将海上浮动结构联接预铺设系泊系统的快速连接器及方法与流程

本发明涉及一种用于将海上浮动结构联接到预铺设系泊系统的快速连接器。本发明属于海上浮动结构领域，更具体地，属于海上浮动风力涡轮机、波浪机和潮流涡轮机领域。本发明还涉及一种通过使用快速连接器将海上浮动结构联接到预铺设系泊系统的方法。

背景技术：

1、传统上，浮动海上平台(特别是浮动风力涡轮机平台)通过限制该浮动结构的位移和旋转的多条系泊缆连接到海床。即，提供风力涡轮机运行和保持位置所需的固定装置。此外，传统上，带有风力涡轮机的浮动平台由拖船拖曳并运输到完全组装好的安装地点。然而，系泊缆的安装和张紧需要使用多艘船舶，并且执行起来可能很复杂，需要使用专业团队、船舶和良好的天气条件。预计浮动风力涡轮机平台在其20-25年的寿命期间可能需要多次被拖至港口，以对涡轮机或平台本身进行维护。因此，非常需要一种安全快速地断开和重新连接平台的方法。

2、因此，本发明寻求提供一种用于将海上浮动平台连接到预铺设系泊系统和将海上浮动平台从预铺设系泊系统断开的设备，该设备使得这些操作快速、容易，并且不需要复杂的规划，例如多个专用船舶。

3、专利us 6,294,844描述了一种海上结构，其包括框架和多个风力涡轮机，该海上结构安装在连接到垂直轴的浮动平台上，以允许该结构随风向变化。该轴通过锚定系统保持静止。该轴与可旋转结构的框架的连接方式设计成在多个平面上对该轴进行支撑，以使风力涡轮机保持直立和稳定。

4、在一些其他设计中，浮动结构可围绕单个系泊点旋转，如专利ep3642479b1的情况所描述的系统。本发明还包括通过使用半潜式驳船相对于彼此移动下部和上部主体来将浮动平台与永久系泊结构分离的装置。此外，由锥体和反锥体对组成的定心装置引导连接-断开操作。

5、在过去的几十年中，在石油和天然气海上开采行业中开发了许多快速连接器，以方便船舶与半潜式浮标的连接和断开。该浮标通常锚定在海床上，并且具有多个立管和钻井设备，能够承受作用在船舶上的海浪和海流，因此即使没有动态定位系统，该浮标也可以保持在适当的位置。快速连接器通常位于任何类型的偏航系统下方的船舶中，该偏航系统允许船舶围绕浮标自由旋转，从而允许船舶与风向对准。

6、专利us5356321公开了一种用于生产船舶的可脱离系泊系统。该可脱离系泊系统包括具有偏航系统的转台，该转台具有顶部轴承和底部轴承以及在船下方行进的快速连接器。因此该可脱离系泊系统可以随风向变化并与风、水流或波浪方向对齐，并在发生猛烈风暴或出现浮冰时被驱动到港口。该快速连接器由多个轴承锁组成，通过液压缸驱动的夹头，该多个轴承锁被迫与浮标顶部界面上加工的环形空腔相干涉。

7、类似地，专利us5363789描述了一种可脱离系泊系统，其特征在于可旋转地联接到浮动结构的接收构件。系泊浮标和接收构件之间的结构连接使用环形致动构件来实现，该环形致动构件与周向布置的闩锁构件接合。所使用的定心装置仅允许接收构件和系泊浮标在某个旋转位置连接。

8、专利wo2007127531a2描述了一种允许船舶围绕水下浮标随风向改变方位的系泊方法。浮标的轴承组件具有联接到固定在浮标上的外环的内轮毂。附接到船舶的结构连接器布置成可释放地连接到该内毂。该连接器包括多个夹头段，该多个夹头段与内毂接合，以将内毂牢固地卡在连接器上。在接收内毂的过程中涉及的径向载荷通过径向衬套座在船和浮标之间传递，该径向衬套座由形成在浮标中的圆形凹部的周边限定。

9、专利ep1567727b1涉及一种使用机械导向在海上安装风力涡轮机、波浪机和潮汐流涡轮机的方法，该机械导向仅需要自推进驳船。该方法包括使用承窝(socket)和中间支撑部件，该承窝和中间支撑部件为待安装的结构的锥形端部部件提供内部引导表面。该结构最初通过附接到驳船上的夹具保持在倾斜位置。然后，使用引导线将该结构的端部部件引入安装插座中，通过调节可移除的对准装置降低该端部部件，直到实现安装表面的几何对准，并将该端部部件从夹具中释放出来。随后，使用注入灌浆来固定安装。

10、专利us6609734公开了一种用于连接压力容器的连接器，其特征在于环形构件平行于锁定段的运动而滑动。该环形构件中的一个(即致动环面)与内部活塞接合，并使其向下移动，从而将多个周向布置的锁定段摇动到压力容器表面上的轮毂上。

技术实现思路

1、本发明包括一种快速连接器，所述快速连接器配置成将海上浮动结构的上部主体联接到预铺设系泊系统的下部主体上。在一些实施例中，海上浮动结构可以是例如风向浮动海上风力涡轮机(floating offshore wind turbine(fowt))平台，并且预铺设系泊系统可以是例如张力腿平台(tlp)类型，但是所述装置可以用于其他类型的浮动系统。海上浮动结构和预铺设系泊系统可沿纵向轴线对齐布置。快速连接器可配置成沿着纵向轴线将海上浮动结构联接(优选地，同轴连接)到预铺设系泊结构。所述纵向轴线可以是几何纵向轴线，而不对应于快速连接器的物理部件。

2、所述快速连接器包括：基座结构，所述基座结构配置成联接到海上浮动结构的上部主体；系泊接口，所述系泊接口配置成附接到预铺设系泊系统的下部主体；以及锁定机构，所述锁定机构由流体动力(液压或气动)致动，所述锁定机构配置成将基座结构与系泊接口联接和分离。

3、优选地，系泊接口成形为外部凹形构件(outer female member)，所述外部凹形构件设计成接收作为内部凸形构件的所述快速连接器的基座结构，并且在几何形状上与其匹配。然而，由本发明提供的技术解决方案也可适用于系泊接口配置为内凸构件并且基座结构配置为外凸构件的配置。快速连接器的基座结构可以附接到fowt平台或其他类型的海上平台的浮动上部主体，目的是将所述基座结构固定到系泊系统上。基座结构和系泊接口配置成沿着纵向轴线彼此连接(例如，同轴连接)。在优选实施例中，处于运行位置的纵向轴线配置为垂直轴。

4、一旦快速连接器的基座结构被引导直到实现与系泊接口的连接，嵌入基座结构中的多个沿外围或周边(例如，周向)布置的锁定爪(即，锁定爪可以布置在距纵向轴线的径向距离处)与系泊接口的环形部分的凹槽表面对准。在优选实施例中，所述凹槽表面可以配置为系泊接口的环形部分的内凹槽表面(例如，凹槽表面可以配置为所述环形部分的内表面)。

5、多个液压或气动活塞可安装在基座结构上，并可操作地连接以在释放位置和锁定位置之间移动锁定爪。在释放位置处，锁定爪从系泊接口的凹槽表面退回(即，断开连接)，在锁定位置处，锁定爪与系泊接口的凹槽表面啮合(即，连接)。

6、在一个实施例中，每个锁定爪可以包括在锁定组件中，所述锁定组件被引导成垂直于或至少部分垂直于纵向轴线滑动。在本发明的上下文中，“部分垂直”必须被解释为代表运动的第一分量垂直于纵向轴线而运动的第二分量平行于纵向轴线的运动，其中，“主要(或大部分)垂直”被解释为部分垂直运动，其中运动主要是垂直的(即运动的平行分量小于垂直分量)。多个楔形件可以安装在基座结构上以平行移动(或部分平行或主要平行，其中“部分平行”和“主要平行”的描述是基于上面提供的“部分垂直”和“主要垂直”的描述)至纵向轴线，并且液压或气动活塞可操作地连接以降低和升高楔形件。每个楔形件可以具有楔形表面，所述楔形表面配置和布置成与锁定组件的倾斜表面相互作用，以在锁定位置和释放位置之间向外和向内移动锁定爪。

7、根据一些实施例，每个楔形件可以包括至少一个膨胀楔形表面和至少一个收缩楔形表面，其中每个锁定组件可以包括至少一个膨胀倾斜表面和至少一个收缩倾斜表面。所述至少一个膨胀楔形表面可以配置和布置成与锁定组件的至少一个膨胀倾斜表面相互作用，并且所述至少一个收缩楔形表面可以配置和布置成与至少一个收缩倾斜表面相互作用，以便向外和向内移动锁定爪。

8、在一些实施例中，每个楔形件可以配置为包括楔形主体和基板的部件。基板可以配置成从楔形主体横向突出，从而形成一个或两个侧翼。楔形主体可以相对于两个侧翼布置在中央位置，或者可以横向布置(如果只有一个侧翼)。膨胀楔形表面和收缩楔形表面可分别配置成基板的相对面，其中优选地，膨胀楔形表面平行于膨胀楔形表面。楔形主体还可以包括与膨胀楔形表面和收缩楔形表面成一角度布置的引导面，其中所述引导面可以配置成使得当楔形件滑入倾斜通道时，引导面压靠在基座结构的表面上，从而将压力从楔形件传递到锁定爪，以将锁定爪移向凹槽表面。

9、每个锁定组件的膨胀倾斜表面和收缩倾斜表面可以配置成形成倾斜通道，所述倾斜通道配置成接收相应楔形件的基板。膨胀倾斜表面和收缩倾斜表面可以相互平行布置。倾斜通道也被称为狭槽(尽管布置成连接相应的膨胀倾斜表面和收缩倾斜表面的侧表面是可选的)。倾斜通道在收缩倾斜表面上可以是敞开的(即，它不是封闭的，而是具有开口)，从而当基板在倾斜通道内滑动时允许楔形主体运动，并且当基板在倾斜通道内滑动时限制楔形主体的横向位移(即，在横向于基板在倾斜通道内的滑动方向的方向上)。

10、根据一些实施例，中间致动器可以包括一个或多个中间弹性元件。所述一个或多个中间弹性元件可以至少部分地容纳在相应锁定爪的相应空腔中。中间致动器可以包括锁定组件的一个或多个膨胀倾斜表面中的至少一个，其中，所述至少一个膨胀倾斜表面可以配置为突出的膨胀倾斜表面。所述至少一个突出的膨胀倾斜表面可以配置成从所述空腔突出，以与楔形件的至少一个膨胀楔形表面接触。因此，所述至少一个突出的膨胀楔形表面可以配置成突出到倾斜通道中，使得当楔形件(或楔形件的基板)插入倾斜通道中时，楔形件的膨胀楔形表面与所述突出的膨胀倾斜表面接触，从而将相应的锁定爪推向相应的凹槽表面。

11、中间致动器可以相对于垂直于纵向轴线的方向成一倾斜角度布置。所述倾斜角度可以配置成使得当中间致动器接收来自相应楔形件的压力时，根据楔形件的运动，中间致动器在垂直于纵向轴线的方向上传递力的主要部分(即，大于力的50％)，并且在平行于纵向轴线的方向上传递力的次要部分(即，小于力的50％)。倾斜角度是可选特征，其确保锁定爪在锁定位置与相应的凹槽表面接合，并同时提供横向力(即平行于纵向轴线)，从而在基座结构和系泊接口之间的连接中产生预张紧力。此外，所述横向力有助于将锁定爪的锁定肋与凹槽表面连接起来。当锁定肋配置成齿形图案时，这最后一种效果尤其重要，并且当所述齿形图案的角度朝向与基座结构和系泊接口沿着纵向轴线的连接方向相反的方向倾斜时，这种效果更为重要。倾斜角度可以在5度至25度的范围内，优选为10度至20度，更优选为15度至18度。在其他实施例中，中间致动器可以垂直于纵向轴线布置。

12、中间致动器的所述突出的膨胀倾斜表面可以布置在所述至少一个中间弹性元件上。可选地，中间致动器还可以包括连接到所述至少一个中间弹性元件的端部的推动元件，使得中间致动器的所述突出的膨胀倾斜表面布置在推动元件上。在优选实施例中，推动元件可以配置成具有比所述至少一个中间弹性元件更宽的横截面积。容纳中间致动器的相应锁定爪的空腔包括围绕空腔的侧壁。优选地，所述侧壁的至少一部分可配置成提供与推动元件的滑动接触，并与中间弹性元件保持分离。这可以通过提供直壁尺寸以接收推动元件的较宽横截面来实现。因此，在中间弹性元件和侧壁上配置为与推动元件滑动接触的部分之间产生了空间，使得所述空腔、所述空腔的侧壁和中间弹性元件之间的摩擦显著减小。

13、为了确保对准，所述多个楔形件可以例如沿外围或周边(例如，圆周地)布置在可选的致动器环上，所述致动器环通过所述多个液压或气动活塞下降和上升，所述多个液压或气动活塞可以具有连接到布置在基座结构顶部的可选夹头的第一端和连接到致动器环的第二端。在根据一些实施例的联接操作中，致动器环可以通过所述液压或气动活塞下降，并且每个楔形件可以通过与中间致动器的相互作用将相应的多个锁定爪之一推出到锁定位置，所述中间致动器包括锁定组件的一个或多个中间弹性元件(例如橡胶支座)。

14、在锁定位置，每个爪配置成压靠在系泊接口的凹槽表面上，并通过与环形空腔的凹槽对齐而锁定就位。中间弹性元件位于每个锁定爪的后面，用于确保锁定爪以已知的力压靠在凹槽上，所述已知的力来自中间弹性元件的已知刚度，一旦连接器被接合，所述中间弹性元件保持预加载。这使得所述装置中的锁定力几乎不受制造公差或磨损的影响，否则可能会导致每个单独的爪施加的力出现非常大且难以估计的变化。

15、分离操作与上述联接操作完全相同，但方向相反。在分离操作中，所述液压或气动活塞被致动以提升致动器环，从而楔形件将锁定爪拉入，并且中间弹性元件上的预载荷被释放，因此锁定爪被移动到释放位置并从系泊接口的凹槽表面退回。然后，快速连接器的基座结构可以从连接到系泊系统的系泊接口中取出，从而海上浮动结构与预铺设系泊系统分离。

16、在一个替代实施例中，楔形件可以配置和布置成使得当致动器环上升时，楔形件将锁定爪推出到锁定位置，并且当致动器环下降时，楔形件将锁定爪拉入到释放位置。

17、在另一替代实施例中，锁定爪可以相对于基座结构被引导成垂直于(或至少部分垂直或主要垂直于)纵向轴线滑动，并且中间弹性元件被置于每个锁定爪和基座结构之间。在该实施例中，中间弹性元件可流体动力地膨胀和收缩，并且流体动力装置包括加压流体源、阀装置和流体导管。每个中间弹性元件具有内腔，所述内腔通过流体导管和阀装置与加压流体源流体连通。

18、采用这种结构，当流体动力装置将加压流体注入中间弹性元件的内腔时，中间弹性元件膨胀并使相应的锁定爪向外移动到锁定位置。相反，当流体动力装置将加压流体从中间弹性元件的内腔抽出时，中间弹性元件缩回，从而使相应的锁定爪向内移动到释放位置。

19、本发明设想了另一替代实施例，其中，快速连接器的基座结构可以成形为外部凹形构件，并且系泊接口成形为内部凸形构件，使得基座结构配置成在其中接收系泊接口并在几何形状上与系泊接口匹配。通常，这些几何形状可以是圆锥形、球形或它们的组合。