NL2011166C2 - Hei-inrichting en werkwijze voor de toepassing daarvan. - Google Patents

Description

HEI-INRICHTING EN WERKWIJZE VOOR DE TOEPASSING DAARVAN

De uitvinding heeft betrekking op een hei-inrichting, en meer in het bijzonder op een voor offshore werkzaamheden geschikte hei-inrichting.

Daarnaast heeft de uitvinding betrekking op een werkwijze voor het neerwaarts in een ondergrond drijven van een heipaal met een dergelijke hei-inrichting.

Nadelen van bestaande hei-inrichtingen, in het bijzonder voor offshore heien, zijn er in gelegen dat dergelijke hei-inrichtingen erg zware constructies zijn. In offshore toepassingen worden deze met grote vaartuigen met daarop voorziene zware kranen bediend. De heipalen worden één voor één in de grond gedreven.

Het heien zelf gebeurt doorgaans door het vanaf enige hoogte, via tussenkomst van een slagplaat, op de heipaal laten neerkomen van een valblok dat onderdeel uitmaakt van een heiblok. Typische eigenschappen van een dergelijke heiblok voor het slaan van een 'monopile' ten behoeve van offshore windmolens zijn een lengte van circa 15 m en een massa van zo'n 200 ton (met een valblok van 100 ton), alsmede een bijbehorende slagplaat van circa 200 ton. Heipalen worden steeds groter in diameter en lengte, en thans worden al heipalen van 1000 ton en met een diameter van 7 m geheid. De impact van het vallende valblok drijft een heipaal in de grond, doch gaat gepaard met een aanzienlijke geluidsproductie. Met name bij offshore werkzaamheden is deze geluidsproductie ongewenst, daar geluid in het water erg ver draagt en het onderwaterleven daardoor tot op grote afstand van de heilocatie kan verstoren.

In de niet-voorgepubliceerde Nederlandse octrooiaanvrage NL 2008169 van Aanvraagster wordt een hei- inrichting voorgesteld, waarbij boven en nabij het afsteunorgaan een flexibel orgaan is aangebracht dat een verbrandingsruimte met variabel volume insluit. Een nadeel van de toepassing van een flexibel orgaan is dat dit orgaan tijdens gebruik kan scheuren en lastig toegankelijk is voor vervanging.

Een doel van de onderhavige uitvinding is om een hei-inrichting en werkwijze voor de toepassing daarvan te verschaffen, waarbij de genoemde nadelen zich niet, of althans in mindere mate voordoen.

Het genoemde doel is bereikt met de hei-inrichting volgens de uitvinding, omvattende: - een in dwarsrichting aan of op een heipaal aangebracht of aanbrengbaar afsteunorgaan; - een vloeistofkamer die aan de onderzijde wordt begrensd door het afsteunorgaan, en verder één of meer zijwanden omvat en is ingericht om daarin een vloeistof te ontvangen; - één of meer drukopbouwkamers omvattende: - een bovenste deel dat een verbrandingsruimte insluit; - een onderste deel dat is voorzien van één of meer doorvoeropeningen die in fluïdumverbinding staan met de vloeistofkamer; - een ontstekingsmechanisme dat is ingericht voor het ontsteken van een zich in de verbrandingsruimte bevindende brandstof; en - waarbij de verbrandingsruimte is ingericht om daarin bevindende brandstof tijdens ontbranding zodanig te laten expanderen dat boven het afsteunorgaan een drukopbouw plaatsvindt en de zich boven het afsteunorgaan in de vloeistofkamer bevindende vloeistof ten minste in bovenwaartse richting van het afsteunorgaan vandaan wordt verplaatst, en een neerwaartse kracht via het afsteunorgaan op de heipaal wordt uitgeoefend.

Het werkingsprincipe is gebaseerd op de eerste en de derde wet van Newton: "actie = reactie". Ofwel: als een object A een kracht op een object B uitoefent, gaat deze kracht gepaard met een even grote, maar tegengestelde gerichte kracht van B op A. De verbrandingsruimte (object A) oefent tijdens expansie een kracht uit op het zich daarboven bevindende medium (reactiemassa B). Volgens de derde wet van Newton oefent de reactiemassa (B) een even grote, maar tegengesteld (dus neerwaarts) gerichte kracht uit op de verbrandingsruimte (A). Doordat de verbrandingsruimte zich boven en nabij het afsteunorgaan bevindt, zal de door de reactiemassa op de verbrandingsruimte uitgeoefende reactiekracht via het afsteunorgaan worden overgedragen aan de heipaal. De heipaal ondervindt daardoor een neerwaartse kracht via het afsteunorgaan, die volgens de uitvinding wordt aangewend voor het neerwaarts in de ondergrond drijven van de heipaal.

Daarnaast zal het tijdens expansie van de verbrandingsruimte omhoog verplaatste medium, weer naar beneden vallen en botsen met het afsteunorgaan, waar het wederom via het afsteunorgaan een neerwaartse kracht op de heipaal uitoefent. Dit werkingsprincipe komt overeen met de werking van conventionele heimachines, waarbij men een valblok vanaf enige hoogte op de heipaal laat vallen.

De toepassing van één of meer drukopbouwkamers in plaats van een flexibel orgaan verschaft nog een ander belangrijk voordeel. Het maximale volume van de verbrandingsruimte wordt bij een uitvoering waarbij een flexibel orgaan de verbrandingsruimte insluit beperkt door de maximale rek van het flexibel orgaan. Bij de uitvoering volgens de onderhavige uitvinding kan de verbrandingsruimte een groter volume aannemen, en is bovendien ook nog robuuster.

Door in tegenstelling tot de in de niet-voorgepubliceerde Nederlandse octrooiaanvrage NL 2008169 van Aanvraagster beschreven hei-inrichting drukopbouwkamers toe te passen die met een bovenste deel een verbrandingsruimte insluiten en verder een onderste deel omvatten dat is voorzien van één of meer doorvoeropeningen die in fluïdumverbinding staan met de vloeistofkamer, is de afscheiding die het flexibel orgaan van NL 2008169 tussen de verbrandingskamer en het water verschafte overbodig geworden. Doordat een dergelijke afscheiding volgens de onderhavige uitvinding afwezig kan zijn, wordt een robuustere hei-inrichting verkregen die bovendien niet beperkt wordt door de maximale rek van enig flexibel orgaan.

In tegenstelling tot het typerende staal-op-staal impactgeluid van conventioneel heien gaat het gaat het heiproces volgens de uitvinding gepaard met een ander type geluid dat minder schadelijk is voor het onderwaterleven.

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm vormt de drukopbouwkamer een starre behuizing, hetgeen robuust is.

Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvorm zijn de één of meer drukopbouwkamers binnen de vloeistofkamer aan het afsteunorgaan bevestigd. Wannneer de brandstof in de drukopbouwkamers wordt ontstoken en er in de door de drukopbouwkamers ingesloten verbrandingsruimte een expansie plaatsvindt, kan de drukopbouw die daardoor ontstaat vrijwel rechtstreeks door de in het onderste deel van de drukopbouwkamers voorziene doorvoeropeningen leiden tot een drukopbouw boven het afsteunorgaan.

Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvorm scheiden de één of meer zijwanden van de vloeistofkamer de vloeistof af van de omgeving. Doordat het medium zich in het heiblok of de heipaal bevindt en daardoor ten minste door de wand van het heiblok of de heipaal is afgesloten van het water dat zich buiten de hei-inrichting bevindt, wordt enkel dit medium ten gevolge van de expansie van de verbrandingsruimte verplaatst. Doordat het verplaatste medium is geïsoleerd van de omgeving, wordt een schokgolf in het omliggende water voorkomen. Bij de heiwerkzaamheden worden voor het waterleven belastende schokgolven aldus voorkomen.

Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvorm is de zich boven het afsteunorgaan in de vloeistofkamer bevindende vloeistof water. Met name bij offshore heien is water in overvloed aanwezig, waardoor het meenemen van een alternatief medium redundant is. Een verder voordeel van water is de hoge warmteoverdrachtscoëfficiënt daarvan, waardoor een snelle afvoer en verdeling van de bij de verbranding vrijkomende warmte plaatsvindt.

Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvorm omvat de hei-inrichting verder een brandstof-toevoerkanaal voor het in de verbrandingsruimte brengen van brandstof, en een verbrandingsproduct-afvoerkanaal voor het na ontbranding afvoeren van verbrandingsproducten. Doordat de verbrandingsruimte in een korte tijd met brandstof vulbaar en van verbrandingsproducten leegbaar is, is het systeem geschikt voor een serie opeenvolgende ontbrandingen in een relatief kort tijdsbestek. Overigens wordt opgemerkt dat desgewenst hetzelfde kanaal beide afwisselend de functies van brandstof toevoer en verbrandingsproduct afvoer kan vervullen. In dat geval fungeert het kanaal het ene moment als het brandstof-toevoerkanaal, en het andere moment als verbrandingsproduct-afvoerkanaal.

Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvorm is ten minste een afsluiting voorzien die tezamen met het afsteunorgaan en de één of meer zijwanden een vloeistofkamer met een in hoofdzaak gasdicht afgesloten volume vormt, en zijn verder toevoermiddelen voorzien voor het daarmee in en/of uit de in hoofdzaak gasdichte vloeistofkamer brengen van een fluïdum. Deze toevoermiddelen kunnen bijvoorbeeld een pomp en/of een gasfles omvatten.

Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvorm is het fluïdum lucht en/of water, waarbij met behulp van het fluïdum lucht een voordruk in de in hoofdzaak gasdicht afgesloten ruimte aanbrengbaar is, en het fluïdum water een reactiemassa verschaft.

Een heipaal die de grond in wordt gedreven ondervindt een totale heiweerstand die de som is van de puntweerstand en de schachtwrijvingsweerstand. Afhankelijk van parameters zoals de grondsoort, lengte van de heipaal en de vorm van de heipaal, variëren beide weerstanden en daarmee de totale heiweerstand. Door met de pomp de in het in hoofdzaak gasdicht volume aanwezige hoeveelheid water en lucht te beïnvloeden, is het drukopbouwprofiel optimaliseerbaar naar de op dat moment gewenste heikracht. Regelmiddelen die de gewenste heikracht bepalen voor een specifieke set parameters kunnen de pomp dienovereenkomstig aansturen. Proefondervindelijk is gebleken dat met slechts 5 meter waterkolom bij het aanbrengen van een voordruk reeds een piekdruk van 10-15 bar realiseerbaar is. Met een hogere waterkolom zijn hogere piekdrukken haalbaar.

Hoe verder de heipaal reeds in de ondergrond gedreven is, des te steviger deze staat. Met name de schachtwrijvingsweerstand neemt ook toe naarmate de ondergrondse lengte toeneemt. Echter, doordat de heipaal steeds steviger staat, kan ook steeds meer reactiemassa in de vorm van waterkolom in het heiblok of in een zelfheiende heipaal worden gedragen. Door de toename van de stevigheid van de paal waardoor een hoger zwaartepunt van de paal toelaatbaar is zonder dat de stabiliteit in het geding is.

Tevens kan de puntweerstand en/of de schachtwrijvingsweerstand verlaagd worden door tijdens het inheien van de paal een vloeistof in te brengen, bijvoorbeeld bij de kop van de paal of langs de wand van de heipaal. Een voorbeeld van een dergelijke vloeistof is grout, een mengsel van cement met water. Wanneer dit grout later uithardt wordt tevens een betere hechting van de paal aan de grond verkregen waardoor uiteindelijk de draagkracht hoger is dan wanneer deze paal zonder deze vloeistof zou zijn geheid.

Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvorm zijn meerdere drukopbouwkamers voorzien die ieder een ontstekingsmechanisme omvatten, en waarbij verder regelmiddelen zijn voorzien die zijn ingericht om de brandstof in de drukopbouwkamers in een voorafbepaalde volgorde en/of met een voorafbepaalde tussentijd te ontsteken.

Door meerdere verbrandingsruimten toe te passen wordt het systeem flexibeler toepasbaar. Zo is het bijvoorbeeld mogelijk om opeenvolgende ontbrandingen optimaal op elkaar af te stemmen. Het is enerzijds denkbaar dat een volgende verbrandingsruimte al wordt gevuld met brandstof, terwijl een zojuist ontstoken verbrandingsruimte nog moet worden ontdaan van de zich daarin bevindende verbrandingsproducten. Anderzijds kan bij het neerdalen van de bij een voorgaande ontbranding omhoog verplaatste reactiemassa de volgende ontbranding zodanig plaatsvinden, dat de drukopbouw wordt geoptimaliseerd naar de op dat moment te overwinnen heiweerstand. De door de regelmiddelen aangestuurde ontsteking verschaft de mogelijkheid een gewenst drukopbouwprofiel op te wekken.

Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvorm zijn regelmiddelen voorzien die zijn ingericht om gedurende de ontbranding van de brandstof in een verbrandingsruimte extra brandstof te injecteren en/of het ontstekingsmoment te variëren. Hiermee is het drukopbouwprofiel optimaliseerbaar naar de op dat moment gewenste heikracht. Regelmiddelen die de gewenste heikracht bepalen voor een specifieke set parameters kunnen injectie van extra brandstof dienovereenkomstig aansturen.

Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvorm is in of onder het afsteunorgaan ten minste één opening met een overdrukventiel voorzien. Opgemerkt wordt dat 'onder'' verwijst naar de oriëntatie tijdens het heiproces, dat wil zeggen dat de opening is aangebracht in het wanddeel tussen het afsteunorgaan en de ondergrond waarin de heipaal wordt geheid. Door een gat met een bepaalde afmeting (al dan niet variabel) onder het afsteunorgaan aan te brengen kan de uitstroomsnelheid van de vloeistof die zich onder het afsteunorgaan bevindt worden gereguleerd. Daarmee kan ook de zakkingssnelheid van de heipaal ten gevolge van een klap gelimiteerd worden.

Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvorm is de opening variabel en zijn regelmiddelen voorzien waarmee de grootte van de opening aanstuurbaar is. Hierdoor wordt de zakkingssnelheid van de heipaal nog beter controleerbaar.

Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvorm staat de verbrandingsruimte in gasverbinding met een onderdruk-ruimte die is ingericht om bij de verbranding vrijkomende verbrandingsproducten uit de verbrandingsruimte te zuigen. Door middel van een onderdruk worden de bij de verbranding vrijkomende verbrandingsproducten in een zeer korte tijd uit de verbrandingsruimte weggezogen. Hierdoor kunnen de verbrandingsproducten zijn verwijderd voordat het door de verbranding in bovenwaartse richting verplaatste medium terugvalt en weer botst met het afsteunorgaan. Doordat het vallende medium niet op een 'gasveer' neerkomt maar echt 'slaat' op het afsteunorgaan, kan de neerwaartse energie die door dit vallende medium op het afsteunorgaan wordt overgedragen vrijwel volledig worden aangewend voor het neerwaarts in de ondergrond drijven van de heipaal.

Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvorm is de hei-inrichting geïntegreerd in de heipaal die met zijn zijwand een zijwand van de vloeistofkamer vormt. Doordat de hei-inrichting is geïntegreerd in de heipaal kunnen meerdere palen vrijwel gelijktijdig worden geheid, waardoor het onderwaterleven gedurende een veel kortere tijdspanne wordt blootgesteld aan geluidsoverlast ten gevolge van het heien. Voor locaties met een waterdiepte van meer dan 25 meter is het gebruikelijk om speciale gestellen toe te passen, ook wel 'space frames' of 'jackets' genoemd. Deze vakwerkconstructies dragen de krachten via een aantal palen over aan de zeebodem, teneinde de massa/stijfheid verhouding te minimaliseren. Nadeel van dergelijke vakwerken is dat iedere paal afzonderlijk geheid moet worden of elke paal los verankerd wordt, hetgeen met de conventionele hei-inrichtingen een met het aantal palen evenredige arbeidstijd kost. Door desgewenst de heipaal uitschuifbaar op te nemen in een staander van de vakwerkconstructie (ofwel 'space frame' of 'jacket'), kan dit vakwerk op de zeebodem worden afgezonken, waarna de heipaal uit het vakwerk neerwaarts in de zeebodem heibaar is. Doordat bij het in een heipaal integreren van de hei-inrichting géén conventionele hei-inrichting benodigd is, kunnen volgens de uitvinding de verschillende heipalen vrijwel gelijktijdig in de ondergrond worden geheid. Bij het systeem volgens de uitvinding is de arbeidstijd derhalve onevenredig met het aantal palen: het heien van drie heipalen duurt nagenoeg even lang als het heien van een enkele heipaal. Dit is in het bijzonder voordelig voor het onderwaterleven, dat gedurende een veel kortere tijdspanne wordt blootgesteld aan geluidsoverlast ten gevolge van het heien.

Het systeem volgens de uitvinding is derhalve in staat om vooraf geassembleerde constructies - waarbij de fundering desgewenst al aan de windmolen vast zit - te heien. Een dergelijke constructie kan worden ingevaren en afgezonken, alvorens de constructie wordt vastgeheid.

Een verder voordeel van het overbodig zijn van een conventionele heimachine, is dat een dergelijke zware constructie met dienovereenkomstig geschikt vaartuig overbodig is. Het volstaat om een heipaal te plaatsen met een daartoe geschikte kraan en dienovereenkomstig geschikt vaartuig en slechts gedeeltelijk in de ondergrond te drijven, waarna het vaartuig met de kraan kan worden vervangen voor een kleiner vaartuig. Dit is bijzonder voordelig, daar er aanzienlijke onkosten gepaard gaan met het opereren van een dergelijk groot vaartuig en conventionele heimachine.

Na het heien kan er sprake zijn van grondwateroverspanning. Deze heeft tijd nodig om uit te werken waarna er nageheid kan worden om voldoende draagkracht aan de paal te kunnen ontlenen. Waar met een conventionele heitechniek een groot vaartuig op deze uitwerking van de grondwateroverspanning dient te wachten, is dat redundant bij het heisysteem volgens de uitvinding wanneer de hei-inrichting is geïntegreerd in een heipaal. Desgewenst blijft een klein vaartuig achter om nog enkele ontbrandingscycli via het werkingsprincipe van de uitvinding te geven, doch het is tevens denkbaar dat dit volledig autonoom na enige tijd plaatsvindt. Het volstaat daartoe dat voldoende brandstof en regelmiddelen aanwezig zijn.

De uitvinding heeft verder betrekking op een werkwijze voor het neerwaarts in een ondergrond drijven van een heipaal, omvattende de stappen van: - het in dwarsrichting aan of op een heipaal aanbrengen van een afsteunorgaan; - het in een vloeistofkamer, die aan de onderzijde begrensd wordt door het afsteunorgaan, opnemen van een vloeistof; - het aan een drukopbouwkamer toevoeren van een brandstof, waarbij de drukopbouwkamer omvat: - een bovenste deel dat een verbrandingsruimte insluit; en - een onderste deel dat is voorzien van één of meer doorvoeropeningen die in fluïdumverbinding staan met de vloeistofkamer; - waarbij zich bij het aan de drukopbouwkamer toevoeren van brandstof een hoeveelheid gas in het bovenste deel van de drukopbouwkamer opbouwt en daardoor de vloeistof in de drukopbouwkamer neerwaarts wegdrukt; - het met een onstekingsmechanisme tot ontbranding brengen van de brandstof die zich in de drukopbouwkamer boven de vloeistofspiegel bevindt, waardoor een expansie plaatsvindt; - het door de expansie via de fluïdumverbinding van de drukopbouwkamer naar de vloeistofkamer verplaatsen van ten minste een deel van de in de drukopbouwkamer bevindende vloeistof en/of verbrandingsproducten; - waardoor boven het afsteunorgaan een drukopbouw plaatsvindt en waardoor tevens de zich boven het afsteunorgaan in de vloeistofkamer bevindende vloeistof ten minste in bovenwaartse richting van het afsteunorgaan vandaan wordt verplaatst; en - het door de neerwaarts op de heipaal uitgeoefende reactiekracht neerwaarts in de ondergrond drijven van de heipaal.

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm omvat de werkwijze verder de stappen van: - het door een brandstof-toevoerkanaal in de verbrandingsruimte van de drukopbouwkamer brengen van brandstof; - het met het onstekingsmechanisme doen ontbranden van de brandstof in de drukopbouwkamer; - het na ontbranding door een verbrandingsproduct-afvoerkanaal afvoeren van verbrandingsproducten; en - het herhalen van deze stappen teneinde de heipaal stapsgewijs in de ondergrond te drijven.

Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvorm omvat de werkwijze verder de stap van het gedurende de ontbranding van de brandstof in de verbrandingsruimte injecteren van extra brandstof. Hierdoor is het drukopbouwprofiel optimaliseerbaar naar de op dat moment gewenste heikracht. Regelmiddelen die de gewenste heikracht bepalen voor een specifieke set parameters sturen desgewenst de injectie van extra brandstof dienovereenkomstig aan.

Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvorm is ten minste een afsluiting voorzien die tezamen met het afsteunorgaan en de één of meer zijwanden een vloeistofkamer met een in hoofdzaak gasdicht afgesloten volume vormt, en omvat de werkwijze de stap van het met een toevoermiddel, zoals een pomp of gasfles, in en/of uit de in hoofdzaak gasdichte vloeistofkamer brengen van een fluïdum. Door met het toevoermiddel de in het in hoofdzaak gasdicht volume aanwezige hoeveelheid water en lucht te beïnvloeden, is het drukopbouwprofiel optimaliseerbaar naar de op dat moment gewenste heikracht.

Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvorm is het fluïdum lucht en bewerkstelligt het een voordruk.

Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvorm is het fluïdum water en verschaft het een reactiemassa.

Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvorm staat de verbrandingsruimte in gasverbinding met een onderdruk-ruimte, en omvat de werkwijze de stap van het vrijwel direct na een verbranding uit de verbrandingsruimte wegzuigen van de door de verbranding daarin gevormde verbrandingsproducten, opdat deze verbrandingsproducten althans in hoofdzaak uit de verbrandingsruimte zijn verwijderd voordat het door de verbranding in bovenwaartse richting verplaatste medium terugvalt en weer botst met het afsteunorgaan.

Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvorm van de werkwijze wordt een hei-inrichting volgens de uitvinding toegepast.

In de navolgende beschrijving worden voorkeursuitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding aan de hand van de tekening verder verklaard, waarin toont:

Figuur 1: een weergave van een offshore windmolen op een enkelpaals constructie;

Figuur 2: een schematische weergave van het werkingsprincipe in drie opeenvolgende stadia A, B en C;

Figuren 3A-3E: een gedetailleerd doorsnede-aanzicht van het afsteunorgaan van de in figuur 2 getoonde inrichting;

Figuur 4: een schematische weergave van de krachtenoverdracht bij een conventionele hei-inrichting;

Figuur 5: een schematische weergave van de krachtenoverdracht bij een hei-inrichting volgens de uitvinding;

Figuur 6: een grafiek waarin een typisch krachtverloop van de in figuren 4 en 5 getoonde hei-inrichtingen is uitgezet;

Figuur 7: een schematische weergave van drie opeenvolgende stadia A, B en C wanneer uitboren gewenst is;

Figuur 8: een schematische weergave van een extra krachtige drukopbouw;

Figuur 9: een alternatieve uitvoeringsvorm waarbij de aansluitingen voor de diverse leidingen in een eenheid buiten de vloeistofkamer van de hei-inrichting zijn aangebracht en via een doorvoerkanaal in verbinding staan met de drukopbouwkamer;

Figuur 10: een alternatieve uitvoeringsvorm waarbij de drukopbouwkamer buiten de vloeistofkamer van de hei-inrichting is aangebracht; en

Figuur 11: een verdere alternatieve uitvoeringsvorm voor diepwaterheien.

De in figuur 1 getoonde offshore windmolen 36 betreft een zogenaamde enkelpaals (ofwel 'monopile') constructie en omvat een heipaal 2 die onder het waterniveau 38 in de ondergrond 40, die gevormd wordt door de zeebodem, is vastgeheid.

Het werkingsprincipe van het vastheien van de in figuur 1 getoonde windmolenconstructie 36 is in figuur 2 schematisch weergegeven met behulp van de stadia A, B en C. Op de heipaal 2 is een hei-inrichting 1 in de vorm van een heiblok 3 aangebracht. Dit heiblok 3 heeft een bodemplaatdeel dat fungeert als afsteunorgaan 8 en een zijwand 4. Het afsteunorgaan 8 en de zijwand 4 vormen samen een vloeistofkamer 5 waarin een waterkolom 42 wordt ontvangen (stadium A). Door het in een drukopbouwkamer 14 tot ontbranding brengen van een brandstofmengsel 29 vindt een expansie plaats die een homogene drukopbouw boven het afsteunorgaan 8 opwekt die de heipaal 2 neerwaarts de ondergrond 40 in drijft. Bovendien wordt de waterkolom 42 bovenwaarts verplaatst (stadium B). Volgens de derde wet van Newton gaat het bovenwaarts verplaatsen van de waterkolom 42 met een even grote en tegengesteld gerichte reactiekracht gepaard, die de heipaal 2 in neerwaartse richting doet verplaatsen. Bovendien zal deze waterkolom 42 bij het terugvallen neerkomen op het afsteunorgaan 8 en zo een neerwaartse kracht op de heipaal 2 uitoefenen, die de heipaal verder neerwaarts de grond in drijft.

Opgemerkt wordt dat het werkingsprincipe in figuur 2 uitvergroot is weergegeven. In stadium C is de heipaal 2 reeds over enige afwaartse afstand neerwaarts in de ondergrond 40 gedreven.

De verschillende stadia van het werkingsprincipe zullen nu aan de hand van de figuren 3Ά-3Ε in meer detail worden toegelicht.

In figuur 3A wordt een uitgangstoestand getoond, waarin zich een waterkolom 42 in de vloeistofkamer 5 bevindt. De vloeistofkamer 5 wordt door het afsteunorgaan 8 en de zijwand 4 van de hei-inrichting 1 begrensd. Hoewel andere media eveneens geschikt zijn wordt bij voorkeur het offshore in overvloed beschikbare medium water gebruikt. In deze aanvrage wordt derhalve gesproken over een waterkolom 42.

Via een brandstoftoevoerkanaal 30 en een zuurstoftoevoerkanaal 31 wordt een brandstofmengsel in de door de bovenzijde van de drukopbouwkamer ingesloten verbrandingsruimte gebracht (figuur 3B). Dit gasmengsel drukt het water dat zich in de drukopbouwkamer 14 bevindt neerwaarts en via de doorvoeropeningen 26, die in het onderste deel van de drukopbouwkamer 14 zijn aangebracht, vanuit het door de drukopbouwkamer 14 ingesloten volume buitenwaarts in de waterkolom 42. De waterspiegel van de waterkolom 42 zal daardoor enigszins stijgen.

Desgewenst voert het brandstoftoevoerkanaal 30 een brandstofmengsel toe, in welk geval het zuurstoftoeverkanaal overbodig kan zijn. Het is zelfs denkbaar dat er één enkel kanaal is dat afwisselend de functie van het brandstoftoevoerkanaal 30 en die van een nog te bespreken verbrandingsgas-afkoerkanaal 32 vervult.

Wanneer het brandstofmengsel 29 dat zich in de verbrandingsruimte 22 bevindt met een ontstekingsmechanisme 28 wordt ontstoken (figuur 3C), zal er in zeer korte tijd een expansie plaatsvinden, die een groot deel van het water dat zich nog in de drukopbouwkamer 14 bevindt tevens via de doorvoeropeningen 26 naar de waterkolom 42 buiten de drukopbouwkamer 14 zal verplaatsen. Hierdoor ontstaat een verhoogde homogene druk boven het afsteunorgaan 8, waardoor een neerwaartse kracht op de heipaal 2 wordt uitgeoefend en deze verder de ondergrond 40 in wordt gedreven. Tevens zal het aan de hand van de figuur 2 reeds genoemde effect van het omhoog verplaatsen en weer op het afsteunorgaan 8 terugvallen van de waterkolom 42 plaatsvinden. Dit zal de heipaal 2 verder de ondergrond 40 in drijven.

Het is denkbaar dat een deel van het brandstofmengsel 29 buiten de drukopbouwkamer 14 wordt ontstoken en zich in brandende toestand via het brandstoftoevoerkanaal 30 naar de drukopbouwkamer 14 verplaatst en het zich reeds in de verbrandingsruimte 22 bevindend brandstofmengsel 29 tot ontbranding brengt.

Idealiter blijft het waterniveau binnen de drukopbouwkamer 14 tijdens de expansiefase enigszins boven de doorvoeropeningen 26, opdat enkel water vanuit de drukopbouwkamer 14 via de doorvoeropeningen naar de ruimte buiten de drukopbouwkamer wordt verplaatst. Dit garandeert dat de hei-inrichting 1 snel weer bedrijfsklaar is voor een volgende verbrandingscyclus, hetgeen aan de hand van figuur 8 nader zal worden toegelicht.

Door het ontbrandingsproces van het brandstofmengsel 29 vormen zich verbrandingsproducten 33 in de verbrandingsruimte 22 (figuur 3D). Deze verbrandingsproducten 33 worden met behulp van een verbrandingsgas-afvoerkanaal 32 afgevoerd (figuur 3E). De waterspiegel in de drukopbouwkamer 14 zal stijgen, en zodra water in het verbrandingsgas-afvoerkanaal 32 loopt zijn de verbrandingsproducten 33 volledig uit het bovenste deel 24 van de drukopbouwkamer 14 afgevoerd. Het systeem zal zich dan in de toestand van figuur 3A bevinden, en is klaar voor een volgende ontbrandingscyclus.

De verbrandingsproducten kunnen uit de verbrandingsruimte 22 worden verwijderd voordat de door de expansie in bovenwaartse richting verplaatste waterkolom 42 terugvalt en weer botst met het afsteunorgaan 8. Hierdoor komt de vallende waterkolom 42 niet neer op een 'gasveer', maar botst het met het afsteunorgaan 4. Hierdoor kan de neerwaartse kracht die door de vallende waterkolom 42 op het afsteunorgaan 8 wordt uitgeoefend vrijwel volledig worden aangewend voor het neerwaarts in de ondergrond drijven van de heipaal 2.

Naarmate een heipaal 2 dieper in de ondergrond 40 wordt gedreven zal de heipaal 2 meer stabiliteit krijgen en meer massa kunnen dragen. De totale door de heipaal 2 ondervonden heiweerstand is de som van de puntweerstand en de schachtwrijvingsweerstand. De schachtwrijvingsweerstand neemt toe naarmate de heipaal 2 voor een groter deel in de ondergrond 30 gedreven is. Daar deze situatie eveneens gepaard gaat met een heipaal 2 die reeds enige stabiliteit heeft verkregen, kan de hoogte van de waterkolom 42 in de vloeistofkamer 5 worden vergroot.

De krachtenoverdracht bij een conventionele hei-inrichting (figuur 4) is veel geconcentreerder dan bij de hei-inrichting 1 volgens de uitvinding (figuur 5). Bij een conventionele hei-inrichting vindt staal-op-staal contact plaats, waarbij een slagplaat 7 wordt aangestoten. Dit gaat met veel geluidsproductie en hoge piekkrachten gepaard, waardoor een dergelijk slagplaat 7 erg zwaar dient te zijn uitgevoerd. Bij de hei-inrichting 1 volgens de uitvinding vindt echter een homogene drukopbouw boven het afsteunorgaan 8 plaats. Doordat er volgens de uitvinding véél minder plastische vervorming optreedt, kan een veel dunnere en lichtere plaat voor het afsteunorgaan 8 worden toegepast.

Figuur 6 toont een grafiek waarin een typisch krachtverloop van de in figuur 4 getoonde conventionele hei-inrichting (lijn 54) en de in figuur 5 getoonde hei-inrichting 1 (lijn 56) is uitgezet. Hier is duidelijk te zien dat het profiel bij de hei-inrichting 1 volgens de uitvinding een langere pulsduur heeft, waardoor het heiproces stiller is, er méér zakking per slag wordt bereikt, en er lagere trekkrachten optreden. Doordat er méér zakking per slag is, zijn minder slagen nodig, wat de heipaal tijdens heien minder wat betreft vermoeiing belast. De krachtopbouw is bovendien geleidelijker en dit staat het toe om bijvoorbeeld bij een monopile daaraan aangebrachte onderdelen toe te passen zonder dat het risico ontstaat dat deze bezwijken tijdens het heien. De langere pulsduur zorgt dat in het materiaal optredende trekgolven kleiner zijn, waardoor het zelfs mogelijk is om betonnen heipalen te heien.

De waterkolom 42 wordt door een afscheidingswand 4 van de omgeving afgescheiden. In de uitvoeringsvorm waarbij de hei-inrichting 1 is geïntegreerd in de heipaal 2 vormt de binnenwand van de heipaal 2 deze afscheidingswand 4 (figuur 7) .

Indien de hei-inrichting in de heipaal 2 is geïntegreerd, rust het afsteunorgaan 8 bij voorkeur op aan de binnenwand 4 van de heipaal 2 aangebrachte nokken of binnenrand 6, die een plaatselijke vernauwing verschaft (stadium A). Op deze wijze is het afsteunorgaan 8 tijdelijk uit de heipaal 2 uitneembaar (stadium B), bijvoorbeeld door een ketting 46 aan het oog 34 te bevestigen en het geheel op te hijsen. De heipaal 2 kan vervolgens met een boor 48 worden uitgeboord, hetgeen noodzakelijk kan zijn indien de schachtweerstand in een uitzonderlijke situatie niet met ontbrandingen volgens het werkingsprincipe van de uitvinding overwonnen kan worden. Na uitboren van de grond in de heipaal 2 kan het afsteunorgaan 8 met de één of meer drukopbouwkamers 14 terug worden geplaatst (stadium C).

Opgemerkt wordt echter dat bovengenoemde situatie zich waarschijnlijk zelden zal voordoen, aangezien de hei-inrichting 1 volgens de uitvinding ook geschikt is om -indien noodzakelijk - zwaardere ontbrandingen te laten plaatsvinden. Daartoe wordt de door de drukopbouwkamer 14 ingesloten verbrandingsruimte 22 zo ver gevuld dat tijdens de expansie niet enkel water doch ook verbrandingsgassen 33 via de doorvoeropeningen 26 uit het door de drukopbouwkamer 14 ingesloten volume naar de ruimte buiten de drukopbouwkamer 14 worden verplaatst (figuur 8). De verbrandigsruimte wordt op deze wijze tijdelijk groter gemaakt.

Nadeel is dat er verbrandingsgassen in de waterkolom 42 van de hei-inrichting 2 zullen geraken, met als gevolg dat de heimassa door het gas enige compressibiliteit verkrijgt. Door het gas de tijd te gunnen door de waterkolom op te stijgen wordt de gewenste incompressibiliteit van de waterkolom hersteld. Dit kost echter tijd, waardoor deze zwaardere verbrandingen bij voorkeur enkel worden aangewend indien de schachtweerstand dat vereist.

Volgens een alternatieve uitvoeringsvorm zijn de aansluitingen voor de diverse toevoerkanalen 30, 31, 32 en het ontstekingsmechanisme 28 in een eenheid 58 buiten de vloeistofkamer 5 van de hei-inrichting 1 aangebracht. Een doorvoerkanaal 60 dat zich door de wand 4 van de hei-inrichting 1 uitstrekt verschaft de verbinding met de drukopbouwkamer 14. Doordat de eenheid 58 en alle aansluitingen van de toevoerkanalen 30, 31, 32 en het onstekingsmechanisme 28 buiten de vloeistofkamer 5 zijn aangebracht, zijn deze onderdelen goed bereikbaar.

Het is tevens denkbaar dat de drukopbouwkamer 14 buiten de vloeistofkamer 5 van de hei-inrichting 1 is aangebracht (figuurlO). In dat geval worden één of meer doorvoeropeningen 26 in de wand van de drukopbouwkamer 14 via een doorvoerkanaal 50 in fluïdumverbinding gebracht met de vloeistofkamer 5. In deze uitvoeringsvorm kan het afsteunorgaan 8 zelf van een oog 10 zijn voorzien, opdat het met een ketting van de binnenrand 6 optilbaar is indien een uitboren van de heipaal 2 noodzakelijk mocht zijn.

In een bijzonder voordelige uitvoeringsvorm waarin de heipaal 2 en hei-inrichting 1 zijn geïntegreerd, is in het afsteunorgaan 8 zelf, of desgewenst onder het afsteunorgaan 8 in de wand van de heipaal 2, ten minste één (niet getoonde) opening met een overdrukventiel is voorzien. Door deze opening heen kan tijdens het heien onder het afsteunorgaan 8 ontstane overdruk uit de ruimte die wordt ingesloten door het afsteunorgaan 8, de binnenwand van de heipaal 2, en de ondergrond 40 ontsnappen. De opening verschaft een restrictieve passage, waarmee de uitstroomsnelheid reguleerbaar is. Daarmee kan ook de zakkingssnelheid van de heipaal 2 ten gevolge van een klap gelimiteerd worden, waardoor de opening de kans op een ongewenste schokbelasting van de kraan verkleint.

Figuur 11 toont een alternatieve uitvoeringsvorm voor diepwaterheien, waarbij het getoonde buissegment 52 met aan andere vergelijkbare buissegmenten kan worden gekoppeld teneinde een grote diepte te bereiken. Het werkingsprincipe is identiek aan hetgeen hiervoor is beschreven, en zal derhalve niet nader worden toegelicht. Wél wordt opgemerkt dat de reservoirs 52, 54 respectievelijk zuurstof en waterstof bevatten. Tijdens ontbranding ontstaat uit de chemische reactie water als eindproduct, en dit kan zonder problemen aan de waterkolom 42 worden toegevoegd. De uitvoeringsvorm van figuur 11 maakt het desgewenst mogelijk dat de hei-inrichting 1 één of meer volledig afgesloten buissegmenten 52 omvat, hetgeen door het aan elkaar koppelen van buissegmentdelen 52 kan ontstaan. Bovendien kan zo een zelfheiende afzinkbare hei-inrichting 1 worden opgebouwd.

Volgens een verdere (niet getoonde) voorkeursuitvoeringsvorm is er aan de bovenzijde van de hei-inrichting 1 een afsluiting voorzien die tezamen met het afsteunorgaan 8 en de binnenwand 4 van de hei-inrichting 1 een in hoofdzaak gasdicht afgesloten volume insluit. Met een pomp kan lucht en/of water in dit afgesloten volume worden gebracht, waardoor het drukopbouwprofiel ten gevolge van de ontbranding van het brandstofmengsel in de verbrandingsruimte 22 geoptimaliseerd kan worden voor het neerwaarts in de ondergrond 40 drijven van de heipaal 2. Enerzijds kan de hoogte van de waterkolom 42 worden aangepast, en anderzijds kan de gewenste voordruk ten gevolge van de in het afgesloten volume aanwezige luchthoeveelheid worden aangepast om de gewenste drukopbouw te optimaliseren.

De hierboven beschreven uitvoeringsvormen zijn, hoewel ze voorkeursuitvoeringsvormen van de uitvinding tonen, enkel bedoeld om de onderhavige uitvinding te illustreren en niet om op enigerlei wijze de omschrijving van de uitvinding te beperken. Wanneer maatregelen in de conclusies gevolgd worden door verwijzingscijfers, dienen dergelijke verwijzingscijfers enkel om bij te dragen aan het begrip van de conclusies, maar zijn ze op geen enkele wijze beperkende voor de beschermingsomvang. In het bijzonder wordt opgemerkt dat de vakman technische maatregelen van de verschillende uitvoeringsvormen kan combineren. De beschreven rechten worden bepaald door de navolgende conclusies in de strekking waarvan vele modificaties denkbaar zijn.

Claims (22)

1. Hei-inrichting, omvattende: - een in dwarsrichting aan of op een heipaal aangebracht of aanbrengbaar afsteunorgaan; - een vloeistofkamer die aan de onderzijde wordt begrensd door het afsteunorgaan, en verder één of meer zijwanden omvat en is ingericht om daarin een vloeistof te ontvangen; - één of meer drukopbouwkamers omvattende: - een bovenste deel dat een verbrandingsruimte insluit; - een onderste deel dat is voorzien van één of meer doorvoeropeningen die in fluïdumverbinding staan met de vloeistofkamer; - een ontstekingsmechanisme dat is ingericht voor het ontsteken van een zich in de verbrandingsruimte bevindende brandstof; en - waarbij de verbrandingsruimte is ingericht om daarin bevindende brandstof tijdens ontbranding zodanig te laten expanderen dat boven het afsteunorgaan een drukopbouw plaatsvindt en de zich boven het afsteunorgaan in de vloeistofkamer bevindende vloeistof ten minste in bovenwaartse richting van het afsteunorgaan vandaan wordt verplaatst, en een neerwaartse kracht via het afsteunorgaan op de heipaal wordt uitgeoefend.

2. Hei-inrichting volgens conclusie 1, waarbij de drukopbouwkamer een starre behuizing vormt.

3. Hei-inrichting volgens conclusie 1 of 2, waarbij de één of meer drukopbouwkamers binnen de vloeistofkamer aan het afsteunorgaan zijn bevestigd.

4. Hei-inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij de één of meer zijwanden van de vloeistofkamer de vloeistof afscheiden van de omgeving.

5. Hei-inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij de zich boven het afsteunorgaan in de vloeistofkamer bevindende vloeistof water is.

6. Hei-inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, verder omvattende: - een brandstof-toevoerkanaal voor het in de verbrandingsruimte brengen van brandstof; en - een verbrandingsproduct-afvoerkanaal voor het na ontbranding afvoeren van verbrandingsproducten.

7. Hei-inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij: - ten minste een afsluiting is voorzien die tezamen met het afsteunorgaan en de één of meer zijwanden een vloeistofkamer met een in hoofdzaak gasdicht afgesloten volume vormt; en - toevoermiddelen zijn voorzien voor het daarmee in en/of uit de in hoofdzaak gasdichte vloeistofkamer brengen van een fluïdum.

8. Hei-inrichting volgens conclusie 7, waarbij het fluïdum lucht en/of water is.

9. Hei-inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij meerdere drukopbouwkamers zijn voorzien die ieder een ontstekingsmechanisme omvatten, en waarbij verder regelmiddelen zijn voorzien die zijn ingericht om de brandstof in de drukopbouwkamers in een voorafbepaalde volgorde en/of met een voorafbepaalde tussentijd te ontsteken.

10. Hei-inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij regelmiddelen zijn voorzien die zijn ingericht om gedurende de ontbranding van de brandstof in een verbrandingsruimte extra brandstof te injecteren en/of het ontstekingsmoment te variëren.

11. Hei-inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij in of onder het afsteunorgaan ten minste één opening al dan niet met een overdrukventiel is voorzien.

12. Hei-inrichting volgens conclusie 10, waarbij de opening variabel is en regelmiddelen zijn voorzien waarmee de grootte van de opening aanstuurbaar is.

13. Hei-inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij de verbrandingsruimte in gasverbinding staat met een onderdruk-ruimte die is ingericht om bij de verbranding vrijkomende verbrandingsproducten uit de verbrandingsruimte te zuigen.

14. Hei-inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij de hei-inrichting is geïntegreerd in de heipaal die met zijn zijwand een zijwand van de vloeistofkamer vormt.

15. Werkwijze voor het neerwaarts in een ondergrond drijven van een heipaal, omvattende de stappen van: - het in dwarsrichting aan of op een heipaal aanbrengen van een afsteunorgaan; - het in een vloeistofkamer, die aan de onderzijde begrensd wordt door het afsteunorgaan, opnemen van een vloeistof; - het aan een drukopbouwkamer toevoeren van een brandstof, waarbij de drukopbouwkamer omvat: - een bovenste deel dat een verbrandingsruimte insluit; en - een onderste deel dat is voorzien van één of meer doorvoeropeningen die in fluïdumverbinding staan met de vloeistofkamer; - waarbij zich bij het aan de drukopbouwkamer toevoeren van brandstof een hoeveelheid gas in het bovenste deel van de drukopbouwkamer opbouwt en daardoor de vloeistof in de drukopbouwkamer neerwaarts wegdrukt; - het met een onstekingsmechanisme tot ontbranding brengen van de brandstof die zich in de drukopbouwkamer boven de vloeistofspiegel bevindt, waardoor een expansie plaatsvindt; - het door de expansie via de fluïdumverbinding van de drukopbouwkamer naar de vloeistofkamer verplaatsen van ten minste een deel van de in de drukopbouwkamer bevindende vloeistof en/of verbrandingsproducten; - waardoor boven het afsteunorgaan een drukopbouw plaatsvindt en waardoor tevens de zich boven het afsteunorgaan in de vloeistofkamer bevindende vloeistof ten minste in bovenwaartse richting van het afsteunorgaan vandaan wordt verplaatst; en - het door de neerwaarts op de heipaal uitgeoefende reactiekracht neerwaarts in de ondergrond drijven van de heipaal.

16. Werkwijze volgens conclusie 15 verder omvattende de stappen van: - het door een brandstof-toevoerkanaal in de verbrandingsruimte van de drukopbouwkamer brengen van brandstof; - het met het onstekingsmechanisme doen ontbranden van de brandstof in de drukopbouwkamer; - het na ontbranding door een verbrandingsproduct-afvoerkanaal afvoeren van verbrandingsproducten; en - het herhalen van deze stappen teneinde de heipaal stapsgewijs in de ondergrond te drijven.

17. Werkwijze volgens conclusie 16, verder omvattende de stap van het gedurende de ontbranding van de brandstof in de verbrandingsruimte injecteren van extra brandstof.

18. Werkwijze volgens één van de conclusies 15-17, waarbij ten minste een afsluiting is voorzien die tezamen met het afsteunorgaan en de één of meer zijwanden een vloeistofkamer een in hoofdzaak gasdicht afgesloten volume vormt; en - omvattende de stap van het met een toevoermiddel in en/of uit de in hoofdzaak gasdichte vloeistofkamer brengen van een fluïdum.

19. Werkwijze volgens conclusie 18, waarbij het fluïdum lucht is en een voordruk bewerkstelligt.

20. Werkwijze volgens conclusie 18 of 19, waarbij het fluïdum water is en een reactiemassa verschaft.

21. Werkwijze volgens één van de conclusies 15-20, waarbij de verbrandingsruimte in gasverbinding staat met een onderdruk-ruimte, en de werkwijze de stap omvat van het vrijwel direct na een verbranding uit de verbrandingsruimte wegzuigen van de door de verbranding daarin gevormde verbrandingsproducten, opdat deze verbrandingsproducten althans in hoofdzaak uit de verbrandingsruimte zijn verwijderd voordat het door de verbranding in bovenwaartse richting verplaatste medium terugvalt en weer botst met het afsteunorgaan.

22. Werkwijze volgens één van de conclusies 15-21, waarbij een hei-inrichting volgens een van de conclusies 1-14 wordt toegepast.