一种带有柔性锚胫和环翼的重力贯入锚

本发明涉及海洋工程，具体而言，涉及一种带有柔性锚胫和环翼的重力贯入锚。

背景技术：

1、随着对深海资源的利用和深海空间的开发，中、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。当前，此类工程的作业水深逐渐加大，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能也提出了更高的要求。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：深水贯入锚、鱼雷锚和全向承载锚，其中，全向承载锚具有以下缺点：水中下落的终端速度小，方向稳定性差；土中初始贯入深度较小，下嵌性能、承载性能有待提高；系缆点固定，适用性差；只有一根刚性加载臂，受力不均匀。因此，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。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种带有柔性锚胫和环翼的重力贯入锚，用于获取一款兼具优良的深水安装性能和抗拔承载性能的锚固结构。

2、为了实现上述技术目的，本发明提供了一种带有柔性锚胫和环翼的重力贯入锚，包括尾部环翼、锚身、可调节的双柔性锚胫和可调节的系缆点。其中：

3、尾部环翼，与尾部锚板粘连，用于保证重力贯入锚在水中下落过程中具有良好的方向稳定性，并在重力贯入锚撞击海床面的瞬时受到的冲击力作用下与重力贯入锚分离，并漂浮到海面上；

4、变直径锚轴，用于将尾部锚板、头部锚板、中部锚板、两个刚性加载装置贯穿连接，形成重力贯入锚的锚身，其中，中部锚板与尾部锚板、头部锚板之间分别设置有刚性加载装置；

5、刚性加载装置包括与变直径锚轴转动连接的加载环、与加载环固定连接的加载臂，其中，加载臂用于连接柔性锚胫，两个刚性加载装置沿锚轴上下对称分布；

6、两条柔性锚胫由第一柔性锚胫、第二柔性锚胫组成，用于分别连接两个刚性加载装置的加载臂，其中，第一柔性锚胫与第二柔性锚胫通过系缆点相连接，系缆点为外荷载的作用点，与缆绳直接相连；

7、第一柔性锚胫和第二柔性锚胫的长度可调节，系缆点的位置可调节，并存在不同安装环境下相应的最佳系缆点；

8、两个刚性加载装置与两条柔性锚胫、系缆点共同构成重力贯入锚的加载机构。

9、优选地，变直径锚轴在贯穿连接中部锚板的位置具有第一直径和第二直径，第一直径对应中部锚板的外层夹板，第二直径对应中部锚板的中间板，外层夹板为靠近头部锚板的一测，中间板为靠近尾部锚板的一测，第一直径大于第二直径。

10、优选地，重力贯入锚的实际尺寸可根据系泊浮体进行调节，整体长度为1-15m，质量为0.06-202吨。对于9.26m长的锚：

11、重力贯入锚的质量为47吨；

12、头部锚板长为1.56m，最宽处为1m，厚度为0.18m；

13、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；

14、尾部锚板长为1.56m，最宽处为1m，厚度为0.06m。

15、优选地，重力贯入锚的设计、安装及承载计算方法，包括以下步骤：

16、基于系泊浮体，确定重力贯入锚的设计承载力，并获取重力贯入锚的锚身尺寸；

17、基于设计承载力、锚身尺寸和安装环境，依据最佳系缆点的判断标准和系缆点效应经验公式，确定最佳系缆点的位置及柔性锚胫的长度；

18、基于优化后的最佳系缆点位置和海床土性质，依据重力贯入锚的拖曳效应经验公式，确定重力贯入锚在拖曳安装阶段的安装参数，包括重力贯入锚的土中初始埋深和加载条件，其中，加载条件，包括安装船的拖曳速度、安装缆绳的加载角度、缆绳综合参数；

19、基于土中初始埋深，获取重力贯入锚在重力贯入阶段的安装参数，包括土中初始贯入深度、水中入土速度以及水中安装高度；

20、基于重力贯入锚的实际安装环境及水中安装阶段的安装参数，包括水中入土速度以及水中安装高度，依据环翼效应水动力性能经验公式，确定满足安装要求的最优环翼尺寸；上述步骤完成重力贯入锚的设计、安装及承载。

21、优选地，最佳系缆点位置依据重力贯入锚的下嵌性能和最大埋深损失来确定，其中，下嵌性能用于表示在超载条件下，锚不被拔出，反而在土中嵌入得更深的特性；最大埋深损失用于表示锚在旋转阶段产生的最大埋深差；

22、 考虑系缆点效应的下嵌性能的经验公式为：

23、

24、考虑系缆点效应的最大埋深损失的经验公式为：

25、

26、其中，为系缆点位置参数；为重力贯入锚的下嵌角；为重力贯入锚的最大埋深损失。

27、优选地，重力贯入锚的拖曳效应，用于表示在安装或工作状态中，锚在外荷载的作用下被拖曳而产生旋转、上拔、下嵌或拔出的运动；

28、通过重力贯入锚的最大埋深损失表征拖曳效应，拖曳效应的经验公式为：

29、

30、其中，为重力贯入锚的最大埋深损失； 为拖曳速率，为加载角度，为锚尖的初始埋深， k为土体剪切强度梯度， 为缆绳综合参数。

31、优选地，最优环翼尺寸依据重力贯入锚的水动力性能来确定，其中，水动力性能包括重力贯入锚的终端速度和方向稳定性，其中，终端速度用于表示在具有足够的安装高度的前提下，重力贯入锚在水中下落阶段达到的最大下落速度；方向稳定性用于表示重力贯入锚在水中下落时抵抗偏转的能力；

32、 考虑环翼效应的终端速度的经验公式为：

33、考虑环翼效应的方向稳定性的经验公式为：

34、其中， r、h和 t分别代表尾部环翼的半径、高度和厚度；为重力贯入锚的终端速度；为重力贯入锚的回复力矩系数。

35、优选地，重力贯入锚的具体工程应用，包括：安装阶段、承载阶段和回收阶段，其中：

36、安装阶段：包括重力贯入和拖曳安装，其中，

37、重力贯入，包括水中自由下落和土中初始贯入，通过安装船将重力贯入锚运至指定的安装位置后，将尾缆与锚相连，使用尾缆将锚下放至水中指定高度，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获得一定的撞击速度并贯入海床土中一定深度，完成初始安装；尾部环翼在锚撞击海床面的瞬时受到的冲击力作用下与锚分离，并漂浮到海面上；

38、拖曳安装，包括：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，当释放出足够长的安装缆后，安装船加大安装缆上的拉力，通过系缆点对锚施加荷载，锚在安装缆的拖曳作用下运动，直至达到设计承载力，完成土中第二个安装阶段；

39、承载阶段：通过系泊缆绳将重力贯入锚与海上浮体相连，进入正常工作状态；

40、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，漂浮至海面的尾部环翼打捞回收即可。

41、本发明公开了以下技术效果：

42、本发明既利于提高安装阶段的方向稳定性，又有更好的承载性能。在海床土中具有贯入深度大、有效承载面大、受力更加均匀等优势，因而具备高承载性能、更好的抗超载能力及抵御极端荷载的能力。此外，尾部环翼保证锚具有良好的方向稳定性，并可根据安装要求调节前后两条柔性锚胫的长度及系缆点的位置，以适应多种安装环境。