1.本发明涉及水上系泊技术领域，尤其涉及一种系泊系统。


背景技术：

2.漂浮式结构物在海上受到外界风、浪、流等外界载荷的作用，需要有相应的系泊系统将其与海底相连接，才能保证其被系留在目标位置附近，不至于被风浪流冲跑或吹跑。常见的系泊系统根据目标水深的不同，系泊系统的形式也不同。根据漂浮式结构物的尺寸与水深的相对比例关系，系泊系统可以分为深水系泊和浅水系泊。记漂浮式结构物水下部分在水平面的投影外轮廓面积为s，定义漂浮式结构物外轮廓特征尺度记设计极端环境条件波浪谱峰周期对应的波长为λ，记水深为wd，当满足wd<λ/2或wd<5l时，对应的系泊系统可认为是浅水系泊，其它可认为是中等水深或深水系泊。
3.对于中等水深或深水系泊系统，通常的系泊系统的线型有悬链线形式、半张紧式、或者张紧式系泊。深水系泊系统设计相对比较容易。而对于浅水系泊系统，尤其是长期或永久系泊，系泊系统需要能够经受较大环境条件时，其设计则有非常大的技术挑战。浅水系泊的设计难度在于，如果系泊索设置为悬链线形式，则为了保证漂浮式结构物在最大偏移的情况下锚点处仍然不被拎起来，系泊索长度要设置的非常长，通常浅水系泊如果采用悬链线形式的系泊，系泊半径会到水深的十几倍，乃至二三十倍。为了改善系泊索的动力响应特性，降低系泊半径，工程上会在系泊索中间增加若干配重，在漂浮式结构物偏移时，锚点处系泊索不至于被拎起来，但即使增加重块，系泊半径通常仍然在水深的十几倍以上。这样就造成浅水系泊系统的系泊索等物料使用量极大，设计指标高，整体的系泊系统成本居高不下，单纯系泊系统的成本接近甚至超过漂浮式结构物本身的结构物料造价。同时，浅水系泊系统很难被做成小系泊半径(如十倍水深以内)的张紧式系泊方案，其原因在于如果浅水张紧式系泊，则系泊索在受到外部载荷后，偏离设计平衡位置，系泊索整体处于绷紧的状态，此状态下，在经受较高环境条件海况时，漂浮式结构物在海洋波浪的载荷的激励下，除了让其偏移的波浪慢漂力和定常力(风、流)外，还受到波浪的波频载荷的激励，通常波浪激励载荷要比慢漂载荷大一个甚至两个数量级，平台在波频激励下的运动，传递到绷紧的系泊索上，此时的系泊索只能靠其自身材料的弹性变形来承担平台传递的载荷，由于系泊索本身材料沿其长度方向的刚度较大，犹如绷紧的琴弦，在上端被弹拨，这就造成系泊索内部会有极大的动态张力，动态张力的峰值要比承受单纯静态偏移的值大许多倍，两者比值能够达到十几倍乃至几十倍。浅水张紧式系泊这样的动态响应特征就决定了浅水系泊系统在工程上，如果作为长期系泊、要承受较大海况条件的情况下，无法简单采用小半径张紧式系泊系统。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是提供一种小系泊半径、低张力的系泊系统，以克服现有技术的上述缺陷。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种系泊系统，包括系泊索，系泊索的一端连接水底的锚点，且另一端用于连接水面上的漂浮式结构物，系泊索上设有至少一个配重块和至少两个浮筒，配重块与浮筒沿系泊索的长度方向间隔布置，每个配重块的两侧分别有至少一个浮筒。
6.优选地，系泊索设有多根，至少一根系泊索上设有配重块和浮筒。
7.优选地，配重块两侧的浮筒的最大浮力之和大于配重块的水下重力。
8.优选地，系泊索采用锚链或钢丝绳或复合材料缆绳。
9.优选地，锚点提供水平承载力和垂向承载力。
10.优选地，锚点采用吸力锚或入泥板锚。
11.优选地，配重块包括钢制外壳，钢制外壳内部填充混凝土或铁矿砂。
12.优选地，浮筒采用浮球，浮球为钢制中空结构。
13.优选地，单个浮筒包括若干个分布布置的小浮体。
14.优选地，单个配重块包括若干个分布布置的小重块。
15.与现有技术相比，本发明具有显著的进步：
16.本发明的系泊系统，在系泊索上设置“浮筒
‑
配重块
‑
浮筒”形式的组合结构，使得系泊系统整体在水平方向上形成约束漂浮式结构物偏移的能力，同时系泊系统整体又具有足够的柔性，整体刚度较小，漂浮式结构物波频运动带动系泊连接点的运动，无法造成系泊系统整体的动态响应载荷的大幅度增大，犹如给系泊系统中间增加了一个低刚度的防震缓冲，由此可以将系泊索内波频激励带来的动态张力幅度降低一到两个数量级，波频激励带来的动态张力降低到系泊索承受的静态偏移载荷同一个级别。因此，采用本发明的系泊系统可以大幅降低系泊索的使用长度，并且系泊索的拉力等级也可以下降一个数量级，将原本价格高昂的浅水系泊系统整体成本大幅度降低，具有重要的经济价值。
附图说明
17.图1是本发明实施例的系泊系统第一种实施方式的侧视示意图。
18.图2是本发明实施例的系泊系统第二种实施方式的侧视示意图。
19.图3是本发明实施例的系泊系统第二种实施方式的俯视示意图。
20.图4是本发明实施例的系泊系统第三种实施方式的俯视示意图。
21.图5是漂浮式驳船受环境载荷的示意图。
22.其中，附图标记说明如下：
[0023]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
系泊索
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锚点
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配重块
[0026]4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
浮筒
[0027]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
漂浮式结构物
[0028]
51
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漂浮式驳船
[0029]
a
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水底
[0030]
b
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水面
具体实施方式
[0031]
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。
[0032]
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。
[0033]
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。
[0034]
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。
[0035]
如图1至图4所示，本发明的系泊系统的一种实施例。本实施例的系泊系统是根据浅水系泊系统的动力响应特点，提出的一种适用于浅水系泊的小系泊半径、低张力的复合式系泊系统。
[0036]
参见图1，本实施例的系泊系统包括系泊索1，系泊索1的一端(如下端)连接水底a的锚点2，锚点2锚固于水底a，系泊索1的另一端(如上端)用于连接水面b上的漂浮式结构物5，以将漂浮式结构物5系留在水面b上目标位置区域。系泊索1上设有至少一个配重块3和至少两个浮筒4，配重块3与浮筒4沿系泊索1的长度方向间隔布置，形成多段系泊索依次连接配重块3和浮筒4的复合式结构，每个配重块3的两侧分别有至少一个浮筒4，从而在系泊索1上形成“浮筒4
‑
配重块3
‑
浮筒4”形式的组合结构，通过这样的组合结构，依靠浮筒4在水中向上的浮力和配重块3向下的重力，可以在系泊索1中实现一种类似弹簧的柔性载荷缓冲功能。
[0037]
具体地，由于浮筒4在水中向上的浮力作用，通过浮筒4的最大浮力与配重块3的水下重力的配置，优选为，配重块3两侧的浮筒4的最大浮力之和大于配重块3的水下重力，可使得“浮筒4
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配重块3
‑
浮筒4”形式的组合结构在水中呈两侧浮筒4吊起中间配重块3的状态，当该组合结构因漂浮式结构物5存在而受到拉力的时候，两侧浮筒4之间的距离会被拉开，并且由于配重块3的存在，两侧浮筒4一直会有往中间靠近的趋势，故使得整个系泊系统在锚点2与被系泊的漂浮式结构物5之间形成一种类似弹簧的回复约束机构，具有柔性载荷缓冲功能，能够在水平方向上约束漂浮式结构物5的水面偏移幅度：若漂浮式结构物5偏移，系泊索1上端和漂浮式结构物5相连，也会跟随移动，当漂浮式结构物5远离锚点2时，系泊索1上“浮筒4
‑
配重块3
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浮筒4”形式的组合结构也会被拉伸，对漂浮式结构物5的约束载荷变大；而当漂浮式结构物5靠近锚点2时，系泊索1上“浮筒4
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配重块3
‑
浮筒4”形式的组合结构中的拉力变小。即无论漂浮式结构物5如何运动，“浮筒4
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配重块3
‑
浮筒4”形式的组合结构中两侧浮筒4与中间配重块3三者之间的空间位置都会跟随调整，并且，由于配重块3的水下重力和浮筒4的浮力作用，使得整个组合结构中一直有张力，因此该组合结构在水平方向上
一方面能够对漂浮式结构物5形成一个往锚点2方向的恢复力，另一方面，当漂浮式结构物5运动后，该组合结构自动调整自身的空间结构位置，一直会相应的提供恢复力。
[0038]
不同于传统的系泊索单纯加配重块来改善系泊索的恢复力曲线，或者配重块
‑
单边浮筒形式，本实施例的系泊系统，通过在配重块3两侧设置浮筒4的“浮筒4
‑
配重块3
‑
浮筒4”形式的组合结构，使得系泊系统的柔性更强，并且预张力可控，同时使得系泊系统靠近漂浮式结构物5的一侧也有一个浮筒4，该浮筒4可以将系泊索1上端提升到接近水面b位置，这样整个系泊系统可以对漂浮式结构物5有更好的水平方向约束能力。此外，本实施例的系泊系统的整体刚度相较不设置“浮筒4
‑
配重块3
‑
浮筒4”形式的组合结构的绷紧系泊索的刚度要小得多，亦即本实施例的系泊系统具有很大的柔性。当受到环境载荷后，漂浮式结构物5会在定常力或缓变力(流力、风力、波浪慢漂力)作用下偏移至新的平衡位置，同时在新的平衡位置上，由于波浪波频作用力的激励而运动，由于本实施例的系泊系统的柔性较大，波频激励会被系泊系统的柔性约束给缓冲掉，因此漂浮式结构物5的波频运动不会在系泊索1中造成几十倍于系泊索1静平衡张力的动态张力，而是形成一个和系泊索1静平衡张力同等量级的动态张力。由此，整个系泊系统内系泊索1的整体张力也就限制到了一个较低的水平，从而降低了系泊系统中各部件的技术等级和要求，可以大幅降低系泊索1的使用长度，并且系泊索1的拉力等级也可以下降一个数量级，将原本价格高昂的浅水系泊系统整体成本大幅度降低。
[0039]
本实施例中，优选地，单个浮筒4可以包括若干个分布布置的小浮体，由若干个小浮体分布布置，整体上形成等效于一个浮筒4的功能。优选地，单个配重块3可以包括若干个分布布置的小重块，由若干个小重块分布布置，整体上形成等效于一个配重块3的功能。
[0040]
本实施例中，图1显示为系泊系统采用单根系泊索1，该单根系泊索1上设有“浮筒4
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配重块3
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浮筒4”形式的组合结构。对于设有“浮筒4
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配重块3
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浮筒4”形式的组合结构的单根系泊索1，其上设有的组合结构的数量并不局限，可以根据实际工程需要在单根系泊索1上设置一组或多组“浮筒4
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配重块3
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浮筒4”形式的组合结构，多组“浮筒4
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配重块3
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浮筒4”形式的组合结构之间可以相互镶套，也可以与其它形式的系泊索结构形式组合应用；组合结构中浮筒4和配重块3的数量也不局限，可以是图1中所示一个配重块3和两个浮筒4，也可以根据实际工程需要增加配重块3和浮筒4的数量。
[0041]
由于水上环境条件的载荷方向实际上不是恒定不变的，为确保对漂浮式结构物5的定位效果，优选地，本实施例的系泊系统中，系泊索1可以设有多根，其中至少一根系泊索1上设有配重块3和浮筒4，即至少一根系泊索1上设有“浮筒4
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配重块3
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浮筒4”形式的组合结构，当然，最佳地，是所有的系泊索1上均设有“浮筒4
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配重块3
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浮筒4”形式的组合结构，以使系泊系统整体效果最佳。例如，图2和图3显示为系泊系统设有四根系泊索1，图4显示为系泊系统设有八根系泊索1，当然系泊索1的数量和空间布置形式并不局限于图2
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图4所示的方式，可以根据实际工程需要，视水况条件、周边是设施、可用水域面积等诸多因素而定，同一漂浮式结构的系泊系统即使都采用本实施例的系泊索形式，每根系泊索的具体技术参数也不必和其它系泊索完全一致。单根系泊索1上配重块3和浮筒4的配置如上所述，可以在保证形成至少一组“浮筒4
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配重块3
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浮筒4”形式的组合结构的前提下，根据实际工程需要选择配重块3和浮筒4的数量及布置形成。
[0042]
本实例中，系泊索1起承担张力的作用，优选地，系泊索1可以采用锚链或钢丝绳或
复合材料缆绳，锚链可以是钢制无档锚链。当然，系泊索1也可以采用其它能够实现同等力学功能的材质。多段系泊索1之间的连接可以采用钢制卸扣或其它等效功能的构件完成。
[0043]
本实例中，锚点2实现系泊索1下端在水底a的锚固，优选地，锚点2提供水平承载力和垂向承载力。较佳地，锚点2可以采用吸力锚或深入泥板锚。当然，锚点2也可以采用其它能够实现水底锚固承载功能的结构。
[0044]
本实例中，配重块3提供水中向下的重力，优选地，配重块3可以包括钢制外壳，钢制外壳内部填充混凝土或铁矿砂。当然，配重块3也可以采用其它能够提供需要的水下重力的结构。
[0045]
本实例中，浮筒4提供水中向上的浮力，优选地，浮筒4可以采用浮球，浮球为钢制中空结构。当然，浮筒4也可以采用其它能够提供需要的浮力的结构。
[0046]
实施时，本实施例的系泊系统可以按以下步骤进行安装：1)锚点2预安装，将锚点2和与锚点2相连的一段系泊索通过施工船安装到设计的水底a锚点位置，并将该段系泊索的上端连上临时的定位绳索和浮球，便于识别；2)将“浮筒4
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配重块3
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浮筒4”形式的组合结构在岸上或辅助船舶上由多段系泊索连接装配好，然后将该组合结构放入水中，将其一端的浮筒4与已经安装好的锚点2上的系泊索的上端连接；3)将另一段系泊索的一端与漂浮式结构物5连接，然后将漂浮式结构物5拖运到位，再将该段系泊索的另一端与组合结构另一端的浮筒4连接，由此形成具有“浮筒4
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配重块3
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浮筒4”形式的组合结构的复合式系泊索1结构。在实际施工时，上述安装步骤可以根据实际施工资源与工具灵活调整。
[0047]
参见图5，以漂浮式结构物5为漂浮式驳船51为例，漂浮式驳船51为一个船长度100m、船宽10m、干弦1m、吃水3m的驳船，布置在水深为10m的水域中，对垂直于船长方向的波浪进行消波，图5中箭头所示为环境载荷方向。按照风浪流同向，整个系泊系统布置如图5所示，当系泊半径为30m(设计静平衡情况下，系泊索与漂浮式驳船51连接处距锚点处水平距离)，对应的设计环境条件为有义波高hs＝1.0m、谱峰周期6.1s、表面流速2m/s、风速50m/s。
[0048]
如果直接采用40m长(4倍水深)的钢链作为锚固系统，则钢链迎风侧的钢链动态载荷可达到八九百吨，主要原因是由于水深太浅，漂浮式驳船51偏移到新的平衡位置后，钢链被紧绷，还有波频运动导致钢链上端部随着漂浮式驳船51运动，在此状态下，钢链只能通过自身的材料弹性变形来抵抗漂浮式驳船51运动带来的顶端位移，故钢链的动态载荷极大，如果按照最大载荷选取带有相应安全系数的钢链，不仅钢链本身成本高昂，而且对漂浮式驳船51上的连接结构、水底的锚点载荷也极大，对应的设计难度也大，成本也极高。工程上通常采用加大系泊半径延长系泊索长度，并在系泊索中间单纯增加重块的方式改善钢链的载荷，其思路是当系泊半径增加后，当漂浮式驳船51在偏移后的平衡位置处叠加波频运动时，对应系泊索的上端随着运动，此时系泊索的线型随着与锚点距离远近变化，可能会把重块拎起或下放，能够改善系泊索的载荷，但是不足以根本性降低动态载荷。最大的张力载荷仍能够达到五六百吨的级别。
[0049]
而采用本实施例的系泊系统，系泊半径不变，将每根系泊索改为具有“浮筒4
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配重块3
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浮筒4”形式的组合结构的复合式系泊索1结构，从漂浮式驳船51到锚点2依次配置为：一段12m的系泊索、一个最大浮力8吨的浮筒4、一段12m的系泊索、一个水下重力5吨的配重块3、一段12m的系泊索、一个最大浮力8吨的浮筒4以及一段22m的系泊索，则在同样的环境条件下，系泊系统的最大载荷下降至28吨。故采用本实施例的系泊系统，系泊索1的整体的
技术等级要求可以大幅度下降，相应的成本也可以大幅度下降。相应的锚点2载荷也变低，漂浮式驳船51连接处的载荷也变低，整个系泊系统所有环节的技术难度和要求均下降，系泊系统的成本可以达到原先的5％
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20％的比例，有显著的经济优势。
[0050]
再以漂浮式结构物5为排水量12000吨
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14000吨的半潜式漂浮式风电系统为例，在水深40m
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60m的海域，设计风速50m/s，表面流速2m/s，如果设计波谱的谱峰周期为14s，有义波高10m，则这也是典型的浅水系泊系统设计。如果采用传统的悬链线线型中间单纯加重块的系泊形式，即便采用9点系泊布置的形式来分散锚固载荷，则系泊半径仍可达八九百米，采用的无档锚链或钢丝绳的破断力要超过2000吨，对应的锚点等级也极高，整个系统的仅物料成本可达七至九千万人民币，成本极高，并且由于系统笨重复杂，对应海上安装施工需要的施工船舶等级要求高，对应海上施工成本也高。而采用本实施例的系泊系统，则对应的系泊系统内张力最大值可以控制到200吨的级别，系泊半径可以控制在水深的5
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10倍之内。故采用本实施例的系泊系统对应的物料成本远远低于传统的系泊系统，经济优势极其明显，同时，由于系泊系统上整体载荷下降，和平台连接处的结构设计要求也明显降低，进一步降低了漂浮式平台的成本和工程设计难度，能够对海上漂浮式风电系统的整体降本起到极大的推动作用。
[0051]
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。