本發明涉及一種適用于深水網箱的高剛度單錨腿單點系泊系統。

背景技術：

近年來，我國網箱養殖產業發展迅速，在政策的鼓勵下，網箱將逐漸走向深遠海，深遠海復雜的環境條件使得傳統的多點系泊系統不論從施工條件還是投資預算方面分析都顯得不再合適，因此單點系泊系統的優勢將彰顯。而傳統的海洋工程中的單點系泊系統如懸鏈式、內外磚塔式等不僅錨腿數量多、系統復雜，且對施工要求高、投資龐大，因此針對網箱產業的實際需求，研發一種自帶高剛度柔性緩沖臂的單錨腿單點系泊系統，滿足網箱系泊要求的同時系統構成與施工均簡單易操作，并且由于柔性緩沖臂的合理設計，使得網箱占海面積進一步縮小，大大提高了海域的使用率。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是：提供一種適用于深水網箱的高剛度單錨腿單點系泊系統。

解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案如下：

一種適用于深水網箱的高剛度單錨腿單點系泊系統，其特征在于：所述的單點系泊系統設有海床部、高剛度柔性緩沖臂和連接纜繩，其中，所述海床部設有大抓力錨和海床部纜索，所述高剛度柔性緩沖臂由緩沖臂配重、緩沖臂纜索和浮筒組成；

所述大抓力錨錨抓在海床上，所述海床部纜索連接在所述大抓力錨與緩沖臂配重之間；

所述緩沖臂配重置于海床上，所述浮筒浮于海面上，所述緩沖臂纜索的下端部連接所述緩沖臂配重、上端部連接在所述浮筒的底面上；并且滿足：f23max>w21+w22以及f23high<w21+w22，所述緩沖臂纜索的長度使得：在所述單點系泊系統及其所系泊的深水網箱不受環境外力作用的情況下，所述緩沖臂纜索在所述單點系泊系統所在海域的水位在平潮水位以上時處于張緊狀態、在所述單點系泊系統所在海域的水位低于平潮水位時處于松弛狀態，其中，最大凈浮力f23max為所述浮筒完全浸入海水時受到的浮力與其自身重力的合力，最高水位凈浮力f23high為所述浮筒在所述單點系泊系統所在海域處于最高水位時受到的浮力與其自身重力的合力，海水中重量w21為所述緩沖臂配重自身重力與其完全浸入海水時受到的浮力的合力，海水中重量w22為所述緩沖臂纜索自身重力與其完全浸入海水時受到的浮力的合力；

所述連接纜繩的一端部與所述緩沖臂纜索的上端部連接、另一端部用于連接被所述單點系泊系統所系泊的深水網箱。

作為本發明的優選實施方式：所述的海床部還設有海床部配重，所述海床部纜索分為第一海床部纜索和第二海床部纜索兩段；所述海床部配重置于海床上，所述第一海床部纜索的一端部和所述第二海床部纜索的一端部均連接在所述海床部配重上，所述第一海床部纜索的另一端部連接所述大抓力錨，所述第二海床部纜索的另一端部連接所述緩沖臂配重；并且，滿足f23max<w21+w22+w13，其中，海水中重量w13為所述海床部配重自身重力與其完全浸入海水時受到的浮力的合力。

作為本發明的優選實施方式：所述的單點系泊系統還設有系泊連接部，該系泊連接部由連接部纜索和浮球組成，所述浮球浮于海面上，所述連接部纜索的一端部連接所述緩沖臂纜索的上端部、另一端部連接所述浮球，使得所述連接纜繩的端部能夠通過所述系泊連接部與所述緩沖臂纜索的上端部連接，即所述連接纜繩的端部連接在所述連接部纜索與所述浮球連接的端部上。

作為本發明的優選實施方式：所述的連接纜繩為輕質浮纜。

作為本發明的優選實施方式：所述單點系泊系統的任意兩個相連接的組成部件之間均通過轉環連接。

作為本發明的優選實施方式：所述緩沖臂配重為球體。

作為本發明的優選實施方式：所述浮筒為圓柱體，且該圓柱體的高度高于底面直徑。

作為本發明的優選實施方式：所述第一海床部纜索、第二海床部纜索和緩沖臂纜索為錨鏈或鋼纜。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

第一，參見圖1至圖4，本發明設有海床部、高剛度柔性緩沖臂和連接纜繩，使得：

在一般海況狀態下，本發明能夠利用高剛度柔性緩沖臂剛度隨浮筒在水平方向上相對平衡位置p1的偏移量增大而增大的特性，為浮筒返回平衡位置p1提供隨環境外力增大而增大的回復力，從而盡可能減小深水網箱偏離平衡位置p1的距離，即縮小了深水網箱在一般海況狀態下所需占據的海域面積；

在極限海況狀態下，本發明能夠利用f23max>w21+w22的關系避免高剛度柔性緩沖臂因其剛度超過其所能夠承受的極限而產生斷裂損壞，并能夠利用大抓力錨進行錨泊，在確保單點系泊系統能夠正常工作的同時提高了高剛度柔性緩沖臂的可靠性，并且，利用緩沖臂配重的重力作用限制了深水網箱在極限海況狀態下所需占據的海域面積；

并且，將緩沖臂纜索的長度選定為符合“所述單點系泊系統及其所系泊的深水網箱不受環境外力作用的情況下，所述緩沖臂纜索在所述單點系泊系統所在海域的水位在平潮水位以上時處于張緊狀態、在所述單點系泊系統所在海域的水位低于平潮水位時處于松弛狀態”的條件，能夠避免選擇過低的水位作為確定緩沖臂纜索長度的依據而存在的“高剛度柔性緩沖臂的剛度在較高水位超過了其所能夠承受的極限而產生斷裂損壞”的問題以及選擇過高的水位作為確定緩沖臂纜索長度的依據而存在的“深水網箱在一般海況狀態因高剛度柔性緩沖臂剛度過小而占據較大的海域面積、在低水位狀態因緩沖臂纜索長度過大而占據較大的海域面積”的問題，因此，本發明中緩沖臂纜索長度的選定條件是經過大量實驗反復驗證后而在大范圍的水位范圍中得到的能夠平衡高剛度柔性緩沖臂安全可靠性和深水網箱占據海域面積的結果。

第二，本發明通過設置海床部配重，確保該海床部配重在極限海況狀態始終在海床上，以此確保第一海床部纜索始終處于躺臥在海床上的狀態，令大抓力錨不會產生上拔力而走錨，從而提升了單點系泊系統的安全與工作穩定性。

第三，本發明通過增設系泊連接部，利用浮球將連接部纜索的端部露出水面，使得更換連接纜繩時無需在水下進行施工，增強了單點系泊系統的使用便利性。

附圖說明

下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的詳細說明：

圖1為本發明的單點系泊系統在平衡狀態下的示意圖；

圖2為本發明的單點系泊系統在一般海況狀態下的示意圖；

圖3為本發明的單點系泊系統在極限海況狀態下的示意圖；

圖4為本發明的單點系泊系統的受力示意圖。

具體實施方式

如圖1至圖4所示，本發明公開的是一種適用于深水網箱的高剛度單錨腿單點系泊系統，其發明構思為：單點系泊系統設有海床部1、高剛度柔性緩沖臂2和連接纜繩4，其中，海床部1設有大抓力錨11和海床部纜索12，高剛度柔性緩沖臂2由緩沖臂配重21、緩沖臂纜索22和浮筒23組成。

大抓力錨11錨抓在海床sf上，海床部纜索12連接在大抓力錨11與緩沖臂配重21之間。

緩沖臂配重21置于海床sf上，浮筒23浮于海面sl上，緩沖臂纜索22的下端部連接緩沖臂配重21、上端部連接在浮筒23的底面上；并且滿足：f23max>w21+w22以及f23high<w21+w22，緩沖臂纜索22的長度使得：在單點系泊系統及其所系泊的深水網箱不受環境外力作用的情況下，緩沖臂纜索22在單點系泊系統所在海域的水位在平潮水位以上時處于張緊狀態、在單點系泊系統所在海域的水位低于平潮水位時處于松弛狀態，其中，最大凈浮力f23max為浮筒23完全浸入海水時受到的浮力與其自身重力的合力，最高水位凈浮力f23high為浮筒23在單點系泊系統所在海域處于最高水位時受到的浮力與其自身重力的合力，海水中重量w21為緩沖臂配重21自身重力與其完全浸入海水時受到的浮力的合力，海水中重量w22為緩沖臂纜索22自身重力與其完全浸入海水時受到的浮力的合力。

連接纜繩4的一端部與緩沖臂纜索22的上端部連接、另一端部用于連接被單點系泊系統所系泊的深水網箱。

從而，本發明的單點系泊系統將工作在以下狀態之一：

一、平衡狀態

如圖1所示，平衡狀態即：單點系泊系統所在海域的水位在平潮水位以上，并且，單點系泊系統及其所系泊的深水網箱不受環境外力作用(即僅受重力和海水浮力作用)；在此狀態下，由于滿足f23high<w21+w22條件，因此，在平衡狀態下，單點系泊系統及其所系泊的深水網箱處于靜止狀態，并且，緩沖臂配重21保持在海床sf上，緩沖臂纜索22處于張緊狀態并沿豎直方向延伸；其中，將緩沖臂纜索22和浮筒23此時所在的位置稱為平衡位置p1。

二、一般海況狀態

如圖2所示，一般海況狀態即：單點系泊系統所在海域的水位在平潮水位以上，并且，單點系泊系統及其所系泊的深水網箱受到的環境外力作用未超過環境外力閾值，其中，該環境外力閾值即將緩沖臂配重21從海床sf上向上提起所需最小的環境外力；在此狀態下，緩沖臂配重21保持在海床sf上，由于深水網箱在環境外力的作用下會將浮筒23帶離平衡位置p1，而環境外力作用于深水網箱后通過連接纜繩4對浮筒23產生的作用力f4是一個接近于水平或者水平略向上傾斜的力(參見圖4)，這就使得環境外力越大，浮筒23在水平方向上相對于平衡位置p1產生的偏移就越大，但由于緩沖臂纜索22的限制，浮筒23在水平方向上產生偏移的同時也會向下沉，這就使得浮筒23產生的凈浮力f23也會隨之增大，而高剛度柔性緩沖臂2這種柔性系統的剛度是隨浮筒23的凈浮力f23增大和緩沖臂配重21的海水中重量w21增大而增大的，在緩沖臂配重21固定即保持在海床sf上的情況下，浮筒23隨高剛度柔性緩沖臂2剛度的增大而越難以在水平方向上產生的偏移，即浮筒23的下沉對其水平方向上的偏移產生了負反饋的作用；因此，在一般海況狀態下，本發明能夠利用高剛度柔性緩沖臂2剛度隨浮筒23在水平方向上相對平衡位置p1的偏移量增大而增大的特性，為浮筒23返回平衡位置p1提供隨環境外力增大而增大的回復力，從而盡可能減小深水網箱偏離平衡位置p1的距離，即縮小了深水網箱在一般海況狀態下所需占據的海域面積。

三、極限海況狀態

如圖3所示，極限海況狀態即：單點系泊系統所在海域的水位在平潮水位以上，并且，單點系泊系統及其所系泊的深水網箱受到的環境外力作用超過環境外力閾值，其中，該環境外力閾值即將緩沖臂配重21從海床sf上向上提起所需最小的環境外力；在此狀態下，由于f23max>w21+w22，在相對于一般海況狀態更大的環境外力作用下，浮筒23相對于平衡位置p1在水平方向上的偏移量和下沉深度突破一般海況狀態下的界限，浮筒23產生的凈浮力f23超過了緩沖臂配重21的海水中重量w21與緩沖臂纜索22的海水中重量w22之和，使得緩沖臂配重21被從海床sf上提起，避免高剛度柔性緩沖臂2因其剛度超過了其所能夠承受的極限而產生斷裂損壞，而此時，高剛度柔性緩沖臂2和深水網箱通過大抓力錨11產生的錨抓力錨泊，而在緩沖臂配重21的重力作用下，浮筒23偏離平衡位置p1的距離也會受到限制，即限制了深水網箱在一般海況狀態下所需占據的海域面積；因此，在極限海況狀態下，本發明能夠利用f23max>w21+w22的關系避免高剛度柔性緩沖臂2因其剛度超過其所能夠承受的極限而產生斷裂損壞，并能夠利用大抓力錨11進行錨泊，在確保單點系泊系統能夠正常工作的同時提高了高剛度柔性緩沖臂2的可靠性，并且，利用緩沖臂配重21的重力作用限制了深水網箱在極限海況狀態下所需占據的海域面積。

四、低水位狀態

低水位狀態即：單點系泊系統所在海域的水位低于平潮水位；在此狀態下，由于海況級別較低，單點系泊系統及其所系泊的深水網箱有可能受到的環境外力較小，而且，在不受環境外力作用時，緩沖臂纜索22是處于松弛狀態的，因此，在低水位狀態下，浮筒23在緩沖臂纜索22處于張緊狀態時所在的位置即為其相對于平衡位置p1的最大偏移量，使得深水網箱在低水位狀態下所需占據的海域面積也較小。

另外，將緩沖臂纜索22的長度選定為符合“單點系泊系統及其所系泊的深水網箱不受環境外力作用的情況下，緩沖臂纜索22在單點系泊系統所在海域的水位在平潮水位以上時處于張緊狀態、在單點系泊系統所在海域的水位低于平潮水位時處于松弛狀態”的條件，能夠避免選擇過低的水位作為確定緩沖臂纜索22長度的依據而存在的“高剛度柔性緩沖臂2的剛度在較高水位超過了其所能夠承受的極限而產生斷裂損壞”的問題以及選擇過高的水位作為確定緩沖臂纜索22長度的依據而存在的“深水網箱在一般海況狀態因高剛度柔性緩沖臂2剛度過小而占據較大的海域面積、在低水位狀態因緩沖臂纜索22長度過大而占據較大的海域面積”的問題，因此，本發明中緩沖臂纜索22長度的選定條件是經過大量實驗反復驗證后而在大范圍的水位范圍中得到的能夠平衡高剛度柔性緩沖臂2安全可靠性和深水網箱占據海域面積的結果。

在上述發明構思的基礎上，本發明采用以下優選的結構：

作為本發明的優選實施方式：海床部1還設有海床部配重13，海床部纜索12分為第一海床部纜索121和第二海床部纜索122兩段；海床部配重13置于海床sf上，第一海床部纜索121的一端部和第二海床部纜索122的一端部均連接在海床部配重13上，第一海床部纜索121的另一端部連接大抓力錨11，第二海床部纜索122的另一端部連接緩沖臂配重21；并且，滿足f23max<w21+w22+w13，其中，海水中重量w13為海床部配重13自身重力與其完全浸入海水時受到的浮力的合力。從而，由于滿足f23max<w21+w22+w13條件，且環境外力作用于深水網箱后通過連接纜繩4對浮筒23產生的作用力f4是一個接近于水平或者水平略向上傾斜的力，即環境外力僅對單點系泊系統產生很小的向上作用力，使得：出現極端海況時即在極限海況狀態下，只會出現緩沖臂配重21離開海床sf的情況，而海床部配重13始終在海床sf上，以此確保第一海床部纜索121始終處于躺臥在海床sf上的狀態，令大抓力錨11不會產生上拔力而走錨，提升了單點系泊系統的安全與工作穩定性。

作為本發明的優選實施方式：單點系泊系統還設有系泊連接部3，該系泊連接部3由連接部纜索31和浮球32組成，浮球32浮于海面sl上，連接部纜索31的一端部連接緩沖臂纜索22的上端部、另一端部連接浮球32，使得連接纜繩4的端部能夠通過系泊連接部3與緩沖臂纜索22的上端部連接，即連接纜繩4的端部連接在連接部纜索31與浮球32連接的端部上。從而，利用浮球32將連接部纜索31的端部露出水面，使得更換連接纜繩4時無需在水下進行施工，增強了單點系泊系統的使用便利性。

作為本發明的優選實施方式：連接纜繩4為輕質浮纜。從而，最大程度的確保深水網箱僅承受水平系泊力，提升深水網箱安全性的同時，便于連接纜繩4更換拆解，有利于深水網箱的轉場或者維修等后續維護等事宜開展。

作為本發明的優選實施方式：單點系泊系統的任意兩個相連接的組成部件之間均通過轉環連接。從而，增強了單點系泊系統安裝的便利性，并避免了安裝過程中發生打結等事故。

作為本發明的優選實施方式：緩沖臂配重21優選為球體；選用密度盡可能大的材料制成。

作為本發明的優選實施方式：浮筒23為圓柱體，且該圓柱體的高度高于底面直徑。

作為本發明的優選實施方式：第一海床部纜索121、第二海床部纜索122和緩沖臂纜索22的蠕變強度應足夠高，以確保它們在單點系泊系統的服役期限內能夠保持工作、免于維護，它們可以為錨鏈或鋼纜等蠕變強度高的金屬材料或者具有足夠高的蠕變強度的非金屬材料。

本發明不局限于上述具體實施方式，根據上述內容，按照本領域的普通技術知識和慣用手段，在不脫離本發明上述基本技術思想前提下，本發明還可以做出其它多種形式的等效修改、替換或變更，均落在本發明的保護范圍之中。