传统的拖曳式锚虽然具有大承载力、经济适用等优点,并被广泛地应用于悬链式系泊系统中,但由于深水张紧式系泊系统对系泊基础的高承载力和系泊线角度变化范围的要求,拖曳式锚不再适用,法向承力锚与传统的拖曳式锚类似,但深入土壤更深,可以承受水平力和垂向力,能达到良好的效果,因而它逐渐成为深水系泊系统中一种主力的基础形式。
法向承力锚有两种具体样式:①荷兰的施特夫曼塔(Stevmanta)式;②英国的丹尼拉(Dennla)式。
工作时沿锚板法线方向受力的板式锚。
传统的拖曳式锚虽然具有大承载力、经济适用等优点,并被广泛地应用于悬链式系泊系统中,但由于深水张紧式系泊系统对系泊基础的高承载力和系泊线角度变化范围的要求,拖曳式锚不再适用,法向承力锚与传统的拖曳式锚类似,但深入土壤更深,可以承受水平力和垂向力,能达到良好的效果,因而它逐渐成为深水系泊系统中一种主力的基础形式。
法向承力锚有两种具体样式:①荷兰的施特夫曼塔(Stevmanta)式;②英国的丹尼拉(Dennla)式。
能达到法向受力状态,主要分为永久式和移动式两种(图1)。①永久式。主要用来满足长时间的工程强度和疲劳要求,锚胫由四根铁杆组成,这样可以减小安装阻力以获得更大的入土深度。通常永久式Stevmanta法向承力锚使用后不再重新利用。②移动式。法向承力锚能够进行多次安装,在工作和回收的过程中,安装荷载比永久式要小得多,所以铁杆锚胫可以由铁链代替。回收时可以用机械方法将前面两根锚链与锚板分离,沿背离锚板方向拖拉后两根锚链,很容易回收再利用。
1996年,在中国的南海流花11-1油田开发中,首次使用了法向承力锚作为浮式生产储油装置(FPSO)的系泊基础。1996年和1998年,荷兰分别在墨西哥湾和巴西近海对Stevmanta式法向承力锚进行了一系列现场试验,对其工作性能和承载能力做了相关研究。1998年,在巴西的P-27工程中,12个11米2的 Stevmanta式法向承力锚首次应用于FPSO并取得了成功。2000年,在巴西的P-36和P-40工程中都成功应用32个13米2的 Stevmanta式法向承力锚。法向承力锚在国内外的应用比较多,大部分集中在巴西的近海海域,其中以Stevmanta式法向承力锚应用最多。
新型的触发式锚,该类型的锚具备优越的抗拔性能,极限承载能力可达到锚体自身重力的100倍以上。其主要由锚杆和锚板组成。在锚板上面设计有一立面结构,在此结构上面有类似滑槽的结构,锚杆一端固定于滑槽之内并且可以沿滑槽移动,从而适应锚的安装、作业、回收等不同的状态及实现各个状态间的转化。当该形式的锚在工作时,经过其锚爪质心的载荷作用线与锚爪的夹角可以从15°达到80°左右,接近法向受力,该种类型的锚在埋置和承受极限载荷的所有阶段都是作为拖曳式锚来工作的。
安装Dennla锚的过程中,当其拖曳深度超过锚爪面积的平方根的3倍时,增加系缆拉力直到系泊线装置中产生的预张力达到预设值,当锚杆和锚板之间的夹角由25°达到45°左右时,锚上的剪力销脱离锚身使夹角增大到大约80°,此时的系泊线升角约为40°,由于这个角度的变化产生了一种特有的现象,即系泊线持续加载可以使Dennla锚埋置越来越深,抓力也随之不断增大。假如当Dennla锚达到极限拖曳深度时超载,它将保持稳定的承载力在海床里水平移动。
以典型的Stevmanta式法向承力锚为例。
由锚板、软索锚胫和角度调节器组成(图2)。传统的拖曳嵌入锚的刚性锚胫被软索锚胫代替,锚胫与锚板之间的角度可以变化,取决于可调的前后软索长度的比值。4条软索锚胫与一个角度调节装置连接在一起,可以把系泊线和安装拖曳缆固定在不同的受力点,也可以只通过安全销,改变锚的受力点,完成法向承力锚从安装状态到工作状态的转变。
以典型的双缆安装法为例(图3),在安装拖曳阶段,安装拖曳缆和系泊线分别与角度调节器上的前后两个孔相连,此时安装拖曳缆为主动缆,锚在安装缆的拉力作用下嵌入海床。当达到预定埋深和一定的安装荷载后,系泊线变为主动缆,通过对系泊线施加拉力,使锚的受力点发生改变,从而进入法向受力的工作状态。
法向承力锚工作时处于法向受力状态,承载力性能较高。与传统的拖曳式锚相比较,具有以下突出特点:①法向受力。在正常工作状态下,法向承力锚所受到的荷载(上拔力)方向与锚板平面的外法线方向平行。这种锚在土中的工作性能和一块嵌埋在土中的法向受力的板非常相似。②高承载力。由于法向承力锚独特的法向受力的特性,使得这种锚具有很高的承载力。试验表明法向承力锚可以承受自身重量100倍以上的荷载,而这种锚工作时的极限抗拔力可以达到安装荷载的2.5~3倍。③法向承力锚对系泊线角度(荷载方向)变化范围的要求不十分严格,既可以承受水平方向的荷载,又可以承受竖直方向的荷载,是理想的张紧式系泊系统的系泊基础。而与吸力锚相比,法向承力锚材料更省,承载性能更强,施工更为简便。像传统的拖曳嵌入锚一样,法向承力锚的安装施工也由拖锚安装船来完成,施工方法简单,易操作,同样,其回收施工也很简单易行。