CN106240748B - 用于增加动力锚沉贯深度的方法及其推进器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及海洋工程技术领域，一种增加动力锚沉贯深度的方法及其推进器，其中方法包括以下步骤：(1)在动力锚的尾部安装一个可回收的推进器，(2)对有无安装推进器动力锚的贯入速度进行比较，(3)对有无安装推进器动力锚的沉贯深度进行比较，(4)推进器被拔出重复使用。所述推进器，主要包括一个圆柱形中轴，圆柱形中轴前端为椭球形，尾部逐渐收缩，以减小整体在水中和土中下落过程中的阻力，圆柱形中轴的尾部设置有三片尾翼并通过卡槽连接在圆柱形中轴的尾部，用于提高整体结构的定向稳定性，圆柱形中轴的前端开设有连接槽。本发明只增加了一个推进器，加工工艺简单，造价较低，但能大幅度提高动力锚的沉贯深度，以增大动力锚的承载能力，提高上部结构的安全系数或降低工程总造价。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于增加动力锚沉贯深度的方法及其推进器，属于海洋工程技术领域。
背景技术
随着国民经济的高速发展和对化石能源的不断需求，石油天然气开采由浅海逐渐向深海过渡。锚是船舶和海洋浮式结构的基础，通过锚链与上部结构连接，并依靠海床土的锚固力抵抗上部结构传递的荷载。适用于深海锚泊系统中的锚主要包括：吸力式沉箱、拖曳锚、吸力式安装平板锚和动力安装锚。动力安装锚简称动力锚，安装时不需借助外力，仅靠自重完成安装，所以其在深海工程中的应用前景广泛。
动力锚主要包括两种：鱼雷锚和板翼动力锚，在安装时，首先将锚预先释放至海床表面一定高度处；然后松开安装锚绳，锚在水中开始自由下落，锚尖端到达海床表面时对应的速度为贯入速度；锚在自重作用和水中自由下落获得的动能作用下贯入土中，锚尖端至海床表面的埋深称为沉贯深度。安装结束后，动力锚依靠自重和周围土体的锚固力提供抗拔承载力。大部分海床土为正常固结土或轻微超固结土，土的不排水抗剪强度su随深度线性增加，因此动力锚的沉贯深度越大，对应的承载力越高。
前人对动力锚沉贯深度的研究总结如下：
O’Loughlin等通过离心模型试验比较了不同形状和不同尺寸的鱼雷锚在高岭土中的沉贯深度，当贯入速度为12～29m/s时，得到的沉贯深度为(2.1～2.9)hA(hA为锚的高度)。
Hossain等总结了位于巴西坎波斯湾等地实际深海工程中鱼雷锚的沉贯深度，为(1.5～2.4)hA。Hossain等通过离心模型试验模拟了鱼雷锚在钙质土中的动力安装过程，当贯入速度为15～22m/s时，对应的沉贯深度为(0.96～1.4)hA。
Guadin等通过离心模型试验模拟了板翼动力锚的动力沉贯过程，在钙质土中，当贯入速度为(20.53～28.60)m/s时，对应的沉贯深度为(1.14～1.46)hA；在高岭土中，当贯入速度为(10.40～23.00)m/s时，对应的沉贯深度为(1.18～2.00)hA。
Zimmerman等在墨西哥湾进行了54组板翼动力锚动力安装现场测试，得到的平均沉贯深度为1.77hA。
通过总结前人的研究成果可以发现：一，相同贯入速度条件下，动力锚在钙质土中的沉贯深度明显小于高岭土中的沉贯深度，这是因为钙质土的强度梯度k(沿深度每增加1m，土的不排水抗剪强度su提高值，单位：kPa/m)比较大，一般能达到3kPa/m，而高岭土中k＝1kPa/m左右；二，板翼动力锚与鱼雷锚相比侧面积大，所以贯入土中时对应的土阻力较大，因此沉贯深度较小。
综上所述，在强度梯度k比较高的土中(例如钙质土)动力锚的沉贯深度较低，且板翼动力锚由于侧面积比较大对应的沉贯深度也较低，因此需要增大动力锚的沉贯深度以提高承载力。
发明内容
为了克服已有技术存在的问题，本发明目的是提供一种用于增加动力锚沉贯深度的方法及其推进器。本发明在动力锚的尾部增加一个可回收的推进器，用于提高动力锚的贯入速度和沉贯深度。
为了实现上述发明目的，解决已有技术中所存在的问题，本发明采取的技术方案是：一种增加动力锚沉贯深度的方法，包括以下步骤：
步骤1、在动力锚的尾部安装一个可回收的推进器，将推进器通过剪切销固定在动力锚的尾部，并确保推进器的中轴和动力锚的轴线重合，以提高整体稳定性，避免在下落过程中产生较大的偏角，用于提高动力锚的贯入速度和沉贯深度；
步骤2、对有无安装推进器动力锚的贯入速度进行比较，不安装推进器动力锚在水中自由下落时对应的极限速度通过公式(1)求得，安装有推进器动力锚在水中自由下落时对应的极限速度通过公式(2)求得，
式中，VT表示不安装推进器动力锚的极限速度，VT'表示安装有推进器动力锚的极限速度，mA表示锚的质量，mp表示推进器的质量，ρw表示水的密度，ΘA表示动力锚的体积，Θp表示推进器的体积，g表示重力加速度，Ap表示不安装推进器动力锚在垂直于轴线方向平面上的投影面积，Ap'表示安装有推进器动力锚在垂直于动力锚轴线方向平面上的投影面积，Cd表示水对不安装推进器动力锚的拖曳系数，Cd'表示水对安装有推进器动力锚的拖曳系数，并与流体的粘滞系数、运动物体的尺寸和形状有关；当安装推进器后，在保证投影面积和拖曳系数不变或者增加不多的前提下，可以提高动力锚的极限速度，并在相同下落高度时，安装推进器也会提高动力锚的贯入速度；
步骤3、对有无安装推进器动力锚的沉贯深度进行比较，不安装推进器动力锚在土中的沉贯过程所受阻力通过公式(3)求得，对安装有推进器动力锚在土中的沉贯过程所受阻力通过公式(4)求得，
式中，z表示t时刻动力锚尖端的入土深度，Ws表示动力锚在水中的有效重量，Wp表示推进器在水中的有效重量，Fb表示土对不安装推进器动力锚的浮力，Fb'表示土对安装有推进器动力锚的浮力，Rf表示表征率效应的参数，Fbear表示土对不安装推进器动力锚的端承阻力，F′bear表示土对安装有推进器动力锚的端承阻力，Ffrict表示土对不安装推进器动力锚的摩擦阻力,F′frict表示土对安装有推进器动力锚的摩擦阻力，Fd表示土对不安装推进器动力锚的拖曳阻力，Fd'表示土对安装有推进器动力锚的拖曳阻力；当安装推进器后，虽然对应土的端承阻力和摩擦阻力会增大，但由于整体的质量增大，对应的沉贯深度也相应得到提高，公式(1)至(4)中具体参数的取值需要依据动力锚和推进器的具体形状、土特性参数加以确定；
步骤4、推进器被拔出重复使用，动力锚安装完成后，拉紧推进器尾部的回收绳，当回收绳的拉力超过剪切销的抗剪力时，剪切销被剪断，推进器被拔出并可以重复使用，动力锚仍留在土中。
所述一种增加动力锚沉贯深度方法中的推进器，主要包括一个圆柱形中轴，所述圆柱形中轴为流线形设计，前端为椭球形，尾部逐渐收缩，以减小整体在水中和土中下落过程中的阻力，所述圆柱形中轴的尾部设置有三片尾翼并通过卡槽连接在圆柱形中轴的尾部，用于提高整体结构的定向稳定性，所述圆柱形中轴的前端开设有连接槽。
本发明有益效果是：一种增加动力锚沉贯深度的方法，包括以下步骤：(1)在动力锚的尾部安装一个可回收的推进器，(2)对有无安装推进器动力锚的贯入速度进行比较，(3)对有无安装推进器动力锚的沉贯深度进行比较，(4)推进器被拔出重复使用。所述一种增加动力锚沉贯深度方法中的推进器，主要包括一个圆柱形中轴，所述圆柱形中轴为流线形设计，前端为椭球形，尾部逐渐收缩，以减小整体在水中和土中下落过程中的阻力，所述圆柱形中轴的尾部设置有三片尾翼并通过卡槽连接在圆柱形中轴的尾部，用于提高整体结构的定向稳定性，所述圆柱形中轴的前端开设有连接槽。与已有技术相比，本发明只增加了一个推进器，加工工艺简单，造价较低，但能大幅度提高动力锚的沉贯深度，以增大动力锚的承载能力，提高上部结构的安全系数或降低工程总造价。本发明适用性强，可用于不同形式的动力锚和不同性质的海洋土中。
附图说明
图1是本发明方法步骤流程图。
图2是本发明中的推进器结构示意图。
图3是本发明中的板翼动力锚结构示意图。
图4是安装有推进器的板翼动力锚结构示意图。
图5是采用CEL方法计算有无推进器对应的沉贯深度图。
图6是动力锚沉贯过程受力示意图。
图7是有无推进器时不同贯入速度对应的沉贯深度图。
图8是有无推进器时不同贯入速度对应的埋深提高系数图。
图中：1、板翼动力锚，1a、连接杆，2、推进器，2a、圆柱形中轴，2b、尾翼，2c、连接槽，3、剪切销。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种增加动力锚沉贯深度的方法，包括以下步骤：
步骤1、在动力锚的尾部安装一个可回收的推进器，将推进器通过剪切销固定在动力锚的尾部，并确保推进器的中轴和动力锚的轴线重合，以提高整体稳定性，避免在下落过程中产生较大的偏角，用于提高动力锚的贯入速度和沉贯深度；
步骤2、对有无安装推进器动力锚的贯入速度进行比较，不安装推进器动力锚在水中自由下落时对应的极限速度通过公式(1)求得，安装有推进器动力锚在水中自由下落时对应的极限速度通过公式(2)求得，
式中，VT表示不安装推进器动力锚的极限速度，VT'表示安装有推进器动力锚的极限速度，mA表示锚的质量，mp表示推进器的质量，ρw表示水的密度，ΘA表示动力锚的体积，Θp表示推进器的体积，g表示重力加速度，Ap表示不安装推进器动力锚在垂直于轴线方向平面上的投影面积，Ap'表示安装有推进器动力锚在垂直于动力锚轴线方向平面上的投影面积，Cd表示水对不安装推进器动力锚的拖曳系数，Cd'表示水对安装有推进器动力锚的拖曳系数，并与流体的粘滞系数、运动物体的尺寸和形状有关；当安装推进器后，在保证投影面积和拖曳系数不变或者增加不多的前提下，可以提高动力锚的极限速度，并在相同下落高度时，安装推进器也会提高动力锚的贯入速度；
步骤3、对有无安装推进器动力锚的沉贯深度进行比较，不安装推进器动力锚在土中的沉贯过程所受阻力通过公式(3)求得，对安装有推进器动力锚在土中的沉贯过程所受阻力通过公式(4)求得，
式中，z表示t时刻不安装推进器动力锚尖端的入土深度，Ws表示动力锚在水中的有效重量，Wp表示推进器在水中的有效重量，Fb表示土对不安装推进器动力锚的浮力，Fb'表示土对安装有推进器动力锚的浮力，Rf表示表征率效应的参数，Fbear表示土对不安装推进器动力锚的端承阻力，F′bear表示土对安装有推进器动力锚的端承阻力，Ffrict表示土对不安装推进器动力锚的摩擦阻力,F′frict表示土对安装有推进器动力锚的摩擦阻力，Fd表示土对不安装推进器动力锚的拖曳阻力，Fd'表示土对安装有推进器动力锚的拖曳阻力；当安装推进器后，虽然对应土的端承阻力和摩擦阻力会增大，但由于整体的质量增大，对应的沉贯深度也相应得到提高，公式(1)至(4)中具体参数的取值需要依据动力锚和推进器的具体形状、土特性参数加以确定；
步骤4、推进器被拔出重复使用，动力锚安装完成后，拉紧推进器尾部的回收绳，当回收绳的拉力超过剪切销的抗剪力时，剪切销被剪断，推进器被拔出并可以重复使用，动力锚仍留在土中。
如图2，3、4所示，一种增加动力锚沉贯深度方法中的推进器2，主要包括一个圆柱形中轴2a，所述圆柱形中轴2a为流线形设计，前端为椭球形，尾部逐渐收缩，以减小整体在水中和土中下落过程中的阻力，所述圆柱形中轴2a的尾部设置有三片尾翼2b并通过卡槽连接在圆柱形中轴2a的尾部，用于提高推进器整体结构的定向稳定性，所述圆柱形中轴2a的前端开设有连接槽2c。如果推进器下落高度比较大，为了提高稳定性，可以加大尾翼2b的尺寸；如果推进器下落高度比较小，为了减小推进器在水中和土中下落时的阻力，可以减小尾翼2b的尺寸。在板翼动力锚1的尾部设置有一个圆柱形连接杆1a，连接杆1a轴线与板翼动力锚1的轴线重合，采用剪切销3将板翼动力锚1的连接杆1a和推进器2前端的连接槽2c固定在一起，保证推进器2中的圆柱形中轴2a与板翼动力锚1的轴线重合，以增加整体稳定性，避免在下落过程中产生较大的偏角。剪切销3可提供的抗剪力应稍大于板翼动力锚1在水中的有效重量，确保板翼动力锚1和推进器2不会分离。安装完成后，拉紧连接推进器2的回收绳，当回收绳的拉力超过剪切销3的抗剪力时，剪切销3被剪断，推进器2被拔出并可以重复使用，动力锚仍留在土中。
发明设计验证
为了验证本发明能增加板翼动力锚的贯入速度和沉贯深度，发明人针对锚在水中的自由下落过程和土中的动力沉贯过程，通过理论计算方法和数值计算方法进行验证。
一、推进器对贯入速度的提高程度验证
动力锚在水中的自由下落过程可分为两个阶段：加速下落阶段和稳定阶段。当锚在水中的有效重量大于水对锚的阻力时，锚做加速运动，速度不断增大；由于水对锚的阻力与下落速度的平方成正比，所以锚受到的阻力随着下落速度的增加不断增大，当水的阻力与锚的有效重量相等时，锚的速度保持恒定，此时对应的速度为极限速度VT，表达式如公式(5)所示。
式中，mA为锚的质量，ρw为水的密度，ΘA为锚的体积，g为重力加速度，Ap为锚在垂直于轴线方向平面上的投影面积，Cd为拖曳系数，与流体的粘滞系数、运动物体的尺寸和形状有关。
增加的推进器横截面积与原锚相同，因此拖曳阻力中的压差阻力相同。由于推进器的侧面积与原锚侧面积相比很小，可以简单假设增加推进器后不改变板翼动力锚的投影面积Ap和拖曳系数Cd，且假设推进器和锚的材质相同，即二者密度相等，则有推进器时锚的极限速度VTp与无推进器时极限速度VT的比值如公式(6)所示。
式中，Θp为推进器的体积，当推进器质量mp分别取0.5mA，1.0mA，1.5mA，2.0mA时，对应的极限速度比没有推进器时分别提高22.5％、41.5％、58.2％和73.3％。
二、推进器对沉贯深度的提高程度验证
1、大变形有限元计算方法
为预测推进器对动力锚沉贯深度的影响，发明人采用ABAQUS有限元软件中的CEL(Coupled Eulerian Lagrangian-耦合欧拉-拉格朗日)方法分别计算了有无推进器对应的沉贯深度。
CEL计算工况如表1所示，贯入速度为15m/s，土强度su＝(su0+3k)kPa，分别考虑不带推进器和推进器质量mp＝mA时对应的沉贯深度，其余参数设置与下面理论计算中保持一致，计算结果如图5所示。图5表明，CEL方法计算得到有推进器时对应的动力锚沉贯深度为16.83m，相比无推进器时的沉贯深度12.23m，提高了37.6％。
表1
2、理论计算方法
板翼动力锚在土中动力沉贯时的受力分析如图6所示，作用在锚上的力有：锚在水中的有效重量Ws，土对锚的浮力Fb，端承阻力Fbear，摩擦阻力Ffrict，拖曳阻力Fd。
(1)端承阻力Fbear，Fbear为锚在垂直于轴线方向截面上受到的土阻力，如公式(7)所示。
Fbear＝NcsuAt (7)
式中，Nc为承载力系数，随埋置深度的变化而变化，Nc的计算公式如公式(8)至(10)所示，At为锚在垂直轴线方向与土的接触面积。
式中，c1、c2为与锚板形状相关的参数，B为锚板宽度，L为锚板长度，D为锚板埋深。
(2)摩擦阻力Ffrict，Ffrict为锚的侧面受到的土阻力，如公式(11)所示。
式中，α为锚土界面间的摩擦系数，通常取为土灵敏度系数St的倒数，As为锚侧面与土接触的面积。
Ffrict＝αsuAs (11)
(3)浮力Fb，Fb为锚排开土的有效重量。
(4)拖曳阻力Fd，Fd可由公式(12)计算得到。
式中，ρs为土的密度，vt为锚在t时刻的速度。已知锚的各项受力，由基于牛顿第二定律的微分方程可以描述锚在动力沉贯过程中的动力平衡关系，如公式(13)所示。
式中，z为t时刻锚尖端的入土深度，Rf为表征率效应的参数，土的率效应是指不排水抗剪强度su随剪应变率增大而提高的现象，Rf可采用公式(14)表示。
式中，λ为率效应参数，其物理意义为剪应变率每提高一个量级对应土的不排水抗剪强度增长量，γ&为剪应变率，取为锚的速度与等效直径Deff(将锚垂直于轴线方向的投影面积等效成一个圆后对应的直径)的比值，为参考剪应变率。
由锚板参数和土特性参数，根据公式(7)至(14)，可以计算出不同贯入速度对应的沉贯深度；再依据上述步骤计算出有推进器时锚在不同贯入速度时对应的沉贯深度，与前者计算结果比较，可在相同贯入速度和相同土强度条件下比较推进器对锚沉贯深度的提高程度。
将表2中列出的参数带入公式(7)至(14)中，可以分别计算出无推进器和有推进器时不同贯入速度和不同土强度时条件下的沉贯深度。首先计算土强度梯度k＝3.0kP/m，贯入速度v＝15m/s，推进器质量mp＝1.0mA和无推进器的两个工况，并将计算结果与CEL方法得到的结果进行对比，如图5所示，两种得到的结果比较一致，偏差不超过10％，说明理论计算公式中选取的参数合适。
下面用理论计算方法分别讨论以下工况，土强度梯度k分别取1.0，2.0，3.0kP/m，贯入速度v分别取15，20，25，30，35m/s，推进器质量mp分别取0.5mA，1.0mA，1.5mA，2.0mA。
表2
从图7中可以发现，相同土强度和贯入速度条件下，有推进器的锚对应的沉贯深度明显提高，且推进器质量越大，得到的沉贯深度越大。为了便于比较，对图7中的数据做归一化处理，即将相同贯入速度和相同土强度条件下有推进器和无推进器得到的沉贯深度相除，得到埋深提高系数，以确定推进器对锚沉贯深度的提高程度，如图8所示，从图8中可以发现如下规律：
(1)不同土强度条件对埋深提高系数基本没有影响；
(2)当贯入速度较小时，推进器对埋深提高系数的影响比较明显，以贯入速度为15m/s和35m/s为例，推进器质量mp取2.0mA时对应的埋深提高系数分别为1.55和1.45左右；
(3)推进器质量越大，对应的埋深提高系数越大，当推进器质量mp取1.0mA和2.0mA时对应不同贯入速度和不同土强度的埋深提高系数平均值分别为1.22和1.48，表示动力锚的沉贯深度可以增加22％和48％。
下面以一个简单算例说明推进器对沉贯深度的提高程度，假设板翼动力锚的贯入速度为20m/s，土强度su＝2.4+3z kPa，对应的贯入深度为15.41m；增加一个质量mp＝1.0mA的推进器，则对应的贯入速度提高到28.3m/s，沉贯深度提高到22.87m，是原来沉贯深度的1.48倍；增加一个质量mp＝2.0mA的推进器，则对应的贯入速度提高到34.66m/s，沉贯深度提高到30.58m，是原来沉贯深度的1.98倍。
综上所述，在板翼动力锚的尾部增加推进器，在相同贯入速度条件下，可提高动力锚的沉贯深度；另外，增加推进器，还可提高动力锚的贯入速度，这会增大锚的动能，进一步提高沉贯深度。所以，应综合考虑工程实际情况和现场海洋土性质，选取合适质量的推进器，以提高上部结构的安全系数或降低工程总造价。
Claims (2)
1.一种增加动力锚沉贯深度的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、在动力锚的尾部安装一个可回收的推进器，将推进器通过剪切销固定在动力锚的尾部，并确保推进器的中轴和动力锚的轴线重合，以提高整体稳定性，避免在下落过程中产生较大的偏角，用于提高动力锚的贯入速度和沉贯深度；
步骤2、对有无安装推进器动力锚的贯入速度进行比较，不安装推进器动力锚在水中自由下落时对应的极限速度通过公式(1)求得，安装有推进器动力锚在水中自由下落时对应的极限速度通过公式(2)求得，
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式中，VT表示不安装推进器动力锚的极限速度，V′T表示安装有推进器动力锚的极限速度，mA表示锚的质量，mp表示推进器的质量，ρw表示水的密度，ΘA表示动力锚的体积，Θp表示推进器的体积，g表示重力加速度，Ap表示不安装推进器动力锚在垂直于轴线方向平面上的投影面积，A′p表示安装有推进器动力锚在垂直于轴线方向平面上的投影面积，Cd表示水对不安装推进器动力锚的拖曳系数，C′d表示水对安装有推进器动力锚的拖曳系数，并与流体的粘滞系数、运动物体的尺寸和形状有关；当安装推进器后，在保证投影面积和拖曳系数不变或者增加不多的前提下，可以提高动力锚的极限速度，并在相同下落高度时，安装推进器也会提高动力锚的贯入速度；
步骤3、对有无安装推进器动力锚的沉贯深度进行比较，不安装推进器动力锚在土中的沉贯过程所受阻力通过公式(3)求得，对安装有推进器动力锚在土中的沉贯过程所受阻力通过公式(4)求得，
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式中，z表示t时刻动力锚尖端的入土深度，Ws表示动力锚在水中的有效重量，Wp表示推进器在水中的有效重量，Fb表示土对不安装推进器动力锚的上覆压力，F′b表示土对安装有推进器动力锚的上覆压力，Rf表示表征率效应的参数，Fbear表示土对不安装推进器动力锚的端承阻力，F′bear表示土对安装有推进器动力锚的端承阻力，Ffrict表示土对不安装推进器动力锚的摩擦阻力,F′frict表示土对安装有推进器动力锚的摩擦阻力，Fd表示土对不安装推进器动力锚的拖曳阻力，F′d表示土对安装有推进器动力锚的拖曳阻力；当安装推进器后，虽然对应土的端承阻力和摩擦阻力会增大，但由于整体的质量增大，对应的沉贯深度也相应得到提高，公式(1)至(4)中具体参数的取值需要依据动力锚和推进器的具体形状、土特性参数加以确定；
步骤4、推进器被拔出重复使用，动力锚安装完成后，拉紧推进器尾部的回收绳，当回收绳的拉力超过剪切销的抗剪力时，剪切销被剪断，推进器被拔出并可以重复使用，动力锚仍留在土中。
2.根据权利要求1所述一种增加动力锚沉贯深度方法中的推进器，其特征在于：所述推进器主要包括一个圆柱形中轴，所述圆柱形中轴为流线形设计，前端为椭球形，尾部逐渐收缩，以减小整体在水中和土中下落过程中的阻力，所述圆柱形中轴的尾部设置有三片尾翼并通过卡槽连接在圆柱形中轴的尾部，用于提高整体结构的定向稳定性，所述圆柱形中轴的前端开设有连接槽。
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