新型深水灌浆锚的承载特性实验与数值研究

《Ocean Engineering》：Experimental and numerical study on bearing characteristics of a novel deep-water grouting anchor

　　

王建华|杨景全|王正|姜杰|李大勇|吴学真

福建工业大学电子电气工程学院，福州，350118，中国

摘要

为了解决鱼雷锚过重的问题并提高其拔出能力，本研究提出了一种创新的深水灌浆鱼雷锚。与传统鱼雷锚相比，这种新型锚具有更高的承载比（BR），即拔出载荷与锚重之比。该锚通过外部设备将灌浆材料注入海底，使灌浆材料置换周围土壤并在锚体周围形成固化体。通过实验室实验研究了浆体扩散和固化机制对鱼雷锚承载比和拔出阻力的影响。此外，利用欧拉-拉格朗日耦合方法开发了一个数值模型，模拟深水灌浆锚的部署过程，并结合了实测数据和现场数据。通过分析数值模型，研究了影响新型鱼雷锚性能的关键因素，并验证了灌浆鱼雷锚的可行性。结果表明，灌浆可以显著提高鱼雷锚的拔出能力和承载比。拔出阻力随灌浆量和嵌入深度的增加而增加，其承载能力可达传统鱼雷锚的4-35倍。

引言

与深水相比，浅海资源开发相对容易，而深水勘探面临诸多挑战（如水深增加、恶劣的天气条件、复杂的海洋环境、需要专门的钻探技术以及距离岸上设施的距离较长等）。石油工业需要为钻井和生产单元开发坚固且专用的锚固系统。

深水环境中的浮动海上结构主要包括吸力锚、垂向载荷锚（VLAs）和鱼雷锚（Guo等人，2011年；Wu等人，2022年）。吸力锚是一种半封闭的圆柱形结构，通过自身重量倒置在海底，并通过从缸体中抽水产生的压力差进一步压入海底，从而提供垂直和水平的提升能力。垂向载荷锚是一种系统，其平板载体在自重和缆绳张力的共同作用下嵌入海底，通过角度调节器和缆绳使锚体达到正常承载状态。由于鱼雷锚仅依靠自身重量安装，施工过程简单高效，因此被认为是深水环境中浮动海上结构最具成本效益的解决方案。鱼雷锚在坎波斯盆地、北海和墨西哥湾的应用日益广泛（Brand?o等人，2006年；Zimmerman等人，2009年；Lieng等人，2010年）。这种锚最初由巴西国家石油公司（Petrobras）提出，呈鱼雷形状，具有椭球形或圆锥形头部和尾鳍（Lieng等人，1999年）。锚从海底一定高度释放后，依靠自身重量和下落过程中的动能撞击海底。其穿透深度可达锚长的2-3倍，水平和垂直提升阻力来自周围土壤的端部阻力和侧向摩擦阻力（De Araujo等人，2004年）。为了研究鱼雷锚的承载特性，已进行了大量的现场和实验室测试。在实地测试中，Brand?o等人（2006年）在巴西Albacora Leste油田进行了测试，证明鱼雷锚较易于安装和回收，操作也更为方便。随后，Lieng等人（2010年）在Goja油田为移动钻井平台安装了一个785千牛顿的鱼雷锚，测试结果表明其最大拔出阻力为6900千牛顿。在实验室测试中，Richardson（2008年）和O'Loughlin等人（2013年）进行了离心测试，评估了鱼雷锚的嵌入深度和垂直承载能力。Fu等人（2017年）通过离心测试分析了不同加载方向下高岭土中锚体的承载能力。

通过模型测试，Wang等人（2018年）发现鱼雷锚的垂直提升阻力主要取决于土壤的不排水抗剪强度、密度、灵敏度和埋藏深度，以及锚的净重和几何参数。考虑到实际工程中鱼雷锚经常受到倾斜载荷的影响，Wang等人（2019年）对九种不同形状的鱼雷锚进行了316组倾斜拔出实验，研究了土壤质量、锚几何形状、埋藏深度比和载荷角度对锚最大倾斜阻力的影响。Kim和Hossain（2016年）采用了耦合欧拉-拉格朗日（CEL）方法，考虑了应变软化和应变率对土壤强度的影响，对鱼雷锚的单调拔出过程进行了全面分析。Zhang和Evans（2019年）使用离散元方法（DEM）研究了冲击速度、质量和摩擦系数对鱼雷锚在砂土中穿透的影响。Yi等人（2020年）通过数值方法研究了在垂直和水平载荷联合作用下倾斜嵌入鱼雷锚的拔出能力和失效机理。

由于鱼雷锚尖端的截面面积较小，在极端载荷下容易从海底被拉出。2002年至2005年间，飓风Lili、Ivan、Katrina和Rita导致墨西哥湾23个钻井平台完全或部分失去锚固（Shelton，2007年；Petruska等人，2008年）。Yu（2008年）提出了一种动态鱼雷锚，该锚依靠内置的高频振动装置驱动锚达到预设的埋藏深度，并通过增加锚鳍与土壤的接触面积来提高锚的拔出阻力。Yu和Zhang（2016年）还提出了一种海洋固化锚，通过从锚的安装喷嘴挤出固化材料，在锚体周围形成固化体以提高其拔出能力。然而，锚体内的固化材料储存量有限，限制了形成的固化体体积。

针对传统鱼雷锚拔出能力不足的问题，本文提出了一种新型的深水灌浆锚概念。该锚的创新在于将灌浆技术应用于鱼雷锚。借助外部灌浆设备，通过鱼雷锚内部的专用灌浆通道进行灌浆，形成围绕锚体的固化灌浆结构。固化灌浆块与锚体的共同承载作用有效提高了鱼雷锚的拔出承载能力。目前，关于灌浆锚拔出性能的研究主要基于简化后的元件级试样，这些试样的粘合长度较短，主要关注在受控条件下锚、灌浆材料和周围土壤之间的界面机理（Zhang等人，2020年，2024年；Chen等人，2021年）。然而，灌浆鱼雷锚系统在海洋环境中的复杂机械响应（包括灌浆扩散、固化体形成和锚-土相互作用）尚未得到充分研究。因此，本文系统研究了灌浆鱼雷锚系统的拔出行为，特别关注控制载荷传递和失效模式的耦合机理。通过实验室测试验证了所提出的灌浆锚设计的可行性，并明确了灌浆扩散特性、灌浆量和拔出能力之间的内在关系。这些发现为优化鱼雷锚设计和提高拔出性能提供了新的技术途径和理论基础。

节摘

设计理念

鉴于鱼雷锚的承载截面较小，本文介绍了一种新型深水灌浆锚，通过增大锚体的承载截面来提高其拔出能力。这种灌浆锚通过将灌浆管连接到锚上，并利用外部设备将灌浆材料注入海底来工作。灌浆材料置换周围土壤并在锚体周围形成固化体。

深水灌浆锚模型

为了评估所提出的深水灌浆锚的可行性，进行了一系列实验室规模的测试，以研究灌浆材料在海底的扩散行为，并确定灌浆量与锚拔出能力之间的关系。本文为这种灌浆鱼雷锚设计了一套完整的灌浆和拔出系统。实验设计如下：首先，将锚体模型放置在模型盒的饱和砂土中。

测试条件

浆体的形状和承载能力受灌浆量的影响。本实验设计了四组不同灌浆量（4公斤、8公斤、12公斤和16公斤）的灌浆测试。Gilbert等人（2008年）对1:30比例的鱼雷锚进行了穿透和拔出测试，结果显示最大承载能力在锚体穿透后45小时内达到，随后时间延长并未带来显著提升。

数值建模

由于实验条件的限制，测试中深水灌浆锚的嵌入深度无法完全匹配实际工程深度，模型测试结果可能存在尺度效应。为了验证灌浆锚承载特性的增强机制并将实验室结果扩展到工程实际，基于实验数据，使用ABAQUS有限元分析软件开发了一个数值模型。

结论

本研究提出并设计了一种创新的深水灌浆鱼雷锚，详细阐述了其基本结构和工作原理，并独立开发了相应的灌浆和拔出测试系统。通过系统的实验室模型测试和基于耦合欧拉-拉格朗日（CEL）方法的数值模拟，研究了灌浆材料在沙质海底的扩散特性、锚的承载能力及其力学行为的影响因素。

CRediT作者贡献声明

王建华：撰写——初稿、验证、软件编写、正式分析。杨景全：撰写——审阅与编辑、验证。王正：撰写——审阅与编辑。姜杰：撰写——审阅与编辑。李大勇：撰写——审阅与编辑。吴学真：撰写——审阅与编辑、项目管理、资金筹措。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划青年科学家项目（2024YFC2911000）和国家自然科学基金（52179098）的支持。