锥形管并且设置在隔板的下端，喷冲喷头在隔板中至少设有二个；桩管供水管线至少设有一根。
26.与现有技术相比，本实用新型的显著使用效果是：
27.1、本实用新型固定在电缆保护桩管外部，可以单独使用，也可以与沉桩切削装置组合使用。
28.2、本实用新型与沉桩切削装置组合使用时，本实用新型中的储水能量腔安装在电缆保护桩管的下端，沉桩切削装置中的气动马达能够座于储水能量腔的上端，连接在气动马达和切削钻头之间的传动轴能够从储水能量腔中穿过，本实用新型中的喷冲喷头正好位于沉桩切削装置的切削钻头周围。
29.3、在使用本实用新型辅助沉桩切削装置沉桩的过程中，能够边喷冲、边切削，能够快速破碎海底土体，有效提高了沉桩的施工效率，减小了破碎海底土体时的震动，大大降低了对海洋平台和平台桩腿的不良影响。
30.4、本实用新型中的沉桩辅助装置与沉桩切削装置组合使用后，有别于海上常用的锤击式、振动式沉桩方法中使用的沉桩设备，对周围构筑物的影响小，适用桩基口径在0.4米及以上，尤其是对于大口径桩管更为适用。对于沼泽，湖泊，湿地，滩海等地质条件均适用，适用范围广泛，易于施工，具有较高的施工安全性和显著的工程施工应用价值。
31.5、本实用新型与沉桩切削装置组合使用，使海洋平台台面下的沉桩施工成为了可能，为海底电缆埋入海底泥面以下创造了条件，有效保护了海底电缆，避免了现有海底电缆悬空登海洋平台的各种弊端，能够产生巨大的经济效益，具有显著的使用效果。
附图说明
32.附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
33.图1是本实用新型的结构示意图。
34.图2是本实用新型与沉桩切削装置组合使用的结构示意图。
35.图3是本实用新型中施工船配合沉桩施工的应用示意图。
具体实施方式
36.附图仅为参考与说明之用，并非用以限制本实用新型的保护范围。下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
37.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
38.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
39.参见图1、图2和图3，一种水力喷冲沉桩辅助装置设有桩管供水管线w2、供水管线法兰接头w3、储水能量腔w5和喷冲喷头w6，桩管供水管线w2和高压供水软管线连接在供水管线法兰接头w3的两端，桩管供水管线w2的下端与装有喷冲喷头w6的储水能量腔w5连通，高压供水软管线的另一端与施工船上面的水泵连接。
40.所述供水管线法兰接头w3的两端分别设有供水管线接口w4，桩管供水管线w2和高压供水软管线分别与供水管线法兰接头w3两端的供水管线接口w4连接，可方便桩管供水管线w2和高压供水软管线的连接和拆卸。
41.所述储水能量腔w5是管状体，管状体上端的顶板是盲板、管状体下端不封闭，所述的管状体中部内腔装有隔板并且在隔板中装有喷冲喷头w6。本水力喷冲沉桩辅助装置能够单独使用、也能够配合沉桩切削装置联合使用。如果本装置单独使用，储水能量腔w5的顶板就是盲板。
42.安装所述喷冲喷头w6的隔板不设中心孔，喷冲喷头w6设置在隔板的外周，如果水力喷冲沉桩辅助装置单独使用，安装了喷冲喷头w6的隔板就不设中心孔。
43.所述储水能量腔w5是管状体，管状体上端的顶板是设置了切削装置传动轴通过孔的孔板、管状体下端不封闭，所述的管状体中部内腔装有隔板并且在隔板中装有喷冲喷头w6。如果水力喷冲沉桩辅助装置与沉桩切削装置联合使用，储水能量腔w5的顶板就是设置了切削装置传动轴通过孔的孔板。
44.安装所述喷冲喷头w6的隔板设有中心孔且中心孔内能够穿过沉桩切削装置的传动轴a6，喷冲喷头w6设置在隔板中心孔的外周。如果与沉桩切削装置联合使用，安装了喷冲喷头w6的隔板就设置中心孔且中心孔内能够穿过沉桩切削装置的传动轴a6，以便与喷冲喷头w6下方的沉桩切削装置的切削钻头a7连接，喷冲喷头w6对沉桩切削装置的切削钻头a7下方的土体喷冲，有利于土体的快速破碎，能够加快施工速度。
45.位于所述供水管线法兰接头w3上方的供水管线接口w4的上端封闭，位于所述供水管线法兰接头w3下方的供水管线接口w4的下端不封闭；所述桩管供水管线w2的上端管口与
设在供水管线法兰接头w3上方的供水管线接口w4的管壁连通；高压供水软管线与设在供水管线法兰接头w3下方的供水管线接口w4连接。使用供水管线法兰接头w3和供水管线接口w4，可方便桩管供水管线w2和高压供水软管线的连接和拆卸。
46.所述桩管供水管线w2的上部是回形管，桩管供水管线w2的下端与储水能量腔w5连接；桩管供水管线w2上端的回形管通过水力喷冲沉桩辅助装置吊耳w1固定在电缆保护桩管3的外面，与所述桩管供水管线w2下端连接的储水能量腔w5安装在电缆保护桩管3的下端。
47.所述水力喷冲沉桩辅助装置吊耳w1的耳板之间设有悬挂轴，水力喷冲沉桩辅助装置吊耳w1的耳板焊接在电缆保护桩管3外壁的上部；所述桩管供水管线w2上部的回形管通过钢丝或缆绳固定在水力喷冲沉桩辅助装置吊耳w1的悬挂轴上面。
48.所述喷冲喷头w6是锥形管并且设置在隔板的下端，喷冲喷头w6在隔板中至少设有二个；桩管供水管线w2至少设有一根。使用锥形管的喷冲喷头w6的喷冲效果更好，设置多根桩管供水管线w2，其喷冲压力大且喷冲均匀。
49.安装了喷冲喷头w6的隔板的中心孔内能够穿过沉桩切削装置的传动轴a6，以便与喷冲喷头w6下方的切削钻头a7连接。通过喷冲喷头w6的水力喷冲，能够使切削装置的切削钻头a7下方的土体快速解体，边切削边喷冲、更有利于土体的快速破碎，大幅加快施工速度。
50.如果本实用新型与沉桩切削装置联合使用，本实用新型固定在电缆保护桩管3的一侧，沉桩切削装置通过切削装置吊耳a1和供气管线a2固定在电缆保护桩管3的另一侧，供气管线a2下方依次与供气法兰接头和高压供气软管线连接。沉桩切削装置的气动马达安装在储水能量腔w5的上方，沉桩切削装置的传动轴a6穿过本实用新型中的隔板中心孔，与喷冲喷头w6下方的沉桩切削装置的切削钻头a7连接。
51.沉桩施工时，通过停泊在海平面上面的施工船上的浮吊将固定了本实用新型和沉桩切削装置的电缆保护桩管3整体吊装就位并将高压供水软管线和高压供气软管线的另一端分别与施工船上面的水泵和空气压缩机连接好。泵送的高压水流通过高压供水软管线和桩管供水管线w2进入储水能量腔w5，形成稳定的高压水能量，以上所述的水能量通过喷冲喷头w6形成直线型破土水射流，水射流冲击海底冲刷后泥面，辅助气动马达驱动的切削钻头a7完成快速破土，提高施工效率并能收到破土快、震动小的显著使用效果。
52.根据施工现场的土质结构，合理匹配水力喷冲能量，并结合计算相关喷冲能量和合理优化喷冲喷头w6和切削钻头a7的尺寸，实现水力喷冲效果最优化。气动马达根据旋转切削力匹配气量驱动，实现最优能耗比。将沉桩切削装置和水力喷冲辅助装置分别制造，组合使用，最终将水力喷冲和沉桩切削两种工具组装为一体并安装在电缆保护桩管3外面，完成平台桩腿附近的沉桩施工。即完成了海底电缆的埋入施工，又避免了对海洋平台和平台桩腿在沉桩施工中的影响，所带来的经济效益和社会效益巨大。
53.上面叙述的实施例仅仅为典型实施例，但本实用新型不仅限于这些实施例，本领域的技术人员可以在不偏离本实用新型的精神和启示下做出修改。尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的创造精神和创造理念之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。因此，保护范围不仅限于上文的说明。