一种动力锚的安装装置及其安装方法

1.本发明属于海洋工程技术领域，具体涉及一种动力锚的安装装置及其安装方法。


背景技术：

2.海洋资源开发和空间利用需要一系列浮式结构，这些浮式结构通过锚链/缆绳与锚固基础连接。在锚固基础中，动力锚具有安装效率高、成本低的优势，在海洋工程中得到了广泛关注。顾名思义，动力锚是一种动力安装的锚固基础形式，从海水中自由下落获得动能并依靠动能和自身重力势能贯入海床中完成安装，除了安装船外不需借助额外安装设备。
3.目前，动力锚发展出了多种结构形式，主要包括鱼雷形的鱼雷锚(美国专利，us006106199a)、由三片翼板组成的y型动力锚(美国专利，us 7059263 b1)、由上下两片翼板组成的翼形锚(gerkus等，2016)、由配重轴和四片翼板组成的组合锚(o’loughlin等，2014)、由配重板和盾形板组成的组合锚(chow等，2017)、由助推器和三角形/盾形板组成的组合锚(专利zl 202010097703.6)。
4.对于y型动力锚、翼形锚等锚眼位置不在锚体中轴尾部的结构形式，其安装需用到两条锚链，即安装链和系泊链。安装链连接在锚体中轴尾部，用于释放动力锚入水；系泊链一端连接在锚眼位置，待动力锚安装结束后另一端连接至浮式结构。在现有安装方法中，系泊链事先释放至海床表面，然后通过释放安装链使动力锚在海水中自由下落并贯入海床。但由于系泊链位于动力锚下方，当动力锚在海水中自由下落产生倾斜的情况下，动力锚可能会碰撞到系泊链上，从而造成安装失败。
5.组合锚也属于一种动力锚。对于组合锚，后端的配重轴、配重板和助推器统称为“镇重器”，前端的翼板、盾形板、三角形/盾形板统称为“板形锚”，作为锚固基础来系泊浮式结构；镇重器相当于一个安装工具，可以增加组合锚的动能和重力势能，并使板形锚贯入海床中足够深度；待一个组合锚安装结束后，镇重器需要回收并用于下一个板形锚的安装。组合锚的安装也需要用到两条锚链，即安装链和系泊链。安装链连接在镇重器尾部，用来进行组合锚安装和镇重器回收；系泊链连接在板形锚的锚眼位置，用来系泊浮式结构。


技术实现要素：

6.针对海洋工程中锚眼不在锚体中轴尾部的动力锚，本发明提出一种高效的安装装置及相应的安装方法。安装装置的核心部件是一个释放器，释放器上同时连接释放链、安装链和系泊链，可避免动力锚在海水中自由下落时碰撞到系泊链。本发明所涉及动力锚安装方法只需要用到一艘安装船，具有安装快速、成功率高、节约成本的优点。
7.本发明的技术方案：
8.一种动力锚的安装装置，包含释放器、释放链、安装链和系泊链，用于连接安装船和动力锚。动力锚尾部设有回收孔，动力锚上还设有锚眼。释放器上设有两个分离开关，即第一分离开关和第二分离开关；分离开关实际上为一个自动脱钩，一端铰接在释放器上，另
一端为一个半圆形的钩头；释放器上还设有两个触发器，即第一触发器和第二触发器，分别用来触发第一分离开关和第二分离开关；触发器为一根横杆，其一端铰接在释放器上，另一端为自由端；分离开关和触发器之间通过一根连杆铰接在一起；拨动触发器的自由端，触发器绕着自身铰接点旋转，带动连杆运动，导致分离开关绕自身铰接点旋转，从而使分离开关处于打开状态；释放器上还设有安装孔。释放链第一端固定在释放器的安装孔上，第二端连接至安装船；释放链中间某一点处设置一个第一连接环，第一连接环将释放链分成两部分。第一连接环安装在第一分离开关的内部。系泊链第一端连接至动力锚的锚眼位置，第二端连接至安装船；系泊链中间某一点处设置一个第二连接环，第二连接环将系泊链分成两部分。第二连接环安装在第二分离开关的内部。安装链第一端设置一个第三连接环，第三连接环也安装在第二分离开关的内部；安装链第二端连接至动力锚尾部回收孔。
9.相应的，本发明提出一种高效的动力锚安装方法，具体步骤如下：
10.(1)将动力锚从安装船释放至海水中，控制释放链和系泊链具有相同的下放速度，使动力锚在海水中下放直至距离海床表面预定高度，该预定高度指的是动力锚锚尖相对海床表面的高度，称为“安装高度”；
11.(2)保持动力锚位置不变，继续从安装船释放系泊链至海水中，这部分释放长度称为“系泊链冗余长度”；
12.(3)打开第一分离开关，释放器脱离释放链，动力锚在海水中自由下落，并带动释放器、安装链和系泊链一起运动，随后动力锚从海水中贯入海床中，安装结束后，动力锚的锚尖至海床表面的距离称为“沉贯深度”；
13.(4)打开第二分离开关，系泊链和安装链与释放器分离；
14.(5)将释放链和释放器回收至安装船；
15.(6)将系泊链连接至浮式结构。
16.当动力锚为组合锚时，安装装置具体如下：
17.组合锚主要由板形锚和镇重器两部分组成，镇重器尾部设有回收孔，板形锚上设有锚眼。释放器上设有两个分离开关，即第一分离开关和第二分离开关，分别连接释放链和系泊链；释放器上还设有两个触发器，即第一触发器和第二触发器，分别用来触发第一分离开关和第二分离开关；释放器上设有两个安装孔。安装链第一端固定在释放器的一个安装孔上，第二端连接至镇重器尾部的回收孔中。释放链第一端固定在释放器的另一个安装孔上，第二端连接至安装船；释放链中间某一点设置一个第一连接环，第一连接环将释放链分成两部分。第一连接环安装在第一分离开关的内部。系泊链第一端连接至板形锚的锚眼位置，系泊链第二端连接至安装船；系泊链中间某一点处设置一个第二连接环，第二连接环将系泊链分成两部分。第二连接环安装在第二分离开关的内部。
18.相应的，本发明提出一种高效的组合锚安装方法，具体步骤如下：
19.(1)将组合锚从安装船释放至海水中，控制释放链和系泊链具有相同的下放速度，使组合锚在海水中下放直至距离海床表面预定高度，该预定高度指组合锚的锚尖相对海床表面的距离，称为“安装高度”；
20.(2)保持组合锚位置不变，继续从安装船释放系泊链至海水中，这部分释放长度称为“系泊链冗余长度”；
21.(3)打开第一分离开关，释放器脱离释放链，组合锚在海水中自由下落，并带动释
放器、安装链和系泊链一起运动，随后组合锚从海水中贯入海床中；
22.(4)打开第二分离开关，系泊链与释放器分离；
23.(5)将释放链回收至安装船，随着释放链不断张紧，镇重器和板形锚脱离，镇重器、安装链、释放器和释放链一起被回收至安装船上；
24.(6)将系泊链连接至浮式结构。
25.其中，“系泊链冗余长度”不小于“安装高度”与“沉贯深度”之和；释放链第一端至第一连接环的长度大于“安装高度”和“沉贯深度”之和。
26.安装链的长度大于动力锚安装结束后回收孔至海床表面的距离。
27.本发明的有益效果：
28.首先，避免了动力锚和组合锚在海水中自由下落时碰撞到系泊链，从而提高了安装成功率；其次，整个安装过程仅用到一艘安装船，能大大节约安装成本；最后，该安装方法既适用于锚眼不在锚体中轴尾部的动力锚，也适用于组合锚，该发明应用范围广泛。
附图说明
29.图1展示了动力锚安装装置；
30.图2a为释放器闭合状态示意图；
31.图2b为释放器打开状态示意图；
32.图3为释放器和安装链、释放链及系泊链连接局部放大图；
33.图4为动力锚释放至距离海床预定高度示意图；
34.图5为动力锚释放后在海水中自由下落示意图；
35.图6为动力锚贯入海床示意图；
36.图7为系泊链和安装链脱离释放器示意图；
37.图8为动力锚回收过程示意图；
38.图9为组合锚安装装置；
39.图10为组合锚一个实施例；
40.图11为安装组合锚的释放器和安装链、释放链及系泊链连接局部放大图；
41.图12为组合锚静置在海水中示意图；
42.图13为组合锚释放后在海水中自由下落示意图；
43.图14为组合锚贯入海床示意图；
44.图15为系泊链脱离释放器示意图；
45.图16为镇重器回收示意图；
46.图17展示了板形锚和回收缆的连接方式。
47.图中：1安装船；2动力锚；3释放器；4安装链；5系泊链；6释放链；7组合锚；8安装高度；9沉贯深度；10回收链；11回收缆；2a锚眼；2b回收孔；3a第一分离开关；3b第一触发器；3c第二分离开关；3d第二触发器；3e第一连接轴；3f第二连接轴，3g连杆；3h第三连接轴；3i第四连接轴；3j第一安装孔；3k第二安装孔；4a安装链第二端；4b安装链第一端；4c第三连接环；5a系泊链第二端；5b系泊链第一端；5c第二连接环；6a释放链第二端；6b释放链第一端；6c第一连接环；7a镇重器；7b板形锚；7c回收孔；7d锚眼；11c第四连接环。
具体实施方式
48.以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
49.1.一种动力锚的安装装置
50.图1展示了一种动力锚的安装装置示意图。安装装置主要包含安装船1、动力锚2、释放器3、安装链4、系泊链5和释放链6。
51.在图1所示实施例中，动力锚2主要由三组翼板组成。锚眼2a位于一个可绕锚体中轴旋转的加载臂的边缘，回收孔2b位于锚体中轴尾部。锚眼2a用来连接系泊链第一端5b，回收孔2b用来连接安装链第二端4a。
52.释放器3用来连接安装链4、系泊链5和释放链6。
53.图1所示实施例中，释放器3为一梯形的板形结构，在满足流线型设计要求下，可根据实际需要设计成任意形状。图2a展示了释放器3的细部结构。释放器3上设有两个分离开关，即第一分离开关3a和第二分离开关3c。分离开关为一个自动脱钩，一端通过第一连接轴3e铰接在释放器3上，另一端为一个半圆形钩头。释放器3上还设有两个触发器，即第一触发器3b和第二触发器3d，分别用来触发第一分离开关3a和第二分离开关3c。触发器为一横杆，一端通过第二连接轴3f铰接在释放器3上，另一端为自由端。触发器和分离开关之间设有一连杆3g，其两端分别通过第三连接轴3h和第四连接轴3i铰接在触发器和分离开关上。图2b展示了第一分离开关3a的打开状态，用水下机器人的机械臂可以触碰第一触发器3b的自由端，致使第一触发器3b绕第二连接轴3f旋转；第一触发器3b旋转带动连杆3g向上运动，继而带动第一分离开关3a绕第一连接轴3e旋转，从而打开第一分离开关3a。图2a和图2b所示触发器为机械结构，当然还可以为电动控制结构，从安装船上启动遥控可直接打开分离开关。释放器3上还设有第一安装孔3j和第二安装孔3k。
54.图3展示了释放器3和安装链4、系泊链5和释放链6连接的细部图。
55.图1和图3所示实施例中，释放链第一端6b固定在释放器3的第一安装孔3j上，释放链第二端6a连接至安装船1，释放链第一端6b和释放链第二端6a之间某一点设有第一连接环6c。第一连接环6c安装在第一分离开关3a内。系泊链第一端5b连接至动力锚2的锚眼2a位置，系泊链第二端5a连接安装船1。系泊链第一端5b和系泊链第二端5a之间某一点设有第二连接环5c。第二连接环5c安装在释放器3的第二分离开关3c内。安装链第一端4b设有一个第三连接环4c，第三连接环4c也安装在释放器3的第二分离开关3c内，安装链第二端4a连接至动力锚2尾部的回收孔2b处。
56.安装链4、系泊链5和释放链6可以是金属锚链，也可以是非金属的缆绳，根据实际工程需要选择合适的材质。
57.2.一种动力锚的安装方法
58.图4
–
7展示了动力锚2的安装步骤。
59.(1)将动力锚2从安装船1释放至海水中，控制释放链6和系泊链5具有相同的下放速度，使动力锚2在海水中下放直至距离海床表面预定高度，该预定高度指动力锚的锚尖相对海床表面的高度，称为安装高度8。
60.(2)保持动力锚2位置不变，继续从安装船1释放系泊链5至海水中，这部分释放长度称为“系泊链冗余长度”。
61.(3)打开第一分离开关3a，释放器3脱离释放链6，动力锚2在海水中自由下落，并带
动释放器3、安装链4和系泊链5一起运动，随后动力锚2从海水中贯入海床中。当动力锚2的运动速度减为零后，表明动力安装过程结束，此时动力锚2的锚尖至海床表面的距离称为沉贯深度9。
62.(4)打开第二分离开关3c，系泊链5和安装链4与释放器3分离。
63.(5)将释放链6和释放器3回收至安装船1。
64.(6)将系泊链5连接至浮式结构，动力锚2用来抵抗浮式结构受到的环境荷载。
65.步骤2中，“系泊链冗余长度”不小于“安装高度”8与“沉贯深度”9之和，这样设置能确保动力锚2在整个安装过程中系泊链5始终处于松弛状态。
66.释放链第一端6b至第一连接环6c的长度要大于安装高度8和沉贯深度9之和，这样设置能确保动力锚2在整个安装过程中释放链6不会完全绷紧，避免影响动力锚2的沉贯深度9。
67.安装链4的长度要大于动力锚2安装结束后回收孔2b至海床表面的距离，即要确保整个安装过程中释放器3不会没入海床中。
68.图8展示了动力锚2的回收方式。当动力锚2正常服役完成后需要回收，首先将安装船1停泊至动力锚2的正上方，然后从安装船上释放回收链10至海水中，回收链10一端与安装船上的锚机相连，另一端释放至海床，并与安装链第二端4a处的第三连接环4c相连。该过程可由水下机器人的机械臂操作完成。然后启动安装船上的锚机，将动力锚2回收至安装船1。
69.3.一种组合锚的安装装置
70.图9展示了组合锚安装装置总体布置图。安装装置主要包含安装船1、释放器3、安装链4、系泊链5、释放链6和组合锚7。释放器3用来连接安装链4、系泊链5和释放链6。
71.图10为一种组合锚7的实施例，由镇重器7a和板形锚7b组成。镇重器7a尾部设有回收孔7c，用来连接安装链第二端4a。板形锚7b上设有锚眼7d，用来连接系泊链第一端5b。
72.图11为释放器3和安装链4、系泊链5、释放链6连接局部示意图。结合图8和图10来说明组合锚7的安装装置示意图。此时，释放器3上设有两个安装孔，分别为第一安装孔3j和第二安装孔3k。安装链第一端4b固定在释放器3的第二安装孔3k上，安装链第二端4a连接至镇重器7a尾部的回收孔7c处。释放链第一端6b固定在释放器3的第一安装孔3j上，释放链第二端6a连接至安装船1，释放链第一端6b和释放链第二端6a之间某一点设有一个第一连接环6c。第一连接环6c安装在第一分离开关3a内。系泊链第一端5b连接至板形锚7b的锚眼7d位置，系泊链第二端5a连接至安装船1，系泊链第一端5b和系泊链第二端5a之间某一点设有一个第二连接环5c。第二连接环5c安装在释放器3的第二分离开关3c内。
73.安装链4、系泊链5和释放链6可以是金属锚链，也可以是非金属的缆绳，根据工程需要选择合适的材质。
74.4.一种组合锚的安装方法
75.图12
–
16展示了组合锚7安装步骤。
76.(1)将组合锚7从安装船1释放至海水中，控制释放链6和系泊链5具有相同的下放速度，使组合锚7在海水中下放直至距离海床表面预定高度，该预定高度指的是组合锚7的锚尖相对海床表面的距离，称为安装高度8。
77.(2)保持组合锚7位置不变，继续从安装船1释放系泊链5至海水中，这部分释放长
度称为“系泊链冗余长度”。
78.(3)打开第一分离开关3a，释放器3脱离释放链6，组合锚7在海水中自由下落，并带动释放器3、安装链4和系泊链5一起运动，随后组合锚7从海水中贯入海床中。当组合锚7的运动速度减为零后，表明动力安装过程结束，此时板形锚7b的锚尖至海床表面的距离称为组合锚的沉贯深度9。
79.(4)打开第二分离开关3c，系泊链5与释放器3分离。
80.(5)将释放链6回收至安装船1，随着释放链6不断张紧，镇重器7a和板形锚7b脱离，镇重器7a、安装链4、释放器3和释放链6一起被回收至安装船1上。
81.(6)将系泊链5连接至浮式结构，板形锚7b用来抵抗浮式结构受到的环境荷载。
82.步骤2中，“系泊链冗余长度”不小于安装高度8与沉贯深度9之和，这样设置能确保组合锚7在整个安装过程中系泊链5始终处于松弛状态。
83.释放链第一端6b至第一连接环6c的长度要大于安装高度8和沉贯深度9之和，这样设置能确保组合锚7在整个安装过程中释放链6不会完全绷紧，避免影响组合锚7的沉贯深度9。
84.安装链4的长度要大于组合锚7安装结束后回收孔7c至海床表面的距离，即要确保整个安装过程中释放器3不会没入海床中。
85.图17展示了组合锚7和回收缆11的连接方式。回收缆11用于回收板形锚7b。回收缆第一端连接至板形锚7b的尾部，回收缆第二端上设有第四连接环11c，连接环11c安装在释放器3的第二分离开关3c内。连接有回收缆11的组合锚的安装方式与上述步骤相同，唯一需要注意的是，步骤4中，打开第二分离开关3c，系泊链5和回收缆11从释放器3上分离。
86.当板形锚7b服役完成需要回收时，首先将安装船1停泊至板形锚7b的正上方，然后从安装船上释放回收链10至海水中，回收链10一端与安装船上的锚机相连，另一端释放至海床，并与回收缆第二端的第四连接环11c相连。该过程可由水下机器人的机械臂操作完成。然后启动安装船上的锚机，将板形锚7b回收至安装船1。

技术特征：
1.一种动力锚的安装装置，其特征在于，所述安装装置包含释放器、释放链、安装链和系泊链，用于连接安装船和动力锚；动力锚尾部设有回收孔，动力锚上还设有锚眼；释放器上设有两个分离开关，即第一分离开关和第二分离开关；分离开关为一端铰接在释放器上的脱钩；释放器上还设有两个触发器，即第一触发器和第二触发器，分别用来触发第一分离开关和第二分离开关；触发器为一端铰接在释放器上的横杆；分离开关和触发器之间通过一根连杆铰接在一起；拨动触发器，带动连杆运动，则分离开关处于打开状态；释放器上设有安装孔；释放链第一端固定在释放器的安装孔上，释放链第二端连接至安装船；释放链中间某一点处设置一个第一连接环，第一连接环将释放链分成两部分，第一连接环安装在第一分离开关的内部；系泊链第一端连接至动力锚的锚眼位置，系泊链第二端连接至安装船；系泊链中间某一点处设置一个第二连接环，第二连接环将系泊链分成两部分，第二连接环安装在第二分离开关的内部；安装链第一端设置一个第三连接环，第三连接环也安装在第二分离开关的内部；安装链第二端连接至动力锚尾部回收孔。2.根据权利要求1所述的一种动力锚的安装装置，其特征在于，当动力锚为组合锚时：组合锚由板形锚和镇重器两部分组成，镇重器尾部设有回收孔，板形锚上设有锚眼；释放器上设有两个安装孔；安装链第一端上不设置第三连接环；安装链第一端固定在释放器的一个安装孔上，安装链第二端连接至镇重器尾部的回收孔中；释放链第一端固定在释放器的另一个安装孔上，释放链第二端连接至安装船；释放链中间某一点处设置一个第一连接环，第一连接环将释放链分成两部分，第一连接环安装在第一分离开关的内部；其余安装方式相同。3.一种动力锚的安装方法，采用权利要求1所述的安装装置，其特征在于，具体步骤如下：(1)将动力锚从安装船释放至海水中，控制释放链和系泊链具有相同的下放速度，使动力锚在海水中下放直至距离海床表面预定高度，预定高度指动力锚锚尖相对海床表面的高度，称为安装高度；(2)保持动力锚位置不变，继续从安装船释放系泊链至海水中，释放长度称为系泊链冗余长度；(3)打开第一分离开关，释放器脱离释放链，动力锚在海水中自由下落，并带动释放器、安装链和系泊链一起运动，随后动力锚从海水中贯入海床中，动力锚安装结束后，动力锚的锚尖至海床表面的距离称为沉贯深度；(4)打开第二分离开关，系泊链和安装链与释放器分离；(5)将释放链和释放器回收至安装船；
(6)将系泊链连接至浮式结构。4.一种动力锚的安装方法，采用权利要求2所述的安装装置，其特征在于，当动力锚为组合锚时，具体步骤如下：(1)将组合锚从安装船释放至海水中，控制释放链和系泊链具有相同的下放速度，使组合锚在海水中下放直至距离海床表面预定高度，预定高度指组合锚的锚尖相对海床表面的距离，称为安装高度；(2)保持组合锚位置不变，继续从安装船释放系泊链至海水中，释放长度称为系泊链冗余长度；(3)打开第一分离开关，释放器脱离释放链，组合锚在海水中自由下落，并带动安装链和系泊链一起运动，随后组合锚从海水中贯入海床中；(4)打开第二分离开关，系泊链与释放器分离；(5)将释放链回收至安装船，随着释放链不断张紧，镇重器和板形锚脱离，镇重器、安装链、释放器和释放链一起被回收至安装船上；(6)将系泊链连接至浮式结构。5.根据权利要求1或2所述的一种动力锚的安装装置，其特征在于，由水下机器人的机器臂拨动触发器，从而打开分离开关。6.根据权利要求3或4所述的一种动力锚的安装方法，其特征在于，系泊链冗余长度不小于安装高度与沉贯深度之和；释放链第一端至第一连接环的长度大于安装高度和沉贯深度之和。7.根据权利要求3所述的一种动力锚的安装方法，其特征在于，安装链的长度大于动力锚安装结束后回收孔至海床表面的距离。8.根据权利要求4所述的一种动力锚的安装方法，其特征在于，安装链的长度大于组合锚安装结束后回收孔至海床表面的距离。9.根据权利要求3所述的一种动力锚的安装方法，其特征在于，动力锚回收时，将安装船停泊至动力锚正上方，然后将回收链从安装船上释放至海水中，回收链第一端与安装船上的锚机相连，回收链第二端释放至海床表面，并与安装链第一端的第三连接环相连，再启动锚机将动力锚回收至安装船。10.根据权利要求4所述的一种动力锚的安装方法，其特征在于，板形锚尾部连接一根回收缆，回收缆的另一端连接第四连接环，第四连接环安装在第二分离开关内部；当板形锚回收时，将安装船停泊至板形锚正上方，然后将回收链从安装船上释放至海水中，回收链第一端与安装船上的锚机相连，回收链第二端释放至海床表面，并与回收缆的第四连接环相连，再启动锚机将板形锚回收至安装船。

技术总结
本发明涉及一种动力锚的安装装置及其安装方法。安装装置的核心为一释放器，释放器上连接一个安装链、一个释放链和一个系泊链，用于连接动力锚和安装船。其中，安装链两端分别连接释放器和动力锚中轴尾部的回收孔；释放链两端分别连接释放器和安装船；系泊链两端分别连接动力锚锚眼和安装船。通过控制释放器上的分离开关来实现安装链、释放链和系泊链与释放器的连接状态。本发明同时适用于锚眼不在锚体中轴尾部的动力锚和组合锚的安装，完成整个安装过程仅需要一艘安装船，具有安装成功率高、节约成本的优点。节约成本的优点。节约成本的优点。


技术研发人员：刘君 叶尖峰 韩聪聪
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2021.11.26
技术公布日：2022/3/8