海洋工程用锚类型及其发展综述

叶 邦 全

（708研究所，上海 200011）

0 引 言

对于采用多点锚泊系统定位的浮式海洋工程装置来说，锚是装置通过系泊索系固在海底并藉以保持船位的关键设备。一旦锚失效（走锚）将引起装置大幅度位移，从而导致重大的甚至是灾难性的事故。

上世纪 50年代以来，随着海洋工程的发展，国际上涌现出一代又一代性能优良的拖曳埋置锚，近年来出现的新型拖曳锚更是越来越多地采用钢板焊接结构。同时还出现了能承受垂向负荷的负压锚和板锚。在锚的研究、设计和海上安装中大量采用先进的科学理论、试验方法和工艺技术，真正成为跨学科的高科技工程项目。

1 海洋工程锚类型

1.1 拖曳埋置锚

拖曳埋置锚通常以其抓力与自重之比即抓重比（或抓力系数）表征锚的抓持特性，随着锚重的增加，抓重比将会下降。拖曳埋置锚一般只能承受水平力，不考虑承受垂向力。因此，与之相连的锚索应有足够的长度，并尽可能使得锚索在锚处与海底相切。图1[1]为海洋工程装置用的各种拖曳埋置，表1为拖曳埋置锚的分级及在泥或沙中的抓持特性。

根据用途及抓持能力，拖曳埋置锚可分为4类：

1)船用锚。由于该类锚航行区域变化大，需要适应多种底质（沙、硬泥、软泥、淤泥以及这些底质的混合物），大多为无杆转爪锚，抓力都不是很大。锚爪折角一般在 35～45°的范围内，如霍尔锚、斯贝克锚等普通船用无杆锚的折角为42°，其最大抓力仅为其自重的4倍左右，AC-14型大抓力无杆锚的折角为35°，其最大抓力则可达到自重的8倍以上，但是当拉力超过抓力限额时很容易翻转而导致失效。该类锚的优点是抛起锚方便，可收藏在锚链筒内；

图1 海洋工程装置常用拖曳埋置锚

2)一般性能海洋工程用锚。该类锚为有（横）杆的转爪锚如丹福斯锚、LWT锚、斯达托锚等，主要适用于沙或硬泥底质，有很好的稳定性，抓力比船用锚大得多，常将其归类为“大抓力锚”。其中的 LWT锚和斯达托锚设计成折角可改变，以适应软泥底质。一般性能海洋工程用锚在上世纪60～70年代设计的海洋工程装置如钻井（驳）船、半潜式钻井平台、自升式平台上应用十分广泛。

3)较高性能海洋工程用锚。该类锚的抓力比一般性能海洋工程用锚更高，问世于上世纪70年代，著名的如布鲁斯铸钢（Bruce SS）锚和布鲁斯（Bruce）及TS锚（前2种均为固定爪锚，后者可改变折角）和阔鳍型德尔泰（Flipper Delta）锚（锚爪折角可改变）以及史蒂汶（Stevin）系列的史蒂芙狄格（Stevdig）锚、史蒂芙莫特（Stevmud）锚、史蒂芙菲克斯（Stevfix）锚、霍克（Hook）锚等（均为转爪锚）。除史蒂芙莫特锚专用于淤泥底质外，其余的均能适应多种底质。

4)高性能海洋工程用锚，是近年来出现的史蒂芙帕瑞斯（Stevpris）锚、史蒂芙夏克（Stevshark）锚、布鲁斯（Bruce）FFTS锚等，均为钢板焊接的固定爪锚。该类锚的抓力远大于上述各类锚，甚至在软泥中也有很大的抓力，是当前最先进的拖曳埋置锚。

图2为重量7t的史蒂芙帕瑞斯MK6型锚。该类锚的锚爪面积大，锚爪的两个尖齿使锚更容易啮入土中，穿透的深度大，达到最大抓力所需的拖曳距离较短。锚爪与锚柄之间的夹角可调节，在极软的黏土（淤泥）中为50º，中等硬度黏土中为41º，沙和硬泥中为32º。在淤泥中的最大抓力可达311t（自重的44倍），在中等硬度黏土中的最大抓力可达436t（自重的62倍），在沙和硬泥中的最大抓力可达561t（自重的80倍）。史蒂芙帕瑞斯锚可以承受一定的垂向负载。在现今设计的各种海洋工程作业船和半潜式钻井平台上得到广泛应用。

1.2 桩锚

桩锚（pile anchor）是一根空心桩，其上端带有连接锚索的眼板，不仅能承受水平载荷，而且能抵抗垂向载荷，适用于坚硬的底质。桩锚通常由打桩船先行安装，也有采用冲（水）或钻出一个孔，然后将桩放入孔中，再灌注水泥浆将桩固住。但是在冲（水）或钻孔过程中，底质容易遭到破坏。图3为由钻井船钻孔安装的桩锚。

桩锚必须根据所安装位置的底质情况专门设计，且安装费用很高，极少使用。特别是在深水条件下，无论是打桩或是钻孔安装都十分困难。

图2 史蒂芙帕瑞斯MK6锚

表1 重量10t的各种拖曳埋置锚抓持特性

1.3 吸力桩和吸力沉箱

吸力桩（suction pile）又称负压锚，适用于深水系泊系统，主要用于黏土型底质，也可以用于细沙或颗粒层，能承受很高的系泊索的水平和垂向载荷。

吸力桩必须根据底质情况专门设计，其施工复杂，安装费用高，安装和拆卸潜水泵均需潜水员或深潜器协助，通常用于永久性系泊系统。

吸力桩一般为钢质圆柱形筒体结构，底部敞开，顶部是封闭的，见图 4。安装时，首先是把吸力桩下降到海底，靠自重使筒的下缘嵌入底质。然后，不断地抽去吸力桩内的水，使筒体内部压力下降。内外压力差产生的垂直向下的压力作用在筒体顶部，使筒体不断地被压入土中，直至筒体内的水全部抽光，贴紧底质为止。拔锚时，则按相反程序，将水注入筒内，将筒体顶出底质。图5为吸力桩或吸力沉箱的安装情况。

图3 钻桩锚

吸力沉箱（suction caisson）是一种吸力埋置锚，具有较小的高度与直径比，穿透底质的深度比吸力桩小得多。吸力沉箱在水中的重量构成了它的大部分垂向支持能力。图6为一种具有很大的底部尺寸和较浅的裙板穿透深度的多单元混凝土结构的吸力沉箱，其承受垂向负荷的能力主要是其自身重量加上一些表面摩擦力和内部的吸力，承受水平负荷的能力则取决于裙板的穿透深度和和受到剪切的各层底质之间的摩擦力。

图4 吸力桩

图5 吸力桩安装

1.4 重力锚

重力锚（gravity anchor）即重块锚，由混凝土块或钢块、碎金属或其他高密度材料制成。裙板依靠其自重穿透,设计的提升能力取决于沉没的锚重，其承受水平负荷的能力是锚与底质之间的摩擦力以及锚下底质的剪切强度函数。重力锚适用于小型系泊系统。

1.5 板锚

板锚（plate anchor）最初用于美国海军舰船系泊浮筒的锚泊，置于具有较高底质强度的海床深处。板锚具有较大的垂向支持能力，适用于锚索以大倾斜角与海床相交的绷紧腿系泊系统。

板锚主要有2种类型：

1)拖曳埋置式板锚。拖曳埋置式板锚具有较大的垂向支持能力，通常将其归类为 VLA，即法（垂）向承力锚（Vertically Loaded Anchor）。目前，海洋工程常用的2种VLA为丹拉（Denla）锚和斯蒂夫曼脱（Stevmanta）锚，见图7，斯蒂夫曼脱锚抗拔力可达自重的100倍以上。采用拉紧索系统把板锚从安装模式转变到工作位置，而丹拉锚则采用铰链锚柄。

拖曳埋置式板锚采用类似于拖曳锚的方法埋入深层底质，为充分发挥其支持能力，对安装位置、深度和锚索定位方向等的精确性提出了非常高的要求。

2)直接埋置式板锚。直接埋置式板锚如图8所示，锚的主体（锚爪）实际上是一块带有可转动翼板的平板，为使其支持能力充分发挥，对位置、深度、锚索定位方向等安装精确性提出了非常高的要求。其埋置方法可采用吸力、冲击或振动锤、火箭推进器或液压锤。

吸力埋置式板锚（Suction Embedded Plate Anchor简称SEPLA）已用于海洋工程装置系泊作业，采用吸力跟踪器（Suction follower）进行安装见图 8。吸力跟踪器如同吸力桩，一端封闭，另一端开槽插入板锚。安装时，跟踪器内的板锚端向下，降落至海底。然后，抽去桩（筒）内的水，使跟踪器穿透底质，达到板锚设计规定的深度。然后，通过注水使跟踪器反向作用与板锚脱离并回收。根据 SEPLA的原理，板锚的锚爪应垂直埋置于土中，以便在拉动系泊索定位的过程中，使锚爪充分旋转，达到所需要的状态。实际上吸力跟踪器是一种可重复使用的吸力锚也可用于其他板锚的安装。

图6 吸力沉箱

图7 拖曳埋置式板锚（VLA）

图8 吸力埋置式板锚（SEPLA）

2 海洋工程装置用锚选择

2.1 移动式系泊系统

移动式系泊系统适用于在海上系泊定位作业时间较短的工程船舶和浮式装置，诸如打捞船、起重船、半潜运输船、地质取芯船、潜水工作船、铺管船、钻井船（或驳船）、半潜式钻井平台、钻井辅助船等。这类船舶或装置多数采用辐射状（多点）锚泊系统定位，其主要特点是作业环境条件并不十分恶劣，一旦预报强风暴来临时，可以撤离。即使是钻井船和半潜式钻井平台，遇到强风暴时，可提前脱开或收回隔水管，使其位移不受限制。

移动式系泊系统一般采用悬链式（锚索）系统，且要求抛/起锚方便，因此通常采用大抓力拖曳埋置锚。在选择锚时，必须通过对各种环境条件下的系泊分析来确定锚的负荷。

2.2 永久性系泊系统

永久性系泊系统用于在海上停留时间较长的浮式装置诸如半潜式生产平台、Spar平台、FSO（浮式储油船）或FPSO（浮式生产储存卸货装置）等。该类装置设计使用寿命在10年以上，而且在遇到强风暴时，一般不可能离开位置，更不可能快速回收水下立管，系泊系统的失效将造成严重后果。因此，应根据该系统设计规定的最恶劣环境条件所作的系泊分析来确定系留点（锚）的负荷以及系泊系统的形式和安装方式，所选择的锚应十分可靠，且需要更加充分地了解预定抛锚地点的底质条件和海床形状。

永久性系泊系统目前主要有2种形式即悬链式和绷紧式。悬链式系泊系统通常采用大抓力拖曳埋置锚，如同移动式系泊系统。绷紧式系泊系统则可采用桩锚、吸力桩和板锚等。

3 海洋工程装置用锚的发展趋向

海洋工程装置用锚是从船用锚发展过来的。早在上世纪40年代，英国和美国的海军研究机构就对舰船和海洋工程装置用锚进行了大量的研究工作，尤其是英国海军研究所经过十多年的努力研制出了如今已风靡全世界的AC-14锚[2]。上世纪50年代初，大规模海洋开发高潮兴起时，许多钻井船选用经过改良的美国海军的LWT锚和丹福斯锚作为定位锚。此后，随着海洋工程的发展，各种新型的大抓力锚不断出现，其势头延续至今未见稍息。纵观半个多世纪以来，锚的发展趋向主要有如下几个方面：

1)抓持性能提高，且适用多种底质。锚的性能是多方面的，但是最重要的无疑是抓力，其次是稳定性包括抓力的稳定性以及不易翻转的特性。然而，绝大多数锚只能用于泥沙底质（沙、硬泥、软泥、淤泥及他们的混合物），不适用于礁石类底质。

海洋工程装置用的拖曳埋置锚，主要从以下方面着手提高其抓持性能。(1)改变锚爪折角。LWT锚、斯达托锚、布鲁斯TS锚、阔鳍型德尔泰锚、史蒂芙帕瑞斯锚等均可通过调节折角以适应不同的底质，通常在沙或硬泥中为30°，在软泥或淤泥中为50°。(2)锚爪的形状和面积。对于沙或硬泥应有较尖的锚爪，以便于入土；对于软泥或淤泥则要求有较大的面积，使之增加抓力。前者如单福斯锚，锚爪尖削，可深入土中；后者如史蒂芙莫特锚是专门用于淤泥的锚，锚爪面积特别大。(3)增设横杆，使锚不易翻身。大多数海洋工程装置用的转爪锚都设有横杆。阔鳍型德尔泰锚虽无横杆，但其锚爪下部特别宽，相当于设置横杆。

2)形式多种多样。船用锚由于考虑收藏及抛起锚方便等因素，几乎全都是无（横）杆的转爪锚。海洋工程装置用的锚不受这些因素的制约，不管什么形式，只要性能好，因此出现了多种多样形式。

早期使用的丹福斯锚、LWT锚、斯达托锚均为有（横）杆的转爪锚。上世纪70年代出现的铸钢布鲁斯锚和博世锚则是锚爪不可转动的固定爪锚。其后的布鲁斯TS锚、史蒂芙帕瑞斯锚和史蒂芙夏克锚的锚爪折角虽可调节，但仍然是不可转动的固定爪锚。但固定爪锚的抓力均比转爪锚大。

3)承受垂向负荷的锚。大多数拖曳埋置式锚只能承受水平负荷，不能够承受垂向负荷，因此只能与悬链式系泊系统配合使用。悬链式系泊系统的最大缺点是系泊索太长，如一艘作业水深约600m的8点定位半潜式平台，其每根锚索（钢丝绳+锚链）的长度超过3000m。若是改用绷紧式系泊系统，则系泊索长度可大大缩短，但锚索会在锚点处与海床形成一个较大的夹角，为此必须采用能够承受垂向负荷的锚。

能够承受垂向负荷的锚主要有：用于浅水的桩锚和用于深水的吸力桩和板锚（VLA和SEPLA）。据介绍，BP公司在墨西哥湾作业的一艘设置绷紧式系泊系统的半潜式钻井平台，所采用的 SEPLA，宽度304.8cm×长度731.52cm，法向抓力达800t。

4)钢板焊接锚。从上世纪60年代开始，出现了多种具有焊接结构锚爪以及铸钢锚柄的锚，例如N型和TW型波尔锚、阔鳍型德尔泰锚、史蒂汶系列的锚等。后来出现的布鲁斯TS锚则是全焊接结构锚，而近年来出现的高性能锚诸如史蒂芙帕瑞斯锚、史蒂芙夏克锚,布鲁斯FFTS锚等都是全焊接结构锚。

5)先进的研究和设计方法。由于实锚试验和海上试验耗资巨大，尤其是海上试验根本看不到锚，因此模型试验十分重要，对于开发新型的锚是绝对必须的。

无论是拖曳埋置锚还是桩锚、吸力桩或板锚，都是在啮入土中后才能发挥其作用，因此锚的性能与底质的性质有密切的关系，涉及到许多土力学问题，尤其是桩锚、吸力桩和板锚的设计和安装，需要了解底质的原始和重塑后的剪切强度、固结特性（可压缩性和渗透性）、持续负荷下的剪切失效、振动引起的液化、P-y曲线、淘空、地震影响等等。为此需要进行大量的表层地质勘察（钻孔或取芯），取得土样，并进行分析试验，从而得到必需的数据，供设计和安装分析使用。

现代海洋工程装置用的拖曳埋置锚的研究不仅要对锚在各种底质中的抓力测定，还要研究锚在拖曳入土过程中的抓力变化，并测定其达到最大抓力时的啮入深度及拖曳距离。目前对锚更深入的研究是采用土工力学的离心机模拟试验，已获得了拖曳埋置锚在软粘土中由先导索、循环加载和浸泡对锚的抓力的影响等最新研究成果。

吸力桩的设计需进行穿透分析和撤除分析，以及预报支持能力和锚结构分析。板锚（拖曳埋置式和直接埋置式）则是通过锚索施加于锚上的力，穿透底质，进入土中，在设计中同样需要进行穿透分析。板锚能否充分发挥其支持能力取决于其最终定位方向和深度，因此，关键在于安装过程中锚的轨迹的预报。而在吸力桩和板锚的分析和设计中应用了有限元法、极限平衡法、塑性极限分析法和梁-柱分析法等先进的分析方法。

由上所述可看出，现代海洋工程装置用锚的研究和设计涉及到土力学、结构力学、运动学和动力学等多门学科，采用了一系列新的研究和设计方法，特别是对于海上安装提出了很高的要求，已经真正成为跨学科的高科技工程项目。

4 国内锚的研发情况

国内目前已经开发出了若干品种的大抓力锚，其中较成熟的有AC-14锚、N型波尔锚、丹福斯锚、LWT锚等，而诸如TW型波尔锚、阔鳍型德尔泰锚、史蒂芙帕瑞斯锚等虽已开发出来，但性能还不够理想，尚需作进一步的改进。

5 结 语

综观锚的发展历史，可以看到随着现代船舶特别是油船的大型化以及海洋工程的开发，欧美先进工业国家的海军以及造船和石油行业，在舰船及海洋工程装置用锚的研究和开发中，投入了大量的人力和物力，通过几十年的努力，不断创新，涌现出许多新型的大抓力锚，从而使得舰船和海洋工程装置用锚得到了前所未有的发展。

然而，值得深思的是，一方面国内仍然在生产落后的铸钢锚，安装在出口船舶上，直接出口；另一方面钢板焊接的高性能海洋工程装置用锚却不得不仰赖进口。如今，中国发出了要成为世界第一造船强国的誓言，而且提出了要开发海洋工程装备的规划，因此急需在锚的研究方面加大投入，研发出新型的海洋工程装置用锚，缩小与国际先进水平的差距。

[1] API RP2SK.Design and Analysis of Stationkeeping System for Floating Structures[M].Third Edition, 2005.

[2] 中国船舶工业总公司.船舶设计实用手册，舾装分册[M].北京：国防工业出版社，2002.