一種基於動力貫入錨板及其最終嵌入深度確定裝置的製作方法

2023-05-20 11:17:11 1

本發明涉及一種基於動力貫入錨板確定最終嵌入深度的方法，屬於海洋巖土工程領域中一種新的錨板最終動態嵌入深度測試方法。

背景技術：

在深水中漂浮的石油和天然氣設施需要錨固系統，不僅要求能夠承受很高荷載，而且要經濟、安裝便捷，深水裝置使用的是典型的停泊或者(拖嵌入式)垂直加載錨板或吸力沉箱，浮式液化天然氣設施的出現將使得相關的停泊線荷載增加，這就需要更高質量的錨技術，比如吸力式沉箱以及一些高效錨概念。動態安裝如魚雷樁安裝時間較短，在這方面具有優勢，但是它們提供相對較低的承載與重量比，這就意味著它們一定要提高所需要的承載能力，但受到成本與運營的影響。豎向加載板錨通過拖動安裝，驅動，或用吸力式沉箱，提供一個大的承載-重量比，這些都是有效的巖土處理技術，但有個缺點就是很難安裝，尤其是它們拖拽嵌入的時候。

預測一定深度的板錨承載力是相對簡單的，因為它是該場地的不排水抗剪強度、板投影面積以及一個無量綱的承載因子的函數，然而對於錨安裝軌線以及最後嵌入深度是很難確定，挑戰性更強，需要在廣泛的海底足跡確定精確的剪切強度數據。錨的安裝操作變得越來越複雜，耗時長，隨著貫入水中深度增加，成本也增加。

一個相對較新的錨概念，簡稱動力貫入錨板(DEPLA)，結合動態安裝的錨的安裝優勢以及具有垂直加載板錨承載容量的優勢。該DEPLA包括一個可移動的中心軸或「探杆」，一套四片安裝在圓柱套筒，並用剪切銷與跟隨器相連。將DEPLA安裝在其他動態安裝錨，通過從海平面上方一定高度釋放錨，錨將以接近其終端速度的速度衝擊海床，隨後貫入海底沉積物。等到DEPLA在海底已經靜止，探杆檢索線拉緊。這將導致剪切銷分離(在撞擊過程中沒有損壞的情況下)，探杆離開垂直埋在海底的錨爪，檢索尋找下一個安裝。這些嵌入錨爪構成板錨的承重單元。當足夠的荷載在系泊上，該板旋轉或「鍵」的朝向大致垂直於加載方向孔眼，使板的承載性能全部調用，承載能力增加。

本發明基於動力貫入錨板(DEPLA)，提出最終嵌入深度預測方法是非常有意義的，使得勘測過程方便、快速、準確、經濟，為海洋巖土工程勘測設計、施工提供快捷有效成本低廉的測試參數。

技術實現要素：

技術問題：本發明要解決的技術問題是針對海洋深水中漂浮的石油和天然氣設施的錨固系統耗時長，成本高，測試不準確等問題，提出一種基於動力貫入錨板及其最終嵌入深度確定裝置。利用該測試裝置能夠自行進行數據的收集、處理、儲存工作。還能夠快速有效地確定最終嵌入深度，為海上資源開採設施的錨固系統的施工提供便捷，有利於海洋資源的開展以及海洋巖土工程的發展。

技術方案：本發明公布了一種基於動力貫入錨板及其最終嵌入深度確定裝置，該裝置包括兩部分，

一部分為動力貫入錨板探杆，錨板探杆上部與安裝和探入檢索繩用的終止帽連接；

另一部分甲板包括剪切銷、錨板套、錨板吸爪；錨板套位於錨板吸爪中間，它們之間通過焊接固定，形成甲板；剪切銷位於錨板套兩端，用來連接固定探杆與錨板套；

錨板探杆從錨板套穿過，錨板探杆探頭另一端與錨板套相連接，錨板吸爪上設有孔眼，孔眼將系泊繩與錨板吸爪連接。

優選的，錨板探杆是實心的防水鋁合金管，長為185mm，直徑為42mm。

優選的，錨板探杆頂部是空的，安裝有六自由度慣性測試單元(IMU)。

優選的，六自由度慣性測試單元包括一個16節三部分微機電系統組件的速度陀螺和一個13位的三軸MEMS加速度計以及數據記錄的卡。

優選的，六自由度慣性測試單元(IMU)中陀螺儀解析度為0.07°/s.，量測範圍為+/-2000°/s；加速度計解析度為0.04m/s2，測試範圍為+/-16g。

優選的，系泊繩及檢索繩為迪尼瑪繩，直徑範圍在10-18mm。

有益效果：本發明解決了海洋深水中漂浮的石油和天然氣設施的現有錨固系統耗時長，成本高，測試不準確等問題，具有方便、快速、精確、低成本等特點，並自行進行數據的收集、處理、儲存工作。為近海巖土工程勘測設計、施工提供快捷有效經濟的測試參數，有利於海洋資源的開展以及海洋巖土工程的發展。

附圖說明

圖1是本發明的動力貫入板錨裝置圖；

其中有：動力貫入錨板探杆 1，剪切銷 2，錨板套 3，錨板吸爪 4，孔眼 5，系泊繩 6，終止帽 7，安裝和探入檢索繩 8。

圖2是本發明動力貫入整體裝置圖；

其中有：起重機 9，駁船 10，基板線 11，絞車 12，滑輪 13，高速攝像 14，跟隨線 15。

具體實施方式

本發明的一種基於動力貫入錨板及其最終嵌入深度確定裝置，該裝置包括兩部分，

一部分為動力貫入錨板探杆1，錨板探杆1上部與安裝和探入檢索繩8用的終止帽7連接；

另一部分甲板包括剪切銷2、錨板套3、錨板吸爪4；錨板套3位於錨板吸爪4中間，它們之間通過焊接固定，形成甲板；剪切銷2位於錨板套3兩端，用來連接固定探杆1與錨板套3；

錨板探杆1從錨板套3穿過，錨板探杆1探頭另一端與錨板套3相連接，錨板吸爪4上設有孔眼5，孔眼5將系泊繩6與錨板吸爪4連接。

錨板探杆1是實心的防水鋁合金管，長為185mm，直徑為42mm。

錨板探杆1頂部是空的，安裝有六自由度慣性測試單元(IMU)。

六自由度慣性測試單元包括一個16節三部分微機電系統組件的速度陀螺和一個13位的三軸MEMS加速度計以及數據記錄的卡。

六自由度慣性測試單元(IMU)中陀螺儀解析度為0.07°/s.，量測範圍為+/-2000°/s；加速度計解析度為0.04m/s2，測試範圍為+/-16g。

系泊繩6及檢索繩8為迪尼瑪繩，直徑範圍在10-18mm。

錨板最終嵌入深度是根據能量守恆定律，基於實測加速度分析動態貫入過程，假定錨尖嵌入深度ze，tip，通過迭代法反算接近參考值。相關關係較為可靠，採用該方法，具有原位、快速、準確、經濟等特點。為海洋巖土工程勘測設計、施工提供快捷有效的測試參數。

測試時將六自由度慣性測試單元(IMU)充電後安裝在動力貫入錨板探杆中，然後將動力貫入錨板安裝在甲板上，通過降低錨板探杆穿過錨板吸爪，用剪切銷連接探杆與吸爪。將錨降低水中到所需的跌落高度，然後釋放通過打開連接探杆檢索繩與絞車的快速釋放鎖扣，使得錨自由下落，貫入海底。錨尖嵌入深度，ze，tip通過發送一個遠程操控高速攝像機到海床來檢測探杆檢索繩上的標記。隨著動態貫入，荷載單元與一系列的絞盤線與探杆檢索繩連接，絞車的提升速度為30mm/s。探杆的運動相對於板錨吸爪引起剪切銷的破壞，這樣允許探杆被檢索到船甲板上。板錨系泊線然後連接到電纜絞車與牽引線傳感器平行於電纜絞車來監測繩的位移。使用絞車進行板的豎向加載，引起系泊線移動以30m/s的速度移動，直到動力貫入錨板被檢索到從海底，重新在船甲板上恢復。

錨板探杆是實心的防水鋁合金管，長為185mm，直徑為42mm。

錨板探杆頂部是空的，安裝有六自由度慣性測試單元(IMU)。

六自由度慣性測試單元(IMU)包括一個16節三部分微機電系統(MEMS)組件的速度陀螺(ITG 3200)和一個13位的三軸MEMS加速度計(ADXL 345)以及數據記錄的(SD)卡。

六自由度慣性測試單元(IMU)中陀螺儀解析度為0.07°/s，量測範圍為+/-2000°/s.加速度計解析度為0.04m/s2，測試範圍為+/-16g。

系泊繩6及檢索繩8為迪尼瑪繩，直徑範圍在10-18mm。

採用能量守恆定律，假定錨尖嵌入深度ze，tip，通過迭代反算接近參考值，然後確定最終嵌入深度，速度由加速度積分數值計算，其總能量關係式表示為：

參考值的關係式如下：

式中，m為錨的總質量，m′是錨的有效質量(嵌入土中)；deff＝(4Af/π)0.5；Af為總正面面積(錨軸和錨爪)；k為土強度梯度的影響係數。

在給定設計荷載情況下，對於動力貫入錨板預測嵌入深度的迭代方法具體如下：

1、假定一個總體錨的大小，給定錨質量為m和幾何形狀，錨的衝擊速度可以計算通過錨給定的錨釋放高度使用下列方程：

md2s/dt2＝Ws-Fd

Ws為錨淹沒在水中的重量，Fd為拖拽力，計算如下：

其中Cd為錨的拖拽係數，一般取0.7，ρs為土的密度，Af為錨的正面面積，v是錨的合速度，

2、假定錨尖嵌入深度為ze，tip，總的能量計算用下列關係式，衝擊速度可由加速度數值積分獲得，其關係式表示為：

3、調整錨的大小與錨尖貫入深度直到ze，tip/deff與Etotal/kdeff4關係組合位於預測線上求解所需要的k和α。其中α為界面的摩擦比。

4、使用下列方程計算板錨嵌入由於人為操控損失，來確定最終的板嵌入深度ze，plate

5、從下列關係式中選擇一個承載係數Nc：

當ze，plate/D≥2.5時，Nc＝14.9；

當ze，plate/D≤2.5時，Su為不排水抗剪強度，γ′為土的有效重度，

6、計算最終板埋置深度錨固力利用步驟5中已確定的承載係數和錨在土中淹沒的重量。

7、重複步驟1-6直到錨承載力至少與所需要的設計荷載值相等。

本發明解決了海洋深水中漂浮的石油和天然氣設施的現有錨固系統耗時長，成本高，測試不準確等問題，能夠方便、快速、精確、低成本地測定海底超軟土的工程力學性質，並自行進行數據的收集、處理、儲存工作。為近海巖土工程勘測設計、施工提供快捷有效經濟的測試參數。