CN105992729A - 锚链 - Google Patents

Abstract

本发明涉及锚链的领域，以及更具体地涉及一种包括多个第一环(3)和多个第二环(4)的锚链(1)，多个第二环在链的端部处且包括至少三个连续环(4)，在每个环中，至少棒材直径或材料的弹性极限基本上大于多个第一环(3)的每个环，以此改进链对于由多个第二环中(4)的弯曲而产生的疲劳的抗力。

Description

锚链

技术领域

本发明涉及锚链的领域，更具体地涉及海上应用的锚链。

背景技术

在目前情况下，术语“锚链”用来指用于传输机械张力并具体用于将浮动体连接到锚点以限制所述浮动体的移动的彼此连接的一连串环(link)。这种锚链的环可具体地由金属制成。这些环可以是有档环(stud link)，从而避免它们变平，或者可以是无档环。

虽然锚链被设计成主要传输的机械力为张力，但在实践中，锚固浮动体且受到高等级张力的链也可以在它们的端部、特别地在它们与浮动体连接的附近承受大弯曲应力。这个弯曲的原因是浮动体的枢转运动以及相邻环之间接触区域的几何缺陷的结合。

特别地，与高等级张力结合的缺陷防止相邻环之间的铰接。浮动体的运动因此导致锚链上的侧向力以及在相邻环之间传输的弯曲力矩。在由P.Jean,K.Goosens和D.L'Hostis在美国德克萨斯州休斯顿举办的2005年近海技术会议中发表的文章“Failure ofchains by bending in deepwater mooring systems(深水系泊系统中由弯曲产生的链失效)”中具体描述的，从长期来看，这种重复弯曲可以特别地提高由疲劳而产生的断裂。

在现有技术中，为了避免这种疲劳及因此延长锚链的使用寿命，已经进行了多种尝试来通过改善链的各端部的铰接或者局部更改环，以限制链的环受到的弯曲运动。

因此，举例来说，在国际专利申请WO2010/112603和WO98/40306中，提出了在锚链的端部与浮动体之间插置万向节连接件和长杠杆臂。然而，这些连接件具有笨重且体积大的缺点，这会使它们难以成为一体。此外，万向节，特别是能够承受如海水等不利环境的万向节的费用非常高。

在国际专利申请WO2008/0951106中还具体提出在锚链的端部与浮动体之间插置多个缆线段(而不是铰接头)。然而，这通常具有以下缺点：需要在锚固浮动体之前准确确定缆线段的长度，以及还需要准确确定锚点的位置。

还提出在链的多个段达到疲劳阈值之前替换工作中的多个段的装置和方法。举例来说，这可以通过使这些段穿过导向轮或特定导缆器并借助扳手改变承受连接的环来实现，例如法国专利申请FR2601322中所示。然而，这通常需要在浮动体上安装重且贵的设备，以及还需要储备用于替换的多个链段。此外，那些替换的链段的环还可能由于穿过这些设备而损坏。

发明内容

本发明试图克服那些缺陷。更具体地说，本说明书试图提出一种锚链，该锚链能够避免在链的端部处的环的弯曲疲劳。

在至少一个实施例中，通过以下情况来实现这个目的：锚链包括多个第一环以及多个第二环，多个第二环在链的端部处且包括至少三个连续链环，在每个环中，从棒材直径和材料的弹性极限选择出的至少一个属性基本上大于多个第一环的每个环。环的“棒材直径”在这里是指形成环的棒料的横截面的最小直径。

如上所述，相邻环之间的接触区域的几何缺陷对于在链的前端处的环之间传输弯曲力矩非常重要。已经发现，在安装链之前在链上执行的强度测试构成这种几何缺陷的重要来源。通常执行这些测试以确定形成环的棒料的焊接质量，以及链在其预期使用寿命期间将不会受到明显的塑性延长。典型地，在这些测试期间，以高达它们断裂负载的70％来测试链，然而这能导致环的材料的弹性极限超过某些点，从而使环之间的接触区域永久性地变形并在相邻环之间的界面处生成平面。随后，这些平面可帮助在环之间传输弯曲力矩，从而每当浮动体进行枢转运动，在环中会生成额外的且变化的应力，特别地在链的前端处。

由于在缆线的端部处的至少三个连续环的棒材直径增加和/或材料的弹性极限增大，可以限制形成平面，因此限制这至少三个环(受到侧向力最多)之间传输的弯曲力矩。

特别地，多个第二环的每个环的棒材直径可基本上大于多个第一环的每个环的棒材直径，以及特别地是多个第一环的每个环的直径的至少1.2倍。词语“基本上大于”在本文用来指差异大于制造公差，例如可以差不多是所述直径的5％。

此外，通过在强度测试期间分散力，这个直径的增加在强度测试期间限制环的局部塑性变形，从而减少形成平面。此外，对于给定的弯曲力矩，弯曲应力与这个直径的立方成反比。因此，虽然杠杆臂、以及因此弯曲力矩以与环的所述直径成正比的方式增加，但是对于给定的侧向力，应力将会以直径的平方减少。由于结合这两种的效果，增大多个第二环中环的直径，因此每当锚链受到由于浮动体的枢转运动产生的侧向力时，能够大幅度减少链的前端处的弯曲应力。

然而，作为这个较大直径的替代方案或者除此之外的方案，多个第二多重环的每个环的材料的弹性极限可基本上大于多个第一环的每个环的材料的弹性极限，并基本上是多个第一环的每个环的材料的弹性极限的至少1.2倍。词语“基本上大于”在本文用来指差异大于制造公差，例如可以差不多是所述弹性极限的5％。

这个弹性极限的增加减小了强度测试期间受到塑性变形的所述多个第二环的每个环的面积，还用来减少帮助相邻环之间传输弯曲力矩的平面的形成。

为了得到多个第一环与多个第二环之间的逐步过渡，锚链还可以包括在所述多个第一环与多个第二环的所述至少三个连续环之间的至少一个中间环，所述至少一个中间环不同于多个第一环和多个第二环中的每个环。特别地，所述至少一个中间环的保持直径可基本上大于所述多个第一环的任一环的棒材直径，但是小于多个第二环的每个环的棒材直径。更特别地，锚链可以包括：至少一个第一中间环，邻近所述多个第一环；以及至少一个第二中间环，邻近多个第二环中的所述至少三个连续环并且其棒材直径基本上大于第一中间环的棒材直径。

为了避免在锚链的两端处的弯曲疲劳，所述多个第二环可以包括在锚链的第一端处的至少三个连续环，以及在锚链的与所述第一端相对的第二端处的另外至少三个连续链环。

本发明还涉及具有至少一个这种锚链的浮动体。在上下文中，术语“浮动体”应该被广泛理解为不仅包含至少部分浮现于液面上方的物体，还包含虽产生正浮力但通过它们的锚固而保持完全浸没的物体。

具体地，浮动体可以是浮台的形式。因为这些浮台通常用于长时间的静止锚固，所以特别地适用于解决在这种浮台的至少一个锚链中的弯曲疲劳的问题。然而，例如浮动体还可以是船。

此外，浮动体可以具体地支撑至少一个用于发电的装置(比如风力涡轮机等)，虽然还可以设想其它类型的用于发电的装置(比如船用涡轮机等)；以及甚至可以设想其它应用，具体地在产油和产气的领域中。

附图说明

在阅读以下示出为非限制性示例的两个实施例的具体描述的基础上，本发明可以得到更好地理解且其优势可以更好地呈现。描述参考附图，在附图中：

图1示出现有技术的锚链段；

图2A至2B示出图1的链的第一环的两个不同视图；

图3A至3B示出图1的链的第二环的两个不同视图；

图4A至4B示出图1的链的第三环的两个不同视图；

图5示出在图1的链的端部如何生成弯曲力矩；

图6示出第一实施例的锚链段；

图7示出第二实施例的锚链段；

图8示意性地示出浮台，浮台支撑风力涡轮机且通过锚链连接到多个锚点；以及

图9示意性地示出具有正浮力的船用涡轮机，该船用涡轮机通过将其连接到多个锚点的锚链而保持浸没在水面下方。

具体实施方式

图1示出一种符合美国石油协会(American Petroleum Institute)的API Spec2F标准的现有技术的锚链101。这种锚链101(其一端连接在锚钩环102)包括多个连续的公共环103，以及这些公共环103与钩环102之间的标准加大环104和端部环105。

如图2A和2B所示，每个公共环103的棒材直径为d，其宽度等于3.35倍的d，其长度等于6倍的d。标准加大环104的棒材直径为d1，其等于公共环103的棒材直径d的1.1倍，环104的宽度等于3.35倍的d1，长度等于6倍的d1，其中标准加大环104在链101中邻近所述多个连续的公共环103并在图3A和3B中详细示出。最后，插置在标准加大环104与锚钩环102之间的端部环105的棒材直径等于1.2倍的d，其宽度等于4倍的d，其长度等于6.75倍的d，如图4A和4B所示。

虽然标准加大环104和端部环105的直径大于公共环103的直径，但是一些公共环足够靠近链101的端部，从而受到弯曲力矩影响，弯曲力矩响应固定到锚钩环102的浮动体的侧向移动。

图5示出当由环102传输到端部环105的力F没有与链101的主方向X对齐时，且当环105、104的表面缺陷以及它们之间的拉伸防止它们相对彼此自由转动时，这一弯曲力矩M_F产生。力F因此分解为与链101的主方向X对齐的张力F_x和与其垂直的侧向力F_y，并在端部环105产生朝向加大标准环104增大的弯曲力矩M_F。在端部环104中，这个弯曲力矩M_F导致附加应力σ_xx，附加应力σ_xx垂直于端部环104的横截面。如本发明的发明内容中解释的，从长期来看，这些变化的附加应力可以导致疲劳引起的裂缝。

为了避免这种情况，在图6所示的第一实施例中，在锚链1连接到锚钩环2的端部之间包括多个第一连续公共环3和多个第二加大端部环4，多个第二加大端部环4包括在链1的每端处的至少三个连续的端部环4。更具体地说，在所示实施例中，这种多个第二端部环4包括在链1的每端处的四个端部环4。为了确保公共环3与端部环4之间的逐步过渡，链1的每端还包括：第一中间环5，邻近公共环3；以及第二中间环6，邻近端部环4。

在这个链1中，每个公共环3具有棒材直径D，第一中间环5的棒材直径基本上大于公共环3的棒材直径D(例如1.1倍D)，第二中间环6的棒材直径基本上大于第一中间坏5的棒材直径(例如1.2倍D)，而每个端部环4的棒材直径D_end基本上大于第二中间环6的棒材直径(例如1.3倍D)。在所示实施例中，所有的环3、4、5和6还可具有相同的直径/宽度/长度比1：3.35：6。

此外，端部环4不仅具有基本上大于其它环3、5和6的棒材直径的棒材直径，而且由承受张力的弹性极限基本上也大于公共环3(例如大于20％)的材料制成。

由于直径更大且张力的弹性极限更高，所以端部环4对于侧向力基本上不如公共环3敏感。对于给定的侧向力，在两个这样的端部环4之间传输的弯曲力矩M_extrem可以通过以下公式限定：

M_extrem＝M_courant·K_mat·K_diam·D_extrem/D

其中M_courant对应将在尺寸和材料与公共环3(代替端部环4)相同的两个环之间传输的弯曲力矩，K_mat对应由于弹性极限增大的改进系数，以及K_diam对应由于棒材的直径增加的改进系数。比值D/D_extrem对应由于棒材的直径增加和环的其它直径增加的杠杆臂的增加。

相对于链1承受的测试的测试负载(对应链1中最弱环即公共环3的断裂负载的70％)，端部环4的材料的弹性范围的20％增加使得受强度测试影响的接触面积减少，从而导致具有公共环3的弹性极限的环的应力集中因数(SCF)SCF_courant＝1.25减小到端部环4的SCF_extreme＝1.06。系数K_mat可以使用以下公式来计算：

K_mat＝1-SCF_extrem/SCF_courant

根据上述数值，结果为K_mat＝0.85。

此外，端部环4的较大直径还导致负载测试所破坏的相邻环之间接触面积减少，这种减少在系数K_diam(在所示实施例中K_diam可以是0.95)中体现。

首先，对于相邻环之间传输的给定的弯曲力矩，弯曲应力与环的棒材直径的立方成反比。

因此，如果σ_xx,extrem表示由弯曲力矩M_extrem在这一端部环4中导致的应力，且σ_xx,courant表示将由弯曲力矩M_courant在公共环3中导致的应力，那么这两个应力之间的关系可以通过以下公式来表达：

σ_xx,extrem＝σ_xx,courant·K_mat·K_diam·(D/D_extrem)²

根据上述数值，其结果为

σ_xx,extrem＝0.48·σ_xx,courant。

凭借这些数值，在链的前端弯曲所致的应力因此减少超过一半，其表示链1的使用寿命乘以比率(1/0.48)³＝9.04。

虽然在这个第一实施例中环3、4、5和6不是有档链环，但相同原理同样适用于有档链环，例如图7所示第二实施例的链中的环。除环中的横向档7之外，所有元件等同于图6所示实施例中的链的元件，它们以相同的附图标记标出。

而且，虽然在所示两个实施例中，锚链在链的每端处设置有端部环和加大中间环，同样能够将它们仅设置在链的一端。

由于增加它们的抗疲劳性，所以这些链特别适用于长期锚固浮动体，比如支撑发电的风力涡轮机的浮台8(如图8所示)，或者水下船用涡轮机(如图9所示)。

虽然参考特定实施例来描述本发明，但应清楚，可以对这些实施例作出多种修改和改变却不会背离由权利要求书所限定的本发明的大体范围。此外，所述多个实施例的各个特性可以在附加实施例中结合。因此，说明书和附图在某种意义中应该被考虑为说明性的，而不是限制性的。

Claims (13)

1.一种锚链，包括：多个第一环(3)和多个第二环(4)，所述多个第二环(4)在所述链的端部处且包括至少三个连续环(4)，在每个第二环(4)中，从其棒材直径和其材料的弹性极限选择出的至少一个属性基本上大于所述多个第一环(3)中的每个环。

2.根据权利要求1所述的锚链(1)，其中所述多个第二环(4)的每个环的棒材直径基本上大于所述多个第一环(3)中的每个环的棒材直径。

3.根据权利要求2所述的锚链(1)，其中所述多个第二环(4)的每个环的棒材直径是所述多个第一环(3)的每个环的棒材直径的至少1.2倍。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的锚链(1)，其中所述多个第二环(4)的每个环的材料的弹性极限基本上大于所述多个第一环(3)的每个环的材料的弹性极限。

5.根据权利要求4所述的锚链(1)，其中所述多个第二环(4)的每个环的材料的弹性极限是所述多个第一环(3)的每个环的材料的弹性极限的至少1.2倍。

6.根据前述权利要求中任一项所述的锚链(1)，还包括在所述多个第一环(3)与所述多个第二环的至少三个连续环(4)之间的至少一个中间环(5、6)，所述至少一个中间环(5、6)不同于所述多个第一环(3)的每个环，也不同于所述多个第二环(4)的每个环。

7.根据权利要求6所述的锚链(1)，其中所述至少一个中间环(5、6)的棒材直径基本上大于所述多个第一环(3)的每个环的棒材直径，但是小于所述多个第二环(4)的每个环的棒材直径。

8.根据权利要求7所述的锚链(1)，包括：至少一个第一中间环(5)，邻近所述多个第一环(3)；以及至少一个第二中间环(6)，邻近所述多个第二环的至少三个连续环(4)，并且所述至少一个第二中间环的棒材直径基本上大于所述第一中间环(5)的棒材直径。

9.根据前述权利要求中任一项所述的锚链(1)，其中所述多个第二环(4)包括：在所述锚链(1)的第一端处的至少三个连续环(4)；和在所述锚链(1)的与所述第一端相对的第二端处的另外至少三个连续环。

10.一种浮动体(8、9)，具有至少一个根据任一前述权利要求所述的锚链(1)。

11.根据权利要求10所述的浮动体(8、9)，其中所述浮动体(8、9)呈浮台的形式。

12.根据权利要求10或11所述的浮动体(8、9)，其中所述浮动体(8、9)支撑至少一个用于发电的装置。

13.根据权利要求12所述的浮动体(8)，其中所述用于发电的装置是风力涡轮机。