CN111809591A - 一种采用气囊助浮对钢架进行自浮下潜定位安装装置及施工方法 - Google Patents

Abstract

一种采用气囊助浮对钢架进行自浮下潜定位安装装置，设置在钢架上，钢架的每个竖边上设置有至少一个竖向气囊，钢架底部的每个横边上设置有至少一个水平气囊，钢架上设置有若干吊环，竖向气囊和水平气囊均连接有吊带，吊带与吊环之间连接有液压脱钩器，竖向气囊和水平气囊均设置有充放气控制阀门，充放气控制阀门信号连接有中央充放气控制器，钢架的四个角外侧均通过缆绳连接有带定位锚索的定位船。本发明的有益效果是：可以直接在船坞内自浮，然后漂浮牵引到指定安装地点，显著降低对船舶设备资源的依赖性，降低施工费用，缩短施工周期。

Description

一种采用气囊助浮对钢架进行自浮下潜定位安装装置及施工 方法

技术领域

本发明涉及一种采用气囊助浮对钢架进行自浮下潜定位安装装置及施工方法。

背景技术

目前在海工领域，有很多的钢架安装在海床上，为上部的设备提供支持，比如海洋钻井平台的导管架就是典型的作为支撑上部采油模块的钢架，通常体积巨大，长款高数十米，总量几千吨到上万吨；作为海上风电的基座其也是将基座钢架做成支腿形式安装到海床上，而且该基座的受力状态比较复杂，安装精度要求高；当前在海产品养殖业中，流行将承载众多养殖箱的钢架安装到指定的海上养殖区，为追求更大的养殖空间，其钢架的体积巨大，但重量相对导管架轻，安装精度低。类似上述结构的钢架满足了各个行业的特殊需求，其钢架的设计制造安装和将来的拆除都成为专业技术。

在钢架的安装过程中，普遍采用浮吊安装的方式，通常在建造场地建造完成后移运到船舶或半潜船上，运输到安装地点后，采用另外一艘浮吊船将钢架吊起，然后靠吊机下放到海床上，定位后进行后期打桩固定作业。这是比较传统的施工流程方式，其流程完备，施工经验丰富，施工风险低。但在实际中，经常遇到浮吊船资源有限，有时需要提点半年或一年来确定半潜船、浮吊船的施工拍档期，出现紧张或难以协调时导致工期延误，对于大型的钢架，所采用的浮吊船的起吊能力较大，施工租船费用高。

专利（ZL201310363290.1）披露了一种利用气囊对深水导管架进行海上安装的方法，在导管架上部垂直安装有数个气囊组，能够对深水导管架提供一定的浮力，这样有助于对位于波浪敏感区域杆件的直径设计到在导管架杆件建造中所允许的最小值，有效地的降低了导管架所承受的环境力，并从根本上降低了对导管架刚度的需求，导管架下水后，能够垂直自浮，但在施工中仍需要用到浮吊船进行吊装定位。在实际应用中，很多的施工方案都在探讨无起吊安装方式，以减少对大型浮吊的依赖和降低施工费用。有些施工项目实际采用了气囊进行助浮，起到一定的助浮力效果，但仍没有脱离对各种浮吊的依赖。而且在实际采用气囊进行助浮中，也暴露处一些问题，比如定位问题，由于洋流对气囊的冲击导致钢架在水中出现偏摆或左右晃动，导致吊机无法定位，实现不了安装地点的定位精度要求；比如气囊的浮力固定点的拆除困难问题，需要潜水员下潜进行人工拆除，由于挂点多，需要的拆除作业时间长，在深水区域采用水下机器人更产生较高的设备使用费用，导致其施工成本在浮吊租赁上省了，却在拆除上又多花费了。

发明内容

为解决以上技术上的不足，本发明提供了一种采用气囊助浮对钢架进行自浮下潜定位安装装置及施工方法，不需对钢架进行起吊，节约了施工设备，降低了施工成本。

本发明是通过以下措施实现的：

一种采用气囊助浮对钢架进行自浮下潜定位安装装置，设置在钢架上，所述钢架的每个竖边上设置有至少一个竖向气囊，钢架底部的每个横边上设置有至少一个水平气囊，钢架上设置有若干吊环，所述竖向气囊和水平气囊均连接有吊带，所述吊带与吊环之间连接有液压脱钩器，竖向气囊和水平气囊均设置有充放气控制阀门，所述充放气控制阀门信号连接有中央充放气控制器，钢架的四个角外侧均通过缆绳连接有带定位锚索的定位船。

上述液压脱钩器包括连接吊带的吊耳座，所述吊耳座左右两侧均向下一体延伸有夹板，两个夹板之间留有容纳槽，两个夹板上均设置有销孔，所述销孔内活动穿有可横向贯穿容纳槽和吊环的销轴，吊耳座左侧的夹板左侧连接有安装盘，所述安装盘左侧连接有左右横向延伸且内部中空的圆柱形的缸筒体，所述缸筒体内设置有可在缸筒体内左右滑动的活塞，所述安装盘中心设置有通孔，所述销轴左端穿过通孔延伸入缸筒体内并与活塞右端面中心相连接，所述缸筒体的内直径和活塞右端面的直径均大于通孔的内直径，活塞的外圆周表面与缸筒体内壁表面之间以及销轴的外圆周表面与通孔内壁表面之间均密封滑动接触，所述活塞右端端部外圆周面上开有圆环形的进油槽，所述进油槽与安装盘左侧端面之间连通，缸筒体右端侧壁上设置有与进油槽相连通的拔销进油口，所述活塞左侧端面与缸筒体内左侧端面之间设置有压缩弹簧，并且缸筒体左侧端面上开有排水口。

本发明还包括半潜船，所述半潜船上设置有可承载钢架的导轨车，半潜船底部铺设有轨道。

上述钢架为方形，钢架的每个直角竖边外侧和直角竖边的两侧均设置一个竖向气囊，钢架底部的四个横边分别设置一个水平气囊。

一种采用气囊助浮对钢架进行自浮下潜定位安装装置的施工方法，包括

以下步骤：

步骤1，将定位安装组件安装在钢架上，水平气囊和竖向气囊进行充气，将钢架放置在导轨车上并运到半潜船上，然后将半潜船牵引到钢架的安装地点，并通过四个定位船将钢架进行预拉紧；

步骤2，半潜船缓慢下潜，在水平气囊和竖向气囊的浮力作用下，钢架脱离导轨车并保持在稳定的漂浮状态，然后对水平气囊进行放气，使钢架缓慢下潜；

步骤3，水平气囊完全放气后，对竖直气囊进行放气，直至钢架继续下潜至底部安装位，定位船及时松开缆绳，液压脱钩器自动脱钩，水平气囊和竖直气囊上浮回收。

在步骤3中，在对竖直气囊进行放气的过程中，对钢架四个角上四组竖直气囊同时放气，并且每组竖直气囊的三个竖直气囊循环放气，以确保钢架在四个角上的浮力保持一致。

在步骤3中，向钢架的管腔中加注压载水，增加钢架自重，实现钢架下潜。

本发明的有益效果是：1、不采用浮吊船，钢架自浮靠锚船进行定位，采用液压脱钩器实现各挂点的自动拆除。钢架的自浮和下潜过程中，均不采用浮吊船； 2、钢架自浮后到安装定位完成的过程中，均采用多艘锚船进行牵引定位，多机协作拉紧钢架，消除了洋流海浪对钢架的冲击拍打影响，减少偏移和晃动，减少定位误差；3、采用液压脱钩器实现各挂点的自动拆除，动作过程短，缩短拆除时间，不需潜水员下水进行水下拆除，减少人工劳动量和水下操作意外风险，设计不同结构的液压脱钩器可以满足深水区域的水下脱钩，减少对水下机器人的依赖，降低施工费用，缩短施工周期；4、各种气囊、管线、控制器、液压脱钩器等可以重复使用，根据需要进行组合实现不同结构和重量钢架的气囊布置和浮力提供，整套装置预计循环使用寿命至少5次以上或3年内多次使用，显著降低每次施工费用的成本分摊，维修保养方便，费用也低。5、当采用在船坞建造钢架的方式时，可以直接在船坞内自浮，然后漂浮牵引到指定安装地点，可以做到全程不需要半潜船和浮吊，仅需要拖船和定位船，显著降低对船舶设备资源的依赖性，降低施工费用，缩短施工周期。

附图说明

图1 为本发明的主视结构示意图。

图2为本发明在定位船牵拉状态的俯视结构示意图。

图3为本发明的钢架下沉状态的结构示意图。

图4为本发明的钢架安装完成后的结构示意图。

图5为本发明的液压脱钩器的结构示意图。

其中：1钢架，2竖向气囊，3水平气囊，4半潜船，5导轨车，6定位锚索，7气管，8集中控制端，9中央充放气控制器，11脱钩器液压控制器，12液压管线，13液压脱钩器，14吊耳座，15夹板，16安装盘，17销轴，18拔销进油口，19活塞，20压缩弹簧，21缸筒体，22排水口，100定位船，101绞车，102船锚。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述：

如图1、2、5所示，一种采用气囊助浮对钢架进行自浮下潜定位安装装置，设置在钢架1上，钢架1的每个竖边上设置有至少一个竖向气囊2，钢架1底部的每个横边上设置有至少一个水平气囊3，钢架1上设置有若干吊环，竖向气囊2和水平气囊3均连接有吊带，吊带与吊环之间连接有液压脱钩器，竖向气囊2和水平气囊3均设置有充放气控制阀门，充放气控制阀门信号连接有中央充放气控制器，钢架1的四个角外侧均通过缆绳连接有带定位锚索的定位船100。水平气囊3的头部斜拉吊带，防止气囊放气时其左右摆动，从而影响浮力产生的浮心位置偏移。半潜船4负责将钢架1从建造地点运输到安装水域位置。导轨车5托住钢架1其支撑作用，导轨车5能在半潜船4的导轨上滚动，是钢架1转运到半潜船4上的滑行托运装置。钢架1下潜定位时，采用定位船100拉紧定位锚索6的方式进行钢架1的安装定位。 气管7连接各个气囊和集中控制端8，集中控制端8对气囊进行充放气、压力检测的控制装置。脱钩器液压控制器11实现对各个液压脱钩器13的控制，实现脱钩动作；液压管线12连接在脱钩器液压控制器11与液压脱钩器13之间。为了提高稳定向，本发明还设置了半潜船4，半潜船4上设置可承载钢架的导轨车5，半潜船4底部铺设有轨道。钢架1为方形，钢架1的每个直角竖边外侧和直角竖边的两侧均设置一个竖向气囊2，钢架1底部的四个横边分别设置一个水平气囊3。

中央充放气控制器9对四个终端控制器进行控制，从而实现各个气囊的充气、放气和压力检测记录等。定位船100的四角四艘对称定位，定位船100上的绞车101收放缆绳实现对钢架1的拉紧和放松，从而四艘定位船100协调收放定位锚索6，减少洋流对钢架1和气囊冲击引起的偏摆和晃动，进行钢架1定位；定位船100的船锚102起到固定定位船100的作用。

液压脱钩器13包括连接吊带的吊耳座14，吊耳座14左右两侧均向下一体延伸有夹板15，两个夹板15之间留有容纳槽，两个夹板15上均设置有销孔，销孔内活动穿有可横向贯穿容纳槽的销轴17，销轴17可以贯穿吊环，吊耳座14左侧的夹板15左侧连接有安装盘16，安装盘16左侧连接有左右横向延伸且内部中空的圆柱形的缸筒体21，缸筒体21内设置有可在缸筒体21内左右滑动的活塞19，安装盘16中心设置有通孔，销轴17左端穿过通孔延伸入缸筒体21内并与活塞19右端面中心相连接，缸筒体21的内直径和活塞19右端面的直径均大于通孔的内直径，活塞19的外圆周表面与缸筒体21内壁表面之间以及销轴17的外圆周表面与通孔内壁表面之间均密封滑动接触，所述活塞19右端端部外圆周面上开有圆环形的进油槽，进油槽与安装盘16左侧端面之间连通，缸筒体21右端侧壁上设置有与进油槽相连通的拔销进油口18，活塞19左侧端面与缸筒体21内左侧端面之间设置有压缩弹簧20，并且缸筒体21左侧端面上开有排水口22。

如图3、4所示，一种采用气囊助浮对钢架1进行自浮下潜定位安装装置的施工方法，包括以下步骤：

步骤1，将定位安装组件安装在钢架1上，水平气囊3和竖向气囊2进行充气，将钢架1放置在导轨车5上并运到半潜船4上，然后将半潜船4牵引到钢架1的安装地点，并通过四个定位船100将钢架1进行预拉紧。按照布置图在钢架1上所有安装浮力装置，包括水平气囊3、竖直气囊、气路管线、充放气控制器、上拉吊带固定，下拉吊带固定，安装液压脱钩器13及其液压管线12和控制器，安装定位锚索6，并对各个气囊进行充气，达到设计的压力，并监控气压压降情况，及时排除泄漏气体故障，对液压脱钩器13进行预试验，保证脱钩动作顺利。自浮准备前，检查各个气囊的压力或补充气体；检查各个脱钩器的工作状态；检查气囊各个挂接点的可靠性。

步骤2，半潜船4缓慢下潜，在水平气囊3和竖向气囊2的浮力作用下，钢架1脱离导轨车5并保持在稳定的漂浮状态，然后对水平气囊3进行放气，使钢架1缓慢下潜；随着半潜船4缓慢下潜，钢架1和气囊也下潜，气囊入水产生浮力，随着下潜深度增加，提供的浮力越来越大，当浮力与总重量平衡时，钢架1开始漂浮，半潜船4继续下潜，则钢架1底部脱离半潜船4上的导轨车5，从而钢架1弯曲自由漂浮。随着钢架1的漂浮，四角的定位船100同时进行锚索收紧，对钢架1进行初步牵引固定，防止其大范围漂移。当钢架1底部脱离半潜船4上的导轨车5的距离满足安全性后，将半潜船4从钢架1底部移出，从而钢架1实现弯曲自浮，而定位船100保证其位置的固定和姿态的稳定。

步骤3，水平气囊3完全放气后，对竖直气囊进行放气，直至钢架1继续下潜至底部安装位，定位船100及时松开缆绳，液压脱钩器13自动脱钩，水平气囊3和竖直气囊上浮回收。在步骤3中，在对竖直气囊进行放气的过程中，对钢架1四个角上四组竖直气囊同时放气，并且每组竖直气囊的三个竖直气囊循环放气，以确保钢架1在四个角上的浮力保持一致。在步骤3中，向钢架1的管腔中加注压载水，增加钢架1自重，实现钢架1下潜。

采用对水平气囊3进行放气的操作来减少气囊产生的浮力，从而实现钢架1的下潜。对气囊放气应采用对称循环多次放气的操作，控制浮力减少的幅度，从而控制其下潜的速度和稳性。在放气过程中应监控钢架1的水平姿态，及时调整放气时间和放气的气囊。如果放气过程中出现某侧的水平气囊3异常，无法关闭而一直才泄气，则该侧的气囊浮力将损失很大，会导致钢架1倾斜，这种意外应在设计时通过下述方式来制定紧急措施：

第一，分析一侧气囊浮力损失导致的钢架1倾斜角度极限情况，如果超值，应将每侧的水平气囊3由一件改为两件，减少浮力损失，并制定相应的放气规则；

第二，如果没有其他预案，当一侧的水平气囊3浮力损失时，应将对称侧的气囊进行持续放气，减少对称两侧产生的浮力差，从而减少钢架1的倾斜状况；

如果没有其他预案也不能再放对称侧气囊的气体，则损失浮力的气囊侧会下沉，其两端的竖直气囊开始入水产生浮力，相应的减少了浮力损失，其倾斜程度有所减小，但这样会影响后期的竖直气囊产生浮力的效果。设计时应计算分析倾斜情况。

对水平气囊3继续放气，浮力减少，钢架1下潜，随着钢架1入水深度增加其四角的竖直气囊产生浮力，来填补因水平气囊3放气导致的浮力损失，这样就讲水平气囊3的浮力损失转移到竖直气囊的浮力增加上，从而保证钢架1的整体浮力状态，保证漂浮；同时四角的定位船100应实时收放锚索，拉紧钢架1，以保证钢架1的定位位置精确性。当水平气囊3完全放气后，钢架1整体下潜一定深度，仍具有漂浮状态，而且其依靠四角的竖直气囊剩余水面上的圆柱段，能产生更好的抗倾斜特性，水线面积更大，其稳性更好。

水平气囊3已经没有气体，无法提供浮力，钢架1的漂浮完全转移到由竖直气囊产生的浮力上来。要继续对钢架1下潜到安装位置，此时有两种方法：

第一，采用对竖直气囊放气的操作，减少竖直气囊产生的浮力，从而钢架1下潜。对竖直气囊进行放气时，应采用对四角的四个气囊组同时放气的方式，即对每个气囊组的一个气囊进行放气，保证该组的其余气囊浮力稳定，这样降低浮力损失过快导致的下潜异常发生风险。每组的气囊也应该采用循环放气的方式，实时监测四角的姿态。同时，四角的定位船100应实时跟踪锚索的松紧变化，进行收放，保证钢架1的定位位置误差。

第二，不对气囊进行放气，采用向钢架1的管腔中加注压载水的方式，增加钢架1自重，实现钢架1下潜，采用这种方式，控制精度高，应加水速度和位置决定钢架1的稳性姿态，有利于及时调整。当钢架1触底后，应及时对各个竖直气囊进行放气，定位船100应及时松开锚索，防止浮力或船体牵引钢架1产生二次移位。座底后应检查安装参数。

对竖直气囊进行进行放气，剩余一部分空气即可，有利于气囊的漂浮回收。操作液压脱钩器13的控制器，对所有气囊的液压脱钩器13进行脱钩动作，从而实现各挂点的水下解除连接。之后气囊漂浮水面，拆除管线和空气器，回收；采用其他设备将气囊牵引到回收船上回收即可。

液压脱钩器13采用销轴17式进行脱钩，销轴17与钢架1上的吊环进行连接，上部的吊耳座14内穿过吊带，这样液压脱钩器13就讲吊带和吊环串联起来，传递浮力。需要拆除时液压脱钩器13进行缩回销轴17的动作，销轴17从吊环的孔内脱出，实现吊点的拆除。多个液压脱钩器13之间的液压控制管路采用串联的方式，能进行逐个脱钩器的顺序动作；也可以采用多个脱钩器并联的方式，实现同时动作同时脱钩。

以上所述仅是本专利的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本专利的保护范围。

Claims (7)

1.一种采用气囊助浮对钢架进行自浮下潜定位安装装置，设置在钢架上，其特征在于：所述钢架的每个竖边上设置有至少一个竖向气囊，钢架底部的每个横边上设置有至少一个水平气囊，钢架上设置有若干吊环，所述竖向气囊和水平气囊均连接有吊带，所述吊带与吊环之间连接有液压脱钩器，竖向气囊和水平气囊均设置有充放气控制阀门，所述充放气控制阀门信号连接有中央充放气控制器，钢架的四个角外侧均通过缆绳连接有带定位锚索的定位船。

2.根据权利要求1所述采用气囊助浮对钢架进行自浮下潜定位安装装置，其特征在于：所述液压脱钩器包括连接吊带的吊耳座，所述吊耳座左右两侧均向下一体延伸有夹板，两个夹板之间留有容纳槽，两个夹板上均设置有销孔，所述销孔内活动穿有可横向贯穿容纳槽和吊环的销轴，吊耳座左侧的夹板左侧连接有安装盘，所述安装盘左侧连接有左右横向延伸且内部中空的圆柱形的缸筒体，所述缸筒体内设置有可在缸筒体内左右滑动的活塞，所述安装盘中心设置有通孔，所述销轴左端穿过通孔延伸入缸筒体内并与活塞右端面中心相连接，所述缸筒体的内直径和活塞右端面的直径均大于通孔的内直径，活塞的外圆周表面与缸筒体内壁表面之间以及销轴的外圆周表面与通孔内壁表面之间均密封滑动接触，所述活塞右端端部外圆周面上开有圆环形的进油槽，所述进油槽与安装盘左侧端面之间连通，缸筒体右端侧壁上设置有与进油槽相连通的拔销进油口，所述活塞左侧端面与缸筒体内左侧端面之间设置有压缩弹簧，并且缸筒体左侧端面上开有排水口。

3.根据权利要求1所述采用气囊助浮对钢架进行自浮下潜定位安装装置，其特征在于：还包括半潜船，所述半潜船上设置有可承载钢架的导轨车，半潜船底部铺设有轨道。

4.根据权利要求1所述采用气囊助浮对钢架进行自浮下潜定位安装装置，其特征在于：所述钢架为方形，钢架的每个直角竖边外侧和直角竖边的两侧均设置一个竖向气囊，钢架底部的四个横边分别设置一个水平气囊。

5.一种采用气囊助浮对钢架进行自浮下潜定位安装装置的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将定位安装组件安装在钢架上，水平气囊和竖向气囊进行充气，将钢架放置在导轨车上并运到半潜船上，然后将半潜船牵引到钢架的安装地点，并通过四个定位船将钢架进行预拉紧；

步骤2，半潜船缓慢下潜，在水平气囊和竖向气囊的浮力作用下，钢架脱离导轨车并保持在稳定的漂浮状态，然后对水平气囊进行放气，使钢架缓慢下潜；

步骤3，水平气囊完全放气后，对竖直气囊进行放气，直至钢架继续下潜至底部安装位，定位船及时松开缆绳，液压脱钩器自动脱钩，水平气囊和竖直气囊上浮回收。

6.根据权利要求5所述采用气囊助浮对钢架进行自浮下潜定位安装装置的施工方法，其特征在于：在步骤3中，在对竖直气囊进行放气的过程中，对钢架四个角上四组竖直气囊同时放气，并且每组竖直气囊的三个竖直气囊循环放气，以确保钢架在四个角上的浮力保持一致。

7.根据权利要求5所述采用气囊助浮对钢架进行自浮下潜定位安装装置的施工方法，其特征在于：在步骤3中，向钢架的管腔中加注压载水，增加钢架自重，实现钢架下潜。

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