一种新型轻质动力安装锚的制作方法

本实用新型属于海洋工程技术领域，涉及一种新型轻质动力安装锚。

背景技术：

随着社会经济的高速发展和陆地浅海油气资源的逐渐耗竭，人们逐渐将油气资源开发转向深海。在水深超过300–500m的深海环境中，油气勘探、采集及储存设备主要通过锚链系统与作用在海床表面或是嵌入海床中的锚固基础相连。因此，锚固基础是锚泊式系统的根，是上部结构安全运行的前提保障。适用于深海锚泊式系统的锚固基础主要包括吸力式沉箱、拖曳锚、吸力式安装板锚和动力安装锚。吸力式沉箱在安装时需要从沉箱顶部的阀门向外抽水，使沉箱内部形成负压，从而将沉箱压入海床中所需深度。拖曳锚在安装时需要借助拖船，将锚从海床表面拖至海床中一定深度。吸力式安装板锚安装时需要借助吸力式沉箱，安装结束后将沉箱拔出，再张紧锚链使锚转至工作状态需要的角度。动力安装锚在安装时不需要借助外力，依靠锚在水中自由下落获得的动能和自身重力势能贯入土中一定深度，并依靠周围土体的锚固力提供抗拔承载力。因此，相比前三种锚固基础，动力安装锚具有安装时间短、安装费用低的优点，因此在海洋工程中发展前景广阔。

目前应用在实际工程中的动力锚主要为鱼雷锚(美国专利，专利号6106199)和多向受荷锚(美国专利，专利号7059263,B1)。鱼雷锚由一个前端为半椭球形或锥形的圆柱形中轴和几片尾翼组成，中轴用于提供锚的重量，使锚能在不借助于外力的情况下贯入土中，尾翼用于提高锚在水中下落时的定向稳定性。然而，由于锚眼位置位于锚中轴的最上端，当受上拔荷载时锚的抗拔承载力主要由锚-土接触面上的摩擦力提供，因此锚的承载效率较低。多项受荷锚由三块互成120°的平板组成，锚的表面积较大，增加了锚和周围土体的接触面积，且其锚眼位置靠近锚的前端，所以锚在受上拔荷载时会发生旋转，从而增加锚在垂直于上拔荷载方向的投影面积以增加抗拔承载力。然而，多项受荷锚的重量轻，表面积大，导致锚在土中的沉贯深度有限。海床软黏土一般为正常固结土或轻微超固结土，土强度随深度线性增加，所以锚的安装深度越小，对应的抗拔承载力越小。

本实用新型吸收了动力锚的优点，提出了一种新型轻质动力安装锚(light-weight deep penetrating plate anchor,L-DPPA)。锚主要由翼板、锚柄和锚眼组成。翼板由两块三角形平板组成，增加了锚-土接触面积，从而提高承载力。为了增加锚在海床中的沉贯深度，锚在安装时需要借助于推进器。推进器主要由圆柱形中轴、尾翼和锚眼组成，可连接在锚的尾部用于提高锚的贯入速度和沉贯深度，在安装结束后可将推进器回收用于下一个锚的安装。通过调整锚的尺寸和推进器的重量，可以使锚适用于各种强度及各种土质(包括黏土和砂土)的海床中。

技术实现要素：

为解决上述问题，本实用新型提出一种新型轻质动力安装锚，包括一种新型轻质动力安装锚(L-DPPA)以及借助于推进器进行锚的安装的动力安装方法。

本实用新型的技术方案：

一种新型轻质动力安装锚，主要由翼板11、锚柄12和连接杆14组成；所述的翼板11由两块三角形平板对称拼接组成，二者之间的角度按照工程要求进行调整；翼板11的两块三角形平板上对称设有多个开孔a15；所述的连接杆14安装在翼板11的尾部，连接杆14上设有开孔b17，通过剪切销3使连接杆14与推进器2固定连接；所述的锚柄12是由两块梯形平板组成的倒V型结构，锚柄12底部设有多个开孔c18，开孔c18与开孔a15相互配合，通过螺栓16将锚柄12对称固定在翼板11的两块三角形平板上；锚柄12的顶部设有锚眼13，用于连接工作锚链5以提供抗拔承载力；通过调整锚柄12的固定位置，锚柄12沿着翼板11的轴线方向上下移动，从而改变锚眼13偏移量，即锚眼13到翼板11的土体抗力中心的距离在翼板11轴线方向的投影，使新型轻质动力安装锚在受上拔荷载时具有下潜的性能，新型轻质动力安装锚嵌入土层中从而获得承载力。

一种新型轻质动力安装锚的安装方法，将安装锚链4连接在推进器锚眼23上；通过剪切销3将连接杆14固定在推进器中轴前端开槽25中，使新型轻质动力安装锚1、推进器2和剪切销3组合安装成为组合锚；工作锚链5连接在锚眼13上；

具体步骤如下：

首先将组合锚释放至海水中，使组合锚位于海床表面以上，然后松开安装锚链4，使组合锚在水中自由下落，并依靠自由下落获得的动能和组合锚自身的重力势能贯入土中，完成安装；安装结束后，张紧推进器2尾部的安装锚链4，当剪切销3受到的剪力大于自身的容许剪力时，剪切销3被剪断，从而推进器2被拔出，而新型轻质动力安装锚1留在土中；张紧工作锚链5，当工作锚链5传递到锚眼13上的力超过新型轻质动力安装锚1的初始抗拔承载力时，新型轻质动力安装锚1开始在土中运动，以调整新型轻质动力安装锚1的角度；推进器2取出后用于下一个新型轻质动力安装锚的安装。

所述的剪切销3的容许剪力为新型轻质动力安装锚1重量的1.5–2.0倍。

所述的推进器2的重量根据实际工程需要进行调整，从而使锚能贯入不同强度和土质的海床中。

所述的推进器2采用申请号为201610648708.7专利中的推进器，主要由推进器中轴21、推进器尾翼22和推进器锚眼23组成；所述的推进器中轴21的前端设有横向的推进器中轴前端开孔24和纵向的推进器中轴前端开槽25，推进器中轴前端开孔24用于放置剪切销3，推进器中轴前端开槽25用于连接新型轻质动力安装锚1的连接杆14；所述的推进器中轴前端开孔24与连接杆14上的开孔b17同轴，相互配合；

所述的推进器尾翼22安装在推进器中轴21的尾部，推进器中轴21尾部中心处设有推进器锚眼23，用于连接安装锚链4；推进器尾翼22的宽度和个数根据实际需要进行增减，保证整体在水中下落时的定向稳定性。

所述的推进器中轴21为中空圆柱体，尾部为逐渐收缩的圆台，前端为半椭球形或半球形；中空圆柱体的内部填充的材料为水银、铅或混凝土。

所述的推进器尾翼22的材料为合金材料、复合材料或塑料，通过减小推进器尾翼22的密度来降低重心位置。

本实用新型有益效果：本实用新型中提出的新型轻质动力安装锚具有重量轻、承载效率高、在适当的条件下可以下潜的优点。另外，本实用新型中提出的借助推进器进行锚安装的动力安装方法可以显著提高锚在土中的沉贯深度，以适应不同的土质和土强度。虽然借助于推进器安装本实用新型的锚在一定程度上增加了安装成本，但单个锚的承载效率得到了显著提高。利用一个推进器完成所有锚的安装，从而节约了生产成本。因此可以降低整个系泊系统需要的锚个数，降低生产、运输、安装费用，从而降低工程总造价。本实用新型中的锚及安装方法不受水深的影响，适用性广泛，可用于海洋浮式平台、浮式风机等的锚固基础。本实用新型有助于推进我国在深海锚泊式系统锚固基础方面的发展进程。

附图说明

图1是本实用新型中的新型轻质动力安装锚的三维示意图。

图2是本实用新型中的新型轻质动力安装锚的主视图。

图3是本实用新型中的新型轻质动力安装锚的侧视图。

图4是本实用新型中的新型轻质动力安装锚的俯视图。

图5是本实用新型中推进器的三维示意图。

图6是本实用新型中推进器的主视图。

图7是本实用新型中推进器的侧视图。

图8是本实用新型中推进器的俯视图。

图9是新型轻质动力安装锚和推进器连接的示意图。

图10是新型轻质动力安装锚借助推进器进行安装的安装流程图。

图11(a)是新型轻质动力安装锚及组合锚在土中的动力贯入过程预测结果。

图11(b)是不同的贯入速度时组合锚的速度随深度的变化曲线示意图。

图中：1新型轻质动力安装锚；2推进器；3剪切销；4安装锚链；5工作锚链；11翼板；12锚柄；13锚眼；14连接杆；15开孔a；16螺栓；17开孔b；18开孔c；2推进器；21推进器中轴；22推进器尾翼；23推进器锚眼；24推进器中轴前端开孔；25推进器中轴前端开槽。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本实用新型的具体实施方式。

1、新型轻质动力安装锚

图1–4为新型轻质动力安装锚1的示意图，新型轻质动力安装锚1主要由翼板11、锚柄12和连接杆14三部分组成。翼板11由两块三角形平板对称拼接组成，三角形平板的两个直角边尺寸可以根据实际情况进行调整，以适应不同的土强度及土质。两块三角形平板可以通过焊接、铆接、铰接等加工工艺进行连接，形成翼板11。两个三角形平板之间的角度大于180°，这是为了平衡锚柄12造成的偏心。两个三角形平板之间的角度要根据翼板11及锚柄12尺寸而定，使锚的重心位置落在锚的轴线X-X上，如图1所示。翼板11的前端形成了一个尖，减小了锚在初始贯入土中时所受的土体阻力，有助于使锚得到更深的沉贯深度。另外，根据加工需要或运输需要，可以将翼板11的三个顶点加工成带有一定弧度的形状，减少锚在运输过程中的磨损、屈曲破坏等问题。

锚柄12主要由两块梯形平板组成，锚柄12的顶端开孔，形成锚眼13。工作锚链5自锚眼13中引出，上部荷载通过工作锚链5作用在新型轻质动力安装锚1上。当新型轻质动力安装锚1完成安装时，新型轻质动力安装锚1的初始轴线方向为竖直方向。随后张紧工作锚链5，当工作锚链5传递到锚眼13上的力超过新型轻质动力安装锚1的初始抗拔承载力时，新型轻质动力安装锚1开始在土中运动。由于上拔荷载的作用点位于锚眼13处而不是翼板11的尾部，所以上拔荷载会对翼板11的土体抗力中心形成一个力矩。土体的抗力中心点指的是当锚切向运动(沿着X-X轴线方向的运动)或法向运动(垂直于翼板11三个顶点组成的平面方向)时，土体阻力对该点的力矩值为零。锚眼13到翼板11轴线的距离可以根据实际工程需要调整，该距离也称为锚眼偏心距。在上拔荷载相对土体抗力中心形成的力矩作用下，锚会在土中旋转。锚尖位置会朝着锚眼初始位置方向旋转，而锚尾会向背离锚眼初始位置方向旋转。随着锚的旋转，翼板11在垂直于上拔荷载方向的投影面积增加，从而增加了法向承载力。所以，相比鱼雷锚而言，本实用新型的新型轻质动力安装锚1在土中主要受土体的法向力而不是切向力，因此具有较高的承载效率，即锚的抗拔承载力与锚重量的比值较高。锚眼偏心距越大，锚板旋转过程中产生的埋深损失越小。

锚柄12的底部通过螺栓16与翼板11相连。锚柄12的底部设有开孔c18，同时翼板11上也设有相匹配的开孔a15，翼板11和锚柄12通过螺栓16相连，如图1所示。另外，也可用其他方法，例如用铆钉锚固，进行翼板11和锚柄12的固定。本实用新型中锚柄12位置可以沿着X-X轴线方向进行调节，从而改变锚眼13相对于土体抗力中心的位置。锚眼13至土体抗力中心的距离在X-X轴线方向的投影称为锚眼偏移量。锚眼偏移量是决定锚在受到上拔荷载时是否具有下潜性质的关键因素。在适当的情况下，在受上拔荷载时锚会下潜至更深的土层中，从而获得更高的抗拔承载力。所以，可根据实际工程需要和现场土质及土体强度确定锚柄12的在翼板11上的位置。

翼板11的尾部设有一个连接杆14，连接杆上有一个开孔b17，如图2所示。连接杆14和开孔b17的作用在推进器部分具体介绍。

2、推进器

图5–8为推进器2的示意图。推进器2主要由推进器中轴21、推进器尾翼22和推进器锚眼23组成。推进器中轴21为圆柱形结构，前端设计成半椭球形或半球形，可以使水流绕着推进器中轴的前端均匀过渡，以减小推进器在水中下落时受到的拖曳阻力，从而提高贯入速度；推进器中轴21的尾部设计成逐渐收缩的圆台形，可以使水流在推进器的尾部平缓流过，减小旋涡区，从而提高贯入速度。推进器中轴21的外形近似于流线形，这是为了减小推进器2在水中受到的拖曳阻力，从而帮助新型轻质动力安装锚1获得更高的贯入速度和更深的沉贯深度。推进器中轴21的直径和长度可根据现场土质和土强度进行调整。当土强度较高时，建议加长推进器的长度或增大推进器的直径以提高推进器的重量，帮助锚达到设计所需的深度。另外，推进器中轴21可做成中空的，中间填充铅、汞等密度更大的材料，以增大推进器的密度和质量，提高锚在土中的沉贯深度。

推进器尾翼22用于提高组合锚在水中下落时的定向稳定性。图5所示的尾翼22有三片，互成120°。根据实际需要，可以调整尾翼的个数、形状和尺寸，以满足不同工程的需要。当锚在水中下落时，重心越低，即重心位置距离锚尖越近，锚在水中的定向稳定性越好。锚的定向稳定性好指的锚在水中下落时，锚的轴线方向不会偏离竖直方向，即使偏离竖直方向，锚也会在下落过程中逐渐旋转调整，使锚的轴线重新旋转至竖直方向。所以，除了上述通过在推进器中轴21内填充密度更大的材料来降低重心外，还可以通过减小尾翼22的密度来降低重心位置。尾翼22可以选用更轻质的材料，例如高强度合金材料、复合材料、高强塑料等。

所述的推进器中轴21的前端设有纵向的推进器中轴前端开槽25，如图7所示。推进器中轴前端开槽25和连接杆14相匹配，可保证连接杆14恰好插入推进器中轴前端开槽25中。此时，新型轻质动力安装锚1的连接杆14上的开孔b17与推进器中轴前端开孔24同轴。用剪切销3穿过开孔b17和推进器中轴前端开孔24，从而新型轻质动力安装锚1和推进器2，如图9所示。剪切销3的容许剪力应约为锚1重量的1.5–2.0倍，这样既能保证组合锚在水中释放时新型轻质动力安装锚1不会脱离推进器2，又能保证安装结束后拔出推进器2时剪切销3能被及时剪断而不会拔动新型轻质动力安装锚1。

推进器锚眼23用于系安装锚链4。安装锚链4也用于安装结束后回收推进器。当组合锚安装完成后，张紧安装锚链4，可以将推进器2从土中拔出，只留锚在土中。

3、安装方法

图10所示为利用推进器2进行锚1安装的动力安装过程。首先用剪切销3连接新型轻质动力安装锚1和推进器2，形成组合锚。然后把组合锚从安装船上释放至距离海床表面一定高度处，等待安装。触发安装锚链4上的开关，使组合锚在水中下落获得动能，并依靠组合锚在水中运动获得的动能和自身重力势能贯入土中，完成安装。安装结束后，张紧安装锚链4，待剪切销3被剪断后将推进器2拔出海床，只留新型轻质动力安装锚1在海床中。随后用拖船以一定上拔角度张紧连接在锚眼13处的工作锚链5，使新型轻质动力安装锚1从竖直方向旋转至一定角度，从而提供抗拔承载力。推进器2可用于下一个锚的安装。

4、实用新型设计验证

为了验证本实用新型提出的新型动力锚及借助推进器进行锚的安装的动力安装方法的实用性，以下分别从锚在水中下落和在土中动力贯入两个阶段研究锚的工作性能和工作效率。

a.水动力学特性

当组合锚在水中自由下落时，会受到水的拖曳阻力。水对锚的拖曳阻力可用式(1)表示。

式中，FD,w为水对锚的拖曳阻力，CD,w为拖曳阻力系数，ρw为水的密度，AF为锚在垂直于轴线方向的投影面积。从式(1)可以看出，拖曳阻力与速度的平方成正比。随着锚下落速度的增加，拖曳阻力迅速增加，当拖曳阻力与锚在水中的有效重量相等时，锚的加速度减为零。此时对应的速度称为锚的极限速度，vT。锚的极限速度的表达式如式(2)所示。

式中，WA′为锚在水中的有效重量。

表1锚和推进器的主要参数

锚在水中下落过程中的水动力学特性包括锚的拖曳阻力系数、极限速度、定向稳定性等。实用新型人基于流体动力学软件FLUENT 17.0研究了组合锚在水中的水动力学特性。锚和推进器的相关尺寸如表1所示。数值计算结果表明，组合锚的定向性很好，一旦锚的轴线方向偏离了竖直方向，锚会逐渐调整，使轴线方向重新回到竖直方向。另外，数值计算结果表明，组合锚在水中自由下落时对应的拖曳阻力系数为0.71，极限速度为33.5m/s。

b.锚在土中的沉贯深度

以下为利用理论分析方法预测新型动力安装锚在土中的沉贯深度。锚和推进器的主要尺寸如表1所示。锚达到土表面的速度称为贯入速度，v0。锚在土中动力贯入时作用在锚上的力包括锚在水中的有效重量W′，锚受到的上覆土压力Fb，端承阻力Fbear，摩擦阻力Ffrict，及土对锚的拖曳阻力FD,s。锚在土中的受力可以由式(3)表示。

式中，z为锚尖贯入土中的深度，t为时间。对于新型动力安装锚，m＝mA,W′＝WA′，对应组合锚m＝mA+mB,W′＝WA′+WB′，WB′为推进器在水中的有效重量。下面分别介绍各项受力的取值。

(1)端承阻力Fbear为锚在垂直于轴线X-X方向上受到的土阻力，如公式(4)所示。

Fbear＝NcsuAt (4)

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(5a-5c)所示，su为土体的不排水抗剪强度，At为锚在垂直于轴线X-X方向与土的接触面积。

式中，c1、c2为与基础形状相关的参数，B为基础宽度，L为基础长度，z为锚板埋深。对于本实用新型的新型锚，B为三角形翼板的厚度tA，L为三角形翼板的宽度wF。对于推进器来说，B和L均取为推进器中轴的直径DB。

(2)摩擦阻力Ffrict为锚的侧面受到的土阻力，如公式(6)所示。式中，α为锚-土界面间的摩擦系数，As为锚侧面与土接触的面积。

Ffrict＝αsuAs (6)

(3)上覆土压力Fb为锚排开土的有效重量。

(4)土体对锚的拖曳阻力FD,s可由公式(7)计算得到。

式中，CD,s为土对锚的拖曳阻力系数，ρs为土的饱和密度，v为锚在任一时刻的速度。

另外，当锚高速贯入海床时，锚周围的土体发生高剪应变率。土在高剪应变率时会表现率效应，即土强度随着剪应变率的提高而增加。所以考虑土体率效应的不排水抗剪强度可表示为式(8)。

式中，Rf为率效应系数，su,ref为参考剪应变率下得到的土体不排水抗剪强度，称为参考土强度，λ为率效应参数，为剪应变率，可用式(9)表示。

式中，d为参考长度。在现场测试中，主要用锥形(Cone)、T形(T-bar)及球形贯入仪(Ball penetrometer)测量土体的不排水抗剪强度，可认为此强度为参考土强度。此时参考剪应变率取为贯入速度与贯入仪直径的比值。对于锚来说，d取为翼板的厚度；对于推进器中轴来说，d取为推进器中轴的直径。

假设锚土界面摩擦系数α＝0.33，率效应参数λ＝0.14，参考土强度su,ref＝2.4+3z kPa，锚及推进器的参数如表1所示，根据式(3)就可以确定锚或者组合锚在土中动力贯入时速度随深度的变化关系。根据式(2)可计算出锚和组合锚的极限速度，分别为18.3和33.5m/s。所以对于锚来说，取两个不同的贯入速度，分别为17和18m/s。对于组合锚来说，取五个不同的速度，分别为17,18,20,25和30m/s。锚及组合锚的速度随深度的变化关系如图11所示。

从图11(a)中可以看出，当贯入速度为17m/s时，锚的贯入深度为7.56m；增加推进器后，锚的贯入深度为18.56m。图11(b)为不同的贯入速度时组合锚的速度随深度的变化曲线。如前所述，借助于推进器，锚在水中的贯入速度也有所提高。当贯入速度为30m/s时，组合锚的最终沉贯深度为24.88m。这表明推进器可以从两个方面提高锚的贯入深度：一是增加了整体的重量，从而提高了整体的重力势能以增加锚的沉贯深度增加；二是增加了整体在水中的贯入速度，从而提高了整体的动能，这也可以增加锚在土中的沉贯深度。锚的深度越大，对应的承载效率越高。所以，尽管用借助于推进器安装本实用新型的锚在一定程度上增加了安装成本，但单个锚的承载效率得到了显著提高。因此可以降低整个系泊系统需要的锚个数，降低生产、运输、安装费用，从而降低工程总造价。