海洋工程拖曳埋置錨結構強度與試驗方法研究

傅德艷，劉普星

(1.中國船級社質量認證公司 南京分公司，江蘇 南京210015；2.中國船級社 江蘇分社，江蘇 南京 210011)

0 引言

錨是具有特殊形狀和一定重量的物體。當錨被拋入水中后，錨爪抓住泥土并產生抓力，以抵御風、流等對船舶或水上物體的作用。錨的重要參數為抓力系數(錨在底質中的抓力與錨在空氣中的質量之比)。根據錨抓力系數的不同，錨分為普通抓力錨、大抓力錨2大類。大抓力錨是指其抓力不低于相同重量普通錨抓力的2倍的錨。

海洋工程采用的定位系泊系統同樣以錨作為定位設備，其定位的工作原理與船舶錨基本相似。隨著海洋工程技術的發展，新型拖曳埋置錨采用全焊接式制造工藝，取代傳統的鑄造工藝，其抓力系數是普通船用錨的數十倍。本文以某Mk6型拖曳錨為例，對海洋工程拖曳埋置錨的結構強度計算及試驗方法展開研究。

1 海洋工程定位系泊概述

海洋工程的定位系泊依據其定位方式主要分為3類：錨泊定位、動力定位和錨泊+動力定位。錨泊定位因具有成本低、結構簡單、維護方便等優點，被廣泛應用于半潛式鉆井平臺、鉆井船、海上浮式風力發電機等海洋工程的非深水定位系泊中。錨泊定位一般可分為懸鏈線式系統和張緊式系統[1]。

2 拖曳埋置錨

拖曳埋置錨(以下簡稱“拖曳錨”)由船舶用錨演變而來，最初作為船舶和海上設施的臨時錨泊。這類錨一般只能承受水平載荷，不考慮垂向載荷的承載。安裝時應盡可能地使錨索在錨處與底質相切。拖曳錨一般采用全焊接制造工藝，具有超高的爪重比及超強的底質適應能力。大部分的移動平臺都將拖曳錨作為定位系泊的重要設備。

2.1 拖曳錨的結構

某Mk6型拖曳錨是高性能拖曳錨的典型代表。根據其設計圖譜顯示，該錨在砂底質的情況下最大抓重比超過100。典型的拖曳錨主要由錨爪、錨桿、卸扣、前驅系泊鏈組成，其側視圖見圖1。圖中：θ為前驅系泊鏈與水平面的夾角；β為錨爪平面與水平面的夾角，正常情況下β為30°～50°。前驅系泊鏈一般指被埋入土壤的系泊鏈，它與土壤相互作用形成反向懸鏈。

圖1 典型的拖曳錨側視圖

2.2 拖曳錨的制造材料

不同于臨時錨泊設備，定位系泊用錨工作周期長、工作環境惡劣。錨結構需要在更低的溫度下工作，承受更頻繁、時間更長的沖擊載荷。1 000 m左右深度處的海水溫度一般在4 ℃左右，因此對于海洋工程定位系泊用錨，應至少采用具有0 ℃及以下低溫沖擊要求的結構用鋼。

2.3 定位系泊系統的整體分析

定位系泊系統的載荷主要是由風、波浪、海流等環境載荷作用在海上結構物上引起的。根據中國船級社《海上移動平臺入級與建造規范》(以下簡稱《移動平臺規范》)規定，系泊系統可以采用準靜力分析法和動力分析法。準靜力分析法是指先在靜態狀態下偏移系泊平臺，再在承受最大載荷的導索點處施加適當的波浪載荷，忽略導索點的垂直運動及系泊索的質量、阻尼、流體動力等參數。動力分析法則將這些因素考慮在內。通常情況下，動力分析法計算出的系泊索張力為靜力分析法的1.1～2倍[2]。

在懸鏈式定位系泊中，平衡方程為

P=Tmax-Wh-F

式中：P為錨承受的最大載荷，kN；Tmax為系泊索最大張力，kN；W為系泊索在水中的單位長度的重量，kN/m；h為水深，m；F為系泊索與海底間的摩擦力。

系泊索張力Tmax按《移動平臺規范》要求的設計衡準為

式中：FOS為各種工況下的安全系數；PB為系泊索的最小額定拉斷負荷，kN。

根據計算，拖曳錨所承受的外載荷大小與定位系泊所選擇的系泊鏈強度有關系。根據水深的差異，拖曳錨在完整工況下一般承受40%～58%系泊索的最小額定拉斷負荷的載荷，在破損工況下將會承受高達65%～80%系泊索的最小額定拉斷負荷的載荷。

根據規范計算，完整工況下的FOS，min為1.67，拖曳錨承受的最大載荷為3 642 kN(約占50%的最大破斷負荷MLB)；破損自存情況下，拖曳錨承受的最大載荷為5 091 kN(約占71%的MLB)。

2.4 拖曳錨的受力分析

將三維的拖曳錨模型轉化到二維的平面上，以簡化分析過程，見圖2。根據力和力矩平衡的原則可以列出如下平衡方程[3]：

圖2 拖曳埋置錨的受力分析

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

∑Fy=0：Tsinθ=RFNcosβ+Wa-(Raisinβ+

RFSsinβ+RTIPsinβ)

∑M=0：MRAI+MRFS+MRTIP=Wm+RFNe(以卸扣作為計算點)

式中：T為系泊鏈在卸扣處的張力；Rai、RFS分別為錨桿、錨爪產生的阻力，其阻力的大小與接觸面積、底質的粘性和非排水抗剪切強度相關；RTIP為錨爪的尖端阻力，與錨爪端部與土壤的接觸面積、非排水抗剪切強度有關；RFN為錨爪法向阻力，與錨爪的面積、非排水抗剪切強度相關；Wa為錨的重量；MRAI、MRFS、MRTIP分別為上述阻力對卸扣點產生的彎矩；m為錨重量的作用線與卸扣點的距離；e為錨爪法向阻力作用線與卸扣點的距離。

根據上述分析，錨抓力大小主要取決于以下幾種因素：

(1)底質狀況：底質的狀況決定了非排水抗剪強度Su的大小。該強度直接反應了底質對外載荷所產生的剪應力的抵抗能力，同時決定了對拖曳錨各個部分的摩擦力和法向力的大小。粘土或者淤泥底質抗剪切強度非常低，但是其具有較大的附著力；而砂底質、硬泥底質有較大的抗剪切強度。

(2)錨的型式及尺寸：錨的抓力與錨爪面積線性相關，錨的嚙土深度與錨爪面積、錨的重量、錨爪的形式密切相關。錨越重、錨爪越尖，尖端阻力越小，錨嚙土深度越深。

(3)錨爪折角的大?。哄^爪折角的大小決定了錨的埋入深度大小。若將大錨爪折角用于硬底質，由于系泊鏈的作用力T在錨爪上的水平分力過小，硬底質的抗剪切強度大，錨的穿透力大大下降，從而導致錨爪的埋入深度過淺，最終使錨抓力下降，系統失效。同理，若對淤泥底質采用小錨爪折角，則由于抗剪切強度的關系，錨的埋入深度雖然增加，但水平方向的錨爪面積變小，錨抓力也會相應的減小。

(4)前驅系泊鏈的形式和尺寸：前驅系泊鏈若采用纖維索的型式能夠得到比錨鏈式更大的埋入深度。另外，纖維索重量輕，在土壤中的水平夾角θ小，能夠使拖曳錨承受更大的水平載荷，增加了系統的穩定性。

2.5 拖曳錨結構強度校核

根據系統整體分析和拖曳錨的受力分析，在選定了錨型和系泊鏈型式的情況下，應對錨的結構強度進行典型工況的分析，見表1。本文以某Mk6型拖曳錨為例，校核3個典型工況。

2.5.1 完整自存工況+硬底質

假定系泊區域底質為砂質(非排水抗剪切強度Su較大)，Mk6型拖曳錨的錨爪折角調整至最小(32°)，拖曳錨受的載荷為3 642 kN。根據制造商提供的Mk6設計圖譜，此時拖曳錨的埋入深度為1.25 m(25%的最大埋入深度)，錨爪埋入長度約為1.70 m。大約為50%的錨爪長度處，處于部分埋入狀態，系泊索張力在嚙土方向的分力不足以克服錨爪摩擦力和錨爪尖端阻力，因此不能進一步埋入，但錨爪的法向阻力又能夠承受系泊索張力在其方向上產生的分力，錨不會產生走錨現象。

部分埋入工況下，拖曳錨錨桿的水平夾角θ為0°，前驅系泊鏈的張力T等于定位系泊系統中計算的錨載荷P。將拖曳錨看作懸臂鋼架，一端固定在底質中，另一端受到系泊鏈的水平拉力，其計算模型見圖3。該類型分別計算錨桿和錨爪的內力，求出各個部分的軸力、剪力、彎矩。

1—前驅系泊鏈作用點；2—錨爪與錨桿連接點；3—錨爪尖端。圖3 簡化后的部分埋入計算模型

求出內力后，應計算各個危險界面的應力大小。對于錨桿，應校核在卸扣附近截面積最小的剖面和錨爪連接處剖面。對于錨爪，應校核受到彎矩最大的錨爪與錨桿的連接處剖面。另外，還應校核卸扣處和錨桿、錨爪連接處的銷軸強度。

表1 拖曳埋置錨各個關鍵剖面強度計算表

計算結果顯示，該拖曳錨在完整自存+硬底質的工況下其結構強度能夠滿足要求。

2.5.2 完整自存工況+軟底質

假設拖曳錨工作在淤泥底質中(非排水抗剪切強度Su較小)，根據設計圖譜，拖曳錨在完整自存工況下的埋入深度已經達到了11.56 m，錨能夠完全埋入土中。此時，錨爪和錨桿的所有部分都受到底質的阻力和摩擦力作用，整個錨結構的受力均勻，錨爪和錨桿端部受到非常小的彎矩作用，其結構強度基本不存在問題，僅需要考慮錨爪和錨桿處的連接銷軸強度和卸扣處的銷軸剪切強度即可。連接銷軸和卸扣銷軸的強度計算方法同上一種工況。

2.5.3 破損自存工況+硬/軟底質

根據前文的計算，破損自存工況下的錨載荷為5 091 kN，設計圖譜顯示在硬底質下埋入深度為2.5 m，軟底質下埋入深度為4.0 m，已經完全埋入，與完整自存工況+軟底質工況類似，僅需校核連接銷軸和卸扣銷軸的強度。

2.6 拖曳錨的試驗方法

拖曳錨的驗證試驗需要確定約束點位置和拉力的大小。約束點的位置決定了結構最大彎矩值。在系泊索張力不變的情況下，約束點離錨爪尖端越近(埋入深度越淺)，所受的彎矩越大。驗證試驗時，應選取在拖曳錨所適用的最硬底質下盡量靠近錨爪端部的位置。拉力值應根據拖曳錨在系統中實際所受到的載荷確定。根據前文對系統的整體分析可知，拖曳錨所受的載荷與系泊鏈的最小破斷負荷具有一定的比例關系，在破損自存工況下拖曳錨的所受載荷約占最小破斷負荷的65%～80%。

然而，最嚴重的約束位置和最大的錨載荷并不會同時出現。受到底質狀況的約束，出現最大載荷時拖曳錨已經完全埋入，不完全埋入時不一定承受最大載荷。因此，將這2種條件組合在一起進行試驗有些過于苛刻。

表1的結構強度校核結果顯示，拖曳錨最危險的工況出現在部分埋入狀態。根據Mk6型拖曳錨的設計圖譜，在砂質底質條件下，選取埋入深度與錨抓力的關系，圖譜中沒有的數據通過線性內插得出。另外，根據拖曳錨的運動特征，作圖可以得出拖曳錨的埋入深度與水平夾角、力臂的關系，同時求出各個埋入深度的內力、危險截面的最大等效應力。

根據計算，埋入深度為0.766 m(錨爪長度埋入27%)時，彎矩達到極值，同時危險截面的等效應力最大，但軸向應力和剪應力并未達到最大值，說明在部分埋入工況下彎矩占據主導因素。

對于Mk6型拖曳錨的驗證試驗，約束位置應取在距錨爪尖端27%的錨爪長度處，驗證負荷至少為2 695 kN。該計算基于設計圖譜中的砂底質工況。若拖曳錨可能用于更硬的底質，應提供相應的底質數據重新進行計算。

圖4為制造商推薦的某Mk6型拖曳錨的約束點位置(30%的錨爪長度處)，其驗證負荷大小為50%的系泊鏈最小破斷負荷。

圖4 驗證負荷約束點的選取(單位：mm)

50%MBL的驗證負荷和30%的錨爪長度處的約束點位置是基于大量拖曳錨計算結果統計得出。

3 結論

為了海洋工程拖曳埋置錨安全可靠地使用，應確保以下3個方面滿足要求：

(1)海洋工程拖曳埋置錨使用的材料，應至少采用具有0 ℃及以下或相應工作環境的耐低溫沖擊要求的結構用鋼。

(2)海洋工程拖曳埋置錨強度，應滿足擬用于的海洋工程的參數和適用的系泊鏈尺寸，在最硬底質下的部分埋入工況，以及滿足驗證試驗工況下的結構強度。

(3)海洋工程拖曳埋置錨的驗證試驗：驗證負荷和約束點位置可依據強度計算書進行選取,或者驗證負荷取50%系泊鏈破斷負荷，約束點取距錨爪尖端20%～30%的錨爪長度。