一种深水海上风电筒型基础安装装置和方法
技术领域
本发明涉及海上风电基础安装的技术领域，更具体地，涉及一种深水海上风电筒型基础安装装置和方法。
背景技术
目前，海上风电运用最多的基础结构为桩基结构与重力式基础结构。不过随着近年来岩土技术的发展，筒型基础结构在海上风电领域的应用范围越来越广泛。相比于传统桩基结构，筒型基础通过负压下沉方式进行基础施工，基础结构抗倾覆能力强，且具备整机“一步式”安装功能。所谓“一步式”安装，为基础结构、塔筒、机头可在岸边预制安装，随后整体拖航至安装地点整体下沉。这一技术极大简化了海上风电基础结构的施工周期，降低了成本，提高了效率。目前，国内已有部分近岸浅水海上风电场采用了筒型基础及“一步式”安装技术，取得了良好的效果。不过，筒型基础及其“一步式”安装技术刚处于起步阶段。由于“一步式”安装要求基础、塔筒、机头整机拖航、下沉，重心较高，下沉过程中的下沉速度、倾斜角及姿态控制要求很高(倾斜角一般不可超过0.5％)；然而，深海环境不必浅海环境，其风浪更大，海流速度更快；此外，由于筒型基础拖航船只(浮运船只)较大，通常无法实现拖航到下沉过程的安全、快速、有效衔接，导致筒型基础筒拖航到下沉过程中存在诸多风险隐患。因此，安全、快速、高效、经济的安装装置及方法是提升筒型基础结构及其“一步式”安装方式在深海环境中实用性的关键技术难点。
因此，现有技术中亟需一种适用于新型海上风电筒型基础的安装，旨在安全、快速、高效、经济地实现筒型基础从拖航到下沉施工的衔接工作与下沉工作的技术方案。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种深水海上风电筒型基础安装装置和方法。
为实现上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：
一种深水海上风电筒型基础安装装置，包括沉垫、浮运主体和缆绳组件，所述沉垫的内侧壁设置有定滑轮；所述浮运主体包括K型浮运船和U型浮运船，所述K型浮运船嵌入设置在所述U型浮运船的内轮廓内，且所述K型浮运船和所述U型浮运船围成的空间用于放置待安装的六边形筒形基础；所述U型浮运船的船头和船尾均设置有定位桩，所述U型浮运船的外壁设置有抱箍；所述K型浮运船和所述U型浮运船上均设置有吊架；所述缆绳组件包括上拉扶正缆绳和下拉缆绳，所述上拉扶正缆绳的一端与所述吊架连接，另一端与所述六边形筒形基础的顶部连接；所述下拉缆绳绕过所述定滑轮，且所述下拉缆绳的一端连接有浮球，另一端与所述六边形筒形基础的底部连接。
所述下拉缆绳包括彼此可拆卸的第一下拉缆绳和第二下拉缆绳；在非使用状态下，所述第一下拉缆绳绕过所述定滑轮，且首端和末端都连接有浮球，所述第二下拉缆绳的首端连接有浮球，末端与所述六边形筒形基础的底部连接；在使用状态下，所述第一下拉缆绳绕过所述定滑轮，且所述第一下拉缆绳的首端连接有浮球，所述第一下拉缆绳的末端与所述第二下拉缆绳的首端连接为一体，所述第二下拉缆绳的末端与所述六边形筒形基础的底部连接。
所述U型浮运船上还设置有用于卡紧所述六边形筒形基础的边壁的卡扣。
所述沉垫的下表面设置有插槽，所述沉垫的上表面设置有立柱，所述立柱的顶部设置有顶梁。
所述立柱每两根为一组，每组所述立柱的顶部设置有一根顶梁。
所述沉垫的形状为“U”型，所述沉垫为内部中空的钢箱结构，所述沉垫是还设置有气孔。
本发明还给出了如下的技术方案。
一种深水海上风电筒型基础安装方法，包括以下步骤：
S1、将六边形筒型基础放置在K型浮运船和U型浮运船围成的空间内，将K型浮运船嵌入U型浮运船中，并用卡扣将六边形筒型基础卡紧；
S2、将沉垫、立柱和插槽整体下沉；
S3、待插槽插入海床使沉垫稳定后，将K型浮运船、U型浮运船和六边形筒型基础整体拖航到指定位置，用抱箍将立柱箍紧；
S4、放下定位桩；此时，第一下拉缆绳首端通过浮球漂浮到水面上，末端穿过沉垫内侧壁的滑轮并通过浮球也漂浮到水面上；第二下拉缆绳首端也通过浮球漂浮在水面上，末端与六边形筒型基础的底部连接；
S5、将第一下拉缆绳末端和第二下拉缆绳首端的浮球取下，并将下第一下拉缆绳末端和第二下拉缆绳首端连接为一体，形成一条缆绳，即下拉缆绳，下拉缆绳的首端穿过沉垫内侧壁上的定滑轮，末端与六边形筒型基础的底部连接；
S6、向上提拉下拉缆绳的首端，使六边形筒型基础不断下沉，上拉扶正缆绳逐渐下放，直至六边形筒型基础沉放完毕；
S7、将上拉扶正缆绳和下拉缆绳解开，将抱箍和定位桩收回，松开U型浮运船上的卡扣，K型浮运船和U型浮运船离开；并将沉垫内部充气，使沉垫、立柱和插槽整体上浮，并拖航到下一地点进行沉放工作。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1.沉垫采用U型，可保证六边形筒型基础及浮运船可自由进出，浮运到指定位置即可下沉，提高整体安装效率；
2.浮运船与沉垫及立柱成为一个整体，可提供扶稳提拉的反力，采用“U”型沉垫配合多对立柱的结构形式，并结合浮运船进行联合下沉，保证了六边形筒型基础下沉过程中的安全稳定；
3.立柱本身对沉垫的下沉起到了扶正的功能，保证沉垫下沉的稳定，立柱内部具有较大空间可安置施工人员并安装下沉过程中的各种机械装置；
4.装置采用上拉扶正缆绳与下拉缆绳配合方式进行深水下沉，上拉扶正缆绳可提供在较大风浪情况下六边形筒型基础的扶正功能，而下拉缆绳则实现了六边形筒型基础的下沉；
5.沉垫及浮运船为可拆卸的结构，可以重复利用，并适用于不同水深环境。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的主视图。
图3是图2的俯视图。
图4是对下拉缆绳进行下拉前的缆绳连接示意图。
图5是对下拉缆绳进行下拉时的缆绳连接示意图。
图6是沉垫整体结构图。
附图标记：1、沉垫；2、立柱；3、插槽；4、顶梁；5、滑轮；6、上拉扶正缆绳；7、下拉缆绳；8、抱箍；9、K型浮运船；10、U型浮运船；11、吊架；12、定位桩；13、卡扣；14、六边形筒型基础；15、过渡段；16、浮球。
具体实施方式
下面根据具体实施方式对本发明做进一步阐述。
如图1-6所示的深水海上风电筒型基础安装装置，包括沉垫1、浮运主体和缆绳组件，沉垫1的下表面设置有插槽3，沉垫1的上表面设置有立柱2，立柱2的顶部设置有顶梁4。立柱2每两根为一组，每组立柱2的顶部设置有一根顶梁4。沉垫1的形状为“U”型，沉垫1为内部中空的钢箱结构，沉垫1上设置有气孔，充气泵可以通过气孔可以给沉垫1进行充气，抽水泵可以通过气孔对沉垫1排水，用于在下沉前给沉垫1放气，以及上浮前给沉垫1充气，沉垫1的内侧壁设置有定滑轮5；浮运主体包括K型浮运船9和U型浮运船10，K型浮运船9嵌入设置在U型浮运船10的内轮廓内，且K型浮运船9和U型浮运船10围成的空间用于放置待安装的六边形筒形基础14，U型浮运船10上还设置有用于卡紧六边形筒形基础14的边壁的卡扣13。U型浮运船10的船头和船尾均设置有定位桩12，定位桩12可以在U型浮运船10中沿竖直方向滑动。U型浮运船10的外壁设置有抱箍8；K型浮运船9和U型浮运船10上均设置有吊架11；本实施例中，水深25m，六边形筒型基础14的高度15m，六边形筒型基础14上方还固定设置有高度30m的过渡段15。沉垫1的外轮廓长度75m，宽度60m；沉垫1的内轮廓长度65m，宽度45m，内轮廓尺寸可囊括六边形筒型基础14、K型浮运船9和U型浮运船10。沉垫1深度5m；沉垫1顶部均匀布设6对立柱2，立柱为钢筒结构，直径8m，高度30m；靠近外轮廓的立柱2向沉垫底面方向延长约2m，形成插槽3；每对立柱2顶部设一根顶梁4，顶梁4为钢结构，数量6个；在K型浮运船9及U型浮运船10顶部均匀布设12个吊架11，其中，K型浮运船9顶部设置8个，U型浮运船10顶部设置4个；吊架11下部设置12条上拉扶正缆绳6，每条上拉扶正缆绳6与六边形筒型基础14的顶盖外缘的每条边连接；沉垫1在宽度方向上的两个内侧壁上分别均匀布设2个定滑轮，分别对应六边形筒型基础的其中4个边壁；下拉缆绳7；设置4条，每条下拉缆绳7与六边形筒型基础14中对称的4个边壁底部进行连接，下拉缆绳7穿过沉垫1内侧壁上的定滑轮5向上提拉，当在水中下沉时，通过提拉下拉缆绳，六边形筒型基础14向下沉放；在U型浮运船10外侧抱箍8的数量与立柱2的数量一致，本实施例中为6个；U型浮运船10的船头与船尾共设置3个定位桩12，其中船头1个，船尾2个，定位桩12可以沿U型浮运船10上下滑动。
缆绳组件包括上拉扶正缆绳6和下拉缆绳7，上拉扶正缆绳6的一端与吊架11连接，另一端与六边形筒形基础14的顶部连接；下拉缆绳7绕过定滑轮5，且下拉缆绳7的一端连接有浮球16，另一端与六边形筒形基础14的底部连接。
下拉缆绳7包括彼此可拆卸的第一下拉缆绳7A和第二下拉缆绳7B；在非使用状态下，第一下拉缆绳7A绕过定滑轮5，且首端和末端都连接有浮球16，第二下拉缆绳7B的首端连接有浮球16，末端与六边形筒形基础14的底部连接；在使用状态下，第一下拉缆绳7A绕过定滑轮5，且第一下拉缆绳7A的首端连接有浮球16，第一下拉缆绳7A的末端与第二下拉缆绳7B的首端连接为一体，第二下拉缆绳7B的末端与六边形筒形基础14的底部连接。
采用上述装置的深水海上风电筒型基础安装方法，包括以下步骤：
S1、将六边形筒型基础14放置在K型浮运船9和U型浮运船10围成的空间内，将K型浮运船9嵌入U型浮运船10中，并用卡扣13将六边形筒型基础14卡紧；
S2、将沉垫1、立柱2和插槽3整体下沉；下沉过程中，沉垫1的气孔是封闭的，在本发明的其他实施例中，也可以先通过气孔向沉垫1中灌水，加速沉垫1的下沉；
S3、待插槽3插入海床使沉垫1稳定后，将K型浮运船9、U型浮运船10和六边形筒型基础14整体拖航到指定位置，用抱箍8将立柱2箍紧；
S4、放下定位桩12，定位桩12插入海底泥床内，使浮运主体稳定；此时，第一下拉缆绳7A首端通过浮球16漂浮到水面上，末端穿过沉垫1内侧壁的滑轮并通过浮球16也漂浮到水面上；第二下拉缆绳7B首端也通过浮球16漂浮在水面上，末端与六边形筒型基础14的底部连接；
S5、将第一下拉缆绳7A末端和第二下拉缆绳7B首端的浮球16取下，并将下第一下拉缆绳7A末端和第二下拉缆绳7B首端连接为一体，形成一条缆绳，即下拉缆绳7，下拉缆绳7的首端穿过沉垫1内侧壁上的定滑轮5，末端与六边形筒型基础14的底部连接；
S6、向上提拉下拉缆绳7的首端，K型浮运船9和U型浮运船10沿着定位桩12向下整体滑动，卡扣13紧紧卡住六边形筒型基础14，从而使六边形筒型基础14不断下沉，上拉扶正缆绳6逐渐下放，直至六边形筒型基础14沉放完毕；
S7、将上拉扶正缆绳6和下拉缆绳7解开，将抱箍8和定位桩12收回，松开U型浮运船10上的卡扣13，K型浮运船9和U型浮运船10离开；通过气孔将沉垫1内部充气，使沉垫1、立柱2和插槽3整体上浮，并拖航到下一地点进行沉放工作；在本发明的其他实施例中，也可以用抽水泵通过气孔将沉垫1中的水抽出，再对沉垫1进行充气。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“首”、“末”、“中心”、“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发明和简化描述，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，不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；对于本领域的技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本创造性构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
