領(lǐng)域

一種用于將對(duì)象錨固在水中的改進(jìn)的水下錨系統(tǒng)。

背景

系泊海上的對(duì)象通常需要在平臺(tái)與海底之間的多根系泊纜線以及在海底上的連接到系泊纜線的適當(dāng)錨。目前使用的系泊系統(tǒng)包括圖1所示的懸鏈系泊和圖2所示的拉緊系泊。圖3示出已知系泊纜線分布。

在懸鏈系泊中，懸鏈系泊纜線抵抗由纜線重量造成的水平力，纜線通常是鋼鏈或金屬絲繩。當(dāng)纜線頂部水平移動(dòng)時(shí)，懸鏈的下垂減小且水平恢復(fù)力增加。相對(duì)于水平力，纜線的水平剛度與纜線的重量直接相關(guān)。

在拉緊系泊中，拉緊系泊纜線通過拉伸抵抗水平力。纜線相對(duì)輕(例如合成繩索)并在拉力下保持相對(duì)直。水平剛度與纜線的剛度而不是其重量直接相關(guān)。

用于這些類型系泊的錨必須設(shè)計(jì)成承受在海床由纜線施加的最大水平和垂直負(fù)載。懸鏈系泊通常設(shè)計(jì)成使得錨不經(jīng)受任何垂直負(fù)載(“上提”)。這需要比拉緊系泊長(zhǎng)的纜線長(zhǎng)度(“范圍”)并需要在海床上分配給系泊分布的較大面積，即較大的“占地面積”。由于低成本的系泊纜線和較小的占地面積，近年來海上對(duì)象在深水中的系泊青睞拉緊系泊。但是，拉緊系泊需要能夠承受上提的錨。

目前有多種常見類型的錨。拖曳嵌埋式錨通常用于諸如鉆機(jī)的臨時(shí)系統(tǒng)的懸鏈系泊。目前使用的大多數(shù)永久系泊使用拉緊系泊和用水下樁錘驅(qū)動(dòng)或使用抽吸原理安裝的樁錨。這些“抽吸式錨”通過將它們垂直設(shè)置在海床上以圍繞其基部形成密封來進(jìn)行安裝。通過從其內(nèi)部抽水而達(dá)到大的壓差，該大的壓差致使樁被“抽吸”到海床內(nèi)。

多種常規(guī)錨需要厚層的適當(dāng)?shù)啄嗷蛏硜碜饔谩Ｋ鼈儾贿m用于巖石底部或具有例如珊瑚化(coralific)或鈣化底泥的高度有機(jī)底泥的區(qū)域。對(duì)于這些類型的區(qū)域，可利用重力錨或鉆孔樁錨。兩種形式的重力錨包括上置有巖石或鐵礦石的格架或裝有壓載物的重力盒。重力錨用重量抵抗上提，并用底部摩擦抵抗水平力。

重力錨需要是非常重的來抵抗垂直和水平負(fù)載。如果錨部署在深水中，則僅有的能夠提升和降低這些重錨的船可能是每天耗費(fèi)幾十萬美元的大型起重船?；蛘?，可用較小較廉價(jià)的船來降低較輕的盒子或格架，但然后必須安裝壓載物。

鉆孔的樁錨通常需要昂貴的鉆探船進(jìn)行安裝。此外，鉆孔的樁錨需要海床上的系泊線附連件。由于由水平力的偏心率施加到樁的大彎矩，將系泊纜線附連到樁頂部通常是不利的。附連點(diǎn)通常低于海底、靠近來自土壤的反作用力的中心。這對(duì)鉆入巖石的樁提出了困難的設(shè)計(jì)問題，因?yàn)椴荒軐⑾挡蠢|線附連到海床以下。為此，鉆孔錨更通常用作張緊樁。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

描述了一種水下錨固概念，其尤其適用于巖石底部或底泥厚度不足以進(jìn)行常規(guī)錨固的地方。該水下錨可用海床鉆進(jìn)行遠(yuǎn)程安裝，不再需要地面上昂貴的深水鉆機(jī)。此外，錨以允許沿樁沿軸向承受大部分系泊力的方式來設(shè)計(jì)，消除了與常規(guī)鉆孔樁和系泊相關(guān)的彎曲力和剪切力。水下錨可用于例如拉緊系泊系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)錨上水平力和垂直力之間的最佳關(guān)系。

在一實(shí)施例中，水下錨采用通過一個(gè)或多個(gè)樁錨固定到海底的框架，樁錨例如是灌漿的樁錨。該框架構(gòu)造成允許其與一個(gè)或多個(gè)海床鉆共同起作用，并將該鉆定向成允許樁錨以預(yù)定角度安裝。在一實(shí)施例中，預(yù)定角度是相對(duì)于水平方向的銳角，所以樁錨可承受水平和垂直負(fù)載。在一實(shí)施例中，框架設(shè)計(jì)成允許使用多個(gè)樁錨。當(dāng)使用灌漿的樁錨時(shí)，可采用在深水中對(duì)樁錨灌漿的系統(tǒng)。

所揭示的水下錨可用于將任何類型的對(duì)象錨固在水中，例如諸如海洋熱能轉(zhuǎn)化系統(tǒng)(OTEC)系統(tǒng)、鉆井平臺(tái)等的浮動(dòng)結(jié)構(gòu)。此外，所揭示的水下錨可用于將浮動(dòng)對(duì)象錨固到任何水體、淡水或海水。因此，術(shù)語水下、海底等旨在也包括淡水用途。

在一實(shí)施例中，水下錨包括框架、連接到框架的系泊纜線連接部位、以及允許將海床鉆安裝在框架上的在框架上的海床鉆安裝系統(tǒng)。該安裝系統(tǒng)將海床鉆定向成海床鉆可將樁錨以預(yù)定角度安裝在海床內(nèi)。海床鉆用于安裝連接到框架的至少一個(gè)樁錨，使樁錨以預(yù)定角度布置。在一實(shí)施例中，樁錨相對(duì)于水平方向成銳角延伸，大致平行于連接到框架的系泊纜線的合成負(fù)載方向。

該安裝系統(tǒng)允許調(diào)節(jié)海床鉆在框架上的位置，從而海床鉆可安裝多個(gè)傾斜的樁錨。該安裝系統(tǒng)可以是允許調(diào)節(jié)鉆位置的任何系統(tǒng)，例如一對(duì)平行的U形軌道。該框架可包括在框架的第一和第二側(cè)上的一對(duì)平行U形軌道。

在一實(shí)施例中，當(dāng)樁錨成銳角時(shí)，樁錨可相對(duì)于水平方向以大于或等于約20度但小于約90度的角度延伸。

一種錨固方法，包括將框架放置在海底上，該框架包括系泊纜線連接部位。海床鉆被安裝在框架上使得海床鉆可將樁錨以預(yù)定角度安裝在海床內(nèi)。海床鉆用于以預(yù)定角度安裝樁錨，然后將安裝好的樁錨連接到框架。

附圖

圖1示出常規(guī)懸鏈系泊概念。

圖2示出常規(guī)拉緊系泊概念。

圖3示出常規(guī)系泊系統(tǒng)的常規(guī)系泊纜線分布。

圖4A-D分別是本文所揭示水下錨的立體圖、俯視圖、側(cè)視圖和端視圖。

圖5和6示出與錨配合以安裝樁錨的一對(duì)海床鉆。

圖7示出本文所揭示水下錨的另一實(shí)施例。

具體實(shí)施方式

參照?qǐng)D4A-D，示出新型水下錨10。錨10包括用于擱置在海底上的框架12和將框架12固定到海底的一個(gè)或多個(gè)樁錨14。錨10尤其適于用在主要是平坦巖石的海底上，或者底泥厚度不足以允許使用常規(guī)嵌埋式或抽吸式錨的情況。

在所示實(shí)例中，框架12通常呈矩形，由鋼梁(或其它適當(dāng)材料的梁)的柵格組成，并使用八個(gè)樁錨14。在該實(shí)例中，框架12的底部通常是平坦的，允許框架擱置在大致平坦的海底上?？蚣?2的底部可具有其它構(gòu)造以大致對(duì)應(yīng)于框架所布置于其上的海底的輪廓?？蚣?2還包括由板24上的一對(duì)凸緣22a、22b形成的系泊纜線連接部位16，板24適當(dāng)?shù)毓潭ㄔ诳蚣?2的頂部?？刹捎闷渌挡蠢|線連接構(gòu)造。此外，也可在框架12上設(shè)置其它系泊纜線連接部位。

沿框架12的相對(duì)側(cè)形成傾斜壁18。壁18形成用于將樁錨14的端部連接到框架的連接部位。壁18傾斜布置成使得壁的平面大致垂直于樁錨14的縱向軸線。

樁錨14例如是灌漿的樁錨，其定向并構(gòu)造成承受垂直和水平負(fù)載。盡管示出八個(gè)樁錨14，但也可使用更多或更少數(shù)量的樁錨，部分取決于錨10的具體應(yīng)用和預(yù)期負(fù)載。此外，盡管圖4A-D示出每側(cè)上四個(gè)樁錨，但框架每側(cè)上樁錨的數(shù)量可以變化且不需要每側(cè)上相等。

樁錨可以以預(yù)定角度延伸。在所示實(shí)例中，樁錨相對(duì)于水平方向以銳角α延伸。在所示實(shí)例中，樁錨相對(duì)于水平方向以相同角度α延伸。例如，樁錨可相對(duì)于水平方向以大于或等于約20度但小于約90度的角度α延伸。在一實(shí)施例中，角度α可約為45度。

在一實(shí)施例中，樁錨14中的至少一個(gè)的縱向軸線大致平行于箭頭20標(biāo)示的系泊纜線合成負(fù)載方向。在圖4A-D所示的實(shí)例中，錨10一側(cè)上的四個(gè)樁錨14的縱向軸線大致平行于系泊纜線合成負(fù)載方向20。因此，錨10尤其適用于拉緊系泊纜線系統(tǒng)。這還能夠通過允許使用更陡、更垂向/較少水平的系泊纜線設(shè)計(jì)而優(yōu)化系泊纜線設(shè)計(jì)，這致使縮短系泊纜線的長(zhǎng)度。由于系泊纜線是制造昂貴的非常專業(yè)的產(chǎn)品，較短的系泊纜線可降低系泊纜線的成本。但是，錨10可用于除拉緊系泊纜線系統(tǒng)外的系泊纜線系統(tǒng)。

此外，樁錨14的尺寸和構(gòu)造可部分地根據(jù)負(fù)載以及所用樁錨14的數(shù)量而變化。但是，在所示實(shí)施例中，相信直徑在約100mm至約200mm之間且長(zhǎng)約12m的樁錨就足夠了。該長(zhǎng)度可基于海床的成分和強(qiáng)度而變化。在另一實(shí)施例中，樁錨14的間距可例如至少為樁錨直徑的約8倍，以避免相互作用影響并使樁錨的負(fù)載承載效率最大。

可用于框架12的適當(dāng)灌漿的樁錨的實(shí)例是Ischebek Titan 103/51。灌漿的樁是陸地民用工程建筑應(yīng)用中完善的錨固技術(shù)。使用端部上有保護(hù)性鉆頭的管狀管將樁鉆入地面。一旦樁達(dá)到所需深度，則停止鉆入。然后將流體灌漿泵入管狀管并通過管和/或鉆頭內(nèi)的排泄孔排出。然后流體灌漿填充管狀管與地面中鉆孔壁之間的環(huán)形空間。一旦灌漿固化，則管狀樁黏合到地面。

框架12設(shè)計(jì)成與一個(gè)或多個(gè)海床鉆相互作用以允許安裝傾斜樁。以下將參照?qǐng)D5和6描述將框架12構(gòu)造成與海床鉆相互作用的方式。海床鉆需要能夠?qū)跺^鉆入海床。當(dāng)海床鉆穿入海床時(shí)，海床鉆具有轉(zhuǎn)動(dòng)和/或錘擊樁錨、驅(qū)動(dòng)它們進(jìn)入海床、擱置樁錨的桿和樁錨部件、以及組裝各段樁錨和樁錨部件的功能。適當(dāng)?shù)暮４层@機(jī)是已知的，但它們主要用于海床取樣和采樣。適當(dāng)海床鉆機(jī)的實(shí)例是德克薩斯州休斯頓的海底地質(zhì)服務(wù)公司(Seafloor Geoservices)制造的ROVDRILL M80。通過使用海床鉆，不再需要在地面上的昂貴的深水鉆機(jī)。

圖5和6示出具有框架32的水下錨30的實(shí)施例，框架32構(gòu)造成與海床鉆34相互作用。在該實(shí)施例中，框架32的每側(cè)包括沿其長(zhǎng)度的一對(duì)平行U形軌道36。軌道36的開口面彼此面對(duì)，從而形成用于接納并引導(dǎo)海床鉆34的邊緣的引導(dǎo)通道。這允許鉆34沿框架32定位在不同位置。可在圖4A-D所示的框架12上在其一側(cè)或兩側(cè)上采用類似軌道系統(tǒng)，用于安裝一個(gè)或多個(gè)海床鉆。

此外，框架32的每側(cè)傾斜成使得當(dāng)海床鉆34安裝在引導(dǎo)通道內(nèi)時(shí)，鉆34以正確角度定向以將樁錨38以所需角度α鉆入海床。也可使用允許海床鉆與框架相互作用以將樁錨以適當(dāng)角度鉆入的其它機(jī)構(gòu)。圖5和6是示出同時(shí)作業(yè)的一對(duì)鉆34，每個(gè)在一組軌道36上，且各附連成與樁錨的所需角度匹配。但是，也可考慮僅部署單個(gè)鉆。

可制備用于樁錨的灌漿并在地面支承容器上混合并向下泵送到海床鉆機(jī)。然后可如上所述將灌漿泵入管狀樁。這在石油&天然氣工業(yè)中是公知過程，其中管狀油井套和管規(guī)則地灌漿到海床內(nèi)。或者，灌漿可在海底或海底附近混合?？墒褂脡毫刂葡到y(tǒng)來控制灌漿壓力并避免海床水壓破裂的風(fēng)險(xiǎn)。海床水壓破裂是不理想的，因?yàn)樗赡芙档秃４餐寥阑驇r石的強(qiáng)度，且因此有損樁錨的強(qiáng)度。

盡管圖5和6中未示出，但錨30也可包括用于將一根或多根系泊纜線連接到錨30的一個(gè)或多個(gè)系泊纜線連接部位。系泊纜線連接部位可類似于圖4A-D中的連接部位16或可用任何方式構(gòu)造成允許連接一根或多根系泊纜線。

圖4A-D和5-6示出大致矩形的框架。但是，也可能是多種不同的框架形狀。例如，圖7示出大致多邊形、例如六邊形的框架50。該框架也可呈大致圓形。多邊形或圓形設(shè)計(jì)是有利的，其通過諸如使用圖5和6討論的軌道系統(tǒng)允許將單個(gè)海床鉆安裝到框架50上，使得單個(gè)海床鉆有可能安裝所有的樁錨而不必拆除鉆并將鉆重新安裝在框架50上。圖7中樁錨52中的至少一個(gè)定向成其大致平行于連接到系泊纜線連接部位54的系泊纜線的合成負(fù)載方向。

也可能是不同的鉆入定向角度。圖5和6示出與水平方向成角度α，該角度α大于圖4D所示的角度。通過使樁錨傾斜，樁錨的軸向或縱向承受大部分系泊力，使通常與鉆孔樁錨相關(guān)的彎曲和剪切力最小并可能消失。

為了確保錨框架與安裝后的灌漿的樁錨的整體性，可實(shí)施多個(gè)質(zhì)量控制操作。例如，為了獲得和確認(rèn)對(duì)于單個(gè)應(yīng)用的抗拉能力，可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的拉出測(cè)試。在該測(cè)試中，可使用具有負(fù)載監(jiān)測(cè)設(shè)備的牽伸系統(tǒng)來對(duì)反作用于框架的樁進(jìn)行牽拉，并因此可確認(rèn)樁的負(fù)載能力。該測(cè)試產(chǎn)生抗拉負(fù)載。也可在兩相鄰作業(yè)樁之間進(jìn)行側(cè)向推/拉測(cè)試，從而確認(rèn)側(cè)向能力。可以以均勻速率施加負(fù)載來進(jìn)行所有測(cè)試，或者可循環(huán)進(jìn)行所有測(cè)試，或者實(shí)際上模擬任何預(yù)先計(jì)劃的負(fù)載方案。通過用于將海床鉆安裝在框架上的軌道安裝系統(tǒng)而能夠進(jìn)行這些測(cè)試，其中測(cè)試設(shè)備可構(gòu)造成以與海床鉆相同的方式安裝在框架上。

本申請(qǐng)中所揭示的實(shí)例在所有方面都應(yīng)認(rèn)為是例示性的而非限制性的。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求書而非前述說明書指出，且落入權(quán)利要求書等同物含義和范圍內(nèi)的所有變化都將包含在此。