CN107985516A - 一种侧翼可伸缩式动力贯入锚 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种侧翼可伸缩式动力贯入锚，它包括锚身、锚头、多个侧翼、工作锚链、多个尾翼和伸缩装置。锚身呈圆柱状结构，锚身的上端部具有用于工作锚链穿过的通孔，锚身的下端部固定连接圆锥形锚头，锚身内具有伸缩装置容纳腔和多个侧翼伸缩槽；伸缩装置设置在伸缩装置容纳腔内；多个侧翼一一对应地设置在侧翼伸缩槽中，侧翼在伸缩装置的作用下可伸出或缩入侧翼伸缩槽；多个尾翼设置在锚身的外侧壁，每个尾翼位于相邻两个侧翼伸缩槽之间，并且靠近锚身上端部。本发明限定的动力贯入锚增加了动力贯入锚贯入深度，提高了锚的抗拔承载力尤其是斜向抗拔承载力。

Description

一种侧翼可伸缩式动力贯入锚

技术领域

本发明涉及海洋工程技术领域深水动力贯入锚(dynamically penetratinganchor)，特别涉及一种侧翼可伸缩式动力贯入锚。

背景技术

随着我国经济快速发展，油气资源消耗量正迅速增加，石油天然气开采正由浅海逐步迈向深海。海洋深水油气资源开采对石油平台和平台锚泊基础有很高的要求。出于造价和效率的综合考虑，深水锚泊系统大多采用张紧或半张紧式锚泊（taut-leg or semi-taut leg mooring）而不是传统的悬链线式锚泊(catenary mooring)。与悬链线式锚泊不同，张紧或半张紧式锚泊要求锚基础具有较大斜向抗拔承载力(即同时具有较大的竖向和水平向抗拔承载力分量）。目前运用较广泛的深水锚基础主要有吸力锚、法向承力锚、吸力贯入式板锚、振动深埋锚、动力贯入锚等。其中，动力贯入锚是最新发展的深海锚泊技术，具有造价经济、安装简单高效、锚泊性能佳等突出特点，而且动力贯入锚的安装阶段不需借助外力仅靠自重完成，克服了传统锚基础安装成本严重依赖水深的缺点，是目前最具发展前景的深水锚基础。

在国内外工程实践中常用的动力贯入锚分有侧翼和无侧翼两种。有侧翼锚在安装阶段，由于侧翼的原因，安装深度较无侧翼锚浅；而在服役阶段，在相同服役深度，无侧翼锚抗拔承载力较有侧翼锚小。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种安装深度较深，并且抗拔承载力较大的动力贯入锚。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种侧翼可伸缩式动力贯入锚，包括锚身、锚头、多个侧翼、工作锚链、多个尾翼和伸缩装置；

所述锚身呈圆柱状结构，所述锚身的上端部具有用于工作锚链穿过的通孔，锚身的下端部固定连接圆锥形锚头；

所述锚身内具有伸缩装置容纳腔，所述伸缩装置容纳腔的轴线与锚身的轴线重合；

所述锚身内具有多个用于侧翼伸出和缩入的侧翼伸缩槽，所述每个侧翼伸缩槽在水平方向从锚身的轴线径向延伸至锚身的外侧壁，每个侧翼伸缩槽在竖直方向沿锚身的轴线延伸，每个侧翼伸缩槽均位于锚身长度方向的中上部分，并且侧翼伸缩槽竖直方向的长度小于锚身的长度；

所述多个侧翼伸缩槽沿锚身周向均匀设置；

所述伸缩装置包括底座、连接鼻和多个连接杆；

所述底座中心位置垂直设置连接鼻；

所述每个连接杆的一端与侧翼转动连接，每个连接杆的另一端与底座转动连接；

所述多个连接杆沿底座周向均匀设置；

所述工作锚链的下端穿过锚身上端部的通孔，伸入伸缩装置容纳腔内与所述连接鼻连接；

所述多个尾翼设置在锚身的外侧壁，每个尾翼位于相邻两个侧翼伸缩槽之间，并且靠近锚身上端部。

作为优化，所述锚身内具有两个伸缩装置容纳腔，所述两个伸缩装置容纳腔同轴设置，并且一个伸缩装置容纳腔位于锚身长度方向的中上部，另一个伸缩装置容纳腔位于锚身长度方向的中下部；

所述每个伸缩装置容纳腔内均设有一个伸缩装置；

还包括用于连接两个伸缩装置的连接锚链，所述连接锚链的上下两端分别对应地与两个伸缩装置的底座连接。

作为优化，所述侧翼的数量为四个。

作为优化，所述侧翼的长度是锚身长度的1/2~2/3。

作为优化，所述尾翼的长度是锚身长度的1/5~1/4。

作为优化，所述锚头锥形角度为30°~60°。

作为优化，所述位于锚身上端部的通孔孔径略大于工作锚链的直径，且小于底座的直径。

作为优化，所述锚身的长度为12~17m，直径为0.75~1.2m。

作为优化，所述锚身顶部上表面径向两侧具有锚身锚链连接鼻。

相对于现有技术，本发明至少具有如下优点：

1、本发明通过伸缩装置调节动力贯入锚在安装阶段和服役阶段中的结构，在安装阶段将侧翼收缩在侧翼伸缩槽内，减小海床土体对锚的摩擦拖曳，提高动力贯入锚贯入深度；在服役阶段借助工作锚链的拉伸作用，伸缩装置推动侧翼伸出侧翼伸缩槽外，增加动力贯入锚平面投影面积和受影响的土体范围，同时提高动力贯入锚在竖直方向和水平方向抗拔承载力分量，从而提高斜向抗拔承载力。

2、本发明动力贯入锚中尾翼的设计相比无翼锚，提高了锚在海水中运动时的方向稳定性。

3、本发明动力贯入锚中锥形锚头的设计增大了动力贯入锚刺入土体时的集中应力，方便动力贯入锚刺入土体，增大动力贯入锚的刺入深度，从而增大动力贯入锚的抗拔承载力。

4、本发明动力贯入锚安装简单快捷，不需要借助外力，仅靠自重在海水中自由下坠加速即可获得足够的动能贯入海床土体。

5、本发明中的伸缩装置，加工工艺简单，造价低、可大批量工厂化生产。

6、本发明经济效果好、适用性强，可用于不同性质的海床土体，如粘土、砂土、粉土等。

附图说明

图1为侧翼伸出时，动力贯入锚的部分结构示意图。

图2为侧翼未伸出时，动力贯入锚的部分结构示意图。

图3为侧翼未伸出时，动力贯入锚的结构示意图。

图4为侧翼伸出时，动力贯入锚的结构示意图。

图5为无翼锚(Anchor-a)与有侧翼锚(Anchor-b)贯入深度。

图6为拉拔角度为0°(即竖向)时无翼锚(Anchor-a)与有侧翼锚(Anchor-b)的承载力。

图7为拉拔角度为45°(即斜向)时无翼锚(Anchor-a)与有侧翼锚(Anchor-b)的承载力。

图8为拉拔角度为90°(即水平向)时无翼锚(Anchor-a)与有侧翼锚(Anchor-b)的承载力。

图9为动力贯入锚仿真模型示意图。

图中，1-锚身、2-锚头、3-侧翼、4-锚链、5-底座、6-连接杆、7-连接鼻、8-尾翼9-通孔、10-侧翼伸缩槽、11-连接锚链、12-锚身锚链连接鼻。

具体实施方式

下面对本发明作进一步详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

动力贯入锚的侧翼一方面增加了锚的平面投影面积，同时提高动力贯入锚在竖直方向和水平方向抗拔承载力分量，从而提高斜向抗拔承载力，另一方面，由于海床土体对侧翼的摩擦拖曳，侧翼也减小了动力贯入锚在海床土体中的贯入深度。本发明所述动力贯入锚通过设置可伸缩式侧翼克服了上述问题，提供了一种安装深度较深，且抗拔承载力较大的动力贯入锚。

参见图1至图4，一种侧翼可伸缩式动力贯入锚，包括锚身1、锚头2、侧翼3、工作锚链4、尾翼8和伸缩装置。

所述锚身1呈圆柱状结构，所述锚身1的上端部具有用于工作锚链4穿过的通孔9，锚身1的下端部固定连接圆锥形锚头2。

作为改进，所述通孔9的孔径略大于工作锚链4的直径，且小于底座5的直径，从而当工作锚链4通过连接鼻7带动向上时，可以保证工作锚链4顺利通过，而底座5保留在伸缩装置容纳腔内。

锚身1与圆锥形锚头2最好为一体结构，锚头2的锥形角度为30°~ 60°，锥形锚头增大了动力贯入锚刺入土体时的集中应力，方便动力贯入锚刺入土体，增大动力贯入锚的刺入深度，提高动力贯入锚的抗拔承载力。

所述锚身1内具有伸缩装置容纳腔，所述伸缩装置容纳腔的轴线与锚身1的轴线重合；

所述锚身1内具有多个用于侧翼3伸出和缩入的侧翼伸缩槽10，所述每个侧翼伸缩槽10在水平方向从锚身1的轴线径向延伸至锚身1的外侧壁，每个侧翼伸缩槽10在竖直方向沿锚身1的轴线延伸，每个侧翼伸缩槽10均位于锚身1长度方向的中上部分，并且侧翼伸缩槽10竖直方向的长度小于锚身1的长度；

所述多个侧翼伸缩槽10沿锚身1周向均匀设置。

具体实施时，所述锚身1内具有两个伸缩装置容纳腔，所述两个伸缩装置容纳腔同轴设置，并且一个伸缩装置容纳腔位于锚身1长度方向的中上部，另一个伸缩装置容纳腔位于锚身1长度方向的中下部；

所述每个伸缩装置容纳腔内均设有一个伸缩装置；

还包括用于连接两个伸缩装置的连接锚链11，所述连接锚链11的上下两端分别对应地与两个伸缩装置的底座5连接。

所述侧翼3的数量最好为四个，即相邻两个侧翼3之间的夹角为90°。由于侧翼3与用于侧翼3伸出和缩入的侧翼伸缩槽10一一对应，因此即侧翼伸缩槽10也为四个。

所述侧翼3的长度是锚身1长度的1/2~2/3。由于侧翼伸缩槽10的作用是用于侧翼3的伸出和缩入，因此，为了侧翼3能快速方便地伸出和缩回侧翼伸缩槽10，侧翼伸缩槽10的顶部与侧翼3的顶部滑动配合，侧翼伸缩槽10的底部与侧翼3的底部滑动配合，具体实施时，侧翼伸缩槽10的长度最好略大于侧翼3的长度，使侧翼伸缩槽10的顶部与侧翼3的顶部有间隙，侧翼伸缩槽10的底部与侧翼3的底部有间隙，从而尽可能地减少侧翼3伸出侧翼伸缩槽10时的摩擦力。

所述伸缩装置包括底座5、连接鼻7和多个连接杆6；

所述底座5中心位置垂直设置连接鼻7；

所述每个连接杆6的一端与侧翼3转动连接，每个连接杆6的另一端与底座5转动连接；

所述多个连接杆6沿底座5周向均匀设置。

所述工作锚链4的下端穿过锚身1上端部的通孔9，伸入伸缩装置容纳腔内与所述连接鼻7连接。

所述多个尾翼8设置在锚身1的外侧壁，每个尾翼8位于相邻两个侧翼伸缩槽10之间，并且靠近锚身1上端部，具体地，尾翼8的长度是锚身1长度的1/5~1/4。

图3和图4中，锚身1顶部上表面径向两侧具有锚身锚链连接鼻12，用于与两条定位锚链相连（图中未画出）。

本发明所述的侧翼可伸缩式动力贯入锚工作原理：

安装时通过安装锚链将动力贯入锚吊至设计高度并释放使之垂直坠入水中，锚在自重和水中自由下落获得的动能作用下贯入土中，最终完成动力贯入安装过程。锚头端到达海床表面时对应的速度为初始贯入速度，安装完成后锚头端至海床表面的埋深称为贯入深度（即服役深度）。在此安装阶段侧翼收缩在侧翼伸缩槽中，如附图3的状态。

安装阶段结束后，动力贯入锚随即进入服役阶段。此时，通过工作锚链拉伸带动连接杆使侧翼伸出侧翼伸缩槽，如附图4的状态。在此阶段锚的自重和海床土体的锚固力为动力贯入锚提供抗拔承载力。

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随深度增加而增大，同时土体对动力贯入锚的锚固力与土体强度息息相关，因此贯入深度越大则锚固力越高。在动力锚安装阶段将侧翼收缩在侧翼伸缩槽内，,可减小海床土体对锚的摩擦拖曳，从而提高锚贯入深度；在锚服役阶段将侧翼展开可增加锚的平面投影面积，同时提高动力贯入锚在竖直方向和水平方向抗拔承载力分量，从而提高斜向抗拔承载力。

下面简述本发明侧翼可伸缩式动力贯入锚的具体安装过程：

步骤一：动力贯入锚安装阶段，通过安装船将动力贯入锚运至指定位置，使用安装锚链将锚吊至设计高度并释放，随后锚自由下坠加速下沉直至高速贯入海床土体。

步骤二：动力贯入锚服役阶段，在此动力贯入锚贯入海床土体后，拉动工作锚链，工作锚链带动伸缩装置向上运动从而使侧翼伸出侧翼伸缩槽刺入海床土体。

步骤三：将工作锚链上端连接至所需系泊的海上工作平台。

本发明侧翼可伸缩式动力贯入锚的数值仿真模拟验证计算，参见图5-图9：

为验证本发明，采用ABAQUS有限元软件中的Coupled Eulerian Lagrangian（耦合欧拉-拉格朗日)大变形有限元计算工具开展仿真模拟计算。计算验证本发明对1)安装阶段锚的贯入深度，2)服役阶段锚的拉拔承载力的提高。

1对本发明动力贯入锚安装阶段贯入深度提高的验证。

本发明所涉及侧翼可伸缩式动力贯入锚在安装阶段将侧翼收缩在侧翼伸缩槽内，即等效于无侧翼锚。采用ABAQUS有限元软件建立无侧翼锚和等尺寸、等质量有侧翼锚作为对比组，在相同初始贯入速度条件下开展对比分析。CEL计算工况详列于表一、二。有限元计算结果如图5所示。图中无侧翼锚(Anchor-a)即本发明涉及的动力贯入锚，有侧翼锚(Anchor-b)为其的等尺寸、等质量对比参照。CEL数值模拟计算结果表明：在安装阶段Anchor-a较Anchor-b达到更大的贯入深度，提高约30%。

2对本发明动力贯入锚服役阶段拉拔承载力提高的验证。

本发明涉及侧翼可伸缩式动力贯入锚在服役阶段将侧翼伸出侧翼伸缩槽，即变形为有侧翼锚。采用ABAQUS有限元软件构建有侧翼锚和等尺寸、等质量无侧翼锚作为对比组,在相同服役深度条件下开展对比分析。CEL计算工况详列于表一、二。贯入计算结果如图6~8所示。图中有侧翼锚(Anchor- b)即本发明涉及的动力贯入锚，无侧翼锚(Anchor-a)为其的等尺寸、等质量对比参照。CEL数值模拟计算结果表明：在服役阶段Anchor-b较Anchor-a具有更高的抗拔承载（竖向(0°)拉拔提高约20%，斜向(45°)拉拔提高约65%，水平向(90°)拉拔提高75%）。

表一：安装/服役阶段计算参数列表

表二：安装/服役阶段模型参数列表

最后说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种侧翼可伸缩式动力贯入锚，其特征在于：包括锚身（1）、锚头（2）、多个侧翼（3）、工作锚链（4）、多个尾翼（8）和伸缩装置；

所述锚身（1）呈圆柱状结构，所述锚身（1）的上端部具有用于工作锚链（4）穿过的通孔（9），锚身（1）的下端部固定连接圆锥形锚头（2）；

所述锚身（1）内具有伸缩装置容纳腔，所述伸缩装置容纳腔的轴线与锚身（1）的轴线重合；

所述锚身（1）内具有多个用于侧翼（3）伸出和缩入的侧翼伸缩槽（10），所述每个侧翼伸缩槽（10）在水平方向从锚身（1）的轴线径向延伸至锚身（1）的外侧壁，每个侧翼伸缩槽（10）在竖直方向沿锚身（1）的轴线延伸，每个侧翼伸缩槽（10）均位于锚身（1）长度方向的中上部分，并且侧翼伸缩槽（10）竖直方向的长度小于锚身（1）的长度；

所述多个侧翼伸缩槽（10）沿锚身（1）周向均匀设置；

所述伸缩装置包括底座（5）、连接鼻（7）和多个连接杆（6）；

所述底座（5）中心位置垂直设置连接鼻（7）；

所述每个连接杆（6）的一端与侧翼（3）转动连接，每个连接杆（6）的另一端与底座（5）转动连接；

所述多个连接杆（6）沿底座（5）周向均匀设置；

所述工作锚链（4）的下端穿过锚身（1）上端部的通孔（9），伸入伸缩装置容纳腔内与所述连接鼻（7）连接；

所述多个尾翼（8）设置在锚身（1）的外侧壁，每个尾翼（8）位于相邻两个侧翼伸缩槽（10）之间，并且靠近锚身（1）上端部。

2.如权利要求1所述的侧翼可伸缩式动力贯入锚，其特征在于：所述锚身（1）内具有两个伸缩装置容纳腔，所述两个伸缩装置容纳腔同轴设置，并且一个伸缩装置容纳腔位于锚身（1）长度方向的中上部，另一个伸缩装置容纳腔位于锚身（1）长度方向的中下部；

所述每个伸缩装置容纳腔内均设有一个伸缩装置；

还包括用于连接两个伸缩装置的连接锚链（11），所述连接锚链（11）的上下两端分别对应地与两个伸缩装置的底座（5）连接。

3.如权利要求1或2所述的侧翼可伸缩式动力贯入锚，其特征在于：所述侧翼（3）的数量为四个。

4.如权利要求3所述的侧翼可伸缩式动力贯入锚，其特征在于：所述侧翼（3）的长度是锚身（1）长度的1/2~2/3。

5.如权利要求4所述的侧翼可伸缩式动力贯入锚，其特征在于：所述尾翼（8）的长度是锚身（1）长度的1/5~1/4。

6.如权利要求5所述的侧翼可伸缩式动力贯入锚，其特征在于：所述锚头（2）锥形角度为30°~60°。

7.如权利要求6所述的侧翼可伸缩式动力贯入锚，其特征在于：所述位于锚身（1）上端部的通孔孔径略大于工作锚链（4）的直径，且小于底座（5）的直径。

8.如权利要求7所述的侧翼可伸缩式动力贯入锚，其特征在于：所述锚身（1）的长度为12~17m，直径为0.75~1.2m。

9.如权利要求8所述的侧翼可伸缩式动力贯入锚，其特征在于：所述锚身（1）顶部上表面径向两侧具有锚身锚链连接鼻（12）。