一种用于海上结构的抗冰锥及其运行工艺的制作方法

本发明属于海洋工程施工技术领域，具体涉及一种用于海上结构的抗冰锥及其运行工艺。

背景技术：

海冰是一种极地和高纬度地区海域所特有的海洋灾害，在我国境内主要在辽东湾、渤海湾、莱州湾和黄海北部存在此类灾害问题。同时由于渤海及黄海北部海域风能储备密度大，处于环渤海地区，但随着海上风电和海上石油开采平台等海洋工程开发活动的发展，单桩基础的应用更为广泛，在设计单桩基础时还需额外考虑冰荷载的影响。

在冰荷载作用下，整体运动的冰排由于受到结构物的阻挡而产生对结构物的挤压以及穿越结构物时产生振动，同时冰排在结构物前的破坏形式主要有挤压、压屈、剪切和弯曲破坏，由于海冰的弯曲强度远小于其挤压强度，所以对于单桩基础而言，将海冰的破坏形式由挤压破坏改变为弯曲破坏可以很大程度上减小冰荷载。

cn206887997u提供一种后装配式抗冰锥海上基础结构。通过在筒形基础外套上设有抗冰锥体等若干个插接件的套筒，再对筒形基础的外壁和套筒的内壁之间的空腔进行灌浆，可避免人员水下施工，降低了海上施工难度。但抗冰锥体结构的正、倒椎体交界处的锥体易受到浮冰的挤压荷载，减小了抗冰锥体结构的除冰能力，同时降低了锥体的使用年限。

cn110777838a提供了一种用于海上风电基础的抗冰锥结构及施工方法。所述用于海上风电基础的抗冰锥结构包括单桩桩体、负压桶、平台和抗冰锥，通过在海泥面设置负压桶，在海平面以上设置与桩体固结的平台，抗冰锥套在桩体上，上端通过第一牵拉件与平台连接，下端通过第二牵拉件与负压桶连接，使抗冰锥可以通过悬挂牵拉的方式稳定的与单桩桩体连接，安装方式简单，不需要灌浆即可完成。但由于牵拉件长期处于海洋环境中易受到腐蚀最终损坏，并且悬挂牵拉的安装方法后期维护费用高，无法及时得知牵拉件的损坏情况。

考虑到海冰弯曲破坏能够大大降低对于结构物的荷载，我国重冰区大型钢结构建筑物主要采用在桩基础潮差段安装正、倒锥组合体，使整体运动的冰排作用于锥体斜面时发生弯曲破坏。当海水水位在平均水位以上时，海冰作用于正锥体，海冰根部发生弯曲破坏；当海水水位在平均水位以下时，海冰作用于倒锥体，海冰表面发生弯曲破坏。

但这种传统的正、倒锥破冰结构存在一些弊端，即当冰层高度处于正、倒锥交界处时，移动的冰排受到结构物的阻挡将产生较大的挤压破坏，降低了锥体结构对于减小冰荷载的能力，并且目前抗冰锥体并没有具备海冰数据采集和海冰预警的能力。

技术实现要素：

鉴于传统的正、倒锥破冰结构存在的弊端，本发明提供一种用于海上结构的抗冰锥及其运行工艺，能够通过向上或向下分离并弯曲处于正、倒锥结构抗冰锥交界处的冰层，达到减小正、倒锥交界处所受到的挤压力，从而能够进一步保护海上结构基础的目的。本发明的抗冰锥运行时采用的分离正、倒锥结构抗冰锥交界处的冰层的方法简单实用，相比于传统的正、倒锥结构的抗冰锥能够更有效地保护锥体结构自身和海上结构基础，相比于传统抗冰锥能够掌握海冰灾害发生、发展和变化规律的准确数据，完善海冰灾害档案。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于海上结构的抗冰锥，包括主体、破冰装置、红外智能高速球、压力传感带、监测模块、控制装置和计算模块；

所述主体为底面直径相等的两个锥形结构，所述锥形结构的底部为锥体，顶部为圆柱体，以位于上部的锥形结构为正锥，位于下部的锥形结构为倒锥，所述正锥与所述倒锥的底面对接配合；

所述破冰装置包括水平刀片和竖直转动齿轮，所述水平刀片和所述竖直转动齿轮间隔设置于所述正锥和所述倒锥的交界处的外侧，所述竖直转动齿轮为两个齿轮互咬的形式；

所述红外智能高速球为集红外摄像机、智能云台系统和通讯系统的功能于一体的监控系统设备，设置于所述正锥的顶部圆柱体侧壁上；

所述压力传感带为环绕设置于所述正锥和所述倒锥的交界处的压力传感器，所述压力传感器表面设有厚度5～10cm的橡胶带；

所述监测模块设置于所述正锥的顶部圆柱体侧壁上，包括雷达系统、通讯系统、蓄电池和太阳能板，所述雷达系统可对海上结构物作业区半径2km内的海冰进行全视野扫描，所述通讯系统可接收和发出信息，所述蓄电池为整个抗冰锥提供电能，所述太阳能板为所述蓄电池提供电能；

所述控制装置和所述计算模块设置于所述正锥的上部，与抗冰锥的各个部分相连。

优选地，所述正锥与所述倒锥的椎体的锥角均为50°～65°。

优选地，所述红外智能高速球的数量为3个，间隔设置于所述正锥的顶部圆柱体侧壁上。

优选地，所述水平刀片和所述竖直转动齿轮上还设置有电加热丝。

一种用于海上结构的抗冰锥的运行工艺，包括以下步骤：

步骤1)当发现浮冰靠近海上结构基础时且冰层高度处于正、倒锥交界高度时，转动水平刀片和竖直转动的齿轮，使浮冰从中间断开向上或向下弯曲，从而达到减小基础所受冰荷载的目的；

步骤2)当雷达系统监测到1km内有浮冰形成时，红外智能高速球开始工作，实时监测海面情况，当识别到画面中有水平尺度大于20m的浮冰开始靠近时，自动跟踪浮冰的同时计算模块开始工作，红外智能高速球每隔5s记录浮冰的实际移动距离l，由计算模块根据公式v＝l/t计算浮冰的移动速度vi并储存速度数据；其中，i为自然数，t为浮冰移动距离l所需的时间；

步骤3)当红外智能高速球监测到浮冰距离抗冰锥结构5～10m时，设置于正、倒锥交界处的压力传感带开始实时监测扣除水压后的压力值pi的变化：

当pi>xn时，控制装置启动，转动水平刀片和齿轮分离冰层；

当pi<xn后控制装置停止运作；

水平刀片和竖直转动齿轮的转速n根据浮冰移动速度vi来调整：

当vi<acm/s时，水平刀片转速n1为2000r/min，齿轮转速n2为200r/min；

当acm/s<vi<bcm/s时，水平刀片转速n1为3000r/min，齿轮转速n2为300r/min；

当vi>bcm/s时，水平刀片转速n1为5000r/min，齿轮转速n2为500r/min；

其中，x的取值范围为100～200，a取值范围为15～25，b的取值范围为35～45。

优选地，为了准确记录、预警海上结构周围的海冰情况并开展海冰灾害风险评估，通过监测模块中的雷达系统对于不同冰情下的雷达图像进行数字处理和分析进行监测海冰厚度和海冰密集度，其中海冰厚度记为hi；海冰密集度记为ii；每隔10min收集一次海冰信息，并且储存数据：

当连续n次监测到海冰厚度hi<αcm或海冰严重冰期ii<γ％时，通讯系统当天发出低级别海冰灾害讯号；

当连续n次监测到海冰厚度αcm<hi<βcm或海冰严重冰期γ％<di<δ％时，通讯系统当天发出中级别海冰灾害讯号；

当连续n次监测到海冰厚度hi>βcm或海冰严重冰期ii>δ％时，通讯系统当天发出高级别海冰灾害讯号；

其中，n取值范围为72～90，α取值范围为5～10，β取值范围为25～35，γ取值范围为20～40，δ取值范围为60～80。

优选地，当破冰装置发生刀片断裂、刀片卡死引起的电机空转和齿轮磨损打滑等故障时，控制系统通过电信号将故障信息传输给通讯系统，以便及时采取维修措施。

优选地，通讯系统可接收当地气象台所发出的寒潮预警和其他极端天气预警信息，通过控制装置来提前开启破冰装置和其他一系列的保护措施。

本发明的有益效果如下：

(1)与传统的抗冰锥相比，本发明的抗冰锥能够将作用于抗冰锥的浮冰荷载进一步由挤压荷载转变为弯曲荷载，并向岸上及时发布海冰灾害的强度，当发现浮冰靠近海上结构基础时且冰层高度处于正倒锥交界高度时，可以使浮冰从中间断开向上或向下弯曲，保证浮冰不会对抗冰锥产生较大的挤压破坏，更好地起到保护海上结构基础的作用；能够保护锥体结构，减少维修成本，延长锥体结构的使用寿命；利用太阳能供能，可长期在海洋环境中工作，且精确度高，安装方便；能够准确记录海冰数据，为后续关于海冰灾害的发生、发展和变化规律研究提供了数据支持。

(2)与后装配式抗冰锥基础结构相比，本发明的抗冰锥能够减小抗冰锥体所受到的荷载，延长锥体结构使用年限，并且锥体有较好的整体性。

(3)与通过悬挂牵拉的方式固定抗冰锥体的方法相比，本发明的抗冰锥具有较完善的系统来监测海冰信息，能够及时反馈破冰装置的破损情况，并且对于极端天气能够采取及时的应对。

附图说明

图1为用于海上结构的抗冰锥的结构示意图；

图2为竖直转动齿轮的局部放大图；

图中：1、正锥；2、倒锥；3、水平刀片；4、竖直转动齿轮；5、红外智能高速球；6、压力传感带；7、雷达系统；8、通讯系统；9、蓄电池；10、太阳能板；11、控制装置；12、计算模块。

具体实施方式

以下结合附图与具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

实施例1

一种用于海上结构的抗冰锥，如图1所示，包括主体、破冰装置、红外智能高速球5、压力传感带6、监测模块、控制装置11和计算模块12。

所述主体为底面直径相等的两个锥形结构，所述锥形结构的底部为锥体，顶部为圆柱体，以位于上部的锥形结构为正锥1，位于下部的锥形结构为倒锥2，所述正锥1与所述倒锥2的底面对接配合，所述正锥1与所述倒锥2的椎体的锥角均为50°～65°。

所述破冰装置包括水平刀片3和竖直转动齿轮4，所述水平刀片3和所述竖直转动齿轮4间隔设置于所述正锥1和所述倒锥2的交界处的外侧；如图2所示，所述竖直转动齿轮4为两个齿轮互咬的形式，通过齿轮间的摩擦带动的方式促使冰面分离并各自向上、下弯曲。可在水平刀片3和竖直转动齿轮4上增添加热丝，通过电加热的方式实现破冰装置的自身除冰。

所述红外智能高速球5为集红外摄像机、智能云台系统和通讯系统的功能于一体的监控系统设备，能够智能识别、自动跟踪目标和夜间红外照明，设置于所述正锥1的顶部圆柱体侧壁上；在正锥1的顶部圆柱体侧壁上间隔设置3颗红外智能高速球5可实现多目标跟踪和全范围覆盖的功能。

所述压力传感带6为环绕设置于所述正锥1和所述倒锥2的交界处的压力传感器，所述压力传感器6表面设有厚度5～10cm的橡胶带。

所述监测模块设置于所述正锥1的顶部圆柱体侧壁上，包括雷达系统7、通讯系统8、蓄电池9和太阳能板10，所述雷达系统7可对海上结构物作业区半径2km内的海冰进行全视野扫描，所述通讯系统8可接收和发出信息，所述蓄电池9为整个抗冰锥提供电能，所述太阳能板10为所述蓄电池9提供源源不断的电能。

所述控制装置11和所述计算模块12设置于所述正锥1的上部，不与海面接触的位置，与抗冰锥的各个部分相连。

实施例2

一种用于海上结构的抗冰锥的运行工艺，具体步骤如下：

(1)当发现浮冰靠近海上结构基础时且冰层高度处于正、倒锥交界高度时，转动水平刀片和竖直转动的齿轮，使浮冰从中间断开向上或向下弯曲，从而达到减小基础所受冰荷载的目的。

(2)当雷达系统监测到1km内有浮冰形成时，红外智能高速球开始工作，实时监测海面情况，当识别到画面中有较大面积浮冰(一般为水平尺度大于20m的浮冰)开始靠近时，自动跟踪浮冰的同时计算模块开始工作，红外智能高速球每隔5s记录浮冰的实际移动距离l，由计算模块根据公式v＝l/t(cm/s)计算浮冰的移动速度vi(i＝1,2,3……)并储存速度数据，t为浮冰移动距离l所需的时间。

(3)当红外智能高速球监测到浮冰距离抗冰锥结构5～10m时，设置于正、倒锥交界处的压力传感带开始实时监测压力值pi(其中pi为扣除水压后的压力值)的变化：

当pi>xn时，控制装置启动，转动水平刀片和齿轮分离冰层；

当pi<xn后控制装置停止运作；

水平刀片和竖直转动齿轮的转速n根据浮冰移动速度vi来调整：

当vi<acm/s时，水平刀片转速n1为2000r/min，齿轮转速n2为200r/min；

当acm/s<vi<bcm/s时，水平刀片转速n1为3000r/min，齿轮转速n2为300r/min；

当vi>bcm/s时，水平刀片转速n1为5000r/min，齿轮转速n2为500r/min；

其中，x的取值范围为100～200，a取值范围为15～25，b的取值范围为35～45。

(4)为了准确记录、预警海上结构周围的海冰情况并开展海冰灾害风险评估，通过监测模块中的雷达系统对于不同冰情下的雷达图像进行数字处理和分析进行监测海冰厚度和海冰密集度，其中海冰厚度记为hi(i＝1,2,3……)；海冰密集度记为ii(i＝1,2,3……)；每隔10min收集一次海冰信息，并且储存数据：

当连续n次监测到海冰厚度hi<αcm或海冰严重冰期ii<γ％时，通讯系统当天发出ⅲ(低)级别海冰灾害讯号；

当连续n次监测到海冰厚度αcm<hi<βcm或海冰严重冰期γ％<di<δ％时，通讯系统当天发出ⅱ(中)级别海冰灾害讯号；

当连续n次监测到海冰厚度hi>βcm或海冰严重冰期ii>δ％时，通讯系统当天发出ⅰ(高)级别海冰灾害讯号；

其中，n取值范围为72～90，α取值范围为5～10，β取值范围为25～35，γ取值范围为20～40，δ取值范围为60～80。

(5)当破冰装置发生刀片断裂、刀片卡死引起的电机空转和齿轮磨损打滑等故障时，控制系统通过电信号将故障信息传输给通讯系统，以便及时采取维修措施。

(6)通讯系统可接收当地气象台所发出的寒潮预警和其他极端天气预警信息，通过控制装置来提前开启破冰装置和其他一系列的保护措施。

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