CN111874173B - 一种可转动的浮式海上管道桁架 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可转动的浮式海上管道桁架，包括浮力组件、连接杆件和铰接件，浮力组件由浮力可调节点和节点间连杆模块化建造和扩展；浮力可调节点包括壳体，壳体内设有中心气管，壳体与中心气管之间设有弹性气囊，中心气管上设有进排气口，中心气管的至少一端连接气源，壳体上设有进排水口；通过调节弹性气囊的进排气量来调节气囊膨胀程度，以此调节壳体与弹性气囊间的进排水量，进而调节浮力可调节点的浮力；连接杆件与浮力组件通过铰接件连接。本发明用于在深海养殖时连接浮式中心服务平台和养殖网箱，和/或连接两个养殖网箱，使它们稳定可靠连接，各自管道和管线可通过浮式管道桁架连接，且铰接件可以使得本浮式管道桁架适应海面复杂环境。

Description

一种可转动的浮式海上管道桁架

技术领域

本发明属于海洋工程装置、特别是深远海养殖装备领域，更具体地，涉及一种可转动的浮式海上管道桁架。

背景技术

我国近岸海水养殖的过度发展已使得资源环境承载能力达到或接近上限，因此近海地区将发展深远海养殖作为构筑现代海洋产业体系的重要手段，但是必须解决好深远海养殖中“抗风浪”和“出效益”这两个突出问题。

在西北太平洋和中国南海每年平均有28次台风发生，其中对我国沿海有影响的台风平均有7次。我国很多湾外海域风大浪高、海水流速较快。在我国海水养殖发展过程中，高密度聚乙烯(HDPE)浮式网箱成为主导装备，但抗风浪问题一直没有得到根本解决。

2018年，青岛武船重工有限公司建造的世界最大的全潜式网箱“深蓝1号”在青岛下水，该网箱周长180米，养殖水体5万立方米，网箱放置在距海岸线130海里的黄海冷水团，由一条3000吨级的工作船停泊在网箱旁日长投喂，一次养殖30万条三文鱼。但是极高的造价严重制约了其推广普及，使中小型水产养殖企业难以承受。

产业链不配套问题成为深远海养殖“走出去”的重大牵绊。我国水产养殖还是以家庭式、小规模的生产方式为主，且没有形成规模效应，装备难以支持深远海养殖的规模化生产方式。比如：数万立方米体积的深远海养殖网箱需要一次性投放大量规格苗种，网箱收获季，又需要在一个较短的时间段，处理加工数千吨渔获的能力和冷链物流运输及市场容纳能力。

传统近海海上网箱养殖的模式为(网箱+工作船)模式，在离岸较近的海域上分布若干养殖网箱，这些养殖网箱由每天若干次往返于岸上基地的小型工作船负责投喂和维护，这种养殖模式一般只适用于离岸较近的小规模非智能化传统养殖。但随着网箱养殖走向深海，一般会在深海海域建造一个浮式中心服务平台为养殖网箱提供物资，而如果在深海养殖，小型工作船投喂和维护的缺点就显现出来了，因为在深海海域经常会有比较大的风浪，而小型工作船的抗风浪能力差，难以保持稳定的投喂周期。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种可转动的浮式海上管道桁架，其用于在深海养殖时连接浮式中心服务平台和养殖网箱，和/或连接两个养殖网箱使它们得到稳定可靠的连接，各种管道和线路，如水管、气管、强弱电电路线缆就可以通过本浮式管道桁架相连接，而且铰接件的设置可以使得本浮式管道桁架在整体上可随波浪的起伏上下波动，以抵消相连接的浮式中心服务平台和养殖网箱间绝对距离的波动以及因波浪造成整体桁架垂直扭曲形成的整体桁架的长度变化，而且浮力组件的浮力调整可有效适应海面复杂环境，以及浮式中心服务平台和养殖网箱在海面上的位置，保证了结构的安全性。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种可转动的浮式海上管道桁架，其特征在于，包括浮力组件、连接杆件和铰接件，其中：

所述浮力组件为空间桁架结构并由浮力可调节点和节点间连杆模块化建造和扩展，浮力可调节点设置在多根节点间连杆交汇处，且为相较节点间连杆膨大的薄壁空心球体，用以产生浮力组件工作中所需的浮力；

所述浮力可调节点包括壳体，所述壳体内设有中心气管，所述壳体与所述中心气管之间设有弹性气囊，所述中心气管上设有进排气口，所述中心气管的至少一端连接气源，所述壳体上、所述弹性气囊之外设有进排水口，所述进排水口可连通所在的外部水体；

通过调节所述弹性气囊的进排气量来调节气囊膨胀程度，以此调节所述壳体与所述弹性气囊之间的进排水量，进而调节浮力可调节点的浮力；

所述连接杆件与所述浮力组件通过所述铰接件进行铰连接，以使所述连接杆件可相对所述浮力组件转动。

优选地，所述连接杆件和所述浮力组件均具有多个，并且每个所述浮力组件上连接多个所述连接杆件。

优选地，所述铰接件为万向连接器。

优选地，所述中心气管作为所述壳体的内部加强支撑结构。

优选地，所述中心气管与中空的所述节点间连杆相互连通。

优选地，用于连接气源与所述中心气管的供排气管路设置在中空的所述节点间连杆中。

优选地，采用柔性接头替换所述节点间连杆。

优选地，所述中心气管的两端分别设有连接法兰和密封压板，用于与节点间连杆密封连接，其中一个连接法兰上设有进气口及相应的进气阀门，排气口及相应的排气阀门，进气口和排气口均与中心气管的一端连通，进气阀门与气源相连通，以用于进气，另一个连接法兰处设置进排水口及由外部信号控制的进排水阀门，以用于进排水。

优选地，所述浮力组件锚固在选定的海域。

优选地，所述桁架杆件上铰接有管道托架，所述管道托架上具有多个用于穿装管线的定位孔，其中，所述管线包括电路线缆和/或投喂管道。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)本发明用于在深海养殖时连接浮式中心服务平台和养殖网箱，和/或连接两个养殖网箱，使它们得到稳定可靠的连接，使得各种管道和线路，如水管、气管、强弱电电路线缆就可以通过本浮式管道桁架相连接，而且铰接件的设置可以使得本浮式管道桁架在整体上可随波浪的起伏上下波动，以抵消相连接的浮式中心服务平台和养殖网箱间绝对距离的波动以及因波浪造成整体桁架垂直扭曲形成的整体桁架的长度变化。

2)本发明的浮力组件的浮力大小依靠浮力可调节点的球直径，全部或部份浮力组件可单点或多点锚固在一个大致的海域范围内，这样整个管道桁架的连接方向的活动范围也就确定了。

3)本发明的管道托架上有一组定位孔用于管道的安装定位；一般情况下一个定位孔位安装和孔径相近(略小于)的管道或若干跟较细的管道集合体。管道托架和连接杆件之间采用可绕水平轴转动的单点连接。

4)本发明将中空的节点间连杆本身作为气源的供气通道，或者利用节点间连杆的中空空间设置气源与中心气管之间的供排气管路，这样供排气管路在节点间连杆中得到很好的保护，在整个海工装备的制造过程中，供排气管路预制在节点间连杆中进行组装，提高了生产效率。

5)由于浮力可调节点是独立均匀分布在浮力组件的各个力学节点上的，所以对整个浮式海上管道桁架产生和浮式海上管道桁架相对应的支撑浮力，改善了整个浮式海上管道桁架的应力分布状态。

6)由于每个浮力组件之间的独立性，在个别浮力组件浮力失效时，整个浮式海上管道桁架总体浮力水平仍维持在安全水平线之上，从而保证了浮式海上管道桁架的浮力和连接的可靠性。

7)浮式海上管道桁架结构具有重量轻、工业化程度高、整体强度刚度大、易于拼装扩展、制造施工方面、投资成本低等特点。可以完全满足强度和安全性要求，替代传统的大型浮式结构，并降低设计、制造、施工难度和成本，缩短施工周期、减少自然条件限制且维修简单。

8)本发明采用浮力可调节点为浮式海上管道桁架提供浮力及浮力调整，既可以完全在水中完成，利用水下相对平静的洋流环境，避免海上风浪的影响；也可以在正常全浮工作状态与超浮工作状态下完成，例如海上风浪较小时，更利于利用海面以上部分自身的重力配合水下浮力，从而使浮式海上管道桁架的姿态更好地与养殖网箱的位置相适应，以及更好地适应海面情况。

附图说明

图1是本发明的主视图；

图2是本发明的俯视图；

图3和图4是本发明中不同结构的管道托架的示意图；

图5是本发明一个柔性接头连接浮式组件的示意图；

图6是本发明中多个柔性接头连接浮式组件的示意图；

图7是本发明中的浮力可调节点的示意图；

图8是本发明中的浮力可调节点的最小浮力示意图；

图9是本发明中的浮力可调节点的中等浮力示意图；

图10是本发明中的浮力可调节点的最大浮力示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1～图10所示，一种可转动的浮式海上管道桁架，用于在深海养殖时连接浮式中心服务平台和养殖网箱，和/或连接两个养殖网箱，可在连接浮式中心服务平台和养殖网箱后，浮式海上管道桁架、浮式中心服务平台和养殖网箱共同组成智能化新能源深远海养殖综合体，该浮式海上管道桁架包括浮力组件100、连接杆件200和铰接件300，其中：

所述浮力组件100为空间桁架结构并由浮力可调节点10和节点间连杆12模块化建造和扩展，浮力可调节点10设置在多根节点间连杆12交汇处，且为相较节点间连杆12膨大的薄壁空心球体，用以产生浮力组件100工作中所需的浮力；

所述连接杆件200与所述浮力组件100通过所述铰接件300进行铰连接，以使所述连接杆件200可相对所述浮力组件100转动，铰接件300可保证连接杆件200至少可绕水平轴转动。

进一步，所述连接杆件200和所述浮力组件100均具有多个，并且每个所述浮力组件100 上连接多个所述连接杆件200，每个所述浮力组件100分别锚固在选定的海域。本发明的浮力组件100的浮力大小依靠浮力可调节点10的球直径，全部或部份浮力组件可单点或多点锚固在一个大致的海域范围内，这样整个浮式海上管道桁架的连接方向的活动范围也就确定了。

进一步，所述连接杆件200上铰接有管道托架11，所述管道托架11上具有多个用于穿装管线的定位孔，所述管线包括电路线缆和/或投喂管道。管道托架上有一组定位孔用于管道的安装定位；一般情况下一个定位孔位安装和孔径相近(略小于)的管道或若干根较细的管道集合体，管道托架11和连接杆件200之间采用可绕水平轴转动的单点连接。

进一步，所述铰接件300为万向连接器，譬如万向节、万向球铰等，使得浮式海上管道桁架在整体上可随波浪的起伏上下波动，也可以在水平方向左右扭曲，以抵消相连接的浮式中心服务平台和养殖网箱间绝对距离的波动以及因波浪造成整体桁架垂直扭曲形成的整体桁架的长度变化。

进一步，采用柔性接头400替换所述节点间连杆，使得相邻两个浮力可调节点10之间具有挠性，可进行小范围的相对转动，能更好地适应海面的复杂环境，优选地，相邻两个浮力可调节点10之间的柔性接头400可以设置多个。

由于节点浮力装置，是独立均匀分布在桁架结构的各个力学节点上的，所以对整个结构产生和结构相对应的支撑浮力，改善了整个结构的应力分布状态。

由于每个浮力组件100之间的独立性，在个别浮力组件100浮力失效时，整个浮式海上管道桁架浮力水平仍维持在安全水平线之上，从而保证了浮式海上管道桁架的安全性。

本发明的浮式海上管道桁架结构具有重量轻、工业化程度高、整体强度刚度大、易于拼装扩展、制造施工方面、投资成本低等特点。可以完全满足强度和安全性要求，降低设计、制造、施工难度和成本，缩短施工周期、减少自然条件限制且维修简单。

考虑到浮力组件100的力学性能和材料体积比较的优化，首选浮力可调节点10的形状为中空球形体，在球体腔内部为质量较轻的气体或其它轻质材料。浮力可调节点10的中心为桁架力学节点中心。在具体应用中，浮力可调节点10是以和结构关系对应的、按一定空间规律排列的形式组合，再配合节点间杆件12，从而可以使得浮力组件100成模块化建造和扩展，譬如浮力可调节点10可布置在多边形的边上或顶点上，各浮力可调节点10通过节点间杆件12进行连接，从而形成一个大的浮力模块。

本发明提供的包括密集节点间杆件12和膨大的浮力可调节点10的浮力组件100，该浮力组件100主体有效地分散了工作状态所产生的结构应力,并能在部分结构失效的情况下保持总体结构的完整性，从而极大的提高了海工装备的结构力学性能，保证了整个装备的安全性。另外，这种分散密集钢结构主体有着较高的固有频率，不易与外部工况产生共振，这也大大提高了结构的疲劳极限，保证了浮式海上管道桁架的安全工作年限。

本发明的浮式海上管道桁架结构具有重量轻、工业化程度高、整体强度刚度大、易于拼装扩展、制造施工方面等特点。本发明的桁架结构特点突出，随着海洋技术的发展，将其引入到海洋工程中，可用连接浮式中心服务平台和养殖网箱。

在海洋环境中，波浪冲击是结构设计的主要控制荷载，为有效利用海上空间、开发海洋资源，本发明将桁架结构引入到海洋环境中，通过对桁架结构模型的有限元分析和计算，表明在海洋环境荷载作用下，结构整体的应力分布较均匀，结构整体受力合理；在实际结构设计时，应结合具体的工程要求，保证结构强并处理好应力值与许用应力的关系，可采取改变局部构件的尺寸参数等措施来提高结构的有效承载力。

具体地，本发明的浮力组件100中的浮力可调节点10，设置在多个节点间连杆12的交汇外(一个浮力可调节点10可以连接多根节点间连杆12)，且为相较节点间杆件12膨大的薄壁空心球体，用以产生海上管道桁架工作中所需的浮力。在一些具体应用领域，需要在海工装备的某些特定位置调整浮力的大小，这时可在浮力可调节点的内部，加装可动态调节水气体积比例的装置，以实现整个装备的浮潜、平衡和姿态调整。通过有目的地调整多个或多组浮力可调节点的浮力大小，可以实现浮力组件100在水中的吃水深度或承载量的调整，实现结构物在水中的浮潜调整，如在正常全浮工作状态与座底工作状态之间的浮潜调整。

在一些具体应用领域，通过同步或分布调节浮式海上管道桁架中至少部分浮力可调节点 10的浮力的方式，对浮力组件100及浮式海上管道桁架的浮力进行调节，这里的浮力调节既可以完全在水中完成，利用水下相对平静的洋流环境，避免海上风浪的影响；也可以在正常全浮工作状态与超浮工作状态下完成，例如海上风浪较小时，更利于利用海面以上部分自身的重力配合水下浮力，从而使浮式海上管道桁架的姿态更好地与养殖网箱的位置相适应，以及更好地适应海面情况。

浮力可调节点10的具体结构方案为，浮力可调节点10包括球壳体101，所述球壳体101 内设有中心气管102，所述球壳体101与所述中心气管102之间设有弹性气囊103，所述中心气管102上设有进排气口104，所述中心气管102的至少一端连接气源，所述球壳体101上、所述弹性气囊103之外设有进排水口105，所述进排水口105可连通所在的外部水体；所述中心气管102两端的壳体上设有连接法兰106和密封压板107，用于与节点间杆件12 密封连接，上连接法兰处设有进气口108及相应的进气阀门1081、排气口109及相应的排气阀门1091，均与中心气管102上端连通，进气阀门与排气阀门与气源相连通，如气体压缩装置(如气泵)或储存压缩气体的球形储物节点；当然，进气口和排气口、由外部信号控制的进气阀门与排气阀门均可以合并为一个；下连接法兰处进排气口105相应设有由外部信号控制的进排水阀门1051，优选还设有外部水体和内部水体之间的进水过滤器1010。通过调节所述弹性气囊103的进排气量来调节气囊膨胀程度，以此调节所述球壳体101与所述弹性气囊103之间的进排水量，进而调节浮力可调节点的浮力。运行过程为，当进气阀门1081和进排水阀1051门同时打开时，压缩气体进入弹性气囊103，气囊膨胀，体积增大，相应体积的水从进排水阀门1051排入外部水体，这时浮力可调节点的浮力增大。反之，当排气阀门 1091和进排水阀门1051同时打开时，弹性气囊103中的气体压力下降，气囊收缩，体积减小，相应体积的水从进排水阀门1051进入浮力可调节点内部，这时浮力可调节点的浮力增大。在以上调节过程中，如果同时关闭进、排气阀门和进排水阀门1051，浮力可调节点的内部的水气比例将维持阀门关闭时的状态，这时浮力可调节点的浮力稳定在调整到的具体数值。

当浮力可调节点10内部全部为气体时，浮力可调节点10的浮力最大，当气体压力减小时，外部水体的水将逐步进入球体内部，浮力可调节点10的浮力也随之减少，当气体压力减小到外部水体的水全部充满球体内部时，浮力可调节点的浮力达到最小。

进一步地，所述中心气管102作为所述球壳体101的内部加强支撑结构。进一步地，所述浮力结点10中每个所述中心气管102均设置在各自的所述球壳体101的主受力方向上。

进一步地，所述中心气管102与中空的所述节点间杆件12相互连通，通过中空的节点间杆件12本身作为气源的供气通道，适用于节点间杆件12的直径、气路长度、气源的功率等相互匹配的情况下。如果匹配情况不佳，进一步地，利用节点间杆件12的中空空间设置气源与所述中心气管102之间的供排气管路，这样供排气管路在节点间杆件12中得到很好的保护，在整个海工装备的制造过程中，供排气管路预制在节点间杆件12中进行组装。

本发明可在深海海域使用，连接浮式中心服务平台和养殖网箱，承载各种柔性管道和电缆等，完全满足大型浮式结构物的强度要求和安全性，设计成熟、制造施工难度低，施工周期短、实体结构投资小，将其引入到深海养殖工程中，可完善智能化新能源深远海养殖综合体。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可转动的浮式海上管道桁架，其特征在于，包括浮力组件(100)、连接杆件(200)和铰接件(300)，其中：

所述浮力组件(100)为空间桁架结构并由浮力可调节点(10)和节点间连杆(12)模块化建造和扩展，浮力可调节点(10)设置在多根节点间连杆(12)交汇处，且为相较节点间连杆(12)膨大的薄壁空心球体，用以产生浮力组件(100)工作中所需的浮力；

所述浮力可调节点(10)包括壳体(101)，所述壳体(101)内设有中心气管(102)，所述壳体(101)与所述中心气管(102)之间设有弹性气囊(103)，所述中心气管(102)上设有进排气口(104)，所述中心气管(102)的至少一端连接气源，所述中心气管(102)与中空的所述节点间连杆(12)相互连通，用于连接气源与所述中心气管(102)的供排气管路设置在中空的所述节点间连杆(12)中，所述壳体(101)上、所述弹性气囊(103)之外设有进排水口(105)，所述进排水口(105)可连通所在的外部水体；

通过调节所述弹性气囊(103)的进排气量来调节气囊膨胀程度，以此调节所述壳体(101)与所述弹性气囊(103)之间的进排水量，进而调节浮力可调节点的浮力；

所述连接杆件(200)与所述浮力组件(100)通过所述铰接件(300)进行铰连接，以使所述连接杆件(200)可相对所述浮力组件(100)转动。

2.根据权利要求1所述的一种可转动的浮式海上管道桁架，其特征在于，所述连接杆件(200)和所述浮力组件(100)均具有多个，并且每个所述浮力组件(100)上连接多个所述连接杆件(200)。

3.根据权利要求1所述的一种可转动的浮式海上管道桁架，其特征在于，所述铰接件(300)为万向连接器。

4.根据权利要求1所述的一种可转动的浮式海上管道桁架，其特征在于，所述中心气管(102)作为所述壳体(101)的内部加强支撑结构。

5.根据权利要求1所述的一种可转动的浮式海上管道桁架，其特征在于，采用柔性接头(400)替换所述节点间连杆(12)。

6.根据权利要求1所述的一种可转动的浮式海上管道桁架，其特征在于，所述中心气管(102)的两端分别设有连接法兰(106)和密封压板(107)，用于与节点间连杆(12)密封连接，其中一个连接法兰(106)上设有进气口(108)及相应的进气阀门(1081)，排气口(109)及相应的排气阀门(1091)，进气口(108)和排气口(109)均与中心气管(102)的一端连通，进气阀门与气源相连通，以用于进气，另一个连接法兰(106)处设置进排水口(105)及由外部信号控制的进排水阀门(1051)，以用于进排水。

7.根据权利要求1所述的一种可转动的浮式海上管道桁架，其特征在于，所述浮力组件(100)锚固在选定的海域。

8.根据权利要求1所述的一种可转动的浮式海上管道桁架，其特征在于，所述连接杆件(200)上铰接有管道托架(11)，所述管道托架(11)上具有多个用于穿装管线的定位孔(111)，其中，所述管线包括电路线缆和/或投喂管道。

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