专利名称：一种胀紧式深海吸力锚及其安装方法
技术领域：
本发明属于深海浮式平台系泊系统，具体涉及一种胀紧式深海吸力锚及其安装方法。
背景技术：
深海油气开发的浮式平台通过系泊系统锚泊在海面上，传统的悬链线系泊系统依靠锚链自身的重力提供浮式平台的系泊力，锚链在海底与锚连接，且悬链线系泊系统的设计必须确保锚链与锚的连接处不得拉离海床。因此，其锚只提供水平支撑作用，称之为拖曳锚。由于悬链线系泊系统的上述特点，因此，随着水深的增加，系泊系统的锚与浮体的距离越来越大，对于浮式平台采用的散布式系泊系统，其占地面积越来越大，有资料显示，当水深达到3000m时，悬链线系泊系统的分布区域将堪比纽约市的面积大小，这将造成相邻浮式平台的系泊系统相互干涉的问题。不仅如此，水深的增加也将增加锚链的重量，造成施工运输的困难。 目前，深海浮式平台采用了一种新型的张紧或半张紧式的系泊系统，即用重量较轻的尼龙缆替代锚链，由于缆的重量不足以提供足够的系泊力，因此，系泊缆呈张紧状态，而不是悬链线形状，系泊力来自于缆的张力。由于系泊力是由缆的张力提供的，所以，缆的张力对锚的作用力就不再仅仅是水平拖曳力，也包括垂直拔出力。张紧或半张紧式的系泊系统所采用的深海锚主要有桩基式、负压桶式和鱼雷式三种。 桩基式锚是依靠摩擦力来提供抗拔力，因此，也称为摩擦桩。桩基式锚的深海安装难度大，主要是深海的打桩技术问题难以解决。随着水深的增加，锚桩的长度增加，为了保证锚桩的刚度，必须增大锚桩的直径，且随着锚桩的长度增加，桩锤的能量被水中的桩身大量耗散，以至于传不到桩头，无法驱动锚桩前进。因此，水深超过1000m时，桩基式锚已不适用。 负压桶式锚主要依靠摩擦力，吸力也提供一部分抗拔力。负压桶式锚与桩基式锚的区别在于安装方法的不同，锚桩插入海底是靠打桩机桩锤动能的驱动，而负压桶式锚则依赖于桶内的负压将锚插入海底。它的竖向承载能力来自于内外桶壁的摩擦，因此，对桶的横向摆动十分敏感。锚在锚链张力水平分量的作用下，发生横向摆动是不可避免的，这将大大削弱锚的竖向承载力。 鱼雷式锚与桩基式锚类似，不同的是施工方法，其竖向承载力与桩基式锚相同，主要是为解决深海锚的施工。因为，深海打桩难度大，桩基式锚已很少在深海石油开发平台的系泊系统中使用。 现有张紧或半张紧式系泊系统的锚除安装方法不同外，其竖向承载力都是由锚体的摩擦力提供的，而提高竖向承载力的现有方法主要是增大锚的直径或长度。而增大锚的直径将增加安装阻力，所以，目前的方法基本上是依靠增加锚的长度来提高竖向承载能力。
发明内容
本发明的目的在于针对现有深海锚所存在的缺陷，提供一种胀紧式深海吸力锚及
其安装方法，从而增加深海锚的竖向承载力和抗拔力，并减小海上安装的难度。 本发明的技术方案如下一种胀紧式深海吸力锚，包括相互连接的锚头和锚芯，锚
芯外设有锚筒，其中，锚筒的筒壁上设有均匀分布的轴向胀紧缝，锚筒的上部内侧设有分割
环，锚芯的尾部置于分割环之上，并与锚筒的端部形成第一压力腔，锚芯的外壁与锚筒的内
壁之间形成第二压力腔；锚筒的上端筒盖设有用于锚的胀紧作业的第一作业孔，分割环下
方的锚筒侧壁上设有用于锚的插入作业的第二作业孔。 进一步，如上所述的胀紧式深海吸力锚，其中，所述的轴向胀紧缝的端部设有直径 大于胀紧缝宽度的止裂孔。 进一步，如上所述的胀紧式深海吸力锚，其中，所述的锚头依次由圆锥头、圆柱身、 圆台尾和圆柱过渡段组成，圆锥头的底面直径与圆柱身直径相同，圆柱身直径与圆台尾的 小头直径相同，圆台尾的大头直径与圆柱过渡段直径相同。 进一步，如上所述的胀紧式深海吸力锚，其中，所述的锚芯依次由圆台胀紧头、圆 柱身和圆盘尾组成，圆台胀紧头的大头直径与锚头的圆柱过渡段直径相同，圆台胀紧头的 小头直径与圆柱身直径相同，圆盘尾的直径与锚筒内径相同。 进一步，如上所述的胀紧式深海吸力锚，其中，所述的锚筒外径与锚头圆柱过渡段 直径相同，上端由筒盖封闭；轴向胀紧缝均匀分布在筒壁的下半段。 更进一步，如上所述的胀紧式深海吸力锚，其中，锚筒下端的筒壁内侧为斜面，斜 面的斜度与锚芯的圆台胀紧头的斜度相同。 进一步，如上所述的胀紧式深海吸力锚，其中，在锚筒的筒盖上设有用于连接锚链 的吊环。 —种胀紧式深海吸力锚的安装方法，包括如下步骤
(1)通过第一作业孔对锚筒的第一压力腔进行充水加压；
(2)使用常用插锚技术将锚插入海底； (3)当锚筒上的胀紧缝全部被土掩埋后，判断插入深度是否达到预定深度，如果达 到预定深度则执行步骤(5)，未达到预定深度执行步骤(4); (4)通过第二作业孔抽水和空气，造成第二压力腔内负压，继续进行锚的插入作 业，增加锚的插入深度以达到预定深度； (5)通过第一作业孔抽水和空气，造成第一压力腔内负压，使锚芯相对于锚筒向上 运动，从而胀紧锚筒，完成锚的安装。 本发明的有益效果如下本发明所提供的胀紧式深海吸力锚通过锚筒的膨胀提供 锚的竖向阻力，从而增加了锚的抗拔力。通过在锚筒内设计两个压力腔的结构，当进行锚的 胀紧作业时，如果锚头的抗拔力大于锚筒的插入阻力，则胀紧过程将使锚筒继续插入海底， 而如果锚头的抗拔力小于锚筒的插入阻力，则胀紧过程中，锚头将提升，而锚头的提升将使 第二压力腔产生负压，从而增加锚的抗拔力。
图1为胀紧式深海吸力锚的外部结构示意 图2为胀紧式深海吸力锚的内部结构示意图； 图3为图1的A-A截面示意图； 图4为锚头的结构示意图； 图5为锚芯的结构示意图； 图6为锚筒的结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明进行详细的描述。 胀紧式吸力锚的整体方案如图1 3所示，图1为锚的外部结构，图2为锚的内部 结构，图3为锚的横截面结构。锚由三部分组成锚头1、锚芯2和锚筒3。锚头l的作用是 插入海床，它位于锚筒3夕卜，因此，设计目标是插入阻力小。锚芯2的作用是胀紧锚筒3，它 位于锚筒3内。锚筒3的作用是形成压力腔和提供抗拔力，其上有多条沿圆周均匀分布的 轴向胀紧缝4，本实施例中胀紧缝共有6条，每条胀紧缝4的端部有一直径大于胀紧缝宽度 的圆孔10，其作用是防止胀紧时胀紧缝端部开裂，因此，也称为止裂孔。锚筒3的上端筒盖 设有第一作业孔8，用于锚的胀紧作业；锚筒侧壁设有第二作业孔9，用于锚的下沉作业。锚 筒3的筒盖上设有用于连接锚链的吊环11。 锚头的具体结构如图4所示，由圆锥头12、圆柱身13、圆台尾14和圆柱过渡段15 组成。圆锥头12的直径与圆柱身13直径相同，圆柱身13直径与圆台尾14的小头直径相 同，圆台尾14的大头直径与圆柱过渡段15直径相同。 锚芯的具体结构如图5所示，由圆台胀紧头16、圆柱身17和圆盘尾18组成。圆台 胀紧头16的大头直径与锚头的圆柱过渡段15直径相同，圆台胀紧头16的小头直径与圆柱 身17直径相同，圆盘尾18的直径与锚筒3内径相同。 锚筒的具体结构如图6所示，锚筒3外径与锚头圆柱过渡段15直径相同，上端由 筒盖封闭，筒盖上设有第一作业孔8，筒内设有一压力腔分割环5，分割环5下方的筒壁上设 有第二作业孔9。锚筒下端沿圆周均匀分布着六条胀紧缝4，胀紧缝端部设有止裂孔10，锚 筒3下端的筒壁为斜面19，斜面19的斜度与锚芯的圆台胀紧头16的斜度相同。
如图2所示，锚芯2与锚筒3形成了两个压力腔。锚芯2的圆盘尾与锚筒3端部 形成第一压力腔6，锚芯2的圆柱身和圆盘尾与锚筒所形成的环形空间为第二压力腔7。第 一压力腔6的作用是通过负压效应胀紧锚筒，第二压力腔7的作用是通过负压效应增加锚 的插入深度。 锚筒的直径和长度是根据海底土的性质和系泊缆的张力确定的，对于一般的非软 基海床，锚筒直径为2米左右，则锚筒长度不小于10米。锚头的锚身直径可控制在1. 5米 左右；锚头圆台尾的锥度应小于l : IO以减小插入阻力。胀紧缝的宽度不小于10厘米，长 度不小于锚筒长度的1/5。止裂孔的直径不小于12厘米。胀紧缝的作用不仅仅是胀紧锚 筒，在插入过程中，海底土将通过胀紧缝进入锚筒以形成负压插入作业的压力腔。因为，在 止裂孔埋入海底前，第二压力腔尚未形成，而如果海底土不进入锚筒，即使止裂孔已埋入海 底，第二压力腔的抽真空作业也不能使锚进一步插入海底，而只能起到胀紧作用。
本发明所提供的胀紧式吸力锚的安装方法如下首先将第一压力腔6充水加压， 避免在未达到预定插入深度时，由于土压力而使锚筒胀紧。然后，将锚插入海底(可采用现有的插锚技术)，当锚的插入深度使胀紧缝全部被土掩埋后，如果插入深度没有达到预定深 度(即锚插入深度超过止裂孔，但尚未超过第二作业孔时)，可通过第二作业孔9抽水和空 气，造成第二压力腔7内负压，由于第二压力腔7是由海底土 (锚插入时由止裂缝进入)和 锚筒的环形空间形成的，当压力腔内的压力小于锚筒外压力时，锚筒将下沉，此时继续进行 锚的插入作业，即利用第二压力腔7的负压效应来增加锚的插入深度。当第二作业孔9到 达海底时，通过第一作业孔8抽水和空气，造成第一压力腔6内负压，随着第一压力腔的压 力小于筒外压力，第一压力腔的体积将减小，从而使锚芯相对于锚筒向上运动(锚芯进入 锚筒)，从而锚芯的胀紧头縮进锚筒，使锚筒的胀紧缝部分张开，胀紧锚筒。同时，由于第二 压力腔的体积同步增大，使第二压力腔的压力进一步降低，因此，胀紧过程的锚可进一步插 入海底，避免了锚头向上运动使插入深度减小。 由于海底土性质的不同，锚在插入过程中，可能一次到达预定深度(第二作业孔9 到达海底或埋入海底)，此时，不需要再进行第二压力腔7的负压作业，而直接进行第一压 力腔6的胀紧作业，完成锚的安装。 本发明所述的产品和方法并不限于具体实施方式
中所述的实施例，本领域技术人 员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。
权利要求
一种胀紧式深海吸力锚，包括相互连接的锚头(1)和锚芯(2)，锚芯(2)外设有锚筒(3)，其特征在于锚筒(3)的筒壁上设有均匀分布的轴向胀紧缝(4)，锚筒(3)的上部内侧设有分割环(5)，锚芯(2)的尾部置于分割环(5)之上，并与锚筒(3)的端部形成第一压力腔(6)，锚芯(2)的外壁与锚筒(3)的内壁之间形成第二压力腔(7)；锚筒(3)的上端筒盖设有用于锚的胀紧作业的第一作业孔(8)，分割环(5)下方的锚筒侧壁上设有用于锚的插入作业的第二作业孔(9)。
2. 如权利要求1所述的胀紧式深海吸力锚，其特征在于所述的轴向胀紧缝(4)的端 部设有直径大于胀紧缝宽度的止裂孔(10)。
3. 如权利要求1或2所述的胀紧式深海吸力锚，其特征在于所述的锚头依次由圆锥 头(12)、圆柱身(13)、圆台尾(14)和圆柱过渡段(15)组成，圆锥头(12)的底面直径与圆 柱身(13)直径相同，圆柱身(13)直径与圆台尾(14)的小头直径相同，圆台尾(14)的大头 直径与圆柱过渡段(15)直径相同。
4. 如权利要求3所述的胀紧式深海吸力锚，其特征在于所述的锚芯依次由圆台胀紧 头(16)、圆柱身(17)和圆盘尾(18)组成，圆台胀紧头(16)的大头直径与锚头的圆柱过渡 段(15)直径相同，圆台胀紧头(16)的小头直径与圆柱身(17)直径相同，圆盘尾(18)的直 径与锚筒(3)内径相同。
5. 如权利要求4所述的胀紧式深海吸力锚，其特征在于所述的锚筒(3)外径与锚头 圆柱过渡段(15)直径相同，上端由筒盖封闭；轴向胀紧缝(4)均匀分布在筒壁的下半段。
6. 如权利要求5所述的胀紧式深海吸力锚，其特征在于锚筒(3)下端的筒壁内侧为 斜面(19)，斜面(19)的斜度与锚芯的圆台胀紧头(16)的斜度相同。
7. 如权利要求1或2所述的胀紧式深海吸力锚，其特征在于在锚筒(3)的筒盖上设 有用于连接锚链的吊环(11)。
8. —种胀紧式深海吸力锚的安装方法，包括如下步骤(1) 通过第一作业孔对锚筒的第一压力腔进行充水加压；(2) 使用常用插锚技术将锚插入海底；(3) 当锚筒上的胀紧缝全部被土掩埋后，判断插入深度是否达到预定深度，如果达到预 定深度则执行步骤(5)，未达到预定深度执行步骤(4);(4) 通过第二作业孔抽水和空气，造成第二压力腔内负压，继续进行锚的插入作业，增 加锚的插入深度以达到预定深度；(5) 通过第一作业孔抽水和空气，造成第一压力腔内负压，使锚芯相对于锚筒向上运 动，从而胀紧锚筒，完成锚的安装。
全文摘要
本发明属于深海浮式平台系泊系统，具体涉及一种胀紧式深海吸力锚及其安装方法。吸力锚的结构包括相互连接的锚头和锚芯，锚芯外设有锚筒，锚筒的筒壁上设有均匀分布的轴向胀紧缝，锚筒的上部内侧设有分割环，锚芯的尾部置于分割环之上，并与锚筒的端部形成第一压力腔，锚芯的外壁与锚筒的内壁之间形成第二压力腔；锚筒的上端筒盖设有用于锚的胀紧作业的第一作业孔，分割环下方的锚筒侧壁上设有用于锚的插入作业的第二作业孔。本发明能够增加深海锚的竖向承载力和抗拔力，并减小海上安装的难度。
文档编号B63B21/27GK101708765SQ20091022576
公开日2010年5月19日 申请日期2009年12月3日 优先权日2009年12月3日
发明者黄维平 申请人:中国海洋大学