海洋平臺系泊系統(tǒng)發(fā)展

李志海,徐興平,王慧麗

(中國石油大學 (華東)機電工程學院,山東 東營 257061)

海洋平臺系泊系統(tǒng)發(fā)展

李志海,徐興平,王慧麗

(中國石油大學 (華東)機電工程學院,山東 東營 257061)

鉆井平臺的作業(yè)水深超過 1 000 m后,對系泊系統(tǒng)提出了更高的要求。介紹了國內外深水鉆采平臺系泊方式及系泊材料的發(fā)展趨勢,錨鏈、鋼索及合成纖維繩的性能。重點介紹了合成纖維繩的研究與應用現(xiàn)狀,指出合成纖維系纜是深水鉆井平臺系泊的發(fā)展方向。

深水系泊系統(tǒng);錨鏈;鋼索;合成纖維繩

隨著陸上及淺海油氣資源日益貧乏,向深海發(fā)展已成為必然趨勢。幾十年來,研究人員對此做出了不懈努力,已成功在 3 000 m的超深海域進行油氣鉆探,并向著更深、條件更惡劣的海域發(fā)展。我國的深海油氣開發(fā)技術取得了很大的進步,但與國外仍存在很大差距[1-3]。

海洋上的惡劣環(huán)境及深海鉆采平臺的定位需求,使得深海海洋結構物系泊系統(tǒng)的研究、設計、制造都面臨著新的挑戰(zhàn),并一度成為深海油氣開采的技術瓶頸。近年來,新的系泊方式和系泊材料的研究開發(fā)取得了很大進展,由傳統(tǒng)的懸鏈線系泊系統(tǒng)發(fā)展到深海鉆采平臺,例如 SPAR、TLP平臺采用的張緊系泊系統(tǒng),傳統(tǒng)大質量的錨鏈、鋼索日趨不能滿足深海鉆采發(fā)展的需要,對新型系泊材料的研究開發(fā)成為深海石油工業(yè)的重要課題之一。本文介紹了系泊材料的發(fā)展現(xiàn)狀,并對各材料進行了比較分析,從而闡明了深海鉆井平臺系泊材料的發(fā)展趨勢。

1 系泊技術的發(fā)展

海洋鉆井平臺在發(fā)展過程中主要有傳統(tǒng)的懸鏈線系泊系統(tǒng)和張緊索系泊系統(tǒng),如圖 1。

懸鏈式系泊系統(tǒng),即傳統(tǒng)的展開式系泊系統(tǒng),有著悠久的使用歷史,是通過懸垂的鋼鏈、索和錨與海底接觸,由懸鏈線的幾何作用和重力產生回復力實現(xiàn)船體的定位,通常只適用于 1 000 m內的水深。當水深超過 1 000 m后,系泊半徑過大,增大了船體的載荷,降低船體的可變載荷,懸鏈線與船體的水平夾角也增大,幾何作用減小,不能滿足回復力的要求,使設計和施工方面都面臨許多新的問題。

圖 1 懸鏈線系泊系統(tǒng)和張緊索系泊系統(tǒng)

張緊索系泊系統(tǒng)是隨著纖維材料應用于深海而逐漸發(fā)展起來的,最早應用于 20世紀 80年代的張力腿平臺和 Spar平臺。它通過系泊纜索將平臺直接固定于海底,系泊纜索中間部分多采用質量較輕的高強度尼龍繩、聚酯繩或其他合成材料,纜索兩端采用耐磨的鋼質錨鏈或鋼絲繩?？嚲o索系泊系統(tǒng)的系泊纜索與海底的接觸角度為 30°～45°,其回復力由纜索的軸向剛度提供。

與懸鏈式系泊系統(tǒng)相比,張緊索系泊系統(tǒng)有 4個優(yōu)點。

a) 合成纖維系纜回復剛度大,提供較大的回復力,平臺水平偏離量減小較多。

b) 同等水深下,需要較短的系泊纜索,節(jié)約成本,尤其在深水和超深水條件下的經濟性愈加明顯。

c) 系泊系統(tǒng)所用系泊纜索長度減小,同時避免了大質量鋼鏈的應用,從而減小了系泊重力,即對平臺的載荷降低,從而提高了平臺的可變載荷。

d) 較小的系泊半徑,系泊基礎占用的海床面積小,減小了和附近其他水下設施相碰撞的危險。懸鏈式系泊系統(tǒng)中懸鏈線與平臺垂向夾角更大,從而使錨鏈對平臺產生很大的向下拉力,減小了平臺的有效載荷,或者增大了平臺的浮力。浮筒的應用增加了系統(tǒng)的材料和安裝費用,還增加了系統(tǒng)的拖拽力。張緊索系泊系統(tǒng)可有效解決這一問題。

由于工作狀態(tài)下系纜需承受巨大的張力及軸向應力,因此對系纜的模量、壽命等特性提出了更高要求,同時要求船體能提供較大的儲備浮力。

2 系泊材料的發(fā)展

隨著系泊方式的發(fā)展,典型的錨泊線材料從傳統(tǒng)的鋼鏈、鋼索向應用日趨廣泛的合成纖維繩索過渡。

2.1 鋼鏈

鋼鏈是最傳統(tǒng)的系泊材料,在海洋油氣開采的初期就開始廣泛應用于鉆采船及鉆采平臺的單點和多點系泊。鋼鏈,即錨鏈由許多鏈環(huán)連接而成,鏈環(huán)分有擋鏈環(huán)與無擋鏈環(huán) 2種。有擋鏈環(huán)的強度比無擋者高,同樣鏈徑的有擋鏈環(huán)強度約比無擋者高20%。在海洋鉆采結構中,錨泊系統(tǒng)大都采用 64～102 mm直徑的有擋錨鏈。

常用錨鏈性能特點:

a) 應用廣泛,制造簡單。錨鏈被廣泛的應用于淺海浮動式平臺及其他船舶的系泊,制造成本低,工序簡單?，F(xiàn)在國內已制造出 4級錨鏈鋼,國外已生產出更高性能的 5級錨鏈鋼。

b) 質量大、強度高、伸長率低。錨鏈通常由鋼鑄造而成,在制造上常要分段,為構成整根錨泊線就要使用連接件,如 Kenter型連接環(huán)、Baldt型連接環(huán)及D型卸扣,具有很大的質量,因此隨著水深的增加,所需錨鏈的質量大幅度增加、將占用海洋結構物更多的可變載荷。其材料性能又決定了錨鏈具有高強度、低伸長率,DNV對不同級別的錨鏈屈服應力、抗拉強度及伸長率規(guī)定如表 1[4]。

表1 DNV中不同等級錨鏈的最低力學性能

c) 耐磨損,不易破壞。鋼制錨鏈有較好的耐磨性,在運輸及安裝過程中無需擔心磨損,但安裝后較容易腐蝕,現(xiàn)用錨鏈通常需要進行表面防腐處理。同時錨鏈的全鋼結構有很好的可靠性,不容易破壞,但部分錨鏈存在對鏈檔的焊接,在鏈檔焊接處容易出現(xiàn)疲勞裂縫。

2.2 鋼索

鋼索是由鋼絲組成。它先由若干根鋼絲捻成股,再由若干股捻成繩。捻的方向可以向左或向右,股與繩皆如此。股與繩的捻向相同叫同向捻,捻向相反叫交叉捻。鋼絲繩的中心構件叫做芯,它可以是一股鋼絲芯或一股纖維芯。芯是鋼絲繩的基礎,當鋼絲繩承受負荷時,芯的作用是支持其他的股,并使其保持在原位上。纖維芯通常滲透潤滑劑,使鋼絲繩工作時能得到內部潤滑,從而減小鋼絲間的摩擦。鋼絲繩可為裸鋼絲繩或蒙皮鋼絲繩。蒙皮多為塑性材料 (聚氨基甲酸酷、聚乙烯),可提高鋼絲繩的耐磨性和抗腐蝕性。鋼絲多用碳素鋼制成,海洋工程中通常選用高強度鋼制造,犁鋼的破斷應力可達 18 000 kN左右,強度特別高的鋼其破斷應力則超過 20 000 kN。鋼絲繩也有用不銹鋼和各種合金制造的,其耐腐蝕性比碳素鋼好,但其強度與耐久性都不及犁鋼高,造價也貴。

常用鋼索性能特點:

a) 結構復雜,制造成本高。由于金屬索通常由多根繩纏繞在一起,形成螺旋形等復雜結構,內部還需鋼絲芯或纖維芯,制造工藝復雜,因此成本較高。

b) 同等斷裂強度下,鋼索重僅為鏈重的 1/4～1/5,適應更大水深的要求。

c) 易磨損、易扭結,易被海水腐蝕和疲勞破壞,而且索接頭很困難,一旦在中部破壞就等于整根索報廢。

d) 不易存放。鋼鏈是毫無抗彎能力的,也不能承受任何軸向壓力,不易打結,因此它能收藏在錨鏈艙里。鋼索則只能存放在卷筒上,卷筒隨同絞車布置在甲板上,重心較高,占據(jù)甲板面積,而且卷筒的容量有限,給深水錨泊帶來一些困難。

2.3 合成纖維繩

由于張緊索系泊系統(tǒng)在深海鉆采平臺上的廣泛應用,合成纖維索成為系統(tǒng)研究的關鍵之一。合成纖維繩的材料通常有聚酯纖維 (PET),高強聚乙烯(HMPE),芳香族尼龍(Aramid)等,其中以聚酯纖維應用最廣。合成纖維繩的結構型式有股絞式、打辮式、編織式和平行紗式。用這些材料制造的合成纖維繩比較輕,耐磨性好,疲勞特性好,但強度都比同等直徑的鋼絲繩小得多。

在 20世紀 70年代,國外學者開始了對傳統(tǒng)聚酯纖維、尼龍系泊繩索作為系泊材料做了相關研究,檢驗了尼龍、聚酯纖維索等在干燥以及濕潤環(huán)境下的破壞強度、周期載荷疲勞特性、伸縮特性,并制定了一系列準則,對大型合成纖維繩的試驗、制造、檢驗標準做了規(guī)定。

1990年,NEL(National Engineering Laboratory)測試了多種合成纖維繩索作為深海系泊線的可行性,以開發(fā)適合深海系泊用的高強度、高模量的纖維,如Aramid、HMPE等纖維繩。測試結果表明:以上聚酯纖維具有高強度、高模量、良好的彈性伸長及蠕變特性,適合 1 000～3 000 m深海系泊,改變了海洋工程界對合成纖維繩索剛度不足的傳統(tǒng)認識[5]。

1996年,DeepStar平臺上成功安裝了一條長由PET、尼龍、HMPE三種不同材料組成的合成纖維繩,長度為 945 m,采用垂直張緊系泊的方式。經過兩年惡劣海況的考驗,該系纜被更換,在實驗室中繼續(xù)接受更高頻率的周期載荷測試和破壞載荷測試,未發(fā)現(xiàn)損壞,從而再次證明了合成纖維繩作為深海系泊材料的可行性[6]。

巴西石油公司在 20世紀 90年代也開展了對合成纖維繩系泊的研究。1995-01,巴西石油公司在“P -I X”平臺的一個系泊腿上安裝了 300 m的大直徑聚酯纖維繩,隨后同樣的系纜安裝于“P-XXII”平臺。安裝使用 1 a后系纜被移除并進行檢測,測得強度、模量等的數(shù)值大小幾乎等同于安裝使用前的新系纜,從而證明聚酯纖維繩有良好的壽命與性能保持性。1997年,巴西石油公司首次在 FPSO II上使用聚酯纖維繩 +錨鏈的懸鏈線系泊系統(tǒng),水深為1 420 m,此應用極大地減小了錨鏈對船體向下的拉力,有效提高了深海系泊的回復力。在該系統(tǒng)運行18個月后,全部更換為由聚酯纖維繩索系泊的張緊索系泊系統(tǒng)。這是首次在 FPSO上使用張緊系泊系統(tǒng)[7]。

此后,更多的纖維繩系泊系統(tǒng)出現(xiàn)在墨西哥灣。1999年,聚酯纖維繩系泊系統(tǒng)首次在工作水深為1 615 m的半潛式平臺“Ocean Victory”上使用,在平臺的 8個系泊錨腿中的一個采用 1 067 m的聚酯纖維繩。該系泊纖維繩于 35 d后更換,經檢測保持了初始的剛度和模量,狀態(tài)良好,證實了其較好的系泊特性[8]。2004年,用于 Spar平臺永久系泊的深海聚酯纖維系泊系統(tǒng)的在墨西哥灣就位,分別為“Mad Dog”和“Red Hawk”,“Mad Dog”工作水深為 1 348 m,采用 PET纖維繩,“Red Hawk”工作水深為 1 615 m,采用直徑 215 mm的聚酯纖維繩,破壞極限是12 500 kN。經檢測,以上系泊系統(tǒng)與錨鏈及鋼索系泊相比,可以減小 1 500～2 000 kN的垂直載荷,有效減小惡劣海況下的 5%位移,為平臺節(jié)約了大量的經濟成本[9]。

性能:

a) 質量輕,具有重力-浮力中和特性,可有效降低平臺負載。表 2給出了錨鏈、鋼索、合成纖維繩中的 PET和HMPE的直徑、最小破壞載荷以及在空氣中和水中單位長度的重力,可見合成纖維繩在同等強度下,重力僅為錨鏈的 1/10或者更低。纖維繩的使用減小了系泊系統(tǒng)對平臺向下的拉力,從而使平臺有更大的有效載荷,浮力減小的同時也減小了波浪、流對平臺的作用力[10]。

表2 不同系泊材料的比較

b) 不易磨損、壽命較長、張力范圍大。鋼索都需要進行防腐蝕處理,而聚酯纖維繩不需要。研究認為,滯后、蠕變、軸向壓縮疲勞可能限制纖維繩的壽命。為了證實聚酯纖維繩的壽命,學術界進行了許多拉伸試驗,數(shù)據(jù)顯示,通常使用的合成纖維繩可以在加載大的張力變化范圍的實驗條件下,有很好的疲勞特性。從而證明,聚酯纖維繩可以經受上百年惡劣海況的考驗[11]。

c) 強度高、模量高。最初應用于系泊的合成纖維繩存在強度較低的問題,隨著制造技術的發(fā)展,應用于深水系泊的纖維繩已經滿足了高強度、高模量的要求。

d) 對安裝、運輸和系泊環(huán)境要求高。合成纖維繩易經受潛在破壞存在于運輸、安裝過程,如運輸安裝中不合理的操作,則易被剪斷、擠壓或者磨損造成的內外部破壞。此外,泥沙等雜質進入纖維繩會造成極大威脅,要避免與海底的接觸,表面過濾層的研制也十分重要。

3 結論

1) 由懸鏈式系泊系統(tǒng)向張緊式系泊系統(tǒng)轉變已成為深水鉆采平臺發(fā)展的必然趨勢,同時,動力定位系統(tǒng)也逐漸在系泊技術研究中占據(jù)重要地位。

2) 合成纖維系纜的高性能決定了其在深水系泊中的應用,不同合成材料又決定了系纜的多樣性,除已大量應用的 PET、尼龍、HMPE外,更高性能的PEN、HSHMPE等系纜正在研制。

[1] 張用德,袁學強.我國海洋鉆井平臺發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].石油礦場機械,2008,37(9):14-17.

[2] 方華燦,對我國深水半潛式平臺設計的幾點淺見 [J].中國海洋平臺,2008,23(2):5-11.

[3] 欒 蘇,韓成才,王維旭,等.半潛式海洋鉆井平臺的發(fā)展[J].石油礦場機械,2008,37(11):90-93.

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[10]Corbetta I,Sloan F.HMPEMooringLine Trial for Scarabeo III[C]//Offshore Technology Conference Proceedings. Houston:Offshore Technology Conference,2001.

[11]Corbetta I,Sloan F.HMPEMooringLine Trial for Scarabeo III[C]//Offshore Technology Conference Proceedings. Houston:Offshore Technology Conference,2001.

Development of Offshore Platform M ooring System s

L I Zhi-hai,XU Xing-ping,WANG Hui-li
(College of M echanical and Electronic Engineering,China University of Petroleum(Huadong),Dongying257061,China)

On the basis of technical studies of offshore in deep water,developments and trends ofmooring methods and materials are introduced as the depth increases.Perfor mancesof anchor chain,wire rope and synthetic fiber rope are also introduced here.And the most important,the research and application status of synthetic fiber ropewere focused on,the application of synthetic fiber rope in the deep-watermooring in an inevitable trend is pointed out.

mooring system in deep-water;chain;wire repel;synthetic fiber

1001-3482(2010)05-0075-04

TE952

A

2009-11-27

李志海 (1985-),男,山東棗莊人,碩士研究生,主要從事深海半潛式平臺多點系泊系統(tǒng)方面的研究工作,E-mail:lizhihai-upc@163.com。