CN111361692B

CN111361692B - 一种重力贯入锚

Info

Publication number: CN111361692B
Application number: CN202010224654.8A
Authority: CN
Inventors: 刘海笑; 孙婧; 吕荣棋; 周杨平
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2020-03-26
Filing date: 2020-03-26
Publication date: 2022-07-01
Anticipated expiration: 2040-03-26
Also published as: CN111361692A

Abstract

本发明涉及大型海洋浮式平台的深水系泊系统的锚固结构，公开了一种重力贯入锚，包括头部锚板、中部锚板、尾部锚板、连接轴和加载机构。本装置依靠自身重力在水中自由下落，到达海床面时获得一定速度并贯入海床土中一定深度；之后拉动安装缆，前短后长的双锚胫设计使得锚被拖曳、旋转、继续下嵌。本装置集成了拖曳嵌入式板锚和重力贯入锚的综合性能，既利于贯入安装，又有更好的承载性能。在海床土中具有更大的埋深、更大的有效承载面，受力更加均匀，因而具备高承载性能。

Description

一种重力贯入锚

技术领域

本发明属于海洋工程技术领域，具体涉及一种重力贯入锚。

背景技术

随着对深海资源的利用和深海空间的开发，大型海洋浮式平台如海洋油气开采平台、海上机场和人工浮岛等的系泊系统成为关键技术。随着作业水深的加大，新型的绷紧式系泊系统逐渐取代传统的悬链式系泊系统并被广泛应用，同时对锚的抗拔性能和深水安装性也提出了更高的要求。目前已有的典型深水锚固结构包括吸力锚、拖曳嵌入式板锚、吸力嵌入式板锚和重力贯入锚。作为最新发展的深海锚泊技术，重力贯入锚安装简单便捷、成本低、安装定位精准，无需外力的驱动即可在自身重力作用下在水中自由下落，并贯入海床土中一定深度，是目前最具前景的深海系泊基础。当前的典型重力贯入锚包括：DPA(深水贯入锚)、鱼雷锚和OMNI-Max锚(全向受荷锚)。研发兼具优良的深水安装性能和抗拔承载性能的锚固结构具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种重力贯入锚。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种重力贯入锚，包括头部锚板、中部锚板、尾部锚板、连接轴和加载机构；

所述头部锚板和尾部锚板分别通过连接轴与中部锚板的上下两端固定连接，所述加载机构包括加载环和加载臂，所述加载环套设于连接轴上，可绕轴360度旋转，所述加载臂与加载环固定连接且与连接轴相互垂直；

所述头部锚板由相同的三块近似三角形锚板以相互夹角为120度沿中线中心对称的形式组合而成，尖头朝向下方，在三角形锚板的两侧安装有与其形状相同的头部增重夹板；

所述中部锚板由三块锚板以相互夹角为120度的沿中线中心对称的形式组合而成，在锚板的两侧安装用于使中部锚板重心下移的中部增重夹板；

所述尾部锚板由三块近似三角形锚板以夹角为120度的形式组合而成，尖头朝向上方，在尖头处设置有吊环。

在上述技术方案中，所述连接轴上固定安装有2个限位环，2个限位环分别位于加载环的上方和下方，用于在垂直方向上对加载环进行限位。

在上述技术方案中，所述加载环截面为U形，一侧封闭另一侧开口，在开口一侧与加载臂固定连接，所述加载臂截面呈U形，在加载臂与加载环之间形成通孔，该通孔用于锚在海床土中运动时排出泥沙颗粒，以免加载环与连接轴之间卡死。

在上述技术方案中，所述加载臂可带动加载环绕轴360度旋转，使得锚可承受任意方向的荷载。

在上述技术方案中，所述头部锚板为多层板、尾部锚板为单层板、中部锚板采用夹板设计，中部增重夹板呈L型，通过螺栓安装；分层锚板的设计，降低锚体重心，提高锚在水中运动时的方向稳定性。

在上述技术方案中，所述头部锚板、中部锚板和尾部锚板位于外侧的锚板边呈流线形；以减小锚在水中运动时所受到的水流拖曳力，提高锚的下落速度。

在上述技术方案中，所述头部锚板、中部锚板和尾部锚板的锚板转角处磨圆处理，以保证运输、使用过程中的安全性。

在上述技术方案中，所述加载臂分别连接前锚胫和后锚胫，前锚胫和后锚胫与安装缆相连接，前锚胫的长度小于后锚胫的长度；两个锚胫设计为前短后长形式，使得锚在海床土中受到拉拔荷载时可以旋转、继续下嵌。

在上述技术方案中，所述重力贯入锚的整体长度为5-15m，质量为30-50吨，加载臂长度为0.8-1m。

一种重力贯入锚的使用方法，包括安装阶段、承载阶段和回收阶段。

一、安装阶段重力贯入、旋转下嵌两个步骤：

步骤1.重力贯入：

通过安装船将锚运至指定的安装位置后，将尾缆与尾部锚板的吊环相连，使用尾缆将锚吊至指定高度，使其处于垂直状态并释放。锚在水中自由下落，到达海床土体表面时具有一定的撞击速度并贯入海床土中一定深度，完成初始安装。

步骤2.旋转、下嵌：

完成初始贯入后，安装船一边缓慢地往远离锚的方向移动，一边释放出安装缆(系泊缆)。当释放出足够长的安装缆后，安装船加大安装缆上的拉力，通过加载臂对锚施加荷载，锚在安装缆的拉力作用下旋转并继续下嵌。

二、承载阶段：将安装缆(系泊缆)与海上浮体相连，进入正常工作状态。

三、回收阶段：通过水下机器人将回收缆与锚后部的尾缆相连，使用安装船拖曳即可。

本发明的优点和有益效果：

本发明所述的一种重力贯入锚集成了拖曳嵌入式板锚和重力贯入锚的综合性能，既利于贯入安装，又有更好的承载性能。在海床土中具有更大的埋深、更大的有效承载面，受力更加均匀，因而具备高承载性能。具体优势如下：

1.双锚胫的设计，使板面受力更加均匀，不易破坏。

2.板面面积大，增加了锚与海床土的接触面积，使得锚在海床土中具有更大的有效承载面。

3.前短后长的双锚胫设计，使得锚在完成初始贯入后，在拖曳缆的拉拔作用下继续下嵌，从而达到更大埋深。

4.拥有可360°旋转的加载臂，能够承受来自任意方向的荷载。

5.具备可抵御灾害条件的特殊能力。受到极端荷载时，可以达到更大埋深，避免系泊浮体的进一步破坏。

6.锚板整体侧边缘流线形设计，减小了锚在水中运动时所受的水流拖曳力，提高了锚的下落速度。

7.分层锚板的设计，降低了锚的重心，提高了锚在水中运动时的方向稳定性，保证了入土时定位精准。

附图说明

图1：本发明所述一种重力贯入锚的三维结构图。

图2：本发明所述一种重力贯入锚主视图。

图3：本发明所述一种重力贯入锚侧视图。

图4：本发明所述一种重力贯入锚俯视图。

图5：本发明所述一种重力贯入锚加载臂及加载环三维图。

图6：本发明所述一种重力贯入锚加载臂及加载环三视图。

图7：终端速度下的拖曳力系数。

图8(a)：X向偏转角与时间曲线。

图8(b)：X向位移与时间曲线。

图8(c)：Y向偏转角与时间曲线。

图8(d)：Y向位移与时间曲线。

图8(e)：Z向偏转角与时间曲线。

图8(f)：Z向位移与时间曲线。

图8(g)：Y向速度与时间曲线。

图8(h)：X向速度与时间曲线。

图8(i)：Y向速度与位移曲线。

图8(j)：X向速度与位移曲线。

图9：水中下落阶段偏转角与下落方向位移曲线。

图10：土中初始贯入阶段贯入深度-时间曲线。

图11：土中初始贯入阶段速度-时间曲线。

图12：土中旋转嵌入阶段系缆点运动轨迹。

图13：土中旋转嵌入阶段前锚尖运动轨迹。

图14：土中旋转嵌入阶段锚的方位角。

其中：1、吊环，2、尾部锚板，3、连接轴，4、限位环，5、加载环，6、加载臂，7、中部锚板，8、中部增重夹板，9、头部锚板，10、螺栓，11、后锚胫，12、前锚胫，13、安装缆。

对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例1

如图1所示，重力贯入锚包括头部锚板、中部锚板、尾部锚板及吊环、上下两组加载环及加载臂、连接轴及限位环。头部锚板由三组夹角为120度的多层板构成，每组板含有三层等厚的单层板，并用螺栓连接固定。中部锚板由三组夹角为120度的大板构成，每组大板由中间板和外层夹板组成，并用螺栓连接固定。尾部锚板由三组夹角为120度的单层板构成，并在尾端设置吊环。上中下三部分锚板之间用圆柱形轴连接。上下两个轴上各设一组加载环及加载臂，加载环与板面之间设置限位环，以限制锚胫沿轴上下运动。加载臂上设置锚眼，以连接锚胫。加载环与轴之间留有空隙，使加载臂可以带动加载环绕轴360度旋转。加载环形状为U形，一端封闭另一端做开口处理，并与加载臂中通连接。

锚的整体长度为9.12m，板的最宽处为1.98m，锚的质量为43吨。头部锚板长为1.56m，最宽处为1m，厚度为0.18m。中间锚板长为4m，最宽处为1.98m，最薄处为0.06m，最厚处为0.18m。尾部锚板长为1.56m，最宽处为1m，厚度为0.06m。连接轴长度为2.4m，直径为1m。U型加载环长度为1m，宽度为1m，高度为0.6m；U型部位外径为1m，内径为0.826m。加载臂长度为0.975m，宽度为0.4m，高度为0.3m；锚眼内径为0.2m。卡槽外径为0.85m，内径为0.65m，高度为0.2m。

加载环设计为U形，一端封闭另一端做开口处理，加载环与加载臂之间中通相连，使得锚在海床土中运动时得以排出泥沙颗粒，以免加载环与轴卡死。加载臂可带动加载环绕轴360度旋转，使得锚可承受任意方向的荷载。两个锚胫设计为前短后长形式，使得锚在土中受到拉拔荷载时可以旋转、继续下嵌。锚板采用分层设计，头部为多层板、尾部为单层板、中部则采用夹板设计，使得锚整体重心下移，提高在水中运动时的方向稳定性。锚板侧边缘整体呈流线形，以减小在水中所受到的水流拖曳力，提高在水中的下落速度。除锚头锚尾两个尖端外，其余尖角处均做磨圆处理，以保证运输、使用过程中的安全性。

实施例2

重力贯入锚的具体使用方法如下：

一、安装阶段，包括重力贯入、旋转下嵌两个步骤。

步骤1.重力贯入：

通过安装船将锚运至指定的安装位置后，将尾缆与锚尾的吊环相连，使用尾缆将锚吊至指定高度，使其处于垂直状态并释放。锚在水中自由下落，到达海床土体表面时具有一定的撞击速度并贯入海床土中一定深度，完成初始安装。

步骤2.旋转、下嵌：

实施例3

为了验证本发明提出的一种重力贯入锚的有效性，以下分别对其水中安装性能和土中安装性能进行数值模拟试验。

(1)水中安装性能

锚在水中下落阶段的水动力特性包括：水流拖曳力及阻力系数、终端速度、方向稳定性和水中释放高度。

当锚在水中运动时，会受到水流的拖曳阻力，即水流拖曳力，可由公式(1)表示。

式中，F_d为水流拖曳力，ρ_w为水的密度，A_F为锚的正方向投影面面积，C_d为锚的水流拖曳力系数，v为锚的下落速度。其中，水流拖曳力系数C_d与锚的形态和速度有关。

由式(1)可知，锚受到的水流拖曳力与其下落速度正相关。假设锚的下落距离足够大，随着锚下落速度的增加，其受到的水流拖曳力不断增大，当水流拖曳力等于锚的浮重时，锚的合力为零，速度将不再增大，此时对应的速度为锚在水中运动的极限速度，即终端速度v_t，由式(2)表示。

式中，m为锚的质量，V为锚的体积。

终端速度决定了锚在水中安装阶段能达到的最大速度，但其需要一个较大的下落高度，而下落高度的增加同时也增大了锚的横向偏移量。在实际工程中，通常根据安装需求确定一个合理的水中释放高度，锚实际到达海床面的速度为入土速度。在锚的下落过程中，良好的方向稳定性能够确保安装定位准确，为后续土中的安装奠定基础。

发明人基于流体动力学软件Fluent18.2，分别采用静模型分析法和动模型分析法研究了本发明提出的重力贯入锚的水动力学特性。锚体参数见表1，软索锚胫参数见表2，数值模拟结果见表5和图7～图9。

首先通过静模型分析法计算了零度偏转角下锚的终端速度及对应的水流拖曳力系数，见表5。当速度为20m/s时，水流拖曳力系数为1.49，水流拖曳力为398.52kN；当速度为16m/s时，水流拖曳力系数为1.52，水流拖曳力为260.19KN。锚的浮重为360.4kN，比较浮重与拖曳力大小：F_d20＞W_sub＞F_d16，因此锚体下落的终端速度位于16m/s～20m/s之间，采用插值法估算终端速度近似为18.98m/s。再以终端速度18.98m/s开始进行试算和调整，当取19m/s时，计算得到锚体所受水流拖曳力为362.8kN，与锚体浮重基本吻合，因此认为零度偏转角下锚的终端速度为19m/s。终端速度下锚的水流拖曳力系数曲线如图7所示，最终稳定在1.503。

为了更好的评估锚的水中安装性能，采用基于重叠网格方法和六自由度模型的动模型分析法，模拟了锚在水中的完整下落过程，得到了锚在水中自由下落阶段的速度时间曲线、位移时间曲线、速度位移曲线和偏转角时间曲线，见图8～图9。

由图8(a)、(c)、(e)可以看出，三个方向的偏转角随时间的变化曲线都有一个比较明显的转折点，越过这个转折点后，偏转角会急剧增大。通过分析数据得到，X向、Y向和Z向转角的转折点出现在锚体释放大约2.88s时。由图8(b)、(d)、(f)可以看出，Y向(下落方向)的位移随时间的增大而增大，而X向、Z向的位移与时间曲线同其转角与时间曲线变化趋势一致，都有一个明显的转折点，越过转折点后，位移随着时间的增大而急剧增大。分析数据可以得到，X向和Z向的位移与时间曲线转折点出现在锚体在水中自由下落约3s时。

由图8(g)、(h)、(i)、(j)可以看出，锚体释放约4.65s后，X向的速度达到了4.46m/s，位移值达到了4.22m；Y向(下落方向)的速度在锚体释放3.96s后达到了峰值17.08m/s，此时的位移值为44.2m，因此锚的终端速度为17.08m/s。

综合分析图8和图9可知，锚的水中下落高度小于32m时，其方向稳定性比较好；当下落高度超过32m后，方向稳定性将随着下落高度的增加逐渐变差。考虑到实际工程中海洋环境的复杂性，锚在安装时的水中释放高度宜取32m。

(2)土中安装性能

本发明提出的重力贯入锚在土中的安装过程包括两个阶段：初始贯入和后续旋转下嵌。

当锚以一定的入土速度到达海床面后，水中安装阶段结束，开始进入土中安装阶段。由于锚在土中受到土的阻力作用，锚的贯入速度逐渐减小直至为零，完成土中的初始安装，此时的入土深度称为初始贯入深度。

完成初始贯入后，安装船一边缓慢地往远离锚的方向移动，一边释放出安装缆(系泊缆)。当释放出足够长的安装缆后，安装船加大安装缆上的拉力，通过加载臂对锚施加荷载。锚在安装缆的拉力作用下旋转、上拔并继续下嵌，直至达到一定的嵌入深度，完成土中第二个安装阶段，此时的嵌入深度为最终贯入深度。至此，锚的安装过程结束。

发明人基于有限元软件Abaqus14.1，采用耦合的欧拉-拉格朗日法大变形有限元分析技术(CEL法)，对本发明提出的重力贯入锚在土中的初始贯入过程和后续旋转下嵌过程进行了数值模拟分析。由于缆绳直径远小于新型锚的尺寸，而其长度远大于锚的尺寸，直接对缆绳建模所需要的土体网格数量极大，计算极其耗时。因而在后续的旋转嵌入过程中，通过用户子程序VUAMP，将缆绳方程进入到CEL分析中，以考虑缆绳对锚运动行为的影响。

系缆点处拖曳力T_a与拖曳角θ_ah的关系可由式(3)表示，在数值模拟中采用该关系式来反映缆绳对锚运动行为的影响。

式中，μ为缆绳与土体之间的摩擦系数；θ为缆绳上任意一点与水平面所成夹角，N_cl表示缆绳端阻力系数，常见取值范围为7.6～14；E_n表示缆绳的有效承载系数，对于绳索E_n＝1，铁缆E_n＝2.5；d为缆绳直径；s_u为饱和黏土不排水抗剪强度，可以表达为s_u＝s_u0+kz，s_u0为海床面土体强度，k为土体强度梯度。土体参数见表4，缆绳方程参数见表5。

通过对锚的水中安装性能进行数值模拟分析可知，当锚在水中运动时，在下落方向的终端速度可达17.08m/s。以终端速度作为锚的入土速度，模拟锚在土中的初始安装过程，得到初始贯入阶段的贯入深度-时间曲线和速度-时间曲线，见图10～图11。由图10可知，锚由接触海床面开始逐渐贯入海床土中，经过1.2s后速度降为0，此时的贯入深度为14.07m。因此，锚在土中的初始贯入深度为14.07m，约1.54倍锚长。

以14.07m的初始贯入深度为基础，模拟锚在土中后续的旋转下嵌运动，分别得到系缆点的运动轨迹曲线、前锚尖的运动轨迹曲线和锚的方位角曲线，如图12-图14所示。由图12可知，在缆绳的拉力作用下，系缆点首先经历了旋转和上拔的过程，随后继续下嵌；当其水平位移为34.1m时，贯入深度达到18.7m。由图13可知，在缆绳的拉力作用下，前锚尖同样首先经历了旋转和上拔的过程，随后继续下嵌；当其水平位移为35.6m时，贯入深度达到21.3m。由图14可知，锚的方位角最初为90度，在旋转、上拔阶段迅速减小至46度，在后续的嵌入过程中又缓缓减小至42度。

通过对本发明提出的重力贯入锚的水中安装特性和土中安装特性进行数值模拟分析，证明了本发明提出的一种重力贯入锚具有良好的安装性能。

表1锚体参数

表2软索锚胫参数

表3海床土体参数

表4缆绳方程参数

表5新型锚终端速度计算表

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种重力贯入锚，其特征在于：包括头部锚板、中部锚板、尾部锚板、连接轴和加载机构；

所述头部锚板和尾部锚板分别通过连接轴与中部锚板的上下两端固定连接，所述加载机构包括加载环和加载臂，所述加载环套设于连接轴上，所述加载臂与加载环固定连接且与连接轴相互垂直；所述加载臂分别连接前锚胫和后锚胫，前锚胫和后锚胫与安装缆相连接，前锚胫的长度小于后锚胫的长度；

所述中部锚板由三块锚板以相互夹角为120度的沿中线中心对称的形式组合而成，在锚板的两侧安装用于使中部锚板重心下移的中部增重夹板；所述中部增重夹板呈L型，通过螺栓安装在每块近似矩形锚板上；

2.根据权利要求1所述的一种重力贯入锚，其特征在于：所述连接轴上固定安装有2个限位环，2个限位环分别位于加载环的上方和下方，用于在垂直方向上对加载环进行限位。

3.根据权利要求1所述的一种重力贯入锚，其特征在于：所述加载环截面为U形，一侧封闭另一侧开口，在开口一侧与加载臂固定连接，所述加载臂截面呈U形，在加载臂与加载环之间形成通孔。

4.根据权利要求1所述的一种重力贯入锚，其特征在于：所述头部锚板、中部锚板和尾部锚板位于外侧的锚板边呈流线形。

5.根据权利要求1所述的一种重力贯入锚，其特征在于：所述头部锚板、中部锚板和尾部锚板除锚尖外在转角处磨圆。

6.根据权利要求1所述的一种重力贯入锚，其特征在于：所述重力贯入锚的整体长度为5-15m，质量为30-50吨，加载臂长度为0.8-1m。