Способы закрепления якорных связей на грунте

Одним из основных элементов систем заякорения плавучих сооружений является закрепление нижних концов якорных связей на морском дне. В практике мореплавания и, в том числе, в морской нефтегазовой индустрии применяются большое количество разнообразных предназначенных для этого конструкций, которые часто называют одним общим понятием – якорь. В тоже время в практике мореплавания под понятием якорь часто понимают только один или два вида конструкций, наиболее широко применяемых для удержания плавучих объектов на водной акватории: традиционные якоря, заглубляемые в дно протаскиванием их по грунту, и гравитационные (мертвые) якоря-массивы.

В морской нефтегазовой индустрии принята следующая классификация конструкций (якорей), применяемых для закрепления на морском дне нижних концов якорных связей систем заякорения плавучих сооружений:

- традиционные якоря, заглубляемые в грунт протаскиванием (протаскиваемые якоря);

- гравитационные (мертвые) якоря-массивы;

- якорные сваи (свайные якоря);

- кессонные основания, заглубляемые засасыванием (засасываемые якоря);

- донные плиты-основания (якорные плиты);

- якоря, заглубляемые в грунт с помощью взрыва и взрывчатых веществ.

4.4.1 Якоря, заглубляемые протаскиванием

Имеется огромное количество разнообразных типов конструкций протаскиваемых якорей.

Отличительной особенностью этих якорей является то, что все они, будучи уложенными на морское дно, закрепляются в нем, заглубляясь в грунт в результате протаскивания их по грунту с помощью горизонтально приложенной внешней силы. Этот способ установки якорей достаточно прост и легко осуществим с помощью движительных установок судов или якорных механизмов заякориваемых объектов.

Другой отличительной особенностью этих якорей, вытекающей из их конструкции и способа установки, является то, что они обеспечивают максимально возможную удерживающую силу в горизонтальном направлении, т.е. тогда, когда усилие от натяжения присоединенной к якорю якорной связи горизонтально (или, по крайней мере, направлено вдоль поверхности морского дна). Отклонение к вертикали направления прикладываемой к якорю внешней силы приводит (в зависимости от угла отклонения) к существенному снижению его удерживающей способности, а в предельном случае – к потере этой держащей способности в результате подрыва якоря из грунта. Эта характерная особенность якорей, заглубляемых в грунт протаскиванием, определяет их преобладающее использование именно в системах заякорения с длинными провисающими якорными связями, в которых на заглубленный в морском грунте якорь передается только горизонтально направленное усилие.

Основными техническими характеристиками протаскиваемых якорей является их масса (вес в воздухе) и удерживающая способность, определяемая через коэффициент держащей силы якоря. Под коэффициентом держащей силы (КДС) якоря понимается отношение максимальной горизонтальной нагрузки, приложенной к якорю и которую заглубленный в грунт якорь способен выдержать до момента его подрыва (так называемая держащая сила якоря), к весу якоря в воздухе.

Значение коэффициента держащей силы якоря варьируется в широких пределах в зависимости от типа (конструкции) якоря, от типа и состояния грунта, в котором используются якоря, а также, в некоторой степени, от способа использования якоря.

В связи с этим в морской практике принято проводить сравнение удерживающей способности различных типов и массы протаскиваемых якорей на основных типах грунтов, таких как, например, песчаный грунт, мягкий глинистый грунт и др.

Применяемые в морской нефтегазовой индустрии протаскиваемые якоря классифицируются (разделяются на классы), главным образом, по их удерживающей способности (коэффициенту держащей силы).

На рисунке 4.13 приведены основные типы протаскиваемых якорей, используемые в морской практике и нефтегазовой индустрии. Для каждого класса якорей указан диапазон возможных значений коэффициента их держащей силы (в зависимости от грунта и способа нагружения якоря).

Класс А (коэффициент держащей силы от 33 до 55)

Класс В (коэффициент держащей силы от 17 до 25)

Класс C (коэффициент держащей силы от 14 до 26)

Класс D (коэффициент держащей силы от 8 до 15)

Класс E (коэффициент держащей силы от 8 до 11)

Класс F (коэффициент держащей силы от 4 до 6)

Класс G (коэффициент держащей силы до 6)

Рисунок 4.13 - Основные типы протаскиваемых якорей, используемых в морской практике

Практически все приведенные на рисунке 4.13 протаскиваемые якоря стандартизованы по их массе (весу) и изготавливаются рядом зарубежных фирм в широком, практически неограниченном диапазоне масс якорей. Известны случаи изготовления и использования якорей массой 50 тонн и более.

Необходимо отметить такую важную конструктивную особенность протаскиваемых якорей, как «поворачиваемость» их лап относительно веретена якоря. Под этим понимается возможность свободного поворота лап якоря в пределах некоторого угла в обе стороны относительно веретена якоря. В связи с этим все протаскиваемые якоря разделяются на якоря с поворотными лапами и якоря с неповоротными лапами. Если у якорей с поворотными лапами лапы имеют возможность свободно поворачиваться на оси на некоторый угол (до ±50º) относительно веретена, то у якорей с неповоротными лапами лапы зафиксированы под определенным углом с одной из сторон веретена якоря. Данная конструктивная особенность определяет и различные способы покладки якорей на морское дно перед их протаскиванием по грунту для заглубления якоря. Если якоря с поворотными лапами могут быть опущены и уложены на дно вспомогательным судном практически в безразличном положении (или даже просто сброшены с заякориваемого объекта), то якоря с неповоротными лапами должны быть опущены и уложены на дно вспомогательным судном в строго требуемом положении (лапами к грунту). Якоря с поворотными лапами применяются на всех обычных судах и плавсредствах, что позволяет производить их отдачу на дно без помощи других (вспомогательных) судов. Якоря же с неповоротными лапами используют на плавучих сооружениях, заякорение которых осуществляется с участием вспомогательных судов.

Следует отметить, что именно якоря с неповоротными лапами, особенно такие якоря последнего поколения, как якоря Stevpris Mk5 и Stevpris Mk6, разработанные фирмой «Vryhov Anchors BV» (Голландия), обладают значительно большей держащей силой, чем якоря с поворотными лапами.

Одной из последних разработок фирмы «Vryhov Anchors BV» является протаскиваемый якорь вертикальной нагрузки Stevmanta VLA, обеспечивающий возможность восприятия заглубленным якорем не только горизонтально действующей нагрузки от натяжения якорной связи, но и нагрузки от натяжения якорной связи, подсоединенной к якорю под углом до 45º к морскому дну. Такие возможности этого якоря позволяют использовать якоря Stevmanta VLA в системах пространственного заякорения не с длинными, а с укороченными провисающими якорными связями, в которых на заглубленный в морском грунте якорь передаются как горизонтальная, так и вертикальная составляющие усилия натяжения якорной связи.

К недостаткам протаскиваемых якорей может быть отнесено то, что фактическое положение заглубленного в грунте якоря чаще всего будет на несколько метров отличаться от плановой (расчетной) точки, поскольку до полного заглубления якорь должен быть протащен по грунту на некоторое расстояние, целиком зависящее от свойств и сопротивляемости грунта морского дна и определяемое только экспериментально. Это обстоятельство является несущественным для систем заякорения мобильных установок, но должно учитываться для долговременных систем заякорения.

Применение протаскиваемых якорей особенно целесообразно в системах заякорения мобильных (передвижных) установок по следующим причинам.

Во-первых, протаскиваемые якоря с учетом уже хорошо освоенных к настоящему времени технологий достаточно легко и быстро устанавливаются на морском дне при развертывании системы заякорения, а также достаточно просто извлекаются и поднимаются с морского дна, что немаловажно при свертывании системы заякорения для последующего перехода мобильной установки на новую точку эксплуатации.

Во-вторых, во многих случаях для этих якорей могут приниматься меньшие расчетные коэффициенты безопасности от натяжения якорных линий. Это обусловлено тем, что при возникновении слишком большого натяжения якорной линии якорь имеет некоторую возможность переместиться (проползти) в грунте, в результате чего якорная линия не разрывается. Более того, происходит некоторое перераспределение натяжений в якорных линиях, что в целом благоприятно сказывается на работе всей системы заякорения.

В последнее время в связи с дальнейшим усовершенствованием некоторых типов протаскиваемых якорей, увеличением их держащей силы и доказанной практикой простотой и надежностью их использования, эти якоря все чаще рассматриваются и используются в долговременных системах заякорения плавучих сооружений. Этому также способствует то, что как отдельные якорные линии долговременной системы заякорения, так и вся система заякорения с применяемыми в ней протаскиваемыми якорями в целом может быть развернута (установлена и испытана) заранее на проектной точке долговременного удержания плавучего сооружения.

4.4.2 Гравитационные (мертвые) якоря-массивы

Гравитационные (мертвые) якоря представляют собой стальные, чугунные или бетонные блоки (массивы), заглубляемые в грунт под собственным весом.

Конструктивно гравитационные якоря могут быть изготовлены как одиночные или соединяемые между собой цельные конструкции из указанных материалов или как металлические или бетонные понтоны, загружаемые после установки на дне утяжеляющими материалами (песком, гравием, бетоном). Гравитационные якоря могут иметь различную геометрическую форму: параллепипеда, усеченной многогранной пирамиды, плиты со скошенными боковыми гранями, сферического сегмента и т.п. На рисунке 4.14 показаны схемы некоторых типов гравитационные якорей–массивов.

а) пирамидальный б) плитовидный в)«лягушка» г) якорь-понтон (железобетонный)

Рисунок 4.14 - Гравитационные якоря–массивы

Расчетная держащая сила гравитационных якорей в вертикальном направлении определяется главным образом весом самого якоря в воде, а в горизонтальном направление – силой трения между якорем и грунтом, а также прочностью на сдвиг грунта, находящегося под якорем. Для увеличения держащей силы гравитационных якорей как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях применяют следующие мероприятия:

- в нижней части якорей предусматривают специальные выемки или полости, способствующие погружению и засасыванию якоря в грунт;

- предусматривают на нижней плоскости якоря один или несколько выступов-ножей для заглубления якоря в грунт и увеличения трения между якорем и грунтом (якоря типа «лягушка»);

- устанавливают якоря в специально вырытую в грунте выемку или воронку;

- осуществляют наружную обсыпку якоря грунтом.

Несмотря на это, эффективная удерживающая способность гравитационных якорей существенно ниже якорей других типов (например, протаскиваемых или свайных якорей) и практически не намного превышает собственный вес якоря в воде.

В силу этих обстоятельств применение гравитационных (мертвых) якорей-массивов ограничивается, как правило, применением их для временного или долговременного заякорения либо небольших плавучих сооружений, либо для заякорения таких сооружений, как плавучие доки, причалы, дебаркадеры и т.п., устанавливаемых в хорошо защищенных от волнения акваториях.

В бывшем СССР некоторые типы гравитационных якорей с держащей силой до 100 т были стандартизированы. Якоря с большей держащей силой требуют разработки по индивидуальным проектам.

Учитывая то, что для заякорения большинства современных плавучих сооружений, используемых в морской нефтегазовой индустрии, требуются якоря, способные выдерживать нагрузки от якорных связей в сотни тонн, применение гравитационных якорей в системах заякорения таких сооружений мало экономически оправдано, так как потребует разработки и изготовления гравитационных якорей значительных габаритов и весом в сотни тонн. Установка на морском дне таких якорей также потребует значительных материальных затрат и применения крановых судов и специализированной техники.

4.4.3 Якорные сваи (свайные якоря)

Свайные якоря представляют собой вертикально заглубляемые в морской грунт конструкции значительной длины. Свайные якоря обеспечивают восприятие как горизонтальных, так и вертикальных составляющих нагрузки, действующих на сваю от натяжения якорных связей.

Наиболее простой конструкцией свайного якоря является якорная свая – полая металлическая труба с обухом в верхней ее части для крепления к ней нижнего конца якорной связи (рисунок 4.15).

Рисунок 4.15 - Якорная свая (схема)

Для обеспечения необходимой держащей силы якорная свая должна быть достаточно глубоко заглублена в грунт. Удерживающая способность якорной сваи в вертикальном направлении обеспечивается, главным образом, силой трения между сваей и грунтом, а в горизонтальном направлении – прочностью на сдвиг окружающего грунта. На величину удерживающей способности якорной сваи существенно влияние таких факторов как размеры сваи (наружного диаметра, толщины стенок, длины сваи), величина ее заглубления в грунт, характеристика грунта, способ ее установки (заглубления) в грунт и способ последующего нагружения сваи.

Для увеличения удерживающей способности сваи часто применяют дооборудование сваи дополнительными конструктивными элементами: юбками, зонтообразными или грушевидными расширениями, дополнительными лапами и т.п.

Обычным способом установки якорных свай в грунт является их забивка с помощью вибромолота со стандартной буровой установки. В зависимости от типа грунта в месте установки сваи могут применяться сопутствующий при забивке подмыв грунта или предварительное разбуривание и последующая после установки сваи ее цементация. Якорные сваи относятся к неизвлекаемому из грунта оборудованию после окончания их использования, поэтому они не применяются в системах заякорения мобильных (передвижных) установок.

Якорные сваи не стандартизованы и для каждого места установки и применяемой системы заякорения должны разрабатываться по индивидуальному (специальному) проекту.

Конструктивно якорные сваи могут быть спроектированы и рассчитаны для восприятия практически любых нагрузок от натяжения якорных связей, характерных для систем заякорения современных плавучих сооружений, используемых в морской нефтегазовой индустрии. Наиболее широко якорные сваи применяются в долговременных системах пространственного заякорения с длинными или укороченными якорными связями.

К свайным якорям также могут быть отнесены винтовые якоря и свайные якоря с раскрывающимися лапами (рисунки 4.16 и 4.17).

Рисунок 4.16 - Винтовой якорь (схема)

Рисунок 4.17 - Свайный якорь с раскрывающимися лапами (схема)

Конструктивно винтовые якоря представляют собой цилиндрический полый или сплошной вертикальный ствол с рымом (для присоединения якорной связи) и винтовой лопастью вдоль ствола для передачи нагрузки на грунт. Винтовые якоря заглубляются (завинчиваются) в грунт на необходимую глубину с подмывом или без подмыва грунта с помощью специальных установок (кабестанов).

Свайные якоря с раскрывающимися лапами представляют собой цилиндрический вертикальный ствол с шарнирно прикрепленными к нему в нижней части оперенными плоскостями (лапами), которые при погружении (забивке) якоря в грунт находятся в сложенном состоянии (для снижения сопротивления грунта). При приложении первоначальной нагрузки к якорю происходит раскрытие лап и якорь приводится в рабочее положение для последующего его использования.

В бывшем СССР в 70-х годах 20-го века по индивидуальным проектам были разработаны, изготовлены и испытаны винтовые якоря и свайные якоря с раскрывающимися лапами, обеспечивающие их удерживающую способность до 100 тонн. Однако эффективная установка и использование этих якорей возможно только на глинистых и песчаных грунтах.

В связи с этим, из-за конструктивной сложности таких якорей, «чувствительности» их к грунту в месте их установки, а также из-за сложной технологии их установки в грунте дальнейшая разработка и использование якорей этих типов, обеспечивающих большую держащую силу, представляются проблематичными.

4.4.4 Кессонные основания, заглубляемые засасыванием (засасываемые якоря)

Кессонные основания, заглубляемые засасыванием, представляют собой, как правило, одно- или двухкамерные вертикальные металлические кессоны различной формы с открытой снизу нижней камерой (юбкой).

При установке кессонного основания на грунт (рисунок 4.18) производят его опускание и в определенной степени гравитационное заглубление нижней камеры (юбки) в грунт под собственным весом всей конструкции (для чего иногда кессонное основание утяжеляют гравитационным якорем-массивом). После создания определенного уплотнения между стенками частично погруженной в грунт юбки и грунтом погружным или надводным вакуумным насосом производят откачку воды из нижней камеры кессона, создавая в ней разрежение, способствующее «засасыванию» (дальнейшему погружению) кессона в грунт. После погружения кессона в грунт в верхней камере кессона может быть уложен дополнительный балласт.

Таким образом, удерживающая способность кессонного основания обеспечивается за счет трения стенок кессона о грунт и бокового сопротивления грунта на сдвиг.

Установка кессонного основания на грунт может быть произведена с кранового или специализированного судна, оснащенного необходимым оборудованием.

Рисунок 4.18 - Установка кессонного основания в грунте

Заглубленное кессонное основание, как и якорная свая обеспечивает восприятие как горизонтальных, так и вертикальных составляющих нагрузки, действующих от натяжения якорных связей. Как и у якорной сваи, выбором необходимых размеров и конструкции кессонного основания можно обеспечить восприятие практически любых нагрузок от натяжения якорных связей, характерных для систем заякорения современных плавучих сооружений, используемых в морской нефтегазовой индустрии. Кессонные основания, заглубляемые засасыванием, так же как и якорные сваи, применяются главным образом, в долговременных системах пространственного заякорения с длинными или укороченными якорными связями. Применение кессонных оснований в системах пространственного заякорения с использованием вертикальных туго натянутых якорных связей или в системе заякорения с одной якорной связью нецелесообразно, поскольку для восприятия больших вертикальных усилий, возникающих в якорных связях этих систем заякорения, потребуются кессонные основания больших размеров и надежной технологией их установки на грунте.

Кессонные основания в силу необходимости их проникновения в грунт, могут быть достаточно надежно установлены только на мягких грунтах или грунтах средней твердости. Что касается твердых каменистых грунтов, то на таких грунтах заглубление кессонных оснований проблематично.

Кессонные основания не стандартизированы и для каждого места установки и применяемой системы заякорения должны разрабатываться по индивидуальному (специальному) проекту.

4.4.5 Донные плиты-основания (якорные плиты)

Донные плиты-основания (якорные плиты) представляют собой массивные плоские металлические или железобетонные конструкции, закрепляемые на дне свайным креплением непосредственно под удерживаемым плавучим сооружением. На рисунках 4.19 и 4.20 показаны донные плиты-основания в составе системы заякорения буя одной якорной связью (SALM).

Якорные плиты рассчитываются на восприятие значительных вертикальных нагрузок и применяются, как правило, в системах долговременного пространственного заякорения с вертикальными туго натянутыми якорными связями и в системах заякорения одноточечного причала (буя) одной якорной связью. Установка на дно донных плит-оснований требует применения крановых или специализированных судов, оснащенных необходимым оборудованием.

4.4.6 Якоря, заглубляемые в грунт с помощью взрыва и взрывчатых веществ

Концепция якоря, заглубляемого в грунт с использованием взрывчатых веществ, разрабатывалась в 70-80 годы 20-го столетия в ряде стран (США, СССР и др.). В систему установки якоря в грунте входят собственно плитовидный якорь с закрепленной к нему якорной связью, направляющая для ориентирования якоря при входе в грунт и устройство с зарядом взрывчатого вещества. После опускания ко дну якоря, ориентированного определенным образом, производится подрыв взрывчатого вещества, под действием чего якорь заглубляется в грунт (рисунок 4.19).

При последующем приложении к якорю натяжения якорной связи якорь разворачивается в грунте, занимая в нем положение, обеспечивающее наибольшую возможную держащую силу. Как правило, эти якоря применялись на мелководье в долговременных системах заякорения с относительно небольшой удерживающей способностью. Дальнейшего развития эти якоря в системах заякорения плавучих сооружений с требующейся большой удерживающей способностью до настоящего времени не получили.

Рисунок 4.19 - Установка в грунте якоря, заглубляемого с помощью взрыва и взрывчатых веществ (концепция ВМС США)

Дата добавления: 2015-07-18