Классификация якорей
ПЛАН
Введение
1. Классификация
якорей
2. Основные
характеристики якоря
2.1 Держащая
сила якоря
2.2 Критерии
оптимальной конструкции якоря
.3 Механическая
прочность
3. Выбор типа
якоря
3.1 Влияние свойств грунтов для выбора типа якоря
3.2 Критерий испытаний якорей
3.3 Модельные
испытания, проводимые компанией Vtyhof Ankers В.V.
.3.1 Классические
якоря для шельфовых плавучих сооружений (Стевприс Мк5)
3.3.2 Якоря
повышенной несущей способности для глубоководных шельфовых сооружений (Стевприс
Мк6)
.3.3 Самозакапывающиеся
якоря
.3.4 Многоякорные
системы
Список
литературы
ВВЕДЕНИЕ
С конца 1960-х гг. нефте-газо-поисковые работы на шельфе предъявляют к
швартовным системам новые требования ввиду большего размера сооружений, больших
глубин, более суровых условий окружающей среды и более длительного периода
эксплуатации. Традиционные типы якорей имели относительно низкую эффективность
и быстро стали чрезмерно большими и дорогими, что потребовало проведения
научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ для разработки новых,
более эффективных якорей.
По мере развития нефтегазовой промышленности совершенствовались
методология и технология разработки швартовных систем и самозакапывающихся
якорей, при этом современные якоря повышенной держащей силы используются во
всех основных районах морских нефтепромыслов с глубинами до 3000 м и в условиях
различных типов морского дна - от мягкой глины (или другого типа мягкого
грунта) до сцементированного карбонатного грунта и даже мягкого скального
грунта.
Хорошо спроектированные якоря, заглубляющиеся по действием волочения,
могут обеспечить технически выверенное и надежное решение для якорного
удержания плавучих объектов. Они могут использоваться для швартовки как
временных, так и стационарных объектов на любых глубинах и со всеми типами
грунтов. Современные самозакапывающиеся якоря отвечают требованиям
сертифицирующих органов, более просты и оперативны в изготовлении,
транспортировке и установке по сравнению с другими якорными основаниями и
позволяют существенно снизить затраты в течение срока службы
1. Классификация якорей
В зависимости от держащей способности и собственного веса якоря бывают:
средние, полутяжелые, тяжелые.
В зависимости от конструктивных особенностей якорей (площади лап,
веретена, стабилизаторов) они подразделяются на следующие классы (рис. 1):
А. Якоря с очень хорошей способностью глубокого проникновения в грунт
(пенетрацией), держащая сила которых на треть превосходит аналогичную силу
обычных якорей. Якоря типа Stevpris, Stevshark, Delt, Kite.
Б. Якоря с коленчатым веретеном, обеспечивающим глубокое проникновение в
грунт. Якоря типа Bruce SS, Bruce T.S., Hook, AC
С. Поворотные якоря, в которых шарнир расположен около центра тяжести.
Якорь имеет относительно небольшое веретено и стабилизаторы. Стабилизаторы
могут быть встроенными в саму конструкцию якоря. Якоря типа Stevin, Stevfix, Stevmud,
Flipper Delta.
D.
Якоря с шарнирами и стабилизаторами в задней части с удлиненными веретеном и
стабилизаторами. Якоря типа Danforth, L.W.T.,
Moorfast-Stato-Offdrill, Boss.. Якоря с очень небольшими и широкими стабилизаторами. Относительно
небольшой шарнир расположен в задней части якоря, веретено более-менее
напоминает прямоугольную форму. Якоря типа АС-14, Stokes, Snugstow, Wcldhold.
F.
Якоря с веретеном прямоугольной формы без штоковых стабилизаторов.
Стабилизирующее устройство встроено в конструкцию лап. Якоря типа US Navy Stockless, Beyers, Union,
Spek.
G.
Штоковые якоря с небольшой площадью лап и стабилизаторами в передней части
веретена. Якоря типа Single Fluke Stock, Stock, Dredger,
Mooring Anchor.
Рис. 1
2. Основные характеристики якоря
.1 Держащая сила якоря
Держащую силу якоря можно определить по следующей формуле:
площадь лап якоря (т2) х заглубление (т) = т2 х т =
т3 = тонн.
Площадь лап якоря ограничивается их механической прочностью; заглубление
зависит от типа якоря, троса. В отличие от цепи стальной трос позволяет якорю
проникать в грунт глубже, результатом чего является значительное увеличение
держащей силы якоря. Держащая сила якоря - это комбинация следующих параметров
(рис. 2)
Рис. 2
Наиболее распространенным методом определения держащей силы якоря,
закапывающегося под действием волочения, является использование расчетных
диаграмм, разработанных производителями якорей, также возможно проведение
независимых испытаний. Как правило, эти диаграммы представлены на двойной
логарифмической шкале с указанием массы якоря на горизонтальной оси и держащей
силы якоря на вертикальной оси. Держащая сила, как правило, указывается для
типовых видов грунта (песок и мягкая глина).
Рис. 3. Держащая сила якоря в мягкой глине (из методологических
рекомендаций API RP 2SK)
Данные графики могут использоваться для предварительного расчета
размеров, однако перед окончательным одобрением конструкции якоря для
швартовной системы настоятельно рекомендуется проконсультироваться с
инженером-проектировщиком якорей.
Это особенно важно в тех случаях, когда грунт морского дна в конкретной
точке установки отличается от «типовых» видов грунта, указанных на расчетных
графиках держащей силы.
2.2 Критерии оптимальной конструкции якоря
Существует несколько параметров якоря, которые определяют его основные
технические характеристики:
• якорь
должен иметь высокую держащую способность, которая обеспечивается площадью лап
и конструкцией веретена в комбинации с заглублением и типом грунта;
• конструкция якоря должна быть продумана и выполнена таким образом, чтобы
он имел возможность противостоять значительным нагрузкам и был бы легким в
управлении и легко подрывался из грунта;
• заглубление якоря зависит от его формы и конструкции. Поэтому, по
возможности, следует избегать таких элементов якорной конструкции, которые
могут препятствовать его заглублению;
• устойчивость якоря способствует заглублению и, следовательно, оказывает
влияние на держащую способность якоря. Вот почему эффективные стабилизаторы
являются неотъемлемой частью оптимальной конструкции якоря;
• конструкция веретена якоря должна обеспечивать свободное прохождение
грунта через него;
• площадь поверхности лап должна определяться и ограничиваться
конструктивной прочностью якоря;
• при увеличении веса якоря относительная прочность конструкции
уменьшается;
• якорь должен иметь оптимальную механическую прочность и соответствовать
требованиям классификационных обществ.
2.3 Механическая прочность
Раньше не существовало специальных правил, касающихся определения
держащей силы и прочности якорей. Существовавшие правила часто использовались
вне зависимости от типа судна. В настоящее время правила ужесточились.
Значительно возросли требования к конструкциям якорей. Сегодня существуют
специальные правила для «передвижных морских установок» и для «морских
объектов, длительное время стоящих на якорях».
Применение натяжного устройства для работы с несколькими
якорными линиями
Система натяжных устройств для работы с несколькими якорными линиями
может быть применена для платформ с гибкими натяжными связями. Использование
якорей и натяжных устройств для нескольких линий в одноточечных якорных
системах. Применение натяжных устройств для заглубления якорей и
предварительного натяжения якорных линий привело к необходимости проектирования
натяжных устройств для нескольких якорных линий. Такое натяжное устройство
позволяет осуществлять натяжение нескольких якорных линий при монтаже и делает
возможным постоянное закрепление. Комбинация якорей, натяжного устройства для
нескольких линий и подводного буя используется в системе якорного крепления.
Преимущества системы наиболее очевидны при швартовках на глубоководных
участках. Метод предназначен для удержания эксплуатационных платформ и платформ
с гибкими связями. Следует учесть простоту монтажа, без привлечения водолазов
3. Выбор типа якоря
Выбор между сваями или якорями возможен, как правило, только при
установке постоянных якорных систем удержания. Для передвижных объектов
использование свай не целесообразно.
Решение при выборе свайного крепления или якоря зависит скорее от
финансовых факторов. Необходимый вес сваи для системы удержания равен
необходимому весу якоря Stevpris . Стоимость сваи составляет около 40% от
стоимости такого же по мощности якоря. Однако расходы на установку свай намного
выше. Монтаж устанавливаемых свай более сложен. Кран-баржа требует наличия
системы позиционирования вместо двух якорезавозчиков для установки якорей.
Время простоя из-за неблагоприятных погодных условий для сети установленных
свай, включая кран-баржу, намного больше, чем при использовании
якорезавозчиков. Для того чтобы осуществить заглубление якоря в процессе
предварительного натяжения, требуется дополнительная длина цепи. Иногда
нагрузка от предварительного натяжения для свай намного меньше, чем для якорей.
Объем изысканий для установки якорей намного меньше, чем для свай. По окончании
эксплуатации месторождения удаление якоря намного дешевле, чем демонтаж
установленных свай.
Выбор между сваями и якорями находится в зависимости от конкретных
обстоятельств, сроков эксплуатации и требований к безопасности.
Нагрузки на морские системы могут быть определены как квазистатические и
общие динамические нагрузки. Нагрузки в якорных линиях, вызванные колебаниями
моря, ветром, течением и собственной частотой колебаний системы, называются
квазистатическими нагрузками. Как правило, система стремится к колебаниям на
низкой частоте, обычно с периодом от 140 до 200 с.
При максимальном значении квазистатической нагрузки появляются отдельные
волновые воздействия, вызывающие высокочастотные колебания. Высокочастотные
колебания являются причиной динамических ударных нагрузок с периодом от 10 до
14 с. из-за качки судна и движения якорных линий при передаче усилий через
водную среду.
Обычно квазистатические нагрузки составляют от 50 до 90% от общих
динамических нагрузок. Такие нагрузки должны быть умножены на коэффициент
безопасности для достижения необходимой предельной держащей силы требуемого
якоря.
Как правило, применяется коэффициент безопасности, равный 2 для
квазистатических нагрузок и 1,5 для общих динамических нагрузок относительно
предельной держащей силы, определенной квазистатическим методом. В
действительности, коэффициент безопасности для динамических нагрузок намного
выше, так как сопротивление якоря динамическим нагрузкам выше, чем предельная
допустимая сила.
В связи с эффектом присасывания задней части якоря и увеличением объема
грунта допустимое сопротивление грунта намного выше, чем предельная держащая
нагрузка.
3.1 Влияние свойств грунтов для выбора типа якоря
До 1970 г. процесс проектирования якорей в основном являлся эмпирическим
процессом. Так, например, сложно рассчитать предельную держащую силу якоря,
применяя основные положения и формулы механики грунтов. Основная проблема
состоит в определении объема грунта, который взаимодействует с якорем. (рис 4)
Именно этот объем в большой степени определяет предельную держащую силу.
Рис. 4. Взаимодействие якоря с грунтом
Классификация грунтов
Прочность грунта обычно определяется параметрами, определяющими предел
прочности грунта на сдвиг. Тип грунта в основном определяется его
гранулометрическим составом. Типы грунтов в зависимости от размера частиц
показаны в табл. 1.
Таблица 1
В общем случае, при проектировании якорей, основными типами грунтов
являются песок и глина (диаметр частиц от 0,1 до 2 мм). Тем не менее на местах
установки также встречаются грунты с диаметром частиц более 2 мм, такие как
гравий, галька, булыжники, валуны и т.п.
Таблица 2
Типы грунтов
Глинистые грунты обычно характеризуются следующими параметрами:
сопротивление не дренированному сдвигу, плотностью грунта с учетом
взвешивающего действия воды, влажностью и параметрами, определяющими его
пластичность. Текучесть глин связана с сопротивлением не дренированному сдвигу.
Однако Британские и Американские стандарты используют различные значения (табл.
3).
Сопротивление не дренированному сдвигу, Su, может быть определено в лаборатории испытаниями образцов на
одноосное сжатие.
На месте проведения работ необходимые параметры могут быть определены по
результатам статического и динамического зондирования. Приблизительное
соотношение между сопротивлением сдвига и показателями испытаний водится в
табл. 4.
Механическое сопротивление песков сдвигу в основном характеризуется
плотностью песка с учетом взвешивающего действия воды и углом внутреннего
трения. Эти параметры определяются в лабораторных условиях. Примерное
соотношение между углом внутреннего трения и относительной плотностью мелкого и
среднезернистого песка приведено в табл. 5
Таблица 3
Таблица 4
Инженерно-геологические изыскания
При определении размера якоря важно иметь точные данные по
инженерно-геологическим условиям района (свойствам грунтов). Для определения
типов якоря и прогноза ожидаемого поведения параметры грунтов на определенном
участке установки должны быть сопоставлены с параметрами грунтов на участке,
где проводятся испытания якоря.
Данные инженерно-геологических изысканий для проектировании якорей обычно
берутся по результатам бурения неглубоких скважин, в то время как глубокие
скважины необходимы для проектирования якорных свай.
Объем работ по инженерно-геологическим изысканиям грунтов для
проектирования якорей требует проведения изысканий в два раза превышающей длину
лапы якоря в песке и в 8 раз больше длины лапы якоря для очень мягких глин.
Обычно эта глубина скважин от 8-10 м. Необходимо исследовать место установки
каждого якоря. Данные изысканий могут быть получены по данным бурения скважин,
вибро-тестов, тестов статического зондирования или же при комбинации
перечисленного.
Статическое зондирование, включая испытания по определению трения на
муфте конуса, более предпочтительны, но они должны сопровождаться, по крайней
мере, одной скважиной на каждом участке установки якоря для определения типа
грунта.
В зависимости от типа изысканий и грунта отчет должен содержать данные
результатов полевых и лабораторных испытаний, включая:
• сопротивление
грунта под конусом зонда;
• сопротивление грунта на муфте трения;
• поровое давление;
• данные динамического зондирования;
• гранулометрический состав;
• удельную плотность с и без учета взвешивающего действия воды;
• влажность;
• угол естественного откоса;
• трехосные испытания образцов грунта на дренированный и недренированный
сдвиг;
• сопротивление недренированному сдвигу, также тесты на пластичность;
• испытание образцов на одноосное сжатие;
• пределы пластичности;
• эффективный вес (плотность);
• тест на точечное нагружение.
3.2 Критерии испытания якорей
Модельные и полномасштабные испытания
Испытания якорей представляют интерес в качестве инструмента сравнения,
когда проводятся реальные сравнительные испытания, где рассматриваются:
· несколько типов якорей;
· одинаковые типы грунтов;
· одинаковый вес и масштаб;
· одинаковая скорость вытягивания и окончательная разгрузка;
· одинаковые якорные линии;
· соответствующие углы между лапами и веретеном якоря;
· точные измерительные приборы;
· при модельных испытаниях одинаковые формулы пересчета
результатов;
· повторение испытаний для подтверждения результатов испытаний.
Исследования характеристик якоря и его предельной держащей силы
проводятся на моделях. Затем испытания продолжаются, по возможности, в реальных
условиях для реальных якорей (полномасштабные испытания). Наилучшее испытание
якоря состоит из модельных испытаний модели якоря массой 10 кг, которые затем
подтверждаются полномасштабными испытаниями якоря массой 1 т и 10 т. Якорь
натягивается до тех пор, пока он не достигнет своей предельной держащей силы
при постоянном значении длины волочения якоря.
Очевидно, что для проведения испытаний требуются значительные затраты.
Обычный 3-тонный якорь 81еурп5 может остановить мощный якорезавозчик при его
максимальном тяговом усилии. Например, для 10-тонного якоря Stevpris это может
означать предельную держащую силу более 500 т в песчаном грунте. Учитывая, что
данные испытания якоря представляют интерес только при испытании на его
предельную держащую силу, становится ясно, что стоимость испытаний очень
высока. Мощные лебедки, цепи и тросы, которые необходимы для испытаний
современных типов якорей на предельную держащую силу, не всегда имеются в
наличии. Существует лишь несколько типов испытаний, удовлетворяющих этим
условиям.
При проведении сравнительных испытаний якорей в программе испытаний
должны быть отражены следующие критерии:
· должна применяться точная система для снятия и записи данных.
Предпочтительнее, когда нагрузки будут измеряться на палубе судна;
· нагрузки на якорную систему могут быть получены при расчете
провиса цепной линии, принимая, что при испытании цепь небольшой длины будет
располагаться на морском дне;
· якоря обтягиваются до достижения ими предельной держащей
силы;
· должны быть измерены величины волочения и заглубления;
· якорь должен находиться под натяжением с заблокированной
лебедкой в течение 15 мин для измерения изменений держащей силы якоря.
Кривые испытаний
Поведение якоря во время обтяжки якорной системы может быть точно
определено по кривым, определяющим зависимость держащей силы от волочения.
Примеры таких кривых показаны на рис. 5.
Рис. 5. Зависимость держащей силы от волочения
Кривая А - очень крутая кривая хорошо заточенного, обтекаемого якоря в
очень плотных грунтах.
Кривая В - нормальная кривая в песках и для плотных глин.
Кривая С - кривая, характеризующая неустойчивый якорь. Это может быть вызвано
поврежденным стабилизатором, неверно выбранным углом между лапами/веретеном,
слишком коротким стабилизатором, чрезмерно длинными лапами либо затупленными
остриями лап.
Кривая Б - нормальная кривая для якоря в очень мягких глинах.
Кривая Е - характеризует якорь с углом между лапами и веретеном, равным 32
градуса в очень мягких глинах.
Кривая Е - характеризует постоянно вращающийся якорь из-за недостатка
стабилизаторов или слишком большого угла между лапами и веретеном или
бесштоковый якорь старого образца с низкой эффективностью при постоянном
волочении.
Кривая С - якорь, который заглубляется в твердые глины с вышележащим слоем очень
пластичной глины.
Кривые А, В, Б и Е - постоянно возрастающие кривые, что означает
постоянно возрастающие удерживающие усилия до достижения максимального
значения, и затем начинается постоянное волочение.
Другая причина - явление дилатации, которое приводит к мгновенному
увеличению сопротивления грунта.
Рассмотрим некоторые свойства якорей:
• большая
площадь лап якоря обеспечивает большее держащее усилие, чем небольшая площадь;
• короткое веретено, следовательно, длинные лапы, обеспечивают меньшую
держащую способность из-за большого угла атаки;
• неверно подобранные стабилизаторы в значительной мере уменьшают держащую
способность якоря;
• острые углы веретена и окончания лап якоря улучшают заглубление якоря и,
следовательно, его держащую способность.
Очень важно провести повторную обтяжку (натяжку) якоря по прошествии
некоторого времени.
В мягких грунтах сопротивление грунтов может быть гораздо выше при
повторной обтяжке якоря за счет оседания грунта вокруг якоря. Это явление
служит преимуществом при использовании якорей в мягких грунтах.
якорь грунт самозакапывающийся шельфовый
3.3 Модельные испытания, проводимые компанией Vtyhof Ankers В.V.
Рис. 6. Научно-исследовательский центр «Vryhof»
Anchors предлагает комплексные услуги, позволяющие обеспечить
эффективность системы удержания якорями. Благодаря своим технологиям и
сервисному обслуживанию компания давно заслужила уважение среди специалистов.
Об этом свидетельствует и тот факт, что с начала 70-х годов Vryhof Anchors
выполнила около 2000 проектов во всех регионах мировой добычи нефти и газа.
Сама компания невелика (в ней работает 65 сотрудников), но осуществляет
проекты по всему миру - головной офис расположен в Нидерландах, а
представительства находятся в основных шельфовых регионах: США (Хьюстон),
Сингапуре, Бразилии и т.д.
Рис. 7
Компания «Vryhof» разрабатывает аналогичные расчетные графики
представляющие расчетные значения держащей силы (для трех различных стандартных
типов грунта), расстояния протаскивания и глубины погружения в грунт, используя
данные внутренних и независимых засвидетельствованных испытаний, включая
всеобъемлющее тестирование в специальном научно-исследовательском центре для
оценки держащей силы и расстояния протаскивания якоря были также разработаны
цифровые методы, основанные на геотехнических моделях, таких как программа DNV
DIGIN.
На сегодняшний день Vryhof Anchors осуществила поставку 8800 якорей,
наработав колоссальный опыт. Компания выпускает линейки якорей для различных
типов грунта и областей применения: для дноуглубительных работ (Stevpris), для
чрезвычайно твердых грунтов (Stevshark), для якорной фиксации на больших
глубинах (якорь вертикальной нагрузки Stevmanta). Якорь марки Stevpris доступен
в своей 6-й версии (Mark 6) и может применяться с различными видами грунта,
являясь универсальным якорем».
Результаты испытаний в сотрудничестве с Университетом Delft сопоставлены с данными модельных
испытаний якоря Stevfix массой 20
кг, Stevpris массой 10 кг и Bruce FF массой 10 кг.
Таблица 5
Все модели якорей, изготовленных и испытанных компанией Vryhof Ankers, основываются на чертежах и размерах,
приводимых в описаниях поставщиков.
Главной целью этих экспериментов является изучение влияния скорости
волочения якоря, характеристик грунтов и массо-габаритных характеристик якорей
на держащую силу якорей.
Графики держащей силы для моделей якорей
Необходимо отметить, что модель якоря Stevfix весит 20 кг, а модели якорей Stevpris и Bruce FF весят по 10 кг. Следовательно, эффективность якоря (держащая
сила/массу якоря) должна сравниваться по этим показателям.
Таблица 6
Необходимо уделить внимание тому факту, что якорь Stevpris характеризуется очень высокой
держащей способностью при заглублении в мелкозернистый песок, по сравнению с
якорем Bruce FF, в то время как в крупнозернистых песках различия в
характеристиках якорей менее заметны (рис. 7-8).
Рис. 7
Рис. 8
Испытания на присасывания
Испытания показывают, что независимо от скорости вытягивания статическая
держащая способность якорей остается практически неизменной. Необходимо
проведение большого количества испытаний о влиянии «присасывания», так как известно,
что после непродолжительной «выдержки» якоря во время обтяжки держащая
способность якоря значительно увеличивается.
Существует следующее популярное объяснение такому поведению грунта. При
ходьбе по песчаному пляжу вдоль моря мы видим, что вокруг ступней образуются
сухие участки. Кажется, что песок в этих местах становится более плотным по
сравнению с остальным грунтом. Это явление носит название дилатации.
При этом в разрыхленном грунте между частицами песка образуются поры, в
которых создается негативное поровое давление и, соответственно, более высокий
предел прочности на сдвиг. Это приводит к увеличению держащей силы якоря. Во
время испытаний разрушение грунта происходит регулярно. Каждый раз, когда якорь
взаимодействует с новым слоем грунта, создается отрицательное поровое давление,
при этом прочность фунта на сдвиг увеличивается до тех пор, пока не образуется
поверхность разрыва и не произойдет выдавливания слоя грунта. Затем процесс
повторяется вновь. Максимальное заглубления якоря достигается, когда передний
слой грунта становится настолько плотным, что дальнейшее заглубление становится
невозможным, и на этой стадии возникает ситуация непрерывного волочения якоря.
Дальнейшего заглубления якоря не происходит. Если предварительная обтяжка якоря
прекращается на некоторое время, вода заполняет поры между частицами грунта.
Негативное поровое давление исчезает, и грунт размягчается.
Дальнейшая обтяжка якоря позволяет ему более глубоко заклубиться в
относительно мягкий грунт и, следовательно, обеспечить лучшие удерживающие
характеристики
Рис. 9
Рис. 10
График (рис. 10) включает также снятие показаний при заблокированной
лебедке (релаксация, В), а также кривую при отсоединении натяжной линии от
лебедки.
На рис. 4.9 показана кривая при периодической обтяжке. При этом
достигается меньшая длина пути зацепления якоря при одинаковом значении
держащей силы (пунктирная линия).
Из данных наблюдений можно сделать вывод о том, что усилие после
релаксации равно нагрузке, при которой якорь начинает движение.
При увеличения нагрузки якорь начинает движение. В верхней точке графика
вытягивание прекращается и начинается стадия релаксации. Во время этой стадии
якорь все еще продолжает движение. По прошествии некоторого времени лебедка
освобождается, и нагрузка резко падает. Затем якорь нагружается вновь.
Нагрузка, при которой якорь начинает движение, показана стрелкой.
3.3.1 Классические якоря для шельфовых плавучих сооружений на
примере (Стевприс Мк5)
Разработка современных якорей высокой держащей силы позволила создать
новые конструкции, производимые из высокопрочных стальных плит, таких как серия
якорей Stevpris компании «Vryhof», с большими полыми конструкциями,
обеспечивающими значительно большую площадь лап, двумя разнесенными веретенными
плитами, и регулируемым углом между лапой и веретеном, который позволяет
использовать якорь на различных типах морского дна.
Разработанный в 1993 году якорь Стевприс Мк5 явил собой окончательно
доработанную версию своих уже снискавших успех предшественников. За прошедшее
время он стал наиболее широко применяемым в мире якорем для шельфовых объектов.
Произошло это благодаря его главным преимуществам: на сегодняшний день он
обладает наивысшей держащей силой и может эксплуатироваться в самом широком
диапазоне грунтов.
В большинстве случаев якоря Стевприс Мк5 находят применение в
стационарных системах швартовки таких объектов, как плавучие нефтекомплексы,
ПНХ, выносные точечные причалы, а также во временных системах якорного
удержания передвижных морских буровых установок (ПМБУ). В настоящее время 2200
якорей Стевприс используется на заякоренных объектах как на мелководье, так и
на сверхглубоких акваториях. Стевприс одинаково хорошо удерживает как
передвижные, так и стационарные плавучие объекты, благодаря тому что:
• им легко манипулировать
• его легко устанавливать
• его легко поднимать
• он способен выдерживать усилие, направленное вверх
Разработанная фирмой Vryhof (Фрайхоф) конструкция обеспечивает:
1. Свободное прохождение бегуна в якорной скобе
2. Проушина служит для присоединения шкентеля или дополнительного
якоря.
. Узкое веретено, удерживающее бегун в эффективном рабочем
положении во время якорных операций.
4. Крылья поворачивают якорь, позиционируя его для подъема через кормовой
роульс судна для установки якорей.
. Самозаглубляющееся призматическое V-образное веретено легко пропускает
через себя грунт, способствует быстрому закапыванию якоря в дно.
6. V-образное веретено с широко разнесенными точками крепления к
лапе позволяет использовать лапу большой площади.
7. Обтекаемая и закругленная форма веретена предохраняет палубу и
кормовой роульс судна для установки якорей от повреждений во время спуска и
подъема.
. Угол между лапой и веретеном можно менять (32, 41, 50 градусов) без
применения сварки, что обеспечивает максимальную эффективность во всех типах
грунтов.
9. Полая лапа позволяет применять балласт для облегчения начального
заглубления в очень твердый грунт.
10. Стабилизаторы обеспечивают сбалансированное заглубление.
Широко разнесенные концы лапы обеспечивают устойчивость якоря после его
опускания на дно.
Возможность выбора оптимального угла лапы в соответствии с грунтом
морского дна является главной особенностью современного якоря Stevpris, который
имеет три возможные установки: 32° для песков и твердых грунтов, 41° для
слоистых грунтов и илов и 50° для мягкой глины.
Стевприс Mк5 легко и безопасно опускается с палубы судна для установки
якорей. Стевприс Мк5 способен выдерживать значительные усилия, направленные
вертикально вверх. Наработанный опыт свидетельствует о том, что угол откло-
нения от горизонтали в 20° допустим без заметного снижения предельной держащей
силы (ПДС). Классификационные общества допускают отклонения от горизонтали на
величину 5° для полностью исправной системы якорного удержания и 10° для
системы с неработающими элементами.
Стевприс Mк5 легко и безопасно опускается с палубы судна для установки
якорей. Стевприс Мк5 способен выдерживать значительные усилия, направленные
вертикально вверх. Наработанный опыт свидетельствует о том, что угол откло-
нения от горизонтали в 20° допустим без заметного снижения предельной держащей
силы (ПДС). Классификационные общества допускают отклонения от горизонтали на
величину 5° для полностью исправной системы якорного удержания и 10° для
системы с неработающими элементами.
Форма веретена обеспечивает устойчивость якоря на палубе, а низко
расположенный центр тяжести - приземление на дно в вертикальном положении, где
устойчивость якоря достигается благодаря широко разведенным концам лапы. Форма
якоря Стевприс обеспечивает хороший баланс во время заглубления. После
заглубления в дно и пребывания в таком положении в течение некоторого времени
якорь испытывает воздействие сил засасывания и трения, затрудняющих его подрыв.
Тем не менее, за счет большой длины веретена вырывающие силы создают
значительный момент, заставляющий якорь Стевприс поворачиваться и, как
следствие, преодолевать действие противоположнонаправленных сил. Поэтому подрыв
может осуществляться при усилии, равном 60-80% установочного натяжения в мягком
грунте или 20% установочного натяжения в более твердых грунтах.
3.3.2 Якоря повышенной несущей способности для глубоководных
шельфовых сооружений (Стевприс Мк6)
Рис. 11
Конструкция якоря Стевприс сочетает в себе лучшее из 3 технологических
концепций: отзывы инженеров и пользователей численных установок, форму лапы,
заимствованную у глубоководного якоря Стевманта, и жёсткость конструкции,
традиционно присущую якорям Стевприс. По всем своим характеристикам Стевприс
Мк6 превосходит любую из предшествующих ему моделей.За основу конструкции
Стевприс Мк6 взята форма лапы, разработанная для якоря вертикальной нагрузки
Стевманта.
Стевприс Мк6 имеет превосходные показатели сопротивления вертикально
направленной нагрузке. С учётом условий в каждом конкретном случае допустимые
отклонения от горизонтали составляют 5градусов для неповреждённой системы
якорного удержания и 10 градусов для системы, имеющей повреждённые элементы. По
правилам допускается возможность отклонения от горизонтали до 20 градусов при
условии проведения успешных испытаний, свидетельствующих об отсутствии снижения
держащей силы. Такая способность выдерживать вертикально направленные нагрузки
значительно расширяет диапазон рабочих глубин используемых платформ с одной и
той же системой якорной фиксации.
Поворотная часть веретена обеспечивает более надёжное «запирание» бегуна
перед подрывом якоря. Также достигается стабильное положение якоря во время
выборки цепи, и в положении, когда цепь или трос «удерживаются» в V-образной
выемке лапы, якорь имеет фиксированную ориентацию, что облегчает затаскивание и
размещении на палубе. В целом, компактная, элегантная конструкция якоря
позволяет легко осуществлять манипуляции на палубе, что повышает общую
безопасность якорных операций.
На сегодняшний день это самый известный якорь, который применяется по
всем Сверхвысокая держащая сила благодаря более широкой лапе и более глубокому
погружению в грунт.
• Непревзойденная целостность структуры, позволяющая выдерживать самые
жёсткие условия эксплуатации.
• Конструкция, обеспечивающая легкость манипуляций, подходящая для
большинства якоредержателей.
• Применим в широчайшем диапазоне типов донного грунта.
• Превосходная устойчивость благодаря легкости конструкции и эффективному
заглублению.
Максимальная операционная мобильность достигается использованием
технологии предварительной установки швартовного оборудования, позволяющей
подсоединить буровую платформу к якорным оттяжкам по её прибытии. При таком
методе операторы буровой установки получают значительную экономию времени,
которое обычно тратится на завозку якорей и установку системы якорных оттяжек.
Перемещая швартовное оборудование до перехода буровой платформы, оператор может
значительно увеличивать количество рабочих дней в буровой программе.
3.3.3 Самозакапывающиеся якоря
Якоря, закапывающиеся под действием волочения, в том или ином виде
использовались для удержания плавучих конструкций в течение многих столетий -
от простейших крюков с грузом и классических рыбацких якорей до судовых
бесштоковых якорей, которые продолжают служить на большинстве торговых судов по
всему миру.
В случае судов якорь просто устанавливается самим судном, путем укладки
якоря и якорной оттяжки на морское дно. В случае передвижной буровой установки,
развертывающей временную многоякорную систему швартовки, якоря обычно
передаются на суда для обработки якорей для их перемещения к требуемым точкам
отдачи якорей и установки на морское дно. На МПБУ для установки применяются
лебедки. После использования якоря извлекаются в обратном порядке.
Якоря компании «Vryhof» сконструированы таким образом, чтобы ими было
легко манипулировать вышеуказанным способом с использованием шкентеля (с
ограничениями по глубине) или бегуна (практически без ограничения глубины), оба
варианта описаны в «Руководстве по выбору и эксплуатации якорей» компании
«Vryhof» [пункт 3 перечня литературы]. На рис. 12, взятом из данного
руководства, показана установка якоря при помощи бегуна с якоредержателя МПБУ.
Рис. 12. Установка якоря Vryhof Stevpris с МБУ при помощи бегуна
В случае стационарных систем швартовки выполняется предварительная
установка якорей до прибытия судна или объекта к месту швартовки. Это может
выполняться различными способами в зависимости от имеющегося оборудования и
установочного судна (судов), включая суда для обработки якорей, строительные
суда и кран-баржи. Для стационарных систем необходимо выполнить натяжение якоря
до расчетной нагрузки в соответствии с правилами сертифицирующей организации,
обычно до расчетной нагрузки в неповрежденном состоянии, и выдержать его при
этой нагрузке в течение 15-30 минут. Очевидно, что для больших конструкций
данные нагрузки могут быть существенными, часто измеряемыми сотнями тонн,
требующими для установки применения больших судов для обработки якорей с
высоким тяговым усилием.
Альтернативой является использование подводного устройства натяжения,
например, натяжного устройства Stevtensioner компании «Vryhof», которое
работает как муфта, укорачивающая цепь, и используется для установки якорей в
виде противодействующей пары или против реактивного якоря (анкерного столба).
Одна из якорных оттяжек соединена с натяжным устройством Stevtensioner, а другая проходит через корпус
устройства. На якорях возникают высокие горизонтальные нагрузки при приложении
вертикальной нагрузки к якорной линии, проходящей через натяжное устройство, с
выигрышем в величине прилагаемого усилия, приблизительно в два раза превышающем
вертикальную нагрузку на якорях. Это схематически показано на рис. 13, полное
описание приведено в «Руководстве по выбору и эксплуатации якорей» компании
«Vryhof».
Рис. 13. Работа натяжного устройства Stevtensioner
Натяжное устройство Stevtensioner дает потенциальную экономию по времени и по стоимости, поскольку
прилагаемая нагрузка составляет приблизительно половину результирующей нагрузки
на якоре, что позволяет использовать менее мощное надводное оборудование, менее
габаритные суда для установки с относительно малой грузоподъемностью лебедки.
Меньшие поверхностные нагрузки также позволяют снизить риски и повысить
безопасность работ.
При сравнении с другими якорными основаниями, такими как забивные сваи
или всасывающиеся якоря, стоимость самозакапывающихся якорей с установкой очень
конкурентоспособна. В случае самозакапывающихся якорей капитальные затраты
обычно ниже, поскольку они весят меньше и имеют высокие рабочие характеристики
(соотношение держащей силы к массе); стоимость транспортировки к месту
эксплуатации ниже, поскольку они имеют меньшие размеры и разбираются для
облегчения транспортировки; затраты по установке также ниже, поскольку могут
использоваться менее дорогие установочные суда.
3.3.4 Многоякорные системы
Многоякорная система - это система с двумя или более якорями,
предназначенная для достижения большей держащей силы, по сравнению с
применением одноякорной системы.
Многоякорная система часто используется, когда применяются якоря с
недостаточной держащей способностью или неверно подобранные якоря.
Этот может быть вызвано выбором неверной конструкции якоря для
определенных условий или недостаточным весом якоря.
Общие рекомендации по использованию многоякорной системы
• Основным
недостатком при монтаже подобных систем являются большие расходы по сравнению с
установкой одного якоря, плюс расходы и риск при использовании оборудования,
например якорных тросов, скоб, буев и др.
• Если якорный трос второго якоря присоединен к якорным рымам в задней
части первого якоря (шарнирного типа), тогда загрузка второго якоря может
выдвинуть лапы первого якоря, что приводит к его меньшему заглублению в грунт.
• Если якорный трос второго якоря присоединен к коленчатому веретену,
устойчивость первого якоря уменьшается.
• Если один из якорей многоякорной системы присоединен к первому якорю при
помощи чейзера (на якоре с одним веретеном), чейзер вокруг веретена будет
препятствовать заглублению первого якоря.
• Если используются три якоря, то первый часто действует только в качестве
балласта, в то время как другие работают на удержание.
• Два сочлененных якоря в многоякорной системе увеличивают держащую силу
системы не в 2, а примерно в 1,6 раза по сравнению с держащей силой каждого из
них.
Список литературы
1. Грудницкий
Г.В., Грудницкий С.Г., Егоров С.И., Мамутов Р. Морские нефтегазовые точечные
причалы
2.
Методические рекомендации Американского нефтяного института (API) 2SK «Design
and Analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structures»
(«Проектирование и анализ систем удержания плавучих сооружений»), 3-е издание,
октябрь 2005.
.
Инженерно-строительная лаборатория ВМС США (NCEL) «Drag Embedment Anchors for
Navy Moorings» («Самозакапывающиеся якоря для систем швартовки ВМС»), листок
технических данных 83-08R, июнь 1987.
. «Vryhof
Anchor Manual» («Руководство по выбору и эксплуатации якорей компании
«Vryhof»), 5-е издание, 2010.
. Det Norske
Veritas, «Design and Installation of Fluke Anchors» («Проектирование и
установка якорей с лапами»), методические рекомендации RP-E301, май 2012.
. Det
Norske Veritas, «Position Mooring» («Якорное оборудование позиционирования»),
стандарт для морских установок OS-E301, октябрь 2010.