Kotwice osadzone na morzu
Kotwice osadzone na morzu to kotwice , których nośność wynika z oporu tarcia lub nośności otaczającego gruntu, w przeciwieństwie do kotwic grawitacyjnych, których nośność wynika głównie z ich ciężaru. W miarę jak projekty na morzu przenoszą się na głębsze wody, konstrukcje oparte na grawitacji stają się mniej ekonomiczne ze względu na potrzebne duże rozmiary i wynikające z tego koszty transportu.
Każdy z kilku typów kotew osadzonych ma swoje zalety w kotwiczeniu konstrukcji morskich. Wybór rozwiązania kotwiczącego zależy od wielu czynników, takich jak rodzaj obiektu morskiego wymagającego cumowania, jego lokalizacja, opłacalność ekonomiczna, okres użytkowania, warunki glebowe i dostępne zasoby.
Przykładami obiektów, które mogą wymagać cumowania, są pływające jednostki do przechowywania i rozładunku produkcji (FPSO), mobilne morskie jednostki wiertnicze , morskie platformy wydobywcze ropy naftowej , fale i inne konwertery energii odnawialnej oraz pływające obiekty skroplonego gazu ziemnego .
Kotwy do osadzania przeciąganego
Kotwice typu drag-embedment (DEA) czerpią swoją zdolność utrzymywania z zakopania lub osadzenia głęboko w dnie morskim, a ich zdolność kotwiczenia jest bezpośrednio związana z głębokością osadzenia. DEA są instalowane poprzez przeciąganie, przy użyciu łańcucha lub liny cumowniczej, ten stosunkowo prosty sposób instalacji sprawia, że DEA jest opłacalną opcją kotwiczenia konstrukcji morskich. DEA są powszechnie stosowane do tymczasowego cumowania przybrzeżnych naftowych i gazowych , np . ruchomych morskich jednostek wiertniczych . Ich użycie tylko w sytuacjach tymczasowego cumowania można w dużej mierze przypisać niepewności związanej z trajektorią osadzenia kotwicy i umieszczeniem jej w glebie, co skutkuje niepewnością co do wytrzymałości kotwicy.
W idealnych warunkach kotwice DEA są jednymi z najskuteczniejszych rodzajów kotwic, których nośność waha się od 33 do ponad 50-krotności ich wagi; a taka wydajność daje DEA nieodłączną przewagę nad innymi rozwiązaniami kotwiczenia, takimi jak kesony i pale, ponieważ masa DEA jest skoncentrowana głęboko w dnie morskim, gdzie opór gleby, a tym samym zdolność zatrzymywania, jest największy. Efektywność kotwicy jest definiowana jako stosunek ostatecznej nośności do suchej masy kotwicy, przy czym DEA często mają znacznie wyższe współczynniki wydajności w porównaniu z innymi rozwiązaniami kotwiącymi.
Konfiguracja sieci trakcyjnej składa się z „luźnych” lin cumowniczych, które tworzą kształt sieci trakcyjnej pod własnym ciężarem. Ponieważ łańcuchowe liny cumownicze leżą płasko wzdłuż dna morskiego, wywierają one jedynie poziome siły na swoje kotwice. Napięte liny cumownicze docierające pod kątem do dna morskiego wywierają na swoje kotwice siły zarówno poziome, jak i pionowe. Ponieważ kotwice DEA są zaprojektowane tak, aby opierały się wyłącznie siłom poziomym, kotwy te mogą być używane wyłącznie w konfiguracji zacumowanej do sieci trakcyjnej. Przyłożenie znacznego obciążenia pionowego do DEA spowoduje jego uszkodzenie, ponieważ nacisk zostanie przyłożony do ucha, a tym samym do odzyskania kotwicy. Ułatwia to jednak wydobycie kotwicy, co przyczynia się do opłacalności tego rozwiązania kotwiczącego.
Projekt
Trzy główne elementy DEA to przywra, trzonek i padeye. W przypadku DEA kąt między przywrą a trzonkiem jest ustalony na około 30 stopni dla sztywnych glin i piasku oraz 50 stopni dla miękkich glin.
Fuks
Łuk kotwy płytowej jest płytą nośną, która zapewnia znaczną większość nośności kotwicy na jej ostatecznej głębokości osadzenia. Oprócz przyczyniania się do nośności kotwicy, przywra może przyczyniać się do stabilności kotwicy podczas osadzania. Przyjęcie szerszego chwytu może pomóc w zapewnieniu stabilności toczenia, co pozwala na głębsze osadzenie i lepszą zdolność trzymania. Istnieją wytyczne branżowe dotyczące zarówno odpowiedniej szerokości, długości, jak i grubości łap kotwicznych, gdzie szerokość odnosi się do wymiaru prostopadłego do kierunku osadzenia. Komercyjne kotwice mają zazwyczaj stosunek szerokości do długości przywry wynoszący 2:1 i stosunek długości do grubości przywry między 5 a 30.
Cholewka
Ponieważ DEA czerpią swoją siłę z głębokości osadzenia, trzpień powinien być zaprojektowany w taki sposób, aby zminimalizować opór gruntu prostopadły do trajektorii osadzenia kotwy.
Opór tarcia gleby o równoległą składową trzonu jest jednak mniej znaczący. Zatem obszar trzonu zgodny z kierunkiem trajektorii osadzania jest często stosunkowo duży, aby zapewnić stabilność kotwicy przed przetaczaniem się podczas osadzania.
Padeye
Padeye to połączenie między kotwicą a liną cumowniczą. Mimośród ucha , często mierzony jako współczynnik przesunięcia ucha , to zależność między poziomą i pionową odległością położenia ucha w stosunku do połączenia kotwicy z trzonkiem przywry . Ocena optymalnej ekscentryczności ucha dla DEA i kotew obciążonych pionowo (VLA) ogranicza się do odpowiedniego doboru długości trzonka przy stałym kącie trzonka przywry podczas osadzania. W badaniu przeprowadzonym w celu zbadania odpowiednich długości trzonków uwzględniono zakres stosunku długości trzonu do długości przywry między 1 a 2. Ustalono, że krótsze długości trzonu (bliższe stosunkowi 1) powodowały głębsze osadzenie kotwicy.
Lina cumownicza
Chociaż lina cumownicza nie jest unikalnym elementem kotwicy DEA, jej konstrukcja znacząco wpływa na zachowanie kotwicy. Grubsza lina cumownicza zapewnia większą odporność na osadzenie kotwicy. Zbadano właściwości lin cumowniczych z łańcuchem w porównaniu z drutem, przy czym łańcuchowe liny cumownicze powodują zmniejszenie nośności kotwicy nawet o 70%. Dlatego tam, gdzie jest to właściwe i opłacalne, należy stosować drutowe liny cumownicze. Osadzony odcinek liny cumowniczej przyczynia się do wytrzymałości kotwicy na ruchy poziome. Właściwe jest zatem przeanalizowanie wpływu liny cumowniczej kotwicy zarówno w odniesieniu do procesu osadzania kotwicy, jak i jej wpływu na ostateczną nośność kotwicy.
Kotwy obciążone pionowo
Kotwice obciążone pionowo (VLA) to zasadniczo DEA, które mogą swobodnie obracać się wokół połączenia trzonka z łapą, co pozwala kotwicy wytrzymać zarówno obciążenie pionowe, jak i poziome, a zatem, w przeciwieństwie do DEA, liny cumownicze mogą znajdować się w sieci trakcyjnej lub naprężonej zacumowana konfiguracja. VLA są osadzone tak, jak DEA, na określonej długości przeciągania. W rezultacie wiele rozważań projektowych wymaganych dla DEA ma zastosowanie do VLA. Po wprowadzeniu długości przeciągania, przywra jest „zwalniana” i może swobodnie obracać się wokół swojego połączenia z trzonem. Ta nowa konfiguracja kotwicy powoduje, że obciążenie liny cumowniczej jest zasadniczo normalne do fluke VLA.
Kesony ssące
Kesony ssące (znane również jako kubły ssące, pale ssące lub kotwy ssące) to nowa klasa kotew osadzonych, które mają szereg zalet ekonomicznych w porównaniu z innymi metodami. Zasadniczo są to odwrócone wiadra, które są osadzone w glebie i wykorzystują ssanie, wypompowując wodę w celu wytworzenia próżni, do zakotwiczenia urządzeń pływających na morzu. Zapewniają szereg korzyści ekonomicznych, w tym szybki montaż i demontaż podczas likwidacji, a także obniżenie kosztów materiałowych. Keson składa się z cylindra o dużej średnicy (zwykle w zakresie od 3 do 8 metrów (10 do 26 stóp)), otwartego u dołu i zamkniętego u góry, ze stosunkiem długości do średnicy w zakresie od 3 do 6. To rozwiązanie kotwiące jest szeroko stosowane w dużych konstrukcjach morskich, morskich platformach wiertniczych i mieszkalnych. Od czasu wzrostu zapotrzebowania na energię odnawialną takie kotwice są obecnie stosowane w morskich turbinach wiatrowych, zwykle w konfiguracji trójnożnej.
Kotwy płytowe wpuszczane w zasysanie
W 1997 r. wprowadzono kotwę płytową osadzoną przyssawką (SEPLA) jako połączenie dwóch sprawdzonych koncepcji kotwienia — pali ssących i kotew płytowych — w celu zwiększenia wydajności i obniżenia kosztów.
Obecnie kotwice SEPLA są używane w Zatoce Meksykańskiej , u wybrzeży Afryki Zachodniej oraz w wielu innych miejscach. SEPLA wykorzystuje ssący „popychacz” , początkowo wypełniony wodą keson z otwartym dnem, aby osadzić kotwicę płytową w glebie. Popychacz ssący jest opuszczany na dno morskie, gdzie zaczyna penetrować pod własnym ciężarem. Woda jest następnie pompowana z wnętrza kesonu, aby wytworzyć próżnię, która popycha kotwicę płytową pod spodem na żądaną głębokość (krok 1). Lina cumownicza kotwicy płytowej jest następnie odłączana od kesonu, który jest odzyskiwany przez wodę wtłaczaną do kesonu, powodując jej ruch w górę, pozostawiając osadzoną kotwicę płytową (krok 2). Następnie do liny cumowniczej przykłada się naprężenie (krok 3), powodując obrót kotwicy płytowej (proces znany również jako „kluczowanie”) prostopadle do kierunku obciążenia (krok 4). Odbywa się to tak, że maksymalna powierzchnia jest skierowana w kierunku obciążenia, maksymalizując wytrzymałość kotwy.
Ze względu na zastosowanie popychacza ssąco-kesonowego kotwy SEPLA można sklasyfikować jako kotwy wbudowywane bezpośrednio; a zatem położenie i głębokość kotwicy są znane. Ze względu na swoją efektywność geotechniczną kotwy płytowe SEPLA są znacznie mniejsze i lżejsze niż równoważne kotwy ssące, co zmniejsza koszty.
Dynamicznie instalowane kotwy
Zwiększony koszt instalowania kotwic na głębokich wodach doprowadził do powstania kotwic dynamicznie penetrujących, które osadzają się w dnie morskim podczas swobodnego spadania . Kotwy te zazwyczaj składają się z grubościennego, stalowego trzonu rurowego wypełnionego złomem metalowym lub betonem i wyposażonego w stożkową końcówkę. Stalowe łapy są często mocowane do wału, aby poprawić jego stabilność hydrodynamiczną i zapewnić dodatkowy opór tarcia przed uniesieniem po instalacji.
Główną zaletą kotew instalowanych dynamicznie jest to, że ich zastosowanie nie jest ograniczone głębokością wody. Koszty są zmniejszone, ponieważ podczas instalacji nie jest wymagana żadna dodatkowa interakcja mechaniczna. Prosta konstrukcja kotwy ogranicza koszty produkcji i obsługi do minimum. Ponadto ostateczna nośność kotew dynamicznych w mniejszym stopniu zależy od oceny geotechnicznej lokalizacji, ponieważ mniejsza wytrzymałość na ścinanie pozwala na większą penetrację, co zwiększa zdolność trzymania. Pomimo tych zalet, główną wadą tego typu kotew jest stopień niepewności w przewidywaniu głębokości i orientacji osadzenia oraz wynikająca z tego niepewna nośność.
Projekt
Od czasu ich pierwszego komercyjnego opracowania w latach 90. zaprojektowano kilka różnych form kotew instalowanych dynamicznie. Kotwica głęboko penetrująca (DPA) i kotwica torpedowa były szeroko stosowane na przybrzeżnych wodach Ameryki Południowej i Norwegii . Ich projekty pokazano na rysunku z dwoma innymi rodzajami kotew instalowanych dynamicznie, a mianowicie Omni-Max i kotwą płytową dynamicznie osadzoną (DEPLA).
Kotwice głęboko penetrujące i torpedowe są zaprojektowane tak, aby osiągać maksymalne prędkości 25–35 metrów na sekundę (82–115 ft / s) na dnie morskim, co pozwala na penetrację końcówki dwa do trzech razy większą niż długość kotwicy i zdolności utrzymywania w zakresie trzy do sześciu razy większy od ciężaru kotwy po konsolidacji gruntu .
Dynamicznie osadzona kotwica płytowa (DEPLA) to kotwica bezpośrednio osadzona, obciążona pionowo, która składa się z płyty osadzonej w dnie morskim dzięki energii kinetycznej uzyskanej podczas swobodnego spadania w wodzie . Ta nowa koncepcja kotwicy została opracowana dopiero niedawno, ale została przetestowana zarówno w laboratorium, jak iw terenie. Różne komponenty DEPLA można zobaczyć na schemacie oznaczonym na rysunku.
Przedstawiona kotwica Omni-Max to kotwica montowana grawitacyjnie, którą można ładować w dowolnym kierunku dzięki funkcji obrotu o 360 stopni. Kotwica jest wykonana ze stali o wysokiej wytrzymałości i posiada regulowane płetwy motylkowe, które można dostosować do określonych warunków glebowych.
Kotwice torpedowe
Kotwica torpedowa ma rurowy stalowy wał, z pionowymi żebrami stalowymi lub bez, który jest wyposażony w stożkową końcówkę i wypełniony złomem lub betonem. Kotwica o długości do 150 metrów (490 stóp) zostaje całkowicie zanurzona w dnie morskim w wyniku swobodnego spadku.
Pełnowymiarowe testy terenowe przeprowadzono w wodzie na głębokości do 1000 metrów (3300 stóp) przy użyciu kotwicy torpedowej o długości 12 metrów (39 stóp) i średnicy 762 milimetrów (30,0 cali) o suchej masie 400 kiloniutonów ( 90 000 funtów -f ). Kotwica torpedowa zrzucona z wysokości 30 metrów (98 stóp) nad dnem morskim osiągnęła 29-metrową (95 stóp) penetrację w normalnie skonsolidowanej glinie.
Kolejne testy z kotwicą torpedową o masie w stanie suchym 240 kiloniutonów (54 000 lbf ) i średnim osadzeniem końcówki wynoszącym 20 metrów (66 stóp) dały w rezultacie zdolność utrzymywania około 4-krotności suchej masy kotwicy bezpośrednio po instalacji, co w przybliżeniu podwoiła się po 10 dniach konsolidacji gleby.
Chociaż wydajność jest niższa niż w przypadku innych rodzajów kotew, takich jak kotwa wleczona, jest to rekompensowane przez niski koszt produkcji i łatwość instalacji. W związku z tym można zastosować szereg kotwic torpedowych do utrzymywania stacji w pionach i innych konstrukcjach pływających.
Kotwy głęboko penetrujące
Kotwica głęboko penetrująca (DPA) jest koncepcyjnie podobna do kotwicy torpedowej: zawiera grubościenny stalowy cylinder w kształcie strzałki z przywrami przymocowanymi do górnej części kotwicy. Pełnowymiarowy DPA ma około 15 metrów (49 stóp) długości, 1,2 metra (4 stopy) średnicy i waży około 50–100 ton (49–98 długich ton; 55–110 ton amerykańskich). Metoda instalacji nie różni się od kotwicy torpedowej: jest opuszczana na określoną wysokość nad dnem morskim, a następnie wypuszczana swobodnie, aby osadzić się w dnie morskim.
Pale kotwiczne
Pale kotwiące osadzone (wbijane lub wiercone) są wymagane w sytuacjach, w których wymagana jest duża nośność. Konstrukcja pali kotwicznych pozwala na trzy rodzaje konfiguracji cumowania — pionowe liny mocujące, na sieci trakcyjnej i częściowo naprężone / napięte cumy — które są używane do cumowania konstrukcji morskich, takich jak morskie turbiny wiatrowe , pływająca produkcja, magazynowanie i rozładunek (FPSO) statki, pływające instalacje skroplonego gazu ziemnego (FLNG) itp. Przykładem przemysłowym jest platforma Ursa z nogami napinanymi (TLP), który był utrzymywany na stacji przez 16 pali kotwicznych, z których każdy ma 147 metrów (482 stóp) długości, 2,4 metra (7 stóp 10 cali) średnicy i waży 380 ton (370 długich ton; 420 ton amerykańskich ).
Projekt
Pale kotwiczne to wydrążone rury stalowe , które są wbijane lub wkładane do otworu wywierconego w dnie morskim, a następnie zalewanego cementem, podobnie jak fundamenty palowe powszechnie stosowane w stałych konstrukcjach morskich . Rysunek przedstawia różne metody instalacji, gdzie w metodzie „wbijanej” rura stalowa jest wbijana mechanicznie młotkiem, podczas gdy w metodzie „wierconej” pal odlewany na miejscu jest wkładany do ponadgabarytowego otworu wykonanego za pomocą wiertarki obrotowej a następnie spoinowane cementem. Zastosowanie określonej metody zależy od właściwości geofizycznych i geotechnicznych dna morskiego.
Pale kotwiące są zwykle projektowane tak, aby wytrzymywały zarówno obciążenia poziome, jak i pionowe. Osiowa nośność pala kotwiącego wynika z tarcia wzdłuż granicy pala z gruntem, podczas gdy nośność poprzeczna pala jest generowana przez boczny opór gruntu, gdzie orientacja kotwy ma kluczowe znaczenie dla optymalizacji tego oporu. W rezultacie ucho do padu jest umieszczone w taki sposób, że siła z sieci trakcyjnej lub napiętego cumowania spowoduje moment równowagi wokół punktu obrotu, aby osiągnąć optymalny boczny opór gruntu.
Instalacja
Ze względu na smukły charakter pali kotwiących istnieją trzy problemy związane z instalacją pali wbijanych, z których pierwszym jest możliwość wbijania pali w miejscu lub gdy nadmierny opór gruntu może uniemożliwić penetrację na żądaną głębokość. Drugim zagadnieniem jest deformacja pali, w której dochodzi do zapadnięcia się wierzchołka lub wyboczenia na skutek nadmiernego oporu i odchylenia trajektorii pala. Trzecią kwestią są właściwości geotechniczne gruntu. Niewystarczający opór boczny gruntu może doprowadzić do przewrócenia się kotwicy, a skały i głazy wzdłuż trajektorii penetracji mogą doprowadzić do odmowy i zapadnięcia się końcówki.
Kwestie instalacyjne dotyczące pali wierconych i zalewanych cementem obejmują stabilność odwiertu, niechciane miękkie wióry u podstawy otworu, pękanie wodne gruntu prowadzące do utraty zaczynu oraz skutki rozszerzalności cieplnej .