Морские встроенные якоря
Морские встроенные якоря — это якоря , предназначенные для использования на море, удерживающая способность которых зависит от сопротивления трения или несущей способности окружающего грунта, в отличие от гравитационных якорей, удерживающая способность которых зависит в основном от их веса. По мере того как морские разработки перемещаются в более глубокие воды, гравитационные конструкции становятся менее экономичными из-за необходимого большого размера и, как следствие, стоимости транспортировки.
Каждый из нескольких типов встроенных анкеров имеет свои преимущества при креплении морских сооружений. Выбор решения для крепления зависит от множества факторов, таких как тип морского объекта, требующего швартовки, его местоположение, экономическая целесообразность, срок его использования, состояние почвы и доступные ресурсы.
Примерами объектов, которым может потребоваться швартовка на море, являются плавучие установки для хранения и отгрузки продукции (FPSO), мобильные морские буровые установки , морские платформы для добычи нефти , волновой энергии и других возобновляемых источников энергии преобразователи , а также плавучие объекты по производству сжиженного природного газа .
Перетаскиваемые анкеры
[ редактировать ]Удерживающая способность якорей с волочением (DEA) достигается за счет того, что они заглублены или заделаны глубоко в морское дно, при этом их способность к закреплению напрямую связана с глубиной заделки. DEA устанавливаются путем перетаскивания с использованием швартовной цепи или троса. Этот относительно простой способ установки делает DEA экономически эффективным вариантом крепления морских сооружений. DEA обычно используются для временной швартовки морских нефтегазовых сооружений, например, мобильных морских буровых установок . Их использование только в ситуациях временной швартовки можно в значительной степени объяснить неопределенностью, связанной с траекторией заглубления якоря и размещением в грунте, что приводит к неопределенности в отношении удерживающей способности якоря. [2]
В идеальных условиях DEA являются одним из наиболее эффективных типов якорей, удерживающая способность которых варьируется от 33 до более чем 50-кратного веса; [3] и такая эффективность дает DEA неотъемлемое преимущество перед другими анкерными решениями, такими как кессоны и сваи, поскольку масса DEA сосредоточена глубоко на морском дне, где сопротивление грунта и, следовательно, удерживающая способность являются наибольшими. [2] Эффективность анкера определяется как соотношение между предельной удерживающей способностью и сухим весом якоря, при этом DEA часто обладает значительно более высоким коэффициентом эффективности по сравнению с другими анкерными решениями.
Цепная конфигурация состоит из «провисающих» швартовных тросов, которые образуют цепную цепь под собственным весом . Поскольку цепные швартовые тросы лежат ровно вдоль морского дна, они оказывают на свои якоря только горизонтальные силы. Натянутые швартовые тросы, идущие под углом к морскому дну, оказывают на свои якоря как горизонтальные, так и вертикальные силы. [1] Поскольку DEA спроектированы так, чтобы противостоять только горизонтальным силам, эти якоря следует использовать только в конфигурации с цепным креплением. Приложение значительной вертикальной нагрузки к DEA приведет к его выходу из строя, поскольку вертикальная сила, приложенная к проушине, приведет к извлечению якоря. Тем не менее, это облегчает извлечение якоря, что способствует экономической эффективности этого решения по якорю.
Дизайн
[ редактировать ]Тремя основными компонентами DEA являются двуустка, ножка и глазной глаз. Для DEA угол между лапой и стержнем составляет примерно 30 градусов для твердой глины и песка и 50 градусов для мягкой глины. [1]
счастливая случайность
[ редактировать ]Лапа пластинчатого якоря представляет собой несущую пластину, которая обеспечивает большую часть удерживающей способности якоря на предельной глубине установки. Помимо увеличения емкости якоря, лапа может способствовать устойчивости якоря во время заглубления. Использование более широкой лапы может помочь обеспечить устойчивость качения, что позволит обеспечить более глубокую заделку и лучшую удерживающую способность. [4] Существуют отраслевые рекомендации, касающиеся соответствующей ширины, длины и толщины якорных лап, где ширина относится к размеру, перпендикулярному направлению установки. Коммерческие якоря обычно имеют соотношение ширины лапы к длине 2:1 и соотношение длины лапы к толщине от 5 до 30. [4]
хвостовик
[ редактировать ]Поскольку прочность DEA зависит от глубины установки, хвостовик должен быть спроектирован таким образом, чтобы сопротивление грунта, перпендикулярное траектории установки анкера, было сведено к минимуму.
Однако сопротивление грунта трению о параллельную составляющую стойки менее существенно. Таким образом, площадь хвостовика, соответствующая направлению траектории заделки, часто бывает относительно большой, чтобы обеспечить устойчивость анкера против перекачивания во время заделки.
Padeye
[ редактировать ]Проушина — это соединение между якорем и швартовным тросом. Эксцентриситет глазка, часто измеряемый как коэффициент смещения глазка, представляет собой соотношение между горизонтальным и вертикальным расстоянием положения глазка относительно соединения лапы и хвостовика якоря. Оценка оптимального эксцентриситета лапы для DEA и якорей с вертикальной нагрузкой (VLA) ограничивается соответствующим выбором длины стержня с учетом фиксированного угла между лапой и стержнем во время заглубления. В исследовании, проведенном с целью определения подходящей длины хвостовика, рассматривался диапазон отношения длины голени к длине лапы от 1 до 2. [5] Было установлено, что более короткая длина хвостовика (ближе к 1) приводит к более глубокому заглублению анкера. [5]
Причальная линия
[ редактировать ]Хотя швартовочный трос не является уникальным компонентом якоря DEA, его конструкция существенно влияет на поведение якоря. Более толстая швартовная линия обеспечивает большее сопротивление закрепке якоря. Были исследованы свойства цепных швартовных канатов по сравнению с проволочными, при этом цепные швартовные канаты приводят к снижению мощности якоря до 70%. [6] Таким образом, там, где это целесообразно и экономически эффективно, следует использовать тросовые швартовые тросы. Закладная часть швартовного троса способствует удержанию якоря при горизонтальном движении. Поэтому уместно проанализировать влияние швартовной линии якоря как на процесс установки якоря, так и на его вклад в окончательную удерживающую способность якоря.
Якоря с вертикальной нагрузкой
[ редактировать ]Якоря с вертикальной нагрузкой (VLA), по существу, представляют собой DEA, которые могут свободно вращаться вокруг соединения лапы с хвостовиком, что позволяет якорю выдерживать как вертикальную, так и горизонтальную нагрузку, и, таким образом, в отличие от DEA, швартовые тросы могут быть либо цепными, либо натянутыми. пришвартованная конфигурация. VLA встраиваются так же, как и DEA, на указанную длину перетаскивания. В результате большая часть проектных соображений, необходимых для DEA, применима и к VLA. После введения длины перетаскивания лапа «освобождается» и ей предоставляется возможность свободно вращаться вокруг соединения с хвостовиком. Эта новая конфигурация якоря приводит к тому, что нагрузка на швартовочный канат практически нормальна относительно лапы VLA. [2]
Всасывающие коробки
[ редактировать ]Всасывающие кессоны (также известные как всасывающие ковши, всасывающие сваи или всасывающие якоря) представляют собой новый класс закладных якорей, обладающих рядом экономических преимуществ по сравнению с другими методами. По сути, это перевернутые ведра, которые втыкаются в грунт и используют всасывание, откачивая воду для создания вакуума, для постановки на якорь морских плавучих объектов. Они имеют ряд экономических преимуществ, включая быстрый монтаж и демонтаж при выводе из эксплуатации, а также снижение материальных затрат. [7] Кессон состоит из цилиндра большого диаметра (обычно от 3 до 8 метров (от 10 до 26 футов)), открытого снизу и закрытого сверху, с соотношением длины к диаметру в диапазоне от 3 до 6. [8] Это анкерное решение широко используется в крупных морских сооружениях, морских буровых и жилых платформах. С ростом спроса на возобновляемую энергию такие якоря теперь используются для морских ветряных турбин, обычно в конфигурации штатива.
Пластинчатые анкеры с присоской
[ редактировать ]В 1997 году был представлен пластинчатый анкер с присоской (SEPLA) как комбинация двух проверенных концепций крепления — присасывающихся свай и пластинчатых анкеров — для повышения эффективности и снижения затрат. [10]
Сегодня якоря SEPLA используются в Мексиканском заливе , у побережья Западной Африки и во многих других местах. В SEPLA используется всасывающий «толкатель» — изначально заполненный водой кессон с открытым дном — для заделки пластинчатого анкера в почву. Всасывающий толкатель опускается на морское дно, где он начинает проникать под собственным весом. Затем вода откачивается изнутри кессона, чтобы создать вакуум, который толкает пластинчатый анкер под ним на желаемую глубину (Шаг 1). Затем швартовочный трос с пластинчатым якорем отсоединяется от кессона, который поднимается под действием воды, нагнетаемой в кессон, заставляя его двигаться вверх, в то время как пластинчатый якорь остается погруженным (этап 2). Затем к швартовному тросу прикладывается натяжение (шаг 3), в результате чего пластинчатый якорь вращается (процесс, также известный как «фиксация») и становится перпендикулярным направлению нагрузки (шаг 4). [9] Это делается для того, чтобы максимальная площадь поверхности была обращена в сторону нагрузки, что обеспечивает максимальное сопротивление анкера.
Поскольку используется толкатель всасывающего кессона, анкеры SEPLA можно отнести к анкерам прямой закладки; и, таким образом, известны местоположение и глубина якоря. Благодаря своей геотехнической эффективности пластинчатые анкеры SEPLA значительно меньше и легче аналогичных присасывающихся анкеров, что снижает затраты.
Динамически устанавливаемые анкеры
[ редактировать ]Увеличение стоимости установки якорей на глубокой воде привело к появлению якорей с динамическим проникновением, которые врезаются в морское дно в результате свободного падения . Эти анкеры обычно состоят из толстостенного стального трубчатого стержня, заполненного металлоломом или бетоном и снабженного коническим наконечником. К валу часто прикрепляют стальные лапы, чтобы улучшить его гидродинамическую устойчивость и обеспечить дополнительное сопротивление трению против подъема после установки. [1]
Основным преимуществом динамически устанавливаемых якорей является то, что их использование не ограничено глубиной воды. Затраты снижаются, поскольку при установке не требуется никакого дополнительного механического воздействия. Простая конструкция анкера сводит к минимуму затраты на изготовление и транспортировку. Кроме того, конечная удерживающая способность динамических анкеров меньше зависит от геотехнической оценки местоположения, поскольку более низкая прочность на сдвиг обеспечивает большее проникновение, что увеличивает удерживающую способность. [11] Несмотря на эти преимущества, основным недостатком этого типа анкера является степень неопределенности в прогнозировании глубины и ориентации заделки и, как следствие, неопределенная удерживающая способность.
Дизайн
[ редактировать ]С момента их первой коммерческой разработки в 1990-х годах было разработано несколько различных форм динамически устанавливаемых анкеров. Глубокопроникающий якорь (DPA) и якорь-торпеда получили широкое распространение в прибрежных водах Южной Америки и Норвегии . [11] Их конструкции показаны на рисунке с двумя другими формами динамически устанавливаемых анкеров, а именно Omni-Max и динамически встраиваемым пластинчатым анкером (DEPLA).
Глубокопроникающие и торпедные якоря рассчитаны на достижение максимальной скорости 25–35 метров в секунду (82–115 футов/с) на морском дне, что позволяет проникать кончикам в два-три раза больше длины якоря, а удерживающая способность находится в диапазоне в три-шесть раз больше веса якоря после уплотнения почвы . [1]
Пластинчатый якорь с динамическим заглублением (DEPLA) представляет собой якорь прямой закладки с вертикальной нагрузкой, который состоит из пластины, встроенной в морское дно за счет кинетической энергии, полученной при свободном падении в воде. Эта новая концепция якоря была разработана совсем недавно, но уже прошла испытания как в лаборатории, так и на местах. Различные компоненты DEPLA можно увидеть на схеме, обозначенной на рисунке.
Изображенный на фото якорь Omni-Max представляет собой якорь гравитационной установки, который можно нагружать в любом направлении благодаря функции поворота на 360 градусов. [12] Якорь изготовлен из высокопрочной стали и оснащен регулируемыми плавниками, которые можно адаптировать к конкретным грунтовым условиям. [12]
Торпедные якоря
[ редактировать ]Торпедный якорь имеет трубчатый стальной вал с вертикальными стальными ребрами или без них, оснащенный коническим наконечником и заполненный металлоломом или бетоном. [13] Якорь длиной до 150 метров (490 футов) полностью погружается в морское дно в результате свободного падения.
Полномасштабные полевые испытания были проведены в воде на глубине до 1000 метров (3300 футов) с использованием торпедного якоря длиной 12 метров (39 футов) и диаметром 762 миллиметра (30,0 дюйма) с сухим весом 400 килоньютонов ( 90 000 фунтов f ). Якорь торпеды, сброшенный с высоты 30 метров (98 футов) над уровнем моря, достиг глубины 29 метров (95 футов) в нормально уплотненной глине. [13]
Последующие испытания торпедного якоря с сухим весом 240 килоньютонов (54 000 фунтов- футов ) и средней глубиной заглубления наконечника 20 метров (66 футов) привели к тому, что удерживающая способность примерно в 4 раза превышает сухой вес якоря сразу после установки, что примерно удвоилось после 10 дней консолидации почвы. [13]
Хотя эффективность ниже, чем та, которую можно было бы получить с помощью других типов анкеров, таких как анкер для заглубления с буксировкой, это компенсируется низкой стоимостью изготовления и простотой установки. можно использовать ряд торпедных якорей . Таким образом, для удержания стояков и других плавучих сооружений [1]
Якоря глубокого проникновения
[ редактировать ]Якорь глубокого проникновения (ДПА) концептуально аналогичен торпедному якорю: он представляет собой дротика толстостенный стальной цилиндр в форме с лапами, прикрепленными к верхней части якоря. Полномасштабный DPA имеет длину примерно 15 метров (49 футов), диаметр 1,2 метра (4 фута) и весит порядка 50–100 тонн (49–98 длинных тонн; 55–110 коротких тонн). Способ его установки ничем не отличается от способа установки торпедного якоря: его опускают на заданную высоту над морским дном, а затем отпускают в свободном падении для заглубления в морское дно. [1]
Анкерные сваи
[ редактировать ]Закладные анкерные сваи (забивные или буронабивные) необходимы в ситуациях, когда требуется большая удерживающая способность. Конструкция анкерных свай позволяет использовать три типа швартовных конфигураций — вертикальные тросы, цепные причалы и полунатянутые/натянутые причалы, — которые используются для швартовки морских сооружений, таких как морские ветряные турбины , плавучие хранилища и разгрузки продукции (FPSO). суда, плавучие установки по производству сжиженного природного газа (FLNG) и т. д. Промышленным примером является платформа на натяжных опорах Ursa (TLP), которая удерживается на станции 16 анкерными сваями, каждая из которых имеет длину 147 метров (482 фута), Диаметр 2,4 метра (7 футов 10 дюймов), вес 380 тонн (370 длинных тонн; 420 коротких тонн). [1]
Дизайн
[ редактировать ]Анкерные сваи представляют собой полые стальные трубы, которые либо забиваются, либо вставляются в отверстие, пробуренное на морском дне, а затем заливаются раствором, аналогично свайным фундаментам, обычно используемым в морских стационарных сооружениях . На рисунке показаны различные методы установки: при «забивном» методе стальную трубу забивают механически с помощью молотка, а при «сверлильном» методе свая, залитая на месте, вставляется в скважину увеличенного размера, построенную с помощью роторного бура. а потом замазал цементом. Применение того или иного метода зависит от геофизических и геотехнических свойств морского дна.
Анкерные сваи обычно проектируются так, чтобы выдерживать как горизонтальные, так и вертикальные нагрузки. Осевая удерживающая способность анкерной сваи обусловлена трением вдоль границы раздела свая-грунт, тогда как поперечная способность сваи создается боковым сопротивлением грунта, где ориентация анкера имеет решающее значение для оптимизации этого сопротивления. В результате расположение проушины расположено таким образом, чтобы сила цепной линии или тугого швартовки приводила к равновесию момента относительно точки вращения для достижения оптимального бокового сопротивления грунта. [1]
Установка
[ редактировать ]Из-за тонкой конструкции анкерных свай при установке забивных свай возникают три проблемы: [14] первым из которых является возможность забивки свай на месте или там, где чрезмерное сопротивление грунта может препятствовать проникновению на желаемую глубину. Второй проблемой является деформация свай, при которой происходит разрушение или выпучивание кончика сваи из-за чрезмерного сопротивления и отклонения траектории сваи. Третий вопрос – геотехнические свойства грунта. Недостаточное боковое сопротивление грунта может привести к опрокидыванию якоря, а камни и валуны на траектории проникновения – к отказу и обрушению наконечника.
Проблемы установки, связанные с буронабивными сваями, включают устойчивость скважины, нежелательные мягкие выемки у основания скважины, гидроразрыв грунта, приводящий к потере раствора, и теплового расширения . эффекты [14]
См. также
[ редактировать ]- Якорь - устройство, используемое для крепления судна к дну водоема, чтобы предотвратить дрейф судна.
- Морское строительство - Строительные конструкции на больших водоемах или рядом с ними.
- Морское строительство – Монтаж конструкций и сооружений в морской среде.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к Гурвенек, Марк; Рэндольф, Сьюзен (2017). Морская геотехническая инженерия . [Sl]: CRC Press. ISBN 978-113807472-9 . OCLC 991684040 .
- ^ Jump up to: а б с д и Чарльз, Обени (18 сентября 2017 г.). Геомеханика морских якорей . Бока-Ратон [Флорида]. ISBN 9781351237352 . OCLC 1013852232 .
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) - ^ Диас, Брайан Д.; Расуло, Маркус; Обени, Чарльз П.; Фонтана, Кейси М.; Арваде, Санджай Р.; ДеГрут, Дон Дж.; Лэндон, Мелисса (2016). «Многолинейные якоря для плавучих морских ветряных вышек». ОКЕАНЫ 2016 MTS/IEEE Монтерей . IEEE. стр. 1–9. дои : 10.1109/oceans.2016.7761374 . ISBN 9781509015375 . S2CID 24615355 .
- ^ Jump up to: а б Обени К., Гилберт Р., Рэндалл Р., Циммерман Э., Маккарти К., Чен К., Дрейк А., Йе П., Чи К. и Бимер Р. (2011). Характеристики анкеров для заглубления (DEA). Техасский университет A&M, США.
- ^ Jump up to: а б Обени, Чарльз; Бимер, Райан; Циммерман, Эван (2009). «Влияние почвы на работу нестационарного якоря». Материалы конференции по морским технологиям . Конференция по морским технологиям. doi : 10.4043/otc-20081-ms . ISBN 9781555632441 .
- ^ Бимер, Райан и Обени, Чарльз и Рэндалл, Р. и Дрейк, А. (2012). Прогнозирующая модель работы якоря, закрепленного в глинистом морском дне. Материалы 17-го оффшорного симпозиума: расширяя границы глобальной индустрии. А27-А34.
- ^ Риз, Лаймон К.; Хосе Мануэль Россет Винуэса (1999). Анализ, проектирование, строительство и испытание глубоких фундаментов: материалы конференции OTRC'99: в честь Лаймона К. Риза: 29-30 апреля 1999 г. Рестон, Вирджиния: Институт Гео, Американское общество инженеров-строителей. ISBN 978-0784404225 . OCLC 40830075 .
- ^ Гурвенек, Сьюзен; Клюки, Эд (25 января 2018 г.), «Якоря всасывающего кессона», Энциклопедия морской и морской техники , John Wiley & Sons, Ltd, стр. 1–14, doi : 10.1002/9781118476406.emoe581 , ISBN 9781118476352
- ^ Jump up to: а б Блейк, AP; О'Локлин, К. и Годен, К. (2011). «Установка после установки пластинчатых анкеров, оцененная с помощью центрифужных испытаний в каолиновой глине» . В Gourvenec & White (ред.). Границы морской геотехники II . Лондон: Группа Тейлора и Фрэнсиса. стр. 705–710. ISBN 978-0-415-58480-7 . Проверено 22 ноября 2018 г.
- ^ «Морские якоря SEPLA» . ИнтерМур . Проверено 15 октября 2018 г.
- ^ Jump up to: а б О'Локлин, Конлет Д.; Ричардсон, Марк Д.; Рэндольф, Марк Ф. (2009). «Испытания центрифугами динамически установленных анкеров». Том 7: Морская геотехника; Нефтяные технологии . АСМЭ. стр. 391–399. дои : 10.1115/omae2009-80238 . ISBN 9780791843475 .
- ^ Jump up to: а б с «ОМНИ-Макс Анкор®» . Дельмар Системс . Проверено 17 ноября 2018 г.
- ^ Jump up to: а б с Медейрос, CJ (2002). «Недорогая анкерная система для гибких стояков на глубоких водах». Конференция по морским технологиям . дои : 10.4043/14151-мс .
- ^ Jump up to: а б Шнайдер, Джеймс; Рэндольф, Марк; Стивенс, Боб; Эрбрих, Карл (20 апреля 2017 г.), «Свайные фундаменты: установка», Энциклопедия морской и морской техники , John Wiley & Sons, Ltd, стр. 1–19, doi : 10.1002/9781118476406.emoe532 , ISBN 9781118476352