海洋工程拖曳埋置锚结构强度与试验方法研究

傅德艳，刘普星

(1.中国船级社质量认证公司 南京分公司，江苏 南京210015；2.中国船级社 江苏分社，江苏 南京 210011)

0 引言

锚是具有特殊形状和一定重量的物体。当锚被抛入水中后，锚爪抓住泥土并产生抓力，以抵御风、流等对船舶或水上物体的作用。锚的重要参数为抓力系数(锚在底质中的抓力与锚在空气中的质量之比)。根据锚抓力系数的不同，锚分为普通抓力锚、大抓力锚2大类。大抓力锚是指其抓力不低于相同重量普通锚抓力的2倍的锚。

海洋工程采用的定位系泊系统同样以锚作为定位设备，其定位的工作原理与船舶锚基本相似。随着海洋工程技术的发展，新型拖曳埋置锚采用全焊接式制造工艺，取代传统的铸造工艺，其抓力系数是普通船用锚的数十倍。本文以某Mk6型拖曳锚为例，对海洋工程拖曳埋置锚的结构强度计算及试验方法展开研究。

1 海洋工程定位系泊概述

海洋工程的定位系泊依据其定位方式主要分为3类：锚泊定位、动力定位和锚泊+动力定位。锚泊定位因具有成本低、结构简单、维护方便等优点，被广泛应用于半潜式钻井平台、钻井船、海上浮式风力发电机等海洋工程的非深水定位系泊中。锚泊定位一般可分为悬链线式系统和张紧式系统[1]。

2 拖曳埋置锚

拖曳埋置锚(以下简称“拖曳锚”)由船舶用锚演变而来，最初作为船舶和海上设施的临时锚泊。这类锚一般只能承受水平载荷，不考虑垂向载荷的承载。安装时应尽可能地使锚索在锚处与底质相切。拖曳锚一般采用全焊接制造工艺，具有超高的爪重比及超强的底质适应能力。大部分的移动平台都将拖曳锚作为定位系泊的重要设备。

2.1 拖曳锚的结构

某Mk6型拖曳锚是高性能拖曳锚的典型代表。根据其设计图谱显示，该锚在砂底质的情况下最大抓重比超过100。典型的拖曳锚主要由锚爪、锚杆、卸扣、前驱系泊链组成，其侧视图见图1。图中：θ为前驱系泊链与水平面的夹角；β为锚爪平面与水平面的夹角，正常情况下β为30°～50°。前驱系泊链一般指被埋入土壤的系泊链，它与土壤相互作用形成反向悬链。

图1 典型的拖曳锚侧视图

2.2 拖曳锚的制造材料

不同于临时锚泊设备，定位系泊用锚工作周期长、工作环境恶劣。锚结构需要在更低的温度下工作，承受更频繁、时间更长的冲击载荷。1 000 m左右深度处的海水温度一般在4 ℃左右，因此对于海洋工程定位系泊用锚，应至少采用具有0 ℃及以下低温冲击要求的结构用钢。

2.3 定位系泊系统的整体分析

定位系泊系统的载荷主要是由风、波浪、海流等环境载荷作用在海上结构物上引起的。根据中国船级社《海上移动平台入级与建造规范》(以下简称《移动平台规范》)规定，系泊系统可以采用准静力分析法和动力分析法。准静力分析法是指先在静态状态下偏移系泊平台，再在承受最大载荷的导索点处施加适当的波浪载荷，忽略导索点的垂直运动及系泊索的质量、阻尼、流体动力等参数。动力分析法则将这些因素考虑在内。通常情况下，动力分析法计算出的系泊索张力为静力分析法的1.1～2倍[2]。

在悬链式定位系泊中，平衡方程为

P=Tmax-Wh-F

式中：P为锚承受的最大载荷，kN；Tmax为系泊索最大张力，kN；W为系泊索在水中的单位长度的重量，kN/m；h为水深，m；F为系泊索与海底间的摩擦力。

系泊索张力Tmax按《移动平台规范》要求的设计衡准为

式中：FOS为各种工况下的安全系数；PB为系泊索的最小额定拉断负荷，kN。

根据计算，拖曳锚所承受的外载荷大小与定位系泊所选择的系泊链强度有关系。根据水深的差异，拖曳锚在完整工况下一般承受40%～58%系泊索的最小额定拉断负荷的载荷，在破损工况下将会承受高达65%～80%系泊索的最小额定拉断负荷的载荷。

根据规范计算，完整工况下的FOS，min为1.67，拖曳锚承受的最大载荷为3 642 kN(约占50%的最大破断负荷MLB)；破损自存情况下，拖曳锚承受的最大载荷为5 091 kN(约占71%的MLB)。

2.4 拖曳锚的受力分析

将三维的拖曳锚模型转化到二维的平面上，以简化分析过程，见图2。根据力和力矩平衡的原则可以列出如下平衡方程[3]：

图2 拖曳埋置锚的受力分析

∑Fx=0：Tcosθ=Raicosβ+RFScosβ+RTIP·cosβ+RFNsinβ

∑Fy=0：Tsinθ=RFNcosβ+Wa-(Raisinβ+

RFSsinβ+RTIPsinβ)

∑M=0：MRAI+MRFS+MRTIP=Wm+RFNe(以卸扣作为计算点)

式中：T为系泊链在卸扣处的张力；Rai、RFS分别为锚杆、锚爪产生的阻力，其阻力的大小与接触面积、底质的粘性和非排水抗剪切强度相关；RTIP为锚爪的尖端阻力，与锚爪端部与土壤的接触面积、非排水抗剪切强度有关；RFN为锚爪法向阻力，与锚爪的面积、非排水抗剪切强度相关；Wa为锚的重量；MRAI、MRFS、MRTIP分别为上述阻力对卸扣点产生的弯矩；m为锚重量的作用线与卸扣点的距离；e为锚爪法向阻力作用线与卸扣点的距离。

根据上述分析，锚抓力大小主要取决于以下几种因素：

(1)底质状况：底质的状况决定了非排水抗剪强度Su的大小。该强度直接反应了底质对外载荷所产生的剪应力的抵抗能力，同时决定了对拖曳锚各个部分的摩擦力和法向力的大小。粘土或者淤泥底质抗剪切强度非常低，但是其具有较大的附着力；而砂底质、硬泥底质有较大的抗剪切强度。

(2)锚的型式及尺寸：锚的抓力与锚爪面积线性相关，锚的啮土深度与锚爪面积、锚的重量、锚爪的形式密切相关。锚越重、锚爪越尖，尖端阻力越小，锚啮土深度越深。

(3)锚爪折角的大小：锚爪折角的大小决定了锚的埋入深度大小。若将大锚爪折角用于硬底质，由于系泊链的作用力T在锚爪上的水平分力过小，硬底质的抗剪切强度大，锚的穿透力大大下降，从而导致锚爪的埋入深度过浅，最终使锚抓力下降，系统失效。同理，若对淤泥底质采用小锚爪折角，则由于抗剪切强度的关系，锚的埋入深度虽然增加，但水平方向的锚爪面积变小，锚抓力也会相应的减小。

(4)前驱系泊链的形式和尺寸：前驱系泊链若采用纤维索的型式能够得到比锚链式更大的埋入深度。另外，纤维索重量轻，在土壤中的水平夹角θ小，能够使拖曳锚承受更大的水平载荷，增加了系统的稳定性。

2.5 拖曳锚结构强度校核

根据系统整体分析和拖曳锚的受力分析，在选定了锚型和系泊链型式的情况下，应对锚的结构强度进行典型工况的分析，见表1。本文以某Mk6型拖曳锚为例，校核3个典型工况。

2.5.1 完整自存工况+硬底质

假定系泊区域底质为砂质(非排水抗剪切强度Su较大)，Mk6型拖曳锚的锚爪折角调整至最小(32°)，拖曳锚受的载荷为3 642 kN。根据制造商提供的Mk6设计图谱，此时拖曳锚的埋入深度为1.25 m(25%的最大埋入深度)，锚爪埋入长度约为1.70 m。大约为50%的锚爪长度处，处于部分埋入状态，系泊索张力在啮土方向的分力不足以克服锚爪摩擦力和锚爪尖端阻力，因此不能进一步埋入，但锚爪的法向阻力又能够承受系泊索张力在其方向上产生的分力，锚不会产生走锚现象。

部分埋入工况下，拖曳锚锚杆的水平夹角θ为0°，前驱系泊链的张力T等于定位系泊系统中计算的锚载荷P。将拖曳锚看作悬臂钢架，一端固定在底质中，另一端受到系泊链的水平拉力，其计算模型见图3。该类型分别计算锚杆和锚爪的内力，求出各个部分的轴力、剪力、弯矩。

1—前驱系泊链作用点；2—锚爪与锚杆连接点；3—锚爪尖端。图3 简化后的部分埋入计算模型

求出内力后，应计算各个危险界面的应力大小。对于锚杆，应校核在卸扣附近截面积最小的剖面和锚爪连接处剖面。对于锚爪，应校核受到弯矩最大的锚爪与锚杆的连接处剖面。另外，还应校核卸扣处和锚杆、锚爪连接处的销轴强度。

表1 拖曳埋置锚各个关键剖面强度计算表

计算结果显示，该拖曳锚在完整自存+硬底质的工况下其结构强度能够满足要求。

2.5.2 完整自存工况+软底质

假设拖曳锚工作在淤泥底质中(非排水抗剪切强度Su较小)，根据设计图谱，拖曳锚在完整自存工况下的埋入深度已经达到了11.56 m，锚能够完全埋入土中。此时，锚爪和锚杆的所有部分都受到底质的阻力和摩擦力作用，整个锚结构的受力均匀，锚爪和锚杆端部受到非常小的弯矩作用，其结构强度基本不存在问题，仅需要考虑锚爪和锚杆处的连接销轴强度和卸扣处的销轴剪切强度即可。连接销轴和卸扣销轴的强度计算方法同上一种工况。

2.5.3 破损自存工况+硬/软底质

根据前文的计算，破损自存工况下的锚载荷为5 091 kN，设计图谱显示在硬底质下埋入深度为2.5 m，软底质下埋入深度为4.0 m，已经完全埋入，与完整自存工况+软底质工况类似，仅需校核连接销轴和卸扣销轴的强度。

2.6 拖曳锚的试验方法

拖曳锚的验证试验需要确定约束点位置和拉力的大小。约束点的位置决定了结构最大弯矩值。在系泊索张力不变的情况下，约束点离锚爪尖端越近(埋入深度越浅)，所受的弯矩越大。验证试验时，应选取在拖曳锚所适用的最硬底质下尽量靠近锚爪端部的位置。拉力值应根据拖曳锚在系统中实际所受到的载荷确定。根据前文对系统的整体分析可知，拖曳锚所受的载荷与系泊链的最小破断负荷具有一定的比例关系，在破损自存工况下拖曳锚的所受载荷约占最小破断负荷的65%～80%。

然而，最严重的约束位置和最大的锚载荷并不会同时出现。受到底质状况的约束，出现最大载荷时拖曳锚已经完全埋入，不完全埋入时不一定承受最大载荷。因此，将这2种条件组合在一起进行试验有些过于苛刻。

表1的结构强度校核结果显示，拖曳锚最危险的工况出现在部分埋入状态。根据Mk6型拖曳锚的设计图谱，在砂质底质条件下，选取埋入深度与锚抓力的关系，图谱中没有的数据通过线性内插得出。另外，根据拖曳锚的运动特征，作图可以得出拖曳锚的埋入深度与水平夹角、力臂的关系，同时求出各个埋入深度的内力、危险截面的最大等效应力。

根据计算，埋入深度为0.766 m(锚爪长度埋入27%)时，弯矩达到极值，同时危险截面的等效应力最大，但轴向应力和剪应力并未达到最大值，说明在部分埋入工况下弯矩占据主导因素。

对于Mk6型拖曳锚的验证试验，约束位置应取在距锚爪尖端27%的锚爪长度处，验证负荷至少为2 695 kN。该计算基于设计图谱中的砂底质工况。若拖曳锚可能用于更硬的底质，应提供相应的底质数据重新进行计算。

图4为制造商推荐的某Mk6型拖曳锚的约束点位置(30%的锚爪长度处)，其验证负荷大小为50%的系泊链最小破断负荷。

图4 验证负荷约束点的选取(单位：mm)

50%MBL的验证负荷和30%的锚爪长度处的约束点位置是基于大量拖曳锚计算结果统计得出。

3 结论

为了海洋工程拖曳埋置锚安全可靠地使用，应确保以下3个方面满足要求：

(1)海洋工程拖曳埋置锚使用的材料，应至少采用具有0 ℃及以下或相应工作环境的耐低温冲击要求的结构用钢。

(2)海洋工程拖曳埋置锚强度，应满足拟用于的海洋工程的参数和适用的系泊链尺寸，在最硬底质下的部分埋入工况，以及满足验证试验工况下的结构强度。

(3)海洋工程拖曳埋置锚的验证试验：验证负荷和约束点位置可依据强度计算书进行选取,或者验证负荷取50%系泊链破断负荷，约束点取距锚爪尖端20%～30%的锚爪长度。