一种移动式破冰装置及使用方法与流程

1.本发明涉及海上风电工程技术领域，具体涉及一种移动式破冰装置及使用方法。


背景技术：

2.国内外对于海洋平台等结构的抗冰存在一定的工程经验，但海上风电结构存在两方面的特殊性，使得其抗冰问题极具挑战性。其一是：海上风电基础面临着强风与强冰的共同作用，对结构的抗倾覆能力提出了更高的要求。二是海上风电为高耸柔性结构，冰激振动响应剧烈，因此抗冰设计应给予更加充分的考虑。
3.目前,我国海上风电基础的破冰设计是在桩身潮差范围内加装锥体结构,冰与锥体相互作用时能够将海冰的破坏模式由挤压破坏改变为弯曲破坏,从而使得海冰作用在结构上的荷载大幅度降低。然而在无冰期,由于冰锥的存在加大了基础的水线面面积,波浪荷载急剧增加，同样威胁着海上风电桩式基础的安全。如何设计破冰结构,在冰荷载减小与波浪荷载增加的矛盾中寻找制衡点,成为有冰海域风电基础设计中亟需解决的关键技术问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，面对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种移动式破冰装置，以解决现有抗冰结构无法兼顾破冰和消浪效果的技术问题。
5.本技术旨在解决背景技术中的问题之一。
6.本发明所采用的技术方案为：为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种移动式破冰装置；一种移动式破冰装置，包括滑动冰锥模块和钢管桩模块，滑动冰锥模块用于破冰并沿钢管桩模块调整位置；滑动冰锥模块包括上下锥面，上下锥面的外板内设置有内筋网，上下锥面的冰锥内套管内壁设置内滑轨，上下锥面的下端面设置有下挡板，上下锥面的中部设置有避让槽，避让槽用于避让钢管桩模块的平台附件，上下锥面的上端面设置有上挡板，上挡板上设置有悬挂臂，悬挂臂的上端设置悬卡板，悬卡板用于挂到卡板上悬停滑动冰锥模块；卡板间隔设置在卡环上；管桩柱体上设置有轴向外导轨用于配套内滑轨；管桩柱体上设置有下支撑环板用于支撑限位下挡板；卡环可旋转滑动的设置在轴向外导轨顶端。
7.本技术提供的一种技术方案，还具有以下技术特征：优选的，平台附件包括行走平台和靠泊设施。
8.优选的，轴向外导轨为沿管桩柱体竖向设置的轨道。
9.优选的，内滑轨包括两个轨道及轨道之间的嵌入空间，嵌入空间用于置入轴向外导轨。
10.优选的，卡板沿卡环径向朝外设置凸起ⅰ，使悬卡板挂设在卡板上，悬卡板向管桩柱体的中心设置凸起ⅱ，凸起ⅰ用于支撑凸起ⅱ，凸起ⅱ和卡板不干涉。
11.优选的，内滑轨、悬挂臂、悬卡板沿上下锥面的中心间隔设置，且内滑轨、悬挂臂、悬卡板间隔角度一致。
12.优选的，上下锥面上设置有孔。
13.优选的，内筋网为筋板交叉组成。
14.优选的，破冰结构包括上下锥面，上下锥面包括上锥面结构，下锥面结构；上下锥面内设置冰锥内套管，上下锥面衔接处设置圆管环，冰锥内套管内壁设置内滑轨，上挡板、悬挂臂、悬卡板、下挡板、上下锥面之间焊接；上下锥面的上锥面结构、下锥面结构之间通过圆管环连接；上挡板设置在上下锥面的上锥面结构的顶端，悬挂臂焊接在上挡板的顶部，悬卡板焊接在悬挂臂顶部；下挡板焊接在上下锥面的下锥面结构底部，冰锥内套管与上挡板和下挡板连接，冰锥内套管的内侧设置竖向的内滑轨。
15.优选的，上下锥面的上锥面结构、下锥面结构，及内滑轨、悬挂臂、悬卡板、上挡板分布在圆周扇形的300
°
范围内，避让槽为空出的60
°
位置，避让槽用于避让通道，通道处将靠泊设施安装至管桩柱体的对应位置。
16.优选的，上下锥面的上锥面结构靠近上挡板位置设置开孔，上下锥面的下锥面结构靠近下挡板位置开孔。
17.优选的，内滑轨以90
°
间隔设置3个，管桩柱体对应位置处设置相应的轴向外导轨。
18.优选的，管桩柱体为钢管桩，管桩柱体的轴向外导轨的底部设置下支撑环板，下支撑环板的外径不小于下挡板的外径。
19.优选的，卡环内径大于钢管桩直径，卡环外边缘均匀焊接4个卡板，卡板外径小于悬挂臂的内径，卡板中间位置均匀设置4个吊环。
20.优选的，上下锥面的上锥面结构、下锥面结构与冰锥内套管之间，设置的竖向筋板及环向筋板组成内筋网。
21.为应用一种移动式破冰装置，本发明提供一种移动式破冰装置的使用方法，包括如下步骤：（1）将轴向外导轨和下支撑环板焊接在管桩柱体上，实施管桩柱体的沉桩；（2）陆上组装上下锥面的上锥面结构、下锥面结构，并安装冰锥内套管、圆管环、内滑轨、悬挂臂、上挡板、悬卡板及内筋网；将冰锥内套管的内滑轨与管桩柱体的轴向外导轨准确定位，沿上锥面和下锥面的开孔，海水进入滑动冰锥模块的结构内部，滑动冰锥模块沿着管桩柱体的轴向外导轨滑移至底部的下支撑环板处；（3）将缆绳系在卡环的4个吊环上，卡环设置于管桩柱体的轴向外导轨的顶部，缆绳与管桩柱体的顶部平台的卷扬机相连；（4）在滑动冰锥模块的避让槽的空缺位置对应的管桩柱体上焊接平台附件；本发明的破冰结构工作原理为：临近冰期，潜水员下水将上下锥面的上下开孔与管道连接，上孔充气，下孔排水，使得冰锥浮力大于重力从而上浮至旋转卡环处；启动管桩柱体顶部平台的卷扬机，转动卡环，使得卡环上的卡板与滑动冰锥模块的悬卡板的水平投影具有重合部分，将滑动冰锥模块固定在该高程；
拆除连接在上下开孔处的管道；非冰期启动管桩柱体顶部平台的卷扬机，转动卡环使得卡环上的卡板与滑动冰锥模块上悬卡板水平投影无重合部分，上下锥面拔下管道从而开孔进水下沉，带动滑动冰锥模块沿着轴向外导轨滑动至底部下支撑环板处。
22.本发明具有以下有益效果：1、本发明的移动式破冰结构可实现冰期固定在设计潮位高程范围内破冰，非冰期沉入海平面以下，大幅减小由于冰锥设置引起的波浪力的增加；2、本发明的移动式破冰结构组装工序均可在陆上完成，在有效保证加工质量的同时缩短了海上作业时间,提升了海上作业效率；3、移动式破冰结构与管桩柱体之间通过内滑轨与轴向外导轨的装配实现滑动连接。一方面，与传统抱箍、焊接、螺栓及灌浆的连接方式相比,连接工序更加简单；另一方面，冰期充分借助锥体浮力，使得卡环承受较小的力即可固定冰锥高程。
23.4、由于冰锥的移动可减缓管桩柱体表面海生物附着程度，减缓管桩柱体的海生物腐蚀破坏；5、卡环只需旋转微小角度即可实现冰锥的限位及移动功能，操作工艺简单可靠。
附图说明
24.图1为本发明一种移动式破冰装置的冰期在位状态图；图2为本发明一种移动式破冰装置的非冰期在位状态图；图3为本发明一种移动式破冰装置的管桩柱体结构图；图4为本发明一种移动式破冰装置的滑动冰锥模块示意图；图5为本发明一种移动式破冰装置的内筋网的肋板示意图；图6为本发明一种移动式破冰装置的卡板、卡环示意图；图7为本发明一种移动式破冰装置的卡板、卡环与滑动冰锥模块装配示意图；图8为本发明一种移动式破冰装置的卡板、卡环的使用状态示意图；图9为本发明一种移动式破冰装置的设计潮位示意图；图中：4、滑动冰锥模块41、内滑轨42、悬挂臂43、内筋网44、避让槽45、上挡板46、悬卡板47、下挡板48、上下锥面49、冰锥内套管50、圆管环7、钢管桩模块
71、卡板72、下支撑环板73、卡环74、轴向外导轨75、平台附件76、吊环77、管桩柱体 。
实施方式
25.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。
26.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
27.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；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
28.此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
29.如图1-9，一种移动式破冰装置，包括滑动冰锥模块4，及设置滑动冰锥模块4的钢管桩模块7，滑动冰锥模块4用于破冰并沿钢管桩模块7调整位置；滑动冰锥模块4包括上下锥面48，上下锥面48的外板内设置有内筋网43，上下锥面48的冰锥内套管49内壁设置内滑轨41，上下锥面48的下端面设置有下挡板47，上下锥面48的中部设置有避让槽44，避让槽44用于避让钢管桩模块7的平台附件75，上下锥面48的上端面设置有上挡板45，上挡板45上设置有悬挂臂42，悬挂臂42的上端设置悬卡板46，悬卡板46用于挂到卡板71上悬停滑动冰锥模块4；卡板71间隔设置在卡环73上；管桩柱体77上设置有轴向外导轨74用于配套内滑轨41；管桩柱体77上设置有下支撑环板72用于支撑限位下挡板47；卡环73可旋转滑动的设置在轴向外导轨74顶端。
30.本技术实施时，具有这样的特点：利用充气使破冰结构上浮，充气时候利用气体挤压直接使其内部的水排出，从而上浮，当完成破冰后，通过放出气体，使结构内部的空气受水的挤压排出，从而实现结构自沉。
31.本技术的技术方案的更多拓展附加特征如下：具体的，平台附件75包括行走平台和靠泊设施，用于潜水使用及维修使用。
32.具体的，轴向外导轨74为沿管桩柱体77竖向设置的轨道，提供该结构实现导向滑动的限位，使破冰结构主体滑动冰锥模块4沿该轨道结构上下升降，从而实现位置高度调整，满足不同高度应用场景下的使用要求。
33.具体的，内滑轨41包括两个轨道及轨道之间的嵌入空间，嵌入空间用于置入轴向外导轨74，这种轨道配合，具有限位，且方便安装的特点。
34.具体的，卡板71沿卡环73径向朝外凸起ⅰ，使悬卡板46挂设在卡板71上，悬卡板46向管桩柱体77的中心设置凸起ⅱ，凸起ⅰ用于支撑凸起ⅱ，凸起ⅱ和卡板71不干涉，而且卡板71可旋转的限位的轴向外导轨74上，利用该结构实现挂靠或者悬停破冰结构主体滑动冰锥模块4作用。
35.具体的，内滑轨41、悬挂臂42、悬卡板46沿上下锥面48的中心间隔设置，且内滑轨41、悬挂臂42、悬卡板46间隔角度一致，使其布局合理，且便于排布避让附属构件。
36.具体的，上下锥面48上设置有孔，用于排水、通气，使其利用空腔提供上升浮力，或者排气后自然下沉。
37.具体的，内筋网43为筋板交叉组成，结构牢靠，强度足够满足破冰需要。
38.具体的，破冰结构包括上下锥面48，上下锥面48包括上锥面结构，下锥面结构；上下锥面48内设置冰锥内套管49，冰锥内套管49内壁设置内滑轨41，上挡板45、悬挂臂42、悬卡板46、下挡板47、上下锥面48之间焊接；上下锥面48的上锥面结构、下锥面结构之间通过圆管环50连接；上挡板45设置在上下锥面48的上锥面结构的顶端，悬挂臂42焊接在上挡板45的顶部，悬卡板46焊接在悬挂臂42顶部；下挡板47焊接在上下锥面48的下锥面结构底部，冰锥内套管49与上挡板45和下挡板47连接，冰锥内套管49的内侧设置竖向的内滑轨41。
39.具体的，上下锥面48的上锥面结构、下锥面结构，及内滑轨41、悬挂臂42、悬卡板46、上挡板45分布在圆周扇形的300
°
范围内，避让槽44为空出的60
°
位置，避让槽44用于避让通道，通道处将靠泊设施安装至管桩柱体77的对应位置。
40.具体的，上下锥面48的上锥面结构靠近上挡板45位置设置开孔，上下锥面48的下锥面结构靠近下挡板47位置开孔，用于排气、排水，及进水，满足上浮、下沉的使用要求，利用潜水配合气管道的接通插拔进行操作排气、排水，这种上升主要利用浮力和重力，对于该自重及上升下降的阻力来说，这种升降方式，节能而且免去了升降设备。
41.具体的，内滑轨41以90
°
间隔设置3个，管桩柱体77对应位置处设置相应的轴向外导轨74，本结构为避让结构提供空间，而且设置三个使结构趋于稳定。
42.具体的，管桩柱体77为钢管桩，管桩柱体77的轴向外导轨74的底部设置下支撑环板72，下支撑环板72的外径不小于下挡板47的外径，该结构使非破冰期，滑动冰锥模块4可以沉降至水面下，移动至该位置处，即最低处。
43.具体的，卡环73内径大于钢管桩直径，卡环73外边缘均匀焊接4个卡板71，卡板71外径小于悬挂臂42的内径，卡板71中间位置均匀设置4个吊环76，利用吊环76可以使用拉绳等操作使其旋转，提供拉拽吊环76，使其向指定方向旋转，从而实现了远距离的非接触的操作旋转，为在恶劣环境下操作提供便捷性。
44.具体的，上下锥面48的上锥面结构、下锥面结构与冰锥内套管49之间，设置的竖向筋板及环向筋板组成内筋网43。
45.本发明的提供一种移动式破冰结构施工方法，包括如下步骤：
（1）将轴向外导轨74和下支撑环板72焊接在管桩柱体77上，实施管桩柱体77的沉桩；（2）陆上组装上下锥面48的上锥面结构、下锥面结构，并安装圆管环、内滑轨41、悬挂臂42、上挡板45、悬卡板46及内筋网43；将冰锥内套管49的内滑轨41与管桩柱体77的轴向外导轨74准确定位，沿上锥面和下锥面的开孔，海水进入滑动冰锥模块4的结构内部，滑动冰锥模块4沿着管桩柱体77的轴向外导轨74滑移至底部的下支撑环板72处；（3）将缆绳系在卡环73的4个吊环76上，卡环73设置于管桩柱体77的轴向外导轨74的顶部；卡环73和轴向外导轨74连接处设置一支撑块，支撑块和卡环73之间形成转动副结构，用于可旋转连接限位卡环73，支撑块固定在轴向外导轨74的顶端，缆绳与管桩柱体77的顶部平台的卷扬机相连；（4）在滑动冰锥模块4的避让槽44的空缺位置对应的管桩柱体77上焊接平台附件75；总的来说，本技术具有这样的特点，临近冰期，潜水员下水将上下锥面48的上下开孔与管道连接，上孔充气，下孔排水，使得冰锥浮力大于重力从而上浮至旋转卡环处；启动管桩柱体77的顶部平台的卷扬机，转动卡环73，使得卡环73上的卡板71与滑动冰锥模块4的悬卡板46的水平投影具有重合部分，将滑动冰锥模块4固定在该高程；拆除连接在上下开孔处的管道；非冰期启动管桩柱体77的顶部平台的卷扬机，转动卡环73使得卡环73上的卡板71与滑动冰锥模块4上悬卡板46水平投影无重合部分，上下锥面48拔下管道后开孔进水下沉，带动滑动冰锥模块4沿着轴向外导轨74滑动至底部下支撑环板72处。
46.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种移动式破冰装置，其特征在于，包括滑动冰锥模块（4）和钢管桩模块（7），滑动冰锥模块（4）用于破冰并沿钢管桩模块（7）调整位置；滑动冰锥模块（4）包括上下锥面（48），上下锥面（48）的上锥面结构、下锥面结构与冰锥内套管（49）之间设置有内筋网（43），上下锥面（48）的冰锥内套管（49）内壁设置内滑轨（41），上下锥面（48）的下端面设置有下挡板（47），上下锥面（48）的中部设置有避让槽（44），避让槽（44）用于避让钢管桩模块（7）的平台附件（75），上下锥面（48）的上端面设置有上挡板（45），上挡板（45）上设置有悬挂臂（42），悬挂臂（42）的上端设置悬卡板（46），悬卡板（46）用于挂到卡板（71）上悬停滑动冰锥模块（4）；卡板（71）间隔设置在卡环（73）上；管桩柱体（77）上设置有轴向外导轨（74）用于配套内滑轨（41）；管桩柱体（77）上设置有下支撑环板（72）用于支撑限位下挡板（47）；卡环（73）可旋转滑动的设置在轴向外导轨（74）顶端。2.如权利要求1所述的一种移动式破冰装置，其特征在于，上下锥面（48）的上锥面结构靠近上挡板（45）位置设置开孔，上下锥面（48）的下锥面结构靠近下挡板（47）位置开孔。3.如权利要求1所述的一种移动式破冰装置，其特征在于，轴向外导轨（74）为沿管桩柱体（77）竖向设置的轨道；平台附件（75）包括行走平台和靠泊设施；内滑轨（41）包括两个轨道及轨道之间的嵌入空间，嵌入空间用于置入轴向外导轨（74）。4.如权利要求1所述的一种移动式破冰装置，其特征在于，卡板（71）沿卡环（73）径向朝外设置凸起ⅰ，使悬卡板（46）挂设在卡板（71）上，悬卡板（46）向管桩柱体（77）的中心设置凸起ⅱ，凸起ⅰ用于支撑凸起ⅱ，凸起ⅱ和卡板（71）不干涉。5.如权利要求1所述的一种移动式破冰装置，其特征在于，内滑轨（41）、悬挂臂（42）、悬卡板（46）沿上下锥面（48）的中心间隔设置，且内滑轨（41）、悬挂臂（42）、悬卡板（46）间隔角度一致；内筋网（43）为筋板交叉组成。6.如权利要求5所述的一种移动式破冰装置，其特征在于，内筋网（43）包括竖向筋板及环向筋板。7.一种移动式破冰装置的使用方法，应用权利要求1-6任一所述的一种移动式破冰装置，其特征在于，包括如下步骤：第一，将轴向外导轨（74）和下支撑环板（72）焊接在管桩柱体（77）上，实施管桩柱体（77）的沉桩；第二，陆上组装上下锥面（48）的上锥面结构、下锥面结构，并安装冰锥内套管（49）、圆管环（50）、内滑轨（41）、悬挂臂（42）、上挡板（45）、悬卡板（46）及内筋网（43）；将冰锥内套管（49）的内滑轨（41）与管桩柱体（77）的轴向外导轨（74）准确定位，沿上锥面和下锥面开孔，海水进入滑动冰锥模块（4）的结构内部，滑动冰锥模块（4）沿着管桩柱体（77）的轴向外导轨（74）滑移至底部的下支撑环板（72）处；第三，将缆绳系在卡环（73）的4个吊环（76）上，卡环（73）设置于管桩柱体（77）的轴向外导轨（74）的顶部，缆绳与管桩柱体（77）的顶部平台的卷扬机相连；第四，在滑动冰锥模块（4）的避让槽（44）的空缺位置对应的管桩柱体（77）上焊接平台附件（75）。8.如权利要求7所述的一种移动式破冰装置的使用方法，其特征在于，临近冰期，潜水
员下水将上下锥面（48）的上下开孔与管道连接，上孔充气，下孔排水，使得冰锥浮力大于重力从而上浮至旋转卡环处。9.如权利要求8所述的一种移动式破冰装置的使用方法，其特征在于，启动管桩柱体（77）的顶部平台的卷扬机，转动卡环（73），使得卡环（73）上的卡板（71）与滑动冰锥模块（4）的悬卡板（46）的水平投影具有重合部分，将滑动冰锥模块（4）固定在该高程。10.如权利要求7所述的一种移动式破冰装置的使用方法，其特征在于，非冰期启动管桩柱体（77）的顶部平台的卷扬机，转动卡环（73）使得卡环（73）上的卡板（71）与滑动冰锥模块（4）上悬卡板（46）水平投影无重合部分，上下锥面（48）开孔进水下沉，带动滑动冰锥模块（4）沿着轴向外导轨（74）滑动至底部下支撑环板（72）处。

技术总结
一种移动式破冰装置及使用方法，包括滑动冰锥模块，及设置滑动冰锥模块的钢管桩模块，滑动冰锥模块用于破冰并沿钢管桩模块调整位置；滑动冰锥模块包括上下锥面，上下锥面的外板内设置有内筋网，上下锥面的冰锥内套管内壁设置内滑轨，上下锥面的下端面设置有下挡板，上下锥面的中部设置有避让槽，避让槽用于避让钢管桩模块的平台附件，上下锥面的上端面设置有上挡板，上挡板上设置有悬挂臂，悬挂臂的上端设置悬卡板，悬卡板用于挂到卡板上悬停滑动冰锥模块；卡板间隔设置在卡环上，卡环可旋转滑动的设置在轴向外导轨上；管桩柱体上设置有轴向外导轨用于配套内滑轨；管桩柱体上设置有下支撑环板用于支撑限位下挡板。下支撑环板用于支撑限位下挡板。下支撑环板用于支撑限位下挡板。


技术研发人员：田会元 徐明强 陈立 肖晶晶 宋础 官明开 郑越
受保护的技术使用者：上海勘测设计研究院有限公司
技术研发日：2023.06.01
技术公布日：2023/7/7