一种适用于深水系泊系统的拖曳嵌入式板锚

摘要

本发明属于海洋工程技术领域，涉及一种适用于深水系泊系统的拖曳嵌入式板锚，锚板主体包括锚尖、主平面和尾端，设锚板面积为S，锚板主平面为梯形，主平面两侧为流线型，两侧的外边缘与锚尖外边缘在同一直线上；锚尖为左右对称的两个尖端，表面为流线型，锚尖两侧为刀刃形，锚尖占锚板面积不超过15％；锚板尾端为与锚尖相对应的双尖角型，锚板尾端与锚板主平面在一个平面上；锚板上下表面平行；锚胫为四根，分布在锚板边缘，系缆孔关于重心前后对称布置，关于轴线左右布置；支架角度为15°，固定在锚板重心之后，支架前端为刀刃形，支架中间镂空。本发明提供的锚板，具有结构合理、加工方便的优点。

说明书

技术领域

本发明属于海洋技术领域海洋工程技术，涉及一种拖曳嵌入式板锚。

背景技术

从拖曳锚的发展历程来看，锚板主要分为两类，一种是传统拖曳锚，另一种是法向承力锚。传统拖曳锚主要应用于悬链式系泊系统，能承受较大的水平荷载和较小的竖向荷载。法向承力锚主要应用于绷紧式系泊系统，具有高效的锚固性能，可以同时承受较大的水平荷载和竖向荷载，其承载力可以达到锚自身重量的100倍以上，同时具有重量轻、材料省、易操作、易存储、可回收和重复使用等优点，与目前新型深水绷紧式系泊方式配合，在深水条件下的优势非常明显。

随着海上石油及天然气的开采不断向海洋深处推进，适用于深水和超深水的系泊系统日益受到重视，相关研究成为国际海洋工程界研究的焦点和热点，其中，以合成纤维系缆作为主体系缆、以法向承力锚作为系泊基础的绷紧式系泊系统，由于在深水系泊中具有明显的优势，逐渐成为深水系泊的一种主要技术。法向承力锚属于一种新型的拖曳嵌入式板锚，它是深水绷紧式系泊系统中极为关键的组成，也是目前国际上在深水系泊技术中的前沿技术，其关键技术被国外少数几家大公司掌握，国内没有相关的核心技术以及自主研发的产品。因此，通过自主力量研发这种新型的拖曳嵌入式板锚，掌握其关键技术，对于国内依靠自主力量进行海洋油气开发以及提升海洋工程技术装备水平，具有十分重要的意义。

目前在市场上可见的法向承力锚主要有两种款式，一是荷兰Vryhof公司的Stevmanta锚，二是英国Bruce公司的Denla锚，其中Stevmanta锚的锚胫为软索锚胫，而Denla锚的锚胫与传统拖曳锚一样，为整体式刚性锚胫。由于技术保密的原因，无法详尽获悉关于锚板形态及尺寸设计等相关的核心技术。

在大量调研的基础上，通过综合分析，拟参照Stevmanta锚，采用软索锚胫，研发一种适用于深水系泊系统的拖曳嵌入式板锚。

1、锚尖

锚尖是锚板拖曳嵌入过程中首先与土体接触的部分，其作用主要有两点：

(1)破土作用。在拖曳过程中锚板要切开土体嵌入土中，锚尖的刃部必须足够锋利，且锚尖其它部位的迎土面也应尽量小，以利于锚板下嵌。但是，各部位的尺寸必须兼顾强度和刚度问题，以保证锚尖在一定的受力范围内不至于出现损伤和过大的变形。这也是拖曳锚可以回收和反复使用的前提条件之一。

(2)导向作用。运动物体的前端大多具有导向作用，锚尖作为整个锚板下嵌的引导部位，其受力状态会直接影响锚板的嵌入方向。同时，锚尖对称与否，往往会影响锚板的侧向稳定性。

早期的锚尖大多较小，且夹角很小。第二阶段锚尖比较锋利，占主平面的比例较大，主要用于硬土。第三阶段锚尖较小，锚尖夹角较大，利于土体穿过，目前在软粘土中应用较多。

2、锚板主平面

锚板主平面占据锚板尺寸的绝大部分，它是锚板承载的主要部位，在一般情况下，80％～90％的承载力是由锚板主平面提供的。归纳起来，锚板主平面主要有以下几个作用：

(1)提供足够的系泊承载力。锚板主平面的尺寸决定着锚板承载力的大小。法向承力锚的承载力取决于锚板主平面的面积。因此，承载力是选择锚板主平面尺寸的主要依据。

(2)锚板主平面的几何形状将直接影响锚板嵌入的稳定性。锚板主平面几何形状的设计将涉及对称性、均匀性和流线型等多方面问题。

(3)锚板的主体形状应保证锚板的拖曳嵌入效率。若锚板主平面的几何形状在嵌入过程中造成较大的土抗力，将不利于锚板嵌入。因此，锚板主平面的几何形状往往需根据具体工程的土质条件来设计。

早期锚板的主体形状大多是三角形，且尺寸较小。而后逐渐接近矩形，面积相应增大。但随着工程技术要求的发展，锚板的主平面逐步演变为不规则形状，同时也采用了流线型等优化设计的方案。此外，为提高锚板的法向承载力，主平面面积也逐步增大，这些都与实际工程所要求的嵌入深度和承载力直接相关。

3、锚板翼缘

锚板翼缘位于锚板的两侧，最主要的作用是保证锚板拖曳嵌入时的左右稳定，防止锚板在拖曳过程中发生侧向翻转。翼缘的形态决定锚板在拖曳过程中以及拖曳结束时的姿态(即锚板的倾斜与翻转角度)，因而对锚板的拖曳嵌入和最终工作性能都有直接的影响。

早期的锚板翼缘又称稳定器，是锚板主体部分以外的独立结构，往往布置为左右对称的两个。而后这种稳定器逐步发展为锚板翼缘，成为锚板主平面结构的一部分，其不仅可以起到稳定器的作用，还能提供一定大小的承载力。

4、锚板边缘

锚板边缘随着形态优化的发展从完全钝性演变为将锚板边缘处理成刀刃状和流线型，其主要作用是减少锚板在运动中的侧向摩阻力，利于嵌入。

5、尾部形状

锚板尾部由不做尾部处理发展为将锚板尾部设计成凹状，其主要作用是为了保证锚板的回收与重复使用，在回收过程中其作用与锚尖对应，在保证锚板整体性的前提下，利于破土，提高锚板的回收效率。

6、锚胫

锚胫是锚板构成的重要附属结构，主要用于传递拖曳力，带动整个锚板嵌入。

锚胫入土后所受到的土抗力将影响锚板的嵌入效率，锚胫的形式和位置直接影响锚板的受力情况。锚胫的类型主要分为刚性锚胫和软索锚胫。刚性锚胫在土中的阻力大，而由钢缆绳(钢链)组成的软索锚胫具有强度高、尺寸小的特性，其土抗力较小。此外，锚胫的位置决定锚板的受力，刚性锚胫力的作用点位于锚板后端，产生绕重心的倾覆弯矩，阻碍锚板迅速抬平，提高嵌入效率，且受力简单，但整个锚胫结构单一不利于嵌入时的稳定。软索锚胫为左右对称的四根，能保证锚板嵌入的整体稳定性，合力作用点可通过锚胫长度和锚胫系点的位置发生变化，方便调整，但受力相对复杂。

7、锚板支架

锚板支架主要用于提供锚板落在海床面时的初始角度，锚板依此角度进行拖曳，能减少锚板的拖曳距离，快速入土，提高拖曳和嵌入效率。

早期的锚板没有支架，主要通过拖曳刚性锚胫使锚板倾倒在海床，形成初始嵌入角，靠锚尖破土嵌入。由于锚板倾倒方向和状态的不确定性，可能导致拖曳失败。后期的锚板均设有支架，且支架较薄，利于在破土，同时支架左右对称以保证嵌入的稳定。

发明内容

本发明的目的是，改进Stevmanta锚的设计，提供一种结构合理、加工方便、适用于深水系泊系统的拖曳嵌入式板锚。

本发明提供的板锚如下：

一种适用于深水系泊系统的拖曳嵌入式板锚，为软索锚胫，包括锚板主体、锚胫和支架，其中，锚板主体包括锚尖、主平面和尾端，设锚板面积为S，根据设计承载力的要求以及锚板嵌入的土体条件确定S，其特征在于，所述锚板主平面为梯形，主平面两侧为流线型，两侧的外边缘与锚尖外边缘在同一直线上；所述锚尖为左右对称的两个尖端，表面为流线型，锚尖两侧为刀刃形，锚尖占锚板面积不超过15％；所述锚板尾端为与锚尖相对应的双尖角型，锚板尾端与锚板主平面在一个平面上；所述锚板上下表面平行；锚胫为四根，分布在锚板边缘，系缆孔关于重心前后对称布置，关于轴线左右布置；所述支架角度为15°，固定在锚板重心之后，支架前端为刀刃形，支架中间镂空。

作为优选实时方式，本发明的拖曳嵌入式板锚，所述锚板的前端$c=0.75\sqrt{S},$后端$a=1.26\sqrt{S},$梯形高度$b=0.75\sqrt{S};$所述锚尖面积大小为S_锚尖＝0.12S，锚尖长度$d=0.32\sqrt{S},$两锚尖之间距离为e，e/a在0.35～0.5之间；所述锚板尾端长度$f=0.19\sqrt{S};$所述锚板上下表面平行，厚度为h，运用公式$h\ge \sqrt{\frac{{6M}_{\max }}{B\left[\sigma \right]}}$对锚板进行正应力验算，运用公式$h\ge \frac{{3Q}_{\max }}{2B_e\left[\tau \right]}$对锚板进行切应力验算，运用公式$h\ge \sqrt[3]{\frac{{12N}_{\max }}{\mathrm{BE}\left[w\right]}}$对锚板进行刚度验算，厚度h取以上三值的最大值，其中，M_max＝1/(2q)F²-Fa为锚板的最大弯矩，[σ]为许用正应力，q＝F_u/l，F＝1/2F_u，F_u＝NS_uA，F_u为锚板的极限承载力，N为承载力系数，S_u为土体的不排水抗剪强度，l为锚板总长，a为锚板后端与后系缆孔的距离；Q_max＝Max(F-qa，F-qb，qa，qb)，为锚板的最大剪切力，B_e是锚板截面的有效宽度，[τ]为许用切应力，b为锚板前端与前系缆孔的距离；$N_{\max }=\frac{F^4}{24q^3}-\frac{F}{6}{(\frac{F}{q}-a)}^3+[\frac{{\mathrm{Fc}}^2}{6}-\frac{q{(a+c)}^4}{24c}](\frac{F}{q}-a)$为挠曲线上挠度的最大值，E为弹性模量，[w]为工程要求的容许挠度，c为两系缆孔之间的距离；四个锚胫，分布在锚板边缘，系缆孔关于重心前后对称布置，关于轴线左右布置；前锚胫$a^{\prime }=\sqrt{1.538S-0.881S\cos c},$后锚胫$b^{\prime }=\sqrt{1.614S+0.881S\cos c},$c为拖曳力与锚板平面的夹角，根据不同土质而确定；支架后宽$h_1=0.321\sqrt{S},$支架前宽$h_2=0.184\sqrt{S},$支架总长$l=0.509\sqrt{S},$支架厚度k＝0.286h_锚板，h_锚板是锚板厚度，支架镂空面积S_孔＝0.029S。

附图说明

图1锚板主体部分设计简图。

图2锚板受力简化模型图。

图3锚板剪力图(上)和弯矩图(下)。

图4锚胫长度计算示意图。

图5支架设计示意图，(a)为立视图，(b)为俯视图。

图6(a)锚板主尺寸底视图1∶5(b)锚板主尺寸侧视图1∶5。

图7支架设计尺寸图(a)为立视图，(b)为俯视图。

图8设计锚板与参照锚板运动轨迹的比较(工况一)

图9设计锚板与参照锚板运动轨迹的比较(工况二)

图10设计锚板与参照锚板运动轨迹的比较(工况三)

注：图8、图9和图10中，曲线A为参照锚板运动轨迹图，曲线B为设计锚板运动轨迹图。

具体实施方式

锚板上下表面平行，厚度为h，锚板厚度h采用估算法，将锚板平面简化为正方形，面积为S，长为l，宽为B($B=l=\sqrt{S}$)，厚度为h。锚胫系点A(A′)和B(B′)到边缘的距离分别为a和b，两系缆孔之间的距离为c，则l＝a+b+c。在锚板达到极限嵌入深度时，锚板平面与水平面的夹角为0°，锚板的极限承载力为F_u，四根锚胫处于对称状态，每根锚胫上的分力相等。将锚板简化成平面问题对其进行受力分析，简化模型如图2所示。

锚板处于平衡状态，则q＝F_u/l，F₁＝F₂＝1/2F_u＝F，其中F_u＝NS_uA(其中N为承载力系数，S_u为土体的不排水抗剪强度)，图3为锚板的剪力和弯矩图。

运用公式(3)对锚板进行正应力验算：

其中，M_max＝1/(2q)F²-Fa为锚板的最大弯矩，[σ]为许用正应力。

运用公式(4)对锚板进行切应力验算：

其中，Q_max＝Max(F-qa，F-qb，qa，qb)为锚板的最大剪切力，B_e是锚板截面的有效宽度，[τ]为许用切应力。

运用公式(5)对锚板进行刚度验算：

其中$N_{\max }=\frac{F^4}{24q^3}-\frac{F}{6}{(\frac{F}{q}-a)}^3+[\frac{{\mathrm{Fc}}^2}{6}-\frac{q{(a+c)}^4}{24c}](\frac{F}{q}-a)$为挠曲线上挠度的最大值，E为弹性模量，[w]为工程要求的容许挠度。

综上所述，h取式(3)、(4)、(5)中的最大值即同时满足强度和刚度要求。在进一步的设计中，还须结合针对锚板建立的有限元计算模型，对锚板厚度进行验证和校正。

专门开展模型实验，用以检验此锚板的实用性与优化后的嵌入性能。

基于新型拖曳锚模型实验平台，采用上述设计方法设计模型锚板。锚板选用Q235普通钢，实验将设计锚板与正方形参照锚板进行比较，考查设计锚板的嵌入性能。两个锚板的面积相同，均为S＝70312.5mm²。由式(2)，可得设计锚板的尺寸分别为a＝334mm，b＝199mm，c＝199mm，d＝85mm，f＝50mm，同时考虑实验需安装倾角传感器测量锚板角度，在保证强度和刚度的前提下，取板厚h＝14mm。由式(11)可得，支架尺寸分别为h₁＝85mm，h₂＝48.9mm，l＝135mm，k＝4mm，S_孔＝2040mm²。

因设计锚板与参照锚板等厚且面积一致，运用前述的锚板强度与刚度公式，取正方形参照锚板校核锚板厚度。各部分尺寸为：B＝l＝250mm，a＝21mm，b＝13mm，c＝216mm，厚度为h(各符号含义见图2所示)。

1、模型实验砂土的抗剪强度S_u和模型锚板的极限承载力(Ultimate PulloutCapacity，UPC)计算：

一般而言，砂土的粘聚力c＝0kPa，内摩擦角的变化范围不大，中、粗、砾砂一般为粉、细砂孔隙比愈小，值愈大，但是含水的饱和粉砂、细砂容易失去稳定，因此对其内摩擦角的取值宜慎重，有时规定取左右。砂土有时也有较小的粘聚力(约为10kPa以内)，这可能是由于砂土中夹带有一些粘土颗粒，也可能是由于毛细粘聚力的缘故。

综上所述，实验采用饱和砂土结合实验水槽的深度计算土体的正应力σ，分c＝0kPa和c＝10kPa两种情况计算抗剪强度。

(1)c＝0kPa，砂土密度ρ＝2.65～2.69g/cm³

σ＝γ′·z其中γ′＝γ_sat-γ_w＝ρg-γ_w＝16.5～16.9kN/m³，土深z取锚板深埋时的深度(大于三倍锚宽)，取1.2m。则：

σ＝γ′·z＝19.8～20.3kN/m²

UPC＝N×S_u×A，A＝Bl＝0.0625m²

UPC＝N×S_u×A＝6.92～7.10kN

(2)c＝10kP_a，其它条件不变

UPC＝N×S_u×A＝14.42～14.60kN

2、对锚板进行正应力验算：

M_max＝1/(2q)F²-Fa＝1/8lF_u-1/2F_ua＝302.95×10³N·mm

σ_max＝M_max/W_z＝6M_max/Bh²＜235

$h\ge \sqrt{\frac{6M_{\max }}{B\left[\sigma \right]}}$

故：h≥5.56mm

3、对锚板进行剪应力验算：

剪力最大处在A处，Q_max＝F-qa＝(1/2-a/l)F_u＝6.07×10³N

A_e＝(B-2d)h，其中d为锚板系缆孔直径；

故由τ_max＝3Q_max/(2A_e)≤93，$h\ge \frac{{3Q}_{\max }}{2B_e\left[\tau \right]}$可得h≥0.65mm

4、对锚板进行刚度验算：

x＝F/q-a截面处的挠度最大，当取[w]＝1.0mm时，h≥6.89mm

综上，h≥6.89mm即可，由此锚板的厚度取14mm能满足强度和刚度要求。

实验基本工况如下：

针对设计锚板共设计三组工况，其中拖曳力与锚板平面的夹角(即设计角c)分别为24°，29.5°和33.2°，各工况重复三次，并与面积相同锚宽为250mm的简化正方形模型锚板作为参照锚板进行相同工况的实验比较。

实验结果见图8、9、10。由实验结果可知，与参照锚板相比，三组工况中在相同的拖曳距离下，本发明的锚板的嵌入深度分别是参照锚板的1.59倍，1.16倍和1.13倍，锚板的嵌入性能较好。

需要说明的是，由于该模型实验均在松砂中进行，与参照锚板相比，设计锚板在嵌入性能上的优势未能得以充分展示。在实际海洋土中(饱和粘土和砂土)，依据该设计方法设计出的锚板，其在形态及结构上与参照锚板的差异，将会保证更为突出的嵌入性能。

本发明提出的拖曳嵌入式板锚，可有效应用于针对新型拖曳锚开展的科学研究以及深水系泊系统的工程应用。

1、实验室模型实验(包括离心机实验和模型水槽实验)

在实验室模型实验中，以海洋粘土和砂土作为锚板的嵌入介质，通过模型比尺和实验工况要求，按前述的设计原则和方法，可获得模型锚板和附属结构的具体尺寸。同时，模拟实际的拖曳情况对模型锚板实施拖曳，通过采集系统监控并储存各项运动参数，经过相应的数据采集、处理和转换，可绘制出完整的锚板嵌入运动轨迹，对曲线进行分析，获得对锚板嵌入性能的认识。

2、现场陆地实验

实施方式同模型水槽实验基本相同。

3、工程应用

作为海上浮式结构物系泊系统的重要组成，首先根据系泊锚的承载力要求及海洋土条件确定锚板面积，即可依据本发明提出的设计方法确定出锚板。通过海上拖锚安装船的作业，将锚板拖曳嵌入海床特定位置，实现系泊功能。