霍尔锚拖曳运动状态离心模型试验与数值模拟研究

对于平铺或浅埋在海床中的海底管道和电缆,意外的拖锚作业是影响其安全运营的重要因素之一。由于锚在土中的拖动过程中时刻发生着土的大变形和破坏,涉及材料非线性、几何非线性及接触非线性等诸多力学问题,通过解析的研究手段很难准确地分析拖锚过程。采用离心模型试验和数值分析相结合的手段展开拖锚研究,测试和计算了不同重量的船锚在不同类型海床上的运动趋势、拖曳力发展规律、入土深度等。结果表明,在低强度的黏性土海床上拖锚,极有可能会产生一种假抓底现象;在中高强度的黏性土海床上拖锚,锚的拖动过程可以分为土台形成阶段、锚爪楔入阶段和运动稳定阶段三个阶段;在无黏性土和黏性土海床上,达到稳定阶段时拖动的距离分别是锚长的4倍和1.27~1.96倍;对于质量大于6 t的霍尔锚,无论在黏性土海床还是非黏性土海床上,锚爪的入土深度均大于1 m,拖锚作业很有可能会对海管或海缆造成直接损坏,需要引起重视。

考虑锚胫作用下拖曳锚在成层土中的嵌入机制

深水系泊系统及其系泊基础的开发已成为发展清洁能源“海上风电”项目的关键课题。拖曳锚由于其较大的承载力和易安装等诸多优势而具有较好的发展前景。基于极限塑性上限分析法,建立了考虑锚胫作用的拖曳锚在成层土中的嵌入轨迹、姿态以及承载力预测模型。利用已有模型试验对本模型进行验证,结果表明:考虑锚胫作用模型轨迹预测误差控制在13.5%,轨迹和角度预测误差相比于未考虑锚胫作用的模型分别降低了78.32%和36.9%。硬土层的强度、厚度和深度共同制约着拖曳锚的嵌入能力。首先,强度比影响最明显,强度比越大,嵌入深度越小,直至无法穿透硬土层;其次,是深度影响,深度越大,承载力越大。能够穿透硬土层的条件下深度对轨迹和角度影响不明显,不能够穿透硬土层条件下深度越大,嵌入深度越大,最终角度越小;最后,是厚度影响,硬土层厚度越大,嵌入过程中承载力越大。

珊瑚礁地质下海底电缆安全性能影响与防护措施探讨

珊瑚礁地质是我国南海岛屿周边海域的典型特征。我国南海的珊瑚礁地质特殊,存在无法深埋海底电缆的问题。在各类复杂环境因素的作用下,裸露的海底电缆极易受到破坏。文章围绕施工、渔业活动和海生物附着等各类复杂因素对海底电缆安全性能造成的破坏进行了风险评估,分析了破坏机制。同时,结合珊瑚礁地质下的海底电缆铺设和运维实际情况提出了多项海底电缆防护措施,将为海底电缆在我国南海典型珊瑚礁地质条件下的可靠运行提供更多支撑,保障系统运行安全。

高性能底封拖动分段压裂工具研制及试验

底封拖动分段压裂工具作为“三低”油气藏开发及低品位油气资源效益挖潜的一种利器,目前在国内油田大量推广应用取得了一定效果。但工具在长水平段中的作业性能难以满足油公司降本增效的需求。因此文章开展高性能底封拖动分段压裂工具研究,采用有限元模拟分析方法结合加工实际对喷嘴孔道参数、封隔器胶筒结构参数及卡瓦合金齿设计参数进行优化设计,数值计算结果表明喷嘴孔道长径比l/d,扩散角θ_(1),收缩角α_(1)在最优设计参数时喷嘴射流效果最佳。坐封胶筒采用“M”形结构,内外壁应力集中处设计应力释放槽,胶筒坐封时内部应力及管壁接触应力改善明显。锚定单元轴向承压70 MPa时卡瓦硬质合金齿的嵌入倾角α<27°,突出高度h<1.5 mm时套管径向形变最小。室内测试及现场应用结果表明,优化改进后的喷砂射孔器过砂能力10 m^(3)以上,封隔器胶筒反复坐封解封10次封隔压差70 MPa,作业管柱具备一趟管柱压裂10段以上的作业能力,能很好满足现场应用需求。

拖曳锚在浮式风机中的设计计算方法

海上浮式风电具有广阔的发展前景,而高昂的建造成本是阻碍其发展的关键因素。拖曳锚因其制造和安装成本低廉,成为浮式风电锚固基础的一种选择。以黏土场地为背景,通过采用经验图表法、理论计算方法以及有限元方法对黏土场地拖曳锚的贯入深度以及承载力进行了计算。结果表明,厂家提供的经验方法的计算精度较低,适用于拖曳锚的初始选型;理论计算方法对土体的抗剪强度较为敏感;有限元分析显示,拖曳锚的埋深是控制拖曳锚承载力的关键因素;根据上述计算结果提出了浮式风机拖曳锚设计计算的流程。计算结果显示,在进行拖曳锚设计计算时,需要根据流程并谨慎选择土体的抗剪强度,以保证工程的安全可靠。

船舶锚泊作业对海底管道安全风险分析

船锚撞击、拖曳是海底管道遭受第三方破坏,导致海底管道发生泄漏,造成海洋环境污染、生产停滞等严重后果的主要因素之一。针对渤海湾水域水深较浅、航运密集度高的现实情况,建立落锚贯入深度的数学模型,采用耦合的欧拉-拉格朗日方法模拟计算方法,计算出船舶落锚后的贯入深度,提出渤海湾某海底管道埋设深度的安全值;根据落物漂移轨迹理论,计算落锚击中海底管道的概率,综合分析得出船舶落锚对该海底管道安全风险;通过计算拖锚时锚爪的入土深度和渤海水域拖锚的可能性,得出拖锚对海底管道安全风险。分析计算落锚、拖锚等船舶锚泊作业对海底管道产生的安全风险,对海底管道管理方、船舶方、海事部门共同保护海底管道具有一定的指导意义。

系泊锚在海上浮式风机中的应用

综合调研现有海上浮式风机的种类、特征和系泊锚的基本情况,对于现有浮式风机常用的吸力锚、拖曳锚、重力锚在实际工程中的应用、设计施工考虑要点、优势与局限性进行分析。结果表明,深吃水立柱式(Spar)结构配吸力锚、半潜式结构配拖曳锚、张力腿平台(Tension Leg Platform,TLP)结构配重力锚是目前常用的配套形式,其中半潜式结构配拖曳锚认可度最高。上述结果可为我国海上浮式风机系泊锚型的选取与设计提供相应的参考依据。

拖锚载荷对南堡油田海底管道产生的风险分析

南堡油田海底管道周边无锚地,但海底管道可能受到正常航行船舶紧急抛锚时所导致的拖锚威胁。针对360 kg的霍尔锚,基于ABAQUS有限元软件和霍尔锚标准,对南堡油田地区拖锚入土极限深度进行了模拟,基于挪威船级社和德国劳氏船级社标准,对拖锚击中海底管道的可能性进行了计算。研究结果表明,按照管道周边5 000艘(次)/(年·km)的估测数量计算,拖锚击中管道的概率为1.21×10^(-5),根据南堡油田作业风险矩阵,判断南堡油田海底管道被拖锚击中的可能性为低;而对于覆土超过船锚极限入土深度的管段,其遭受第三方破坏的风险则更低。研究工作可为南堡油田海底管道风险管理决策提供技术支撑。

碎石保护结构防护海底管线的机理及模型试验研究

近海海底管线会在港口锚地处因船舶走锚而受到损害,碎石结构能够防护管线免受走锚的危害,因此研究碎石结构的防护机理对保护管线有重要意义。采用极限平衡方法分析了走锚状态下土楔对形状复杂的商用霍尔锚的作用力,提出了锚冠和锚爪的受力计算模式,采用3种不同几何相似比的模型锚在模型槽中进行了拖锚试验。模型试验的结果与计算结果相互吻合。锚体整体受力分析的结果表明,霍尔锚在从砂土进入碎石保护层后因力矩不平衡引起锚体翻转,使锚爪尖位置上移而远离埋设的管线,从而使管线避免走锚的伤害。该机理也通过模型试验得到验证。此外,不同试验锚重的归一化结果还说明,霍尔锚锚爪在碎石中的稳定入土深度约为爪长的0.45,拖曳力为2.5倍锚重,可为碎石结构设计参考。

准确判断船舶走锚方法

监测锚位,判断本船是否走锚是每一锚泊船值锚泊班驾驶员的主要工作之一。因本船走锚而导致的触礁、搁浅、碰撞等事故不胜枚举,研究一种能准确判断船舶走锚的简单可行方法迫在眉睫,这一直是航海人员研究的重要课题。尤其是在锚泊船密度大,锚泊水域受限,锚泊水域风、流、浪条件恶劣,锚地底质不良等的不利条件下,准确判断本船是否走锚尤为重要。提出了一种简单可行的准确判断本船是否走锚的方法,以便航海人员及时采取相应的措施控制走锚,确保船舶锚泊安全。

偏心系数和锚腚角对固定锚腚拖曳锚运动的影响

为观测和分析安装中拖曳锚在土中的运动特性,自制了由玻璃水槽、拖曳系统和拉力传感器组成的板锚拖曳试验装置。将硅凝胶与水混合制备成了透明土,依据有效重度强度比确定模型锚材料,按照1:50缩尺比例,在自制板锚拖曳试验装置上开展固定锚腚拖曳锚拖曳试验,研究了偏心系数和锚腚角对固定锚腚拖曳锚运动特性的影响规律。结果表明:该试验装置可以直接观测拖曳板锚嵌入土中运动的全过程;锚眼法向偏心距和切向偏心距不是独立参数,偏心系数能综合描述锚眼偏心对板锚在土中运动的影响;锚腚角是影响板锚在土中运动的重要参数,随着锚腚角增加,板锚最终嵌土深度先增加后减小;随着锚眼偏心系数增加,板锚最终嵌土深度先增加后减小;固定锚腚拖曳锚在土中的运动轨迹近似服从负指数函数曲线。

船舶锚泊的安全评价

利用ＭＭＧ模型建立锚泊船的船舶运动方程，采用蒙特卡罗法，对锚泊船的偏荡运动和走锚后的漂流运动进行计算机模拟，从而获得数据，建立评价指标，通过对船舶锚泊的安全分析得出较实用、科学的安全评价方法。

深水系泊新型拖曳锚研发关键技术

作为深海工程应用中一种新型的拖曳嵌入式系泊基础,法向承力锚与目前新型的深水绷紧索系泊方式结合,在深水条件下的优势非常明显。综合比较了新型拖曳锚、吸力锚以及桩锚在施工、性能以及经济性等多方面的特点,提出了开展新型拖曳锚研发的若干关键技术。在对国外的实验研究现状进行综合评述的基础上,重点介绍了在构建新型拖曳锚模型实验平台方面取得的成果,涉及模型水槽、拖曳与回收系统、测量系统、模型锚板设计以及拖曳-系泊转换机构等关键技术。

拖曳锚嵌入机理及运动特性实验研究

针对拖曳锚的嵌入机理和运动特性,设计并实施拖曳锚模型实验.模型实验系统主要由模型水槽、拖曳系统、测量系统和模型锚板4部分组成.实验采用接触式测量技术,实时测量了拖曳力、拖曳角、拖曳距离及锚板方位角、翻转角和运动位移等多运动参数.通过系统分析锚板的运动参数和嵌入轨迹,结果表明:设计锚胫角增大,对应锚板的方位角、嵌入深度和拖曳力均成倍增加;锚板形态对锚板的拖曳嵌入性能具有重要影响,优化的梯形锚板较矩形锚板的各方面性能均有所提高.由实验验证得出,矩形锚板在土中的行进方向平行于锚板平面;在嵌入过程中,锚板的方位角与拖曳角之和近似为常数.

饱和黏土中固定锚腚拖曳锚嵌入轨迹预测模型

饱和黏土中固定锚腚拖曳锚的嵌入轨迹和承载力预测是深水系泊系统设计的关键。从固定锚腚拖曳锚在饱和黏土海床嵌土的初始状态出发,将固定锚腚拖曳锚和周围土体视作宏单元,假设在锚链拉力作用下宏单元沿土体屈服面法向运动,利用锚链方程计算锚眼拉力,基于增量迭代法建立了预测固定锚腚拖曳锚嵌入运动轨迹和锚眼拉力的模型,编制了相应的计算程序。利用程序预测了Bruce Dennla MK4固定锚腚拖曳锚、Murff算例拖曳锚在饱和黏土中的运动轨迹和承载力,结果表明:本文所建立的模型预测结果正确,可以用于预测固定锚腚拖曳锚嵌入饱和黏土全过程中板锚的运动轨迹、运动形态和锚眼拉力;固定锚腚拖曳锚嵌入过程中,锚运动形态有一个调整过程,因此,旋转角先减小,而后增加,并逐渐趋于稳定值。

风流作用下锚泊船低频振荡分析及走锚预报

本文对锚泊船在风、流作用下的低频振荡运动状态进行了模拟计算,得到了运动的时间历程及锚链张力与运动之间的关系,给出了安全锚泊时的单锚泊出链长度与风级之间的估算公式,并对使用止荡锚和主机等设备来抑制船体运动的效果进行了评价.通过实船验证和分析,得出了一些对实际工作具有指导意义的结论.

板翼动力锚水中自由下落过程数值模拟

板翼动力锚是依靠自重完成安装并靠自重和海床土的抗力来锚固的新型动力锚。板翼动力锚在水中自由下落的阻力决定了锚到达海床表面时的速度,进而直接决定了锚贯入海床中的深度以及它能提供的承载力。板翼动力锚的形状比较复杂,采用计算流体动力学的方法研究板翼动力锚的下落速度、水平位移和转角与下落位移的关系。计算结果表明:板翼动力锚的拖曳阻力系数约为0.93~1.12之间;在沉贯过程中应使加载臂与翼板共面以减少阻力;板翼动力锚的终端速度约为28 m/s。

锚泊时锚链的振动频率与质量关系实验研究

锚链振动频率检测技术是为解决舰船走锚预警问题而研究的。利用模拟实验装置,初步研究锚链质量对锚泊时锚链振动频率的影响,对质量为155 g、325 g和475 g的锚链进行振动频率的对比实验。结果表明:在锚泊环境相同的情况下,锚链质量会明显影响锚链的振动频率;锚链越重,其振动频率越大,振动频率平均极大值与平均频率的比值、最小极大值与平均频率的比值越小,两个比值均可结合舰船实际情况进行适当调整作为走锚预警的频率阈值。结论可为基于锚链振动频率变化的舰船走锚预警技术深入研究提供参考依据。

基于ABAQUS的拖锚载荷对海底管线的影响研究

锚击是造成海底管线第三方损伤的重要因素.本文将拖锚对海底管线的损伤分为撞击、拖曳两个方面,并利用ABAQUS软件对上述两种作用方式进行数值模拟.撞击分析中,利用数值模型分析了管壁厚度、管线长度对最终凹痕深度的影响,并与其他撞击形式、规范计算值进行了对比.拖曳分析中,重点探讨了海床土壤性质的影响.结果表明,拖锚对海底管线的撞击作用影响相对较小,平铺于砂质海床上的管线最大拖曳力计算值更大.应用ABAQUS的有限元模型研究海底管线的抗锚害问题切实可行,对于管线设计、提高管线安全性有一定指导意义.

走锚预报方法的研究

通过对单锚泊船走锚机理的分析，提出一种利用测力传感器测定锚链张力的方法，对锚泊船进行走锚预报，并可连续监测抛锚和起锚全过程锚链的受力情况，以判断锚是否抓底或离地，可大大提高锚泊的安全性。