吸力锚在国内近海工程中的首次应用与设计

第７卷第１期　１９９５年２月　中国海上油气（工程）　Ｖｏ１　７。Ｎｏ１　

ＣＨ１ＮＡ　ＯＦｌＦＳＨＯＲＥ　ＯＩＬ　ＡＮＤ　ＧＡＳ（ＥＮＧＩＮＥＥＲｌＮＧ）　Ｆｅｂ・１９９５　

吸力锚在国内近海工程中的首次应用与设计　

徐继祖　史庆增　宋安　丁红岩。　聃　丁　乙　马茨久　１忙Ｌ｛｝　

渤棒公司工程　洁．３００４５２　ｆ　。　《　

摘要吸力锚在８ｏ年代初首先在欧洲北海投入工程应用，它适合油轮系泊的全方　位锚回能力的要求，施工简便、并且可以回收重复使用．本文介绍国内第一组吸力锚　一　羞　豁乞，　祭｛也，关键词　兰三璺兰　：也手匕，　脚　｛　＇　

１吸力锚的特点　吸力锚（Ｓｕｃｔｉｏｎ　Ａｎｃｈｏｒ）所依靠的“吸力”是仅在沉锚施工过程中实现的，沉锚完成后，　“吸力”即消失，这时的吸力锚实际上就如同一根常规的埋入短桩，依靠它周围土体的抗力提供　锚固力。但正是这一特殊的沉锚旋工方法．使吸力锚具有桩式锚的优点（如ｔ利用下层土的抗　力、锚固能力高），而无需后者所要求的调用代价高昂的海上打（拔）桩设备和较长的海上作业　时间，同重力式锚相比，吸力锚可大大降低对海上吊重能力的要求。特别是对锚固力要求高而　海底表层土质松软的情况，重力式锚几乎是难于实现的　同船用抓力锚相比，吸力锚受力后的　位移很小，可提供全方位锚固力，能适应系泊油轮围绕系泊点作３６０。旋转的要求．并且由于吸　力锚所具有的垂直锚固能力，可以有效缩短系泊缆索的长度。由于吸力锚具有上述特点，近年　来已越来越多地在近海系泊贮油装置中被采用。　吸力锚为一顶端封闭、下端敞开的钢筒，平放于海底并靠锚的自重使锚筒下缘嵌入土中，　在形成锚筒内水体的封闭状态后，借助设置在顶端锚盖上的潜水泵向外抽水，并使同一时间内　抽出的水量超过自底部渗入的水量，造成锚筒内部压力降低。当由锚筒内、外压差造成的作用　在锚盖上的垂直向下的压力超过土对锚筒的阻力时，锚简即可不断被压入土中，直至锚盏底面　与海底接触时沉锚终止。此时潜水泵可以卸去，锚筒内外之同的压力差逐渐消失，筒内压力恢　复到周围环境压力。在锚盖顶设有锚链环，同锚链和系泊缆索相联，在沉锚之前联接完毕，吸力　锚沉放终止并经一定时间固结以及试拉之后，即可承受系泊力。　沉锚可利用的是大压力差为工作地点的水深加大气压力（按０，６计），可见水深越大，吸力　锚直径越大，沉锚力就越高。　

０参加设计或投放的人员还有边启光　王元占、王世勤、刘明　

１　维普资讯 http://www.cqvip.com 第７卷第１期　徐继祖史庆增束安丁红岩马庆九，吸力锚在国内近海工程中的首次应用与设计　３３　拔锚时，可使泵反向工作，造成锚筒内部压力高出外部压力，从而使作用在锚盏上的垂直　向上压力超过土的阻力，将锚筒从土中“顶”起，可以减小拔锚力・　吸力锚的原理早在６０年代就有文献提出讨论（参考文献１），其后经过较长时阿的理论研　究和室内试验阶段，７０年代后期，先后进入现场的小尺度和大尺度试验（参考文献２），直到　１９８０年由ＳＢＭ公司负责设计并实现了在欧｛｝ｌｌ北海丹麦ＧＯＲＭ油田的系泊储油装置上应用　世界首倒吸力锚（参考文献３）。该系泊储油装置为一多（６）锚点的悬链锚腿式系泊系统　（ＣＡＬＭ）．系泊最大油轮为７０　０００ｔ．单锚最大系泊力（水平）为２００ｔｆ（￣－２　０００ｋＮ），暖力锚直　径为３．５　ｍ，高８．５～９．０　ｍ（由不同的土质条件决定），Ｔ作水深为４Ｏ　ｔｎ。这一项成功的工程　应用樊倒为以后吸力锚在世界各地的推广和发展打下了有力的基础。　国内在吸力锚研究方面，１９８６年由天津大学与海军协作在舟山曾进行过较小尺度的吸力　锚现场试验（吸力锚直径１．５　ｍ．高３．５　ｍ，试验地点水探１　７　ｍ），试验是成功的・对吸力锚的基　本工怍原理作了较全面的检验，为本次吸力锚进入正式工程设计提供了重要的经验。　

２渤海■妃甸１—６一Ｉ延长测试系统对系泊锚的要求和锚体选型　渤海曹妃甸ｌ一６一ｌ延长测试系统（图１）由容纳井口及工艺计量设施的白升式钻井装置　和接受试油阶段产出原油、在钻井装置的旁侧两点系泊的５　０００　ｔ级油轮以及由钻井装置向储　油轮输送原油的长３５０　ｍ漂浮软管组成。系统所在地点平均水深１７・８３　ｍ（海图永探Ｉ５・８　ｍ）．最高潮位水深ｌ９．８６　ｍ，最低潮位水深１５．５３　ｍ。　油轮顺流向布置，设计按８级风浪条件（Ｈ　”＝３．５　ｍ）下油轮解脱，并考虑当强风向与船　

夹角过大时可通过放松尾缆调整油轮方向以减小系泊力。综合考虑各种因素・并根据模型试验　

结果，规定最大系泊力为６０　ｔ／（￣－－６００　ｋＮ）。　工程地质条件根据已有的该海区海底土层柱状图，其中０～１．７ｍ为极软粘土，１・７～６・７　

ｍ为粉砂质牯土，再往下为粉砂。　

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维普资讯 http://www.cqvip.com 中国海上油气（工程）　１９９５皇　天津大学海洋与船舶工程系和天津海王星减振技术开发公司根据上述技术条件联合承担　了该系统中系泊锚的设计工作。针对上述条件．首先对有可能采用的几种锚体形式，其中包括　排泥自沉锚、重力式锚、桩式锚和吸力锚进行了方案比较。比较的结果说明；排泥自沉锚虽然旆　工方便，重量轻，造价低，依靠上部土体抗力可以获得较大的全方位锚固力，但由于排泥下沉时　形成的顶部土体的凹陷部分必须回填，由此带来的工程量和工期的增加将是难于被接受的。此　外．这种锚体很难回收重复使用。重力式锚对表层极软粘土的适应能力很差，尽管采用了较长　的裙板辅助抗滑．为保证足够的抗滑稳定安全度，仍需要庞大的混凝土体积，而且裙板的插入　及底部排泥等问题均存在较大的难度和不确定性，不能适应本项工程严格限制锚的位移的安　全要求。桩式锚虽有锚固能力高、安全性能好等优点，但海上施工问题突出．不仅需要调用海上　打桩船，而且孤立的水下单桩施工难度大，回收拔桩时也存在同样问题。总结以上四种不同形　式的锚的主要特点，认为只有吸力锚有可能较全面地适应本项工程的要求。　

３吸力锚的设计殛沉放概况　（１）本系统共含尺度、结构完全相同的首、尾吸力锚各１个（图２）。钢锚简直（外）径３．２　ｍ，高６ｍ，钢板厚２　ｃｍ。下端有刃脚。锚筒　顶端用带有微小曲率的顶板封焊。顶板上　表面焊有呈放射状布置的加劲肋板，在中　央通过正、倒截锥形接头，井同锚链环相联　接。顶板以上浇注约７０　ｃｍ钢筋混凝土，主　要用于增加锚体自重。在锚盖上预留两组　有阀门控制的通道．其中一组容放两台多　级轴流式潜水泵及其吸水口．另一组为排　气一充水通道。潜水泵随锚一起在海上投　放，待沉锚完成后由潜水员卸下．并回收到　船上。另一组通道通过三通分别联接排气　口阀门及充水进口阀门．前者包含止回阀．　用于排出在沉锚过程中被封闭在锚筒内的　空气，后者用于在拔锚时向锚筒内充入高　压水。　（２）沉锚阻力由锚筒表面上土的极限　切向阻力和筒端极限正向阻力组成，如按　

一般桩的垂直承载力公式（如ＡＰＩ　ＲＰ　２Ａ　中的公式）估算．结果是偏于保守的。其原　因是在沉锚过程中由锚筒内、外压差引起　的沿筒壁（外侧面）的渗流和在某些情况下　在筒内发生的流土，均使吸力锚的沉锚阻　力比无内、外压差的一般情况时显著降低　美国ＳＩＰＭ公司根据不同土质条件下大量　

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维普资讯 http://www.cqvip.com 第７卷第１期　棘继蛆史庆增柬安丁红岩马庆久，吸力锚在田内近海工程中的首攻应用与设计　３５　原尺度现场试验结果，推荐了用于考虑渗流影响估计吸力锚下沉阻力的计算方法．并且取得　ＤｎＶ认可。　（３）按刚性短桩计算吸力锚的水平锚固能力（　）。在极限水平系泊力作用下，滑锚筒侧　面产生土抗力．在底部也引起相应反力了１。及Ｍｏ（图３），在此力系作用下锚体将围绕０点（假　定位于轴线上）旋转。由以下力矩平衡条件可以求得旋转中心０的位置（对锚盖顶面中点取　矩）：　－Ｓ　ｒ。Ｌ＋　＋Ｉ　户“）　＋ｓ）ｄｚ—Ｉ户　）“＋ｓ）ｄｚ卑０　（１）　

Ｊ●　Ｊ　０　式中，　为系泊力作用点与泥面距离，其中的力矩』ｌｆ。是由锚筒侧面极限瘁阻力及基底极限抗　

力所产生的。锚筒侧面正向极限土抗力分布可由下式确定ｔ　

Ｐ　）一３ｃ＋２ｅｚ＋Ｊ　（２）　式中，ｃ为土的不排水强度｛Ｄ为锚筒直径；ｚ为泥面以下深度｛ｙ为土的有效重度Ｉ‘，为试验常　数，‘，一０．２５～０．５。　式（１）中的基底极限剪力为：　

Ｔ。　÷Ｄ　ｃ　（３）　由式（１）求出ｚ后．即可由水平力平衡条件得到吸力锚的水平锚固能力　ｔ：　ｆｇ－－￥　一Ｊ　Ｐ（ｚ）ｄｚ—Ｊ　ｐ（ｚ）ｄｚ—　（４）　

Ｊ　０　Ｊ　Ｊ　吸力锚的垂直锚固能力ｎ可按一般桩的抗拔力公式计算．　

计算结果说明．对于给定的撮大系泊力６００　ｋＮ（与水平方面夹角１５。～３０　）．吸力锚的水　平方向及垂直方向锚固能力均已达到规范的要求。　（４）对锚体结构强度及锚筒结构稳定分别按有关规范进行了授棱．　（５）１９９４年９月上旬．两个已在预制场制作完毕的吸力锚被装上滨海１０６浮吊拖到曹妃　甸ｌ一６—１现场沉放。整个沉锚过程在潜水员配合下进行得十分顺利．基本上实现了预先制定　的现场施工方案和程序，并达到了设计要求。在　沉锚过程中潜水泵运转正常，吸力锚平稳沉人　士中．未发生倾斜和“土塞　现象．至锚盖沉至泥　面以前潜水泵一直抽出清水。每个吸力锚下缘　着底后，自潜水泵开动起直到沉锚终止历时约　７０　ｒａｉｎ。两个吸力锚分别在沉放完毕１天和２　天之后，由拖轮进行了拉力试验：模拟系泊力　６００　ｋＮ，持续５　ｍｉｎ．测力计读数表明．吸力锚　的锚固能力已达到了设计要求。　

４结语　吸力锚在我国近海工程中的首次设计和应　用是基本成功的．这无疑将为它今后更广泛的　

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