海洋工程用錨類型及其發(fā)展綜述

葉 邦 全

（708研究所，上海 200011）

0 引 言

對于采用多點錨泊系統(tǒng)定位的浮式海洋工程裝置來說，錨是裝置通過系泊索系固在海底并藉以保持船位的關(guān)鍵設(shè)備。一旦錨失效（走錨）將引起裝置大幅度位移，從而導(dǎo)致重大的甚至是災(zāi)難性的事故。

上世紀(jì) 50年代以來，隨著海洋工程的發(fā)展，國際上涌現(xiàn)出一代又一代性能優(yōu)良的拖曳埋置錨，近年來出現(xiàn)的新型拖曳錨更是越來越多地采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)。同時還出現(xiàn)了能承受垂向負(fù)荷的負(fù)壓錨和板錨。在錨的研究、設(shè)計和海上安裝中大量采用先進(jìn)的科學(xué)理論、試驗方法和工藝技術(shù)，真正成為跨學(xué)科的高科技工程項目。

1 海洋工程錨類型

1.1 拖曳埋置錨

拖曳埋置錨通常以其抓力與自重之比即抓重比（或抓力系數(shù)）表征錨的抓持特性，隨著錨重的增加，抓重比將會下降。拖曳埋置錨一般只能承受水平力，不考慮承受垂向力。因此，與之相連的錨索應(yīng)有足夠的長度，并盡可能使得錨索在錨處與海底相切。圖1[1]為海洋工程裝置用的各種拖曳埋置，表1為拖曳埋置錨的分級及在泥或沙中的抓持特性。

根據(jù)用途及抓持能力，拖曳埋置錨可分為4類：

1)船用錨。由于該類錨航行區(qū)域變化大，需要適應(yīng)多種底質(zhì)（沙、硬泥、軟泥、淤泥以及這些底質(zhì)的混合物），大多為無桿轉(zhuǎn)爪錨，抓力都不是很大。錨爪折角一般在 35～45°的范圍內(nèi)，如霍爾錨、斯貝克錨等普通船用無桿錨的折角為42°，其最大抓力僅為其自重的4倍左右，AC-14型大抓力無桿錨的折角為35°，其最大抓力則可達(dá)到自重的8倍以上，但是當(dāng)拉力超過抓力限額時很容易翻轉(zhuǎn)而導(dǎo)致失效。該類錨的優(yōu)點是拋起錨方便，可收藏在錨鏈筒內(nèi)；

圖1 海洋工程裝置常用拖曳埋置錨

2)一般性能海洋工程用錨。該類錨為有（橫）桿的轉(zhuǎn)爪錨如丹福斯錨、LWT錨、斯達(dá)托錨等，主要適用于沙或硬泥底質(zhì)，有很好的穩(wěn)定性，抓力比船用錨大得多，常將其歸類為“大抓力錨”。其中的 LWT錨和斯達(dá)托錨設(shè)計成折角可改變，以適應(yīng)軟泥底質(zhì)。一般性能海洋工程用錨在上世紀(jì)60～70年代設(shè)計的海洋工程裝置如鉆井（駁）船、半潛式鉆井平臺、自升式平臺上應(yīng)用十分廣泛。

3)較高性能海洋工程用錨。該類錨的抓力比一般性能海洋工程用錨更高，問世于上世紀(jì)70年代，著名的如布魯斯鑄鋼（Bruce SS）錨和布魯斯（Bruce）及TS錨（前2種均為固定爪錨，后者可改變折角）和闊鰭型德爾泰（Flipper Delta）錨（錨爪折角可改變）以及史蒂汶（Stevin）系列的史蒂芙狄格（Stevdig）錨、史蒂芙莫特（Stevmud）錨、史蒂芙菲克斯（Stevfix）錨、霍克（Hook）錨等（均為轉(zhuǎn)爪錨）。除史蒂芙莫特錨專用于淤泥底質(zhì)外，其余的均能適應(yīng)多種底質(zhì)。

4)高性能海洋工程用錨，是近年來出現(xiàn)的史蒂芙帕瑞斯（Stevpris）錨、史蒂芙夏克（Stevshark）錨、布魯斯（Bruce）FFTS錨等，均為鋼板焊接的固定爪錨。該類錨的抓力遠(yuǎn)大于上述各類錨，甚至在軟泥中也有很大的抓力，是當(dāng)前最先進(jìn)的拖曳埋置錨。

圖2為重量7t的史蒂芙帕瑞斯MK6型錨。該類錨的錨爪面積大，錨爪的兩個尖齒使錨更容易嚙入土中，穿透的深度大，達(dá)到最大抓力所需的拖曳距離較短。錨爪與錨柄之間的夾角可調(diào)節(jié)，在極軟的黏土（淤泥）中為50o，中等硬度黏土中為41o，沙和硬泥中為32o。在淤泥中的最大抓力可達(dá)311t（自重的44倍），在中等硬度黏土中的最大抓力可達(dá)436t（自重的62倍），在沙和硬泥中的最大抓力可達(dá)561t（自重的80倍）。史蒂芙帕瑞斯錨可以承受一定的垂向負(fù)載。在現(xiàn)今設(shè)計的各種海洋工程作業(yè)船和半潛式鉆井平臺上得到廣泛應(yīng)用。

1.2 樁錨

樁錨（pile anchor）是一根空心樁，其上端帶有連接錨索的眼板，不僅能承受水平載荷，而且能抵抗垂向載荷，適用于堅硬的底質(zhì)。樁錨通常由打樁船先行安裝，也有采用沖（水）或鉆出一個孔，然后將樁放入孔中，再灌注水泥漿將樁固住。但是在沖（水）或鉆孔過程中，底質(zhì)容易遭到破壞。圖3為由鉆井船鉆孔安裝的樁錨。

樁錨必須根據(jù)所安裝位置的底質(zhì)情況專門設(shè)計，且安裝費用很高，極少使用。特別是在深水條件下，無論是打樁或是鉆孔安裝都十分困難。

圖2 史蒂芙帕瑞斯MK6錨

表1 重量10t的各種拖曳埋置錨抓持特性

1.3 吸力樁和吸力沉箱

吸力樁（suction pile）又稱負(fù)壓錨，適用于深水系泊系統(tǒng)，主要用于黏土型底質(zhì)，也可以用于細(xì)沙或顆粒層，能承受很高的系泊索的水平和垂向載荷。

吸力樁必須根據(jù)底質(zhì)情況專門設(shè)計，其施工復(fù)雜，安裝費用高，安裝和拆卸潛水泵均需潛水員或深潛器協(xié)助，通常用于永久性系泊系統(tǒng)。

吸力樁一般為鋼質(zhì)圓柱形筒體結(jié)構(gòu)，底部敞開，頂部是封閉的，見圖 4。安裝時，首先是把吸力樁下降到海底，靠自重使筒的下緣嵌入底質(zhì)。然后，不斷地抽去吸力樁內(nèi)的水，使筒體內(nèi)部壓力下降。內(nèi)外壓力差產(chǎn)生的垂直向下的壓力作用在筒體頂部，使筒體不斷地被壓入土中，直至筒體內(nèi)的水全部抽光，貼緊底質(zhì)為止。拔錨時，則按相反程序，將水注入筒內(nèi)，將筒體頂出底質(zhì)。圖5為吸力樁或吸力沉箱的安裝情況。

圖3 鉆樁錨

吸力沉箱（suction caisson）是一種吸力埋置錨，具有較小的高度與直徑比，穿透底質(zhì)的深度比吸力樁小得多。吸力沉箱在水中的重量構(gòu)成了它的大部分垂向支持能力。圖6為一種具有很大的底部尺寸和較淺的裙板穿透深度的多單元混凝土結(jié)構(gòu)的吸力沉箱，其承受垂向負(fù)荷的能力主要是其自身重量加上一些表面摩擦力和內(nèi)部的吸力，承受水平負(fù)荷的能力則取決于裙板的穿透深度和和受到剪切的各層底質(zhì)之間的摩擦力。

圖4 吸力樁

圖5 吸力樁安裝

1.4 重力錨

重力錨（gravity anchor）即重塊錨，由混凝土塊或鋼塊、碎金屬或其他高密度材料制成。裙板依靠其自重穿透,設(shè)計的提升能力取決于沉沒的錨重，其承受水平負(fù)荷的能力是錨與底質(zhì)之間的摩擦力以及錨下底質(zhì)的剪切強度函數(shù)。重力錨適用于小型系泊系統(tǒng)。

1.5 板錨

板錨（plate anchor）最初用于美國海軍艦船系泊浮筒的錨泊，置于具有較高底質(zhì)強度的海床深處。板錨具有較大的垂向支持能力，適用于錨索以大傾斜角與海床相交的繃緊腿系泊系統(tǒng)。

板錨主要有2種類型：

1)拖曳埋置式板錨。拖曳埋置式板錨具有較大的垂向支持能力，通常將其歸類為 VLA，即法（垂）向承力錨（Vertically Loaded Anchor）。目前，海洋工程常用的2種VLA為丹拉（Denla）錨和斯蒂夫曼脫（Stevmanta）錨，見圖7，斯蒂夫曼脫錨抗拔力可達(dá)自重的100倍以上。采用拉緊索系統(tǒng)把板錨從安裝模式轉(zhuǎn)變到工作位置，而丹拉錨則采用鉸鏈錨柄。

拖曳埋置式板錨采用類似于拖曳錨的方法埋入深層底質(zhì)，為充分發(fā)揮其支持能力，對安裝位置、深度和錨索定位方向等的精確性提出了非常高的要求。

2)直接埋置式板錨。直接埋置式板錨如圖8所示，錨的主體（錨爪）實際上是一塊帶有可轉(zhuǎn)動翼板的平板，為使其支持能力充分發(fā)揮，對位置、深度、錨索定位方向等安裝精確性提出了非常高的要求。其埋置方法可采用吸力、沖擊或振動錘、火箭推進(jìn)器或液壓錘。

吸力埋置式板錨（Suction Embedded Plate Anchor簡稱SEPLA）已用于海洋工程裝置系泊作業(yè)，采用吸力跟蹤器（Suction follower）進(jìn)行安裝見圖 8。吸力跟蹤器如同吸力樁，一端封閉，另一端開槽插入板錨。安裝時，跟蹤器內(nèi)的板錨端向下，降落至海底。然后，抽去樁（筒）內(nèi)的水，使跟蹤器穿透底質(zhì)，達(dá)到板錨設(shè)計規(guī)定的深度。然后，通過注水使跟蹤器反向作用與板錨脫離并回收。根據(jù) SEPLA的原理，板錨的錨爪應(yīng)垂直埋置于土中，以便在拉動系泊索定位的過程中，使錨爪充分旋轉(zhuǎn)，達(dá)到所需要的狀態(tài)。實際上吸力跟蹤器是一種可重復(fù)使用的吸力錨也可用于其他板錨的安裝。

圖6 吸力沉箱

圖7 拖曳埋置式板錨（VLA）

圖8 吸力埋置式板錨（SEPLA）

2 海洋工程裝置用錨選擇

2.1 移動式系泊系統(tǒng)

移動式系泊系統(tǒng)適用于在海上系泊定位作業(yè)時間較短的工程船舶和浮式裝置，諸如打撈船、起重船、半潛運輸船、地質(zhì)取芯船、潛水工作船、鋪管船、鉆井船（或駁船）、半潛式鉆井平臺、鉆井輔助船等。這類船舶或裝置多數(shù)采用輻射狀（多點）錨泊系統(tǒng)定位，其主要特點是作業(yè)環(huán)境條件并不十分惡劣，一旦預(yù)報強風(fēng)暴來臨時，可以撤離。即使是鉆井船和半潛式鉆井平臺，遇到強風(fēng)暴時，可提前脫開或收回隔水管，使其位移不受限制。

移動式系泊系統(tǒng)一般采用懸鏈?zhǔn)剑ㄥ^索）系統(tǒng)，且要求拋/起錨方便，因此通常采用大抓力拖曳埋置錨。在選擇錨時，必須通過對各種環(huán)境條件下的系泊分析來確定錨的負(fù)荷。

2.2 永久性系泊系統(tǒng)

永久性系泊系統(tǒng)用于在海上停留時間較長的浮式裝置諸如半潛式生產(chǎn)平臺、Spar平臺、FSO（浮式儲油船）或FPSO（浮式生產(chǎn)儲存卸貨裝置）等。該類裝置設(shè)計使用壽命在10年以上，而且在遇到強風(fēng)暴時，一般不可能離開位置，更不可能快速回收水下立管，系泊系統(tǒng)的失效將造成嚴(yán)重后果。因此，應(yīng)根據(jù)該系統(tǒng)設(shè)計規(guī)定的最惡劣環(huán)境條件所作的系泊分析來確定系留點（錨）的負(fù)荷以及系泊系統(tǒng)的形式和安裝方式，所選擇的錨應(yīng)十分可靠，且需要更加充分地了解預(yù)定拋錨地點的底質(zhì)條件和海床形狀。

永久性系泊系統(tǒng)目前主要有2種形式即懸鏈?zhǔn)胶涂嚲o式。懸鏈?zhǔn)较挡聪到y(tǒng)通常采用大抓力拖曳埋置錨，如同移動式系泊系統(tǒng)。繃緊式系泊系統(tǒng)則可采用樁錨、吸力樁和板錨等。

3 海洋工程裝置用錨的發(fā)展趨向

海洋工程裝置用錨是從船用錨發(fā)展過來的。早在上世紀(jì)40年代，英國和美國的海軍研究機構(gòu)就對艦船和海洋工程裝置用錨進(jìn)行了大量的研究工作，尤其是英國海軍研究所經(jīng)過十多年的努力研制出了如今已風(fēng)靡全世界的AC-14錨[2]。上世紀(jì)50年代初，大規(guī)模海洋開發(fā)高潮興起時，許多鉆井船選用經(jīng)過改良的美國海軍的LWT錨和丹福斯錨作為定位錨。此后，隨著海洋工程的發(fā)展，各種新型的大抓力錨不斷出現(xiàn)，其勢頭延續(xù)至今未見稍息。縱觀半個多世紀(jì)以來，錨的發(fā)展趨向主要有如下幾個方面：

1)抓持性能提高，且適用多種底質(zhì)。錨的性能是多方面的，但是最重要的無疑是抓力，其次是穩(wěn)定性包括抓力的穩(wěn)定性以及不易翻轉(zhuǎn)的特性。然而，絕大多數(shù)錨只能用于泥沙底質(zhì)（沙、硬泥、軟泥、淤泥及他們的混合物），不適用于礁石類底質(zhì)。

海洋工程裝置用的拖曳埋置錨，主要從以下方面著手提高其抓持性能。(1)改變錨爪折角。LWT錨、斯達(dá)托錨、布魯斯TS錨、闊鰭型德爾泰錨、史蒂芙帕瑞斯錨等均可通過調(diào)節(jié)折角以適應(yīng)不同的底質(zhì)，通常在沙或硬泥中為30°，在軟泥或淤泥中為50°。(2)錨爪的形狀和面積。對于沙或硬泥應(yīng)有較尖的錨爪，以便于入土；對于軟泥或淤泥則要求有較大的面積，使之增加抓力。前者如單福斯錨，錨爪尖削，可深入土中；后者如史蒂芙莫特錨是專門用于淤泥的錨，錨爪面積特別大。(3)增設(shè)橫桿，使錨不易翻身。大多數(shù)海洋工程裝置用的轉(zhuǎn)爪錨都設(shè)有橫桿。闊鰭型德爾泰錨雖無橫桿，但其錨爪下部特別寬，相當(dāng)于設(shè)置橫桿。

2)形式多種多樣。船用錨由于考慮收藏及拋起錨方便等因素，幾乎全都是無（橫）桿的轉(zhuǎn)爪錨。海洋工程裝置用的錨不受這些因素的制約，不管什么形式，只要性能好，因此出現(xiàn)了多種多樣形式。

早期使用的丹福斯錨、LWT錨、斯達(dá)托錨均為有（橫）桿的轉(zhuǎn)爪錨。上世紀(jì)70年代出現(xiàn)的鑄鋼布魯斯錨和博世錨則是錨爪不可轉(zhuǎn)動的固定爪錨。其后的布魯斯TS錨、史蒂芙帕瑞斯錨和史蒂芙夏克錨的錨爪折角雖可調(diào)節(jié)，但仍然是不可轉(zhuǎn)動的固定爪錨。但固定爪錨的抓力均比轉(zhuǎn)爪錨大。

3)承受垂向負(fù)荷的錨。大多數(shù)拖曳埋置式錨只能承受水平負(fù)荷，不能夠承受垂向負(fù)荷，因此只能與懸鏈?zhǔn)较挡聪到y(tǒng)配合使用。懸鏈?zhǔn)较挡聪到y(tǒng)的最大缺點是系泊索太長，如一艘作業(yè)水深約600m的8點定位半潛式平臺，其每根錨索（鋼絲繩+錨鏈）的長度超過3000m。若是改用繃緊式系泊系統(tǒng)，則系泊索長度可大大縮短，但錨索會在錨點處與海床形成一個較大的夾角，為此必須采用能夠承受垂向負(fù)荷的錨。

能夠承受垂向負(fù)荷的錨主要有：用于淺水的樁錨和用于深水的吸力樁和板錨（VLA和SEPLA）。據(jù)介紹，BP公司在墨西哥灣作業(yè)的一艘設(shè)置繃緊式系泊系統(tǒng)的半潛式鉆井平臺，所采用的 SEPLA，寬度304.8cm×長度731.52cm，法向抓力達(dá)800t。

4)鋼板焊接錨。從上世紀(jì)60年代開始，出現(xiàn)了多種具有焊接結(jié)構(gòu)錨爪以及鑄鋼錨柄的錨，例如N型和TW型波爾錨、闊鰭型德爾泰錨、史蒂汶系列的錨等。后來出現(xiàn)的布魯斯TS錨則是全焊接結(jié)構(gòu)錨，而近年來出現(xiàn)的高性能錨諸如史蒂芙帕瑞斯錨、史蒂芙夏克錨,布魯斯FFTS錨等都是全焊接結(jié)構(gòu)錨。

5)先進(jìn)的研究和設(shè)計方法。由于實錨試驗和海上試驗耗資巨大，尤其是海上試驗根本看不到錨，因此模型試驗十分重要，對于開發(fā)新型的錨是絕對必須的。

無論是拖曳埋置錨還是樁錨、吸力樁或板錨，都是在嚙入土中后才能發(fā)揮其作用，因此錨的性能與底質(zhì)的性質(zhì)有密切的關(guān)系，涉及到許多土力學(xué)問題，尤其是樁錨、吸力樁和板錨的設(shè)計和安裝，需要了解底質(zhì)的原始和重塑后的剪切強度、固結(jié)特性（可壓縮性和滲透性）、持續(xù)負(fù)荷下的剪切失效、振動引起的液化、P-y曲線、淘空、地震影響等等。為此需要進(jìn)行大量的表層地質(zhì)勘察（鉆孔或取芯），取得土樣，并進(jìn)行分析試驗，從而得到必需的數(shù)據(jù)，供設(shè)計和安裝分析使用。

現(xiàn)代海洋工程裝置用的拖曳埋置錨的研究不僅要對錨在各種底質(zhì)中的抓力測定，還要研究錨在拖曳入土過程中的抓力變化，并測定其達(dá)到最大抓力時的嚙入深度及拖曳距離。目前對錨更深入的研究是采用土工力學(xué)的離心機模擬試驗，已獲得了拖曳埋置錨在軟粘土中由先導(dǎo)索、循環(huán)加載和浸泡對錨的抓力的影響等最新研究成果。

吸力樁的設(shè)計需進(jìn)行穿透分析和撤除分析，以及預(yù)報支持能力和錨結(jié)構(gòu)分析。板錨（拖曳埋置式和直接埋置式）則是通過錨索施加于錨上的力，穿透底質(zhì)，進(jìn)入土中，在設(shè)計中同樣需要進(jìn)行穿透分析。板錨能否充分發(fā)揮其支持能力取決于其最終定位方向和深度，因此，關(guān)鍵在于安裝過程中錨的軌跡的預(yù)報。而在吸力樁和板錨的分析和設(shè)計中應(yīng)用了有限元法、極限平衡法、塑性極限分析法和梁-柱分析法等先進(jìn)的分析方法。

由上所述可看出，現(xiàn)代海洋工程裝置用錨的研究和設(shè)計涉及到土力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)等多門學(xué)科，采用了一系列新的研究和設(shè)計方法，特別是對于海上安裝提出了很高的要求，已經(jīng)真正成為跨學(xué)科的高科技工程項目。

4 國內(nèi)錨的研發(fā)情況

國內(nèi)目前已經(jīng)開發(fā)出了若干品種的大抓力錨，其中較成熟的有AC-14錨、N型波爾錨、丹福斯錨、LWT錨等，而諸如TW型波爾錨、闊鰭型德爾泰錨、史蒂芙帕瑞斯錨等雖已開發(fā)出來，但性能還不夠理想，尚需作進(jìn)一步的改進(jìn)。

5 結(jié) 語

綜觀錨的發(fā)展歷史，可以看到隨著現(xiàn)代船舶特別是油船的大型化以及海洋工程的開發(fā)，歐美先進(jìn)工業(yè)國家的海軍以及造船和石油行業(yè)，在艦船及海洋工程裝置用錨的研究和開發(fā)中，投入了大量的人力和物力，通過幾十年的努力，不斷創(chuàng)新，涌現(xiàn)出許多新型的大抓力錨，從而使得艦船和海洋工程裝置用錨得到了前所未有的發(fā)展。

然而，值得深思的是，一方面國內(nèi)仍然在生產(chǎn)落后的鑄鋼錨，安裝在出口船舶上，直接出口；另一方面鋼板焊接的高性能海洋工程裝置用錨卻不得不仰賴進(jìn)口。如今，中國發(fā)出了要成為世界第一造船強國的誓言，而且提出了要開發(fā)海洋工程裝備的規(guī)劃，因此急需在錨的研究方面加大投入，研發(fā)出新型的海洋工程裝置用錨，縮小與國際先進(jìn)水平的差距。

[1] API RP2SK.Design and Analysis of Stationkeeping System for Floating Structures[M].Third Edition, 2005.

[2] 中國船舶工業(yè)總公司.船舶設(shè)計實用手冊，舾裝分冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，2002.