解决柔性浮体应用于海洋工程装备的最新技术方案
2023-07-24 23:07阅读：1,785
解决柔性浮体应用于海洋工程装备的最新技术方案
摘要：目前，海洋工程装备造价高昂，原因就是平台的浮体一直是采用传统的刚性浮体。所以，采用柔性浮体即气囊式浮体，是降低造价的一个有效途径；但是，柔性浮体的气囊在长期承压状态下易出现漏气，如何便利化、低成本实施即时补气、维护或更换气囊或浮体，成为一个关键的问题。为此，本文在这里讲述了两个解决这一问题的技术方案，即《一种可即时维护的履带式浮体系统》和《一种可即时维护的多浮体多级转轮一体化模块》两个技术方案。预计，此类技术方案的实施，可以降低海洋工程装备制造总成本的50%以上，同时也将提高装备的使用寿命50%以上。
关键词：海洋；工程装备；浮动平台；柔性浮体；即时维护；模块；系统；技术方案。
本技术方案属于海洋工程装备领域。主要应用于海洋养殖平台、海洋牧场、海洋风力发电站平台、海洋钻探、海洋多功能综合基地、海洋机场等装备的制造和设施建设方面。
实施“蓝色粮仓”海上工程，推进海洋强国战略快速发展，就需要技术的创新和海洋工程装备制造业的硬件支撑。当前，深远海养殖平台、深远海风力发电的平台高造价直接限制了产业化的快速发展。采用柔性浮体即气囊式浮体，是降低造价的一个有效途径；但是，柔性浮体的气囊在长期承压状态下易出现漏气，如何便利化、低成本实施即时补气、维护或更换气囊或浮体，成为一个关键的问题。
《一种可即时维护的履带式浮体系统》和《一种可即时维护的多浮体多级转轮一体化
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模块》，提出了柔性浮体在海洋工程装备应用的技术方案。
技术方案简介：
一、《一种可即时维护的多浮体多级转轮一体化模块》（专利申请号：2023107853108）
本技术属于海洋工程装备领域。主要应用于海洋养殖平台、海洋牧场、海洋风力发电站平台、海洋钻探、海洋多功能综合基地、海洋机场等装备的制造和设施建设方面。
目前，海洋工程装备造价高昂，原因就是平台的浮体一直是采用传统的刚性浮体。所以，采用柔性浮体即气囊式浮体，是降低造价的一个有效途径；但是，柔性浮体的气囊在长期承压状态下易出现漏气，如何便利化、低成本实施即时补气、维护或更换气囊或浮体，成为一个关键的问题。为此，在这里提出了一种解决这一问题的技术设计。预期，此技术的实施，可以降低浮动平台制造总成本在50%以上，同时也将提高平台的使用寿命50%以上。
架，开口端与平台或平台桁架连接，另一端与三级转轮的轮轴连接；多个二级转轮的轮轴就分布式安装在三级转轮的轮缘上，然后多个初级转轮的轮轴安装在多个二级转轮的轮缘上。本技术的内容是：一种可即时维护的多浮体多级转轮一体化模块，是由浮筒、浮筒舱、转轮、转轮支架及转动装置组成。
浮筒是筒状壳体和气囊的结合体，也称为柔性浮体；其壳体材质是金属、塑料或复合材料；浮筒的规格依据平台的实际需要计算确定，其直径范围为1---3米；长度范围为6---35米；
浮筒舱是专门安装浮筒的舱室；浮筒舱的形状为长圆柱体，其截
转轮：一种盘状轮架，也是一个核心部件；其作用就是：一、承载浮体；二、通过转轮的旋转，将所承载的浮体顺序移到转轮的顶端（水面之上），面的直径范围为2---15米，长度范围为6---36米。以实施即时维护或更换；三、几十倍成百倍的增加了浮体安装的平台和空间。
转轮的轮盘面常为圆盘状，根据需要也可以设计为正多边形或多角形，只要保证转轮转动的均衡就可以；常用到的转轮有初级转轮、二级转轮和三级转轮。
初级转轮：是直接安装浮筒舱的转轮；根据设计要求，在转轮的轮缘处均衡安装数个浮筒舱；其转轮直径范围为10---60米。
二级转轮：是安装初级转轮的转轮；根据设计要求，在其轮缘均衡安装数架初级转轮；其转轮直径范围为50---210米。
三级转轮：是安装二级转轮的转轮；根据力学要求亦考虑材料的节省，其盘状转轮设计为五角状或多边体为好，在每个角上安装二级转轮；其转轮的旋转直径范围为100---500米。
支架:一端连接水上平台，一端连接转轮中心轴的V形支架。如三级转轮的V形支
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转轮的转动由电动机直接驱动或间接驱动；间接驱动就是电动机设置在水面以上的工作台上，动力经传动杆（传动轴）传递到设置在支架臂上的驱动齿轮，然后带动转轮转动；其它转轮轮轴安装在大一级转轮的，其轮盘的驱动齿轮安装在两个转轮的轮缘交合点附近的支架轮面上，其技术设计属于公知范围。
多浮体多级转轮一体化模块（以下简称为：一体化浮体模块）的类型：根据模块中的转轮级数的不同，确定为三种类型，如三轮模块、两轮模块和单轮模块。
三轮模块：是由三级几十个转轮、数百个浮筒舱、一个转轮支架及传动装置构成的一体化浮体模块。
两轮模块：就是由二级十几个转轮、几十个或上百个浮筒舱、一个转轮支架及传动装置构成的一体化浮体模块。
单轮模块：就是由一个转轮、多个浮筒舱、一个转轮支架及传动装置构成的一体化浮体模块。
不同类型、不同规模的平台所需要的一体化浮体模块类型及数量也各不相同。
有的平台水下浮体系统只有单轮模块或两轮模块；有的平台水下浮体系统有单轮模块也有两轮模块；有的平台水下浮体系统只有三轮模块；这些都是根据实际需要来决定。
有的平台水下浮体系统只需要4—8个一体化浮体模块；有的平台水下浮体系统需要几十个一体化浮体模块；有的平台水下浮体系统需要上百个一体化浮体模块；这些都是根据实际需要来决定。
平台的吃水线设定：当初级转轮上的任意一个浮筒舱位于转轮顶端时，其50%以上的体积在水面之上。
当浮筒舱的一半露出水面时，就可以使用吊装机械将浮筒舱吊出初级转轮、然后更换新的浮筒舱；或者更换单个浮筒或进行个别的气囊补气。
为了及时掌握每一个浮筒的气囊气体的压强变化情况，应该在浮筒中设置机械式或电子式压力传感器。
一体化浮体模块即时维护和定期检查、维护的工作步骤：以三轮模块为例，首先转动支架上的三级转轮，将标记的二级转轮转到最高点，然后转动二级转轮将标记的初级转轮转动到最高点，接着再转动初级转轮，将标记浮筒舱转动到最高点，这时候浮筒舱的一半都在水面之上，打开舱室检看浮筒及气囊的压强，进行补气或更换，如果需要更换浮筒，就进行现场更换；如果需要更换的浮筒较多，不易现场更换，就直接将浮筒舱进行整体调换；完成后，再进行下一个浮筒舱的浮筒检查。
一体化浮体模块的不同类型、不同数量的组合，可以满足不同平台不同浮力级别的要求，如万吨级、十万吨级、百万吨级、千万吨级、亿吨级的浮力保障。
附图1
单轮模块的结构示意图；
附图2
三轮模块的构成示意图；
附图3
三轮模块的正面示意图；
图中：1、浮筒；2、浮筒舱；3、初级转轮；4、平台；5、转轮支架；6、水面线；7、二级转轮；8、三级转轮。
表1
一体化浮体模块的不同类型不同数量的排水量（净浮力）计算对照表
（浮筒直径1.5米，长度10米，12浮筒/浮筒舱，总排水量212立方米，80%为有效排水量，即170立方米）
单位：万立方米
数量
类型
|
1
|
10
|
20
|
50
|
100
|
备
注
|
单轮模块
|
0.17
|
1.7
|
3.4
|
8.5
|
17
|
有浮筒舱10个
|
两轮模块
|
1.7
|
17
|
34
|
85
|
170
|
有10个初级转轮
|
三轮模块
|
8.5
|
85
|
170
|
425
|
850
|
有5个二级转轮
|
表2
一体化浮体模块的不同类型不同数量的排水量（净浮力）计算对照表
（浮筒直径3米，长度20米，12浮筒/浮筒舱，总排水量1413立方米，80%为有效排水量，即1130立方米）
单位：万立方米
数量
类型
|
1
|
10
|
50
|
100
|
200
|
备
注
|
单轮模块
|
1.13
|
11.3
|
56.5
|
113
|
226
|
有10个浮筒舱
|
两轮模块
|
11.3
|
113
|
565
|
1130
|
2260
|
有
10个初级转轮
|
三轮模块
|
56.5
|
565
|
2825
|
5650
|
1.13万
|
有5个二级转轮
|
有效排水量就是净浮力；上述表中所述的浮筒舱（浮体）总排水量减去一体化浮体模块的自重所占的20%，剩余80%就是有效排水量，也就是净浮力。
预计：大型、超大型海洋浮动平台将由于这种新的柔性浮体技术的应用，其制造成本将降低50%以上；其使用寿命将延长50%以上；其运营费用亦将大大的降低。
二、《一种可即时维护的履带式浮体系统》，是由柔性浮体、履带、驱动轮、转轮、约束轮及支架组成。柔性浮体：由气囊和外壳体组成圆筒状浮体；其类型有两种：即单气囊浮体和多气囊浮体。
柔性浮体：由气囊和外壳体组成圆筒状浮体；其类型有两种：即单气囊浮体和多气囊浮体。
柔性浮体的规格：浮体圆筒的直径范围为0.5---6米；长度范围为3---30米。
履带、驱动轮、转轮、约束轮、支架，相互连接，共同构成履带装置，以实现和保障履带的安全运转。环绕履带均衡安装多个圆筒状浮体，即在相应的履带板上安装固定浮体的装置，以实现与圆筒状浮体以浮动状连接；浮动状连接就是履带转动时，当浮体位于履带两端（左右侧）时，将发生自然上浮移动，此时，浮体经转轴或链环与履带板连接，就顺应了这种上浮移动。
履带装置一般为长椭圆状，也可以为三角状。履带装置的高度与长度的比例一般为1:5，其具体尺寸应当通过实验和计算来确定。
履带装置中的转轮，其位于两端的转轮一般均设计为两个大转轮，但是，实际应用中，若转轮直径大于20米时，可以考虑采用设置几个小转轮以替代大转轮的方案。履带装置的制造材料是钢材和复合材料。
一种可即时维护的履带式浮体系统（以下简称履带式浮体）在实际应用中，多个履带式浮体可以以单体状均衡布置在平台下面，也可以双体并联状均衡安装在平台下面。
当浮动平台的水平面周长（圆形、方形或长方形）小于400米，比较适合采用三角状或多边状的履带式浮体。
当浮动平台的水平面周长（圆形、方形或长方形）大于400米，比较适合采用长椭圆状或卵圆状的履带式浮体。
浮动平台的水面线为：位于履带式浮体的最高处的浮体的一半以上部分露出水面之上。
如图1、图2所示，
履带装置为长椭圆状，也可以为三角状;根据实际需要，长椭圆状的履带装置也可以由水平状态转为垂直状态；长椭圆状的履带装置也可以变化为卵圆状；三角状的履带装置也可以变化为多边状或圆盘状。
履带的宽度与浮体的长度相当，范围在3---30米；如果，履带装置的长度的范围为30---160米；那么，履带的总长度就是：70---360米。
履带装置的高度与长度的比例一般为1:5，其具体尺寸应当通过实验和计算来确定。
为了实现履带式浮体的即时维护和更换，在长椭圆状的履带装置的上履带的中间位置或两端的位置，提高该处转轮的位置，同时在约束轮的配合下，构成局部履带凸起，以实现其上连接的浮体50%的部分露出水面；如图1所示。
约束轮的作用就是约束履带不受外力影响其工作状态；约束轮一般安装在上层履带的上表面，其两只轮子的轮轴固定在履带两侧的支架上，两个约束轮分别压着履带板的两侧的边缘维护履带的转动，约束轮的宽度就是接触面的宽度，其尺寸范围是0.2---1米。
当履带上的浮体需要定期检查和浮体的气压感应器显示气囊气压降低、并报警时，就启动电动机，动力经传动装置，然后带动驱动轮，转动履带，将需要维护、更换的浮体转送到最高点，露出水面，打开浮体的固定环扣，用机械吊出浮体，进行气囊的补气和其它维护、如果发现气囊漏气就更换气囊或更换浮体。气压的时间确定；如果所有气囊都能够确保6个月以上气压。履带式浮体的检查时间周期是根据气囊维持规定不变，没有泄气、漏气现象发生，检查的周期就可以定为三个月一次。气囊的气压依据其工作的最大水深确定；如工作最大水深20米，气囊的气压就是3个大气压；如工作最大水深100米，气囊的气压就是11个大气压。
附图：长椭圆状履带式浮体结构示意图；
图中：1、平台；2、支架；3、转轮；4、驱动轮；5、约束轮；6、浮体；7、水面线；8、履带。
预期，此项技术的实施，将有助于“蓝色粮仓”产业链的发展壮大；将推动海洋强国战略的宏伟目标早日实现。
综上所述，总结其技术特点和经济优点有以下几点：
1、
即时维护性。分体式浮体在水下工作状态时，可以通过承载浮体的转轮或履带的转动，将每一个浮体顺次送到平台工作面，对浮体进行即时维护，消除了柔性浮体易漏气、易损坏的不足之处。
2、
倍增了浮体的数量和浮体安装的空间及水深。
3、
大大降低了传统制造的成本，大幅度降低了海洋工程装备的造价；减少了装备制造时间；降低了装备运输、安装、运行及维护的费用。
最后，由于以上技术方案处于纸上谈兵的状态，还需要进一步细化和具体的实验、实践的检验。希望本技术方案的发表，能够获得更多海洋工程装备方面的专家、学者及广大工程技术人员的指教！同时，还希望获得更多的海洋工程装备制造企业的指导和合作！同时，还希望受到广大海洋工程装备用户的关注，并从实际应用的角度，提出宝贵的意见和建议！
磨刀不误砍柴工！任何一项新技术、新方案从理论变为现实，都是要经过一段波折、挫折甚至是失败的过程，都要经过不断解决出现的问题、不断完善技术方案、反复地进行多次的实验和实践检验这样一个颇为漫长的路程。
我们有信心走完一条必须经过的困难之路！团结一切志同道合者，为早日实现海洋强国战略目标作出应有的贡献！
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