深海半潛式生產(chǎn)平臺張緊式系泊系統(tǒng)安裝方案

趙 南 張 偉 楊 勇

（上海外高橋造船有限公司 上海200137）

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深海半潛式生產(chǎn)平臺張緊式系泊系統(tǒng)安裝方案

趙 南 張 偉 楊 勇

（上海外高橋造船有限公司 上海200137）

［摘 要］深海半潛式生產(chǎn)平臺通常采用永久張緊式系泊系統(tǒng)，通過搜集整理行業(yè)內(nèi)深水張緊式系泊安裝流程的相關(guān)資料，對系泊系統(tǒng)海上安裝方案進行歸納和總結(jié)，詳細闡述吸力錨及系泊纜的安裝作業(yè)流程，并針對海上意外事件出現(xiàn)而采取的相應措施進行說明，為今后深水張緊式系泊系統(tǒng)的海上安裝提供參考。

［關(guān)鍵詞］深海；生產(chǎn)平臺；張緊式；系泊；安裝

張 偉（1989-），女，碩士，助理工程師，研究方向：船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計制造。

楊 勇（1988-），男，碩士，助理工程師，研究方向：船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計制造。

引 言

深水半潛式生產(chǎn)平臺是長時間作業(yè)于深海的采油平臺，為保證其在惡劣海況下的精確定位以及為安全生產(chǎn)提供保障，系泊定位系統(tǒng)的重要性顯得尤為突出。此類型平臺通常采用永久張緊式系泊定位方式，該系泊系統(tǒng)中系泊纜索以一定的角度到達海底，通常與海床夾角為30°～ 45°，拋錨點處受到水平力和垂直向上的兩種力作用［1］，相比移動式系泊方式其系泊范圍更廣、水深更深、錨基型式更加復雜［2］，需要依靠專業(yè)的三用工作船及水下輔助設(shè)備以順利完成系泊系統(tǒng)的安裝。本文將詳細闡述深海張緊式系泊施工過程中錨及系泊纜安裝流程，并對意外事件發(fā)生時需采取的措施進行說明。

1　平臺定位系統(tǒng)海上安裝方案

1.1安裝海域海況要求

安裝海域海況條件通過三用工作船利用風力計及測流計測得。根據(jù)設(shè)計要求，安裝過程中的海況條件如表1所示。

表1　安裝海域海況要求

安裝時，只有在確認拋錨地點后才能夠拋錨。如果觀察到超過安裝限制的較強海流或風速，應該立即停止安裝操作，等待海況條件轉(zhuǎn)好。風力計及測流計的讀數(shù)需要記錄并與已有流/浪圖表進行對比。

工作人員應當通過工程船管理系統(tǒng)（Tug Management System）監(jiān)視三用工作船的移動。相關(guān)信息可協(xié)助安裝人員對海況條件進行評估。如果海況條件超出上述要求而無法布置錨，所有的安裝操作都要推遲以等待海況好轉(zhuǎn)。

在吸力錨安裝期間，三用工作船根據(jù)設(shè)計計算需要保持下放索具所需最小張緊力及額外5 t的張緊力以防意外事故的發(fā)生。在錨及纜繩回收期間，工作船船長及拋錨長將會根據(jù)當時天氣狀況及工作船穩(wěn)性來決定回收纜繩的速率。

1.2系泊系統(tǒng)安裝流程

1.2.1系泊系統(tǒng)概述

目標半潛式生產(chǎn)平臺共有16根“鏈-聚酯纜-鏈”張緊式系泊纜均勻地布置在平臺四周［3］。該平臺布置于1 600 m水深位置。錨基型式選用吸力錨。平臺系泊纜的預安裝位置及最終安裝位置示意圖如圖1所示。

每根系泊纜分為觸底錨鏈、頂端錨鏈及中間的5部分聚酯纜繩，總長達2 130 m。錨鏈與聚酯纜、聚酯纜與聚酯纜間均由H型連接器進行連接。其中，錨鏈為直徑165 mm的R4型無檔鏈環(huán)［4］，聚酯纜直徑228.6 mm、抗斷強度12 232 kN。

在滿足永久系泊要求的前提下，聚酯纜繩需定期進行檢驗、維護、修復及替換。聚酯纜繩比傳統(tǒng)的懸鏈式錨鏈輕，故減小了平臺豎向載荷，使之擁有更大的可變載荷，并且可省去傳統(tǒng)系泊系統(tǒng)中浮體等輔助安裝材料，減少昂貴操作設(shè)備的使用，節(jié)省安裝費用。吸力錨與錨鏈的連接接頭選取的是Ballgrab型式［5］連接，如圖2所示。

圖1　系泊纜位置示意圖

圖2　Ballgrab型式連接示意圖

設(shè)置該連接接頭主要有以下目的：

（1）能夠在平臺海上安裝前提供錨鏈系統(tǒng)中吸力錨及觸底錨鏈的預安裝而不必在前期安裝任何聚酯纜。

（2）能夠使任意的系泊纜恢復使用或是替換（在需要時），通過斷開錨鏈與平臺的連接而后斷開錨鏈與吸力錨錨鏈連接器的連接（或反向操作）并使吸力錨保持原先位置不動。

系泊系統(tǒng)的安裝及與半潛式生產(chǎn)平臺的連接分為三個階段進行，三用工作船作為主要安裝船將在海上安裝的整個過程使用。安裝主要階段如下：

第1階段 16個吸力錨及其自帶錨鏈/下端觸地錨鏈的安裝；

第2階段 預安裝過程中的部分聚酯纜連接（每根系泊纜均有兩段聚酯纜）；

第3階段 其余部分聚酯纜、測試段聚酯纜及與平臺錨鏈的連接安裝。

1.2.2第1階段——吸力錨安裝

該階段包括所有吸力錨、自帶錨鏈、吸力錨錨鏈連接器母連接部分的安裝，并需在系泊纜預安裝之前幾個月進行。較早安裝可使吸力錨具有足夠的安裝時間以達到設(shè)計載荷。

完成早期評估后，兩個吸力錨的部件連同自帶錨鏈和吸力錨錨鏈連接器被裝載至三用工作船上，運輸?shù)街付êＳ虿⑦M行安裝，三用工作船分8次運送吸力錨，每次運送2個。圖3所示為海上安裝過程中三用工作船攜帶的2個吸力錨。圖4為吸力錨在安裝過程中。

圖3　海上運輸吸力錨

圖4　吸力錨安裝過程圖

工作級水下機器人（ROV）及相關(guān)支撐設(shè)備安裝在主甲板主絞車間的上方。在拋錨點運用預先安裝的長基線水聲定位矩陣（LBL）實現(xiàn)精確的導航及吸力錨標記。

此外，為使三用工作船可容納并運輸吸力錨，需要克服的最大挑戰(zhàn)是設(shè)計一個結(jié)構(gòu)緊湊且成本較低的大型吸力錨下放系統(tǒng)，并能夠安全的在三用工作船上操作。研究分析表明：兩個在下放線纜中串聯(lián)的輔助下放設(shè)備（與其他下放設(shè)備一起，如圖5所示）可以顯著減小三用工作船在至少1.8 m波高海面上的動態(tài)載荷。

圖5　吸力錨下放圖

同時，該輔助下放設(shè)備另一優(yōu)勢在于在下放過程中不會占據(jù)甲板空間。吸力錨安裝技術(shù)要求如下：

吸力錨安裝允許偏差：結(jié)構(gòu)中心平面位置3 m半徑范圍內(nèi)，錨鏈連接固定吊點方位角±5.0°，吸力錨筒體傾斜（垂直度）+/-2.0°。

在到達指定海域后，兩臺工作級ROV通過精確的LBL測量系統(tǒng)在海底安裝標記浮體。這些浮體固定在錨泊地以待吸力錨安裝就位時釋放。安全下放及在海床中插入吸力錨需要相當數(shù)量的索具。一旦到達海底，吸力錨就能夠自行插入土壤中。此時ROV關(guān)閉泄放閥，?？吭谝粋?cè)，同時吸力泵將吸力樁內(nèi)的水抽出并使其下降［6］，具體安裝流程如下：

（1） 將吸力錨緩慢下放并通過水面飛濺區(qū)，其中的空氣通過頂部泄放孔釋放。

（2）下放ROV 2號（配置?？壳耍┘癛OV 1號。

（3）將錨繼續(xù)下放至距離海床20 m處， ROV 2號在下放過程中監(jiān)視吸力錨確保不會發(fā)生旋轉(zhuǎn)或是不受控制的移動，ROV 1號需始終位于錨上方并對錨與海床的距離進行監(jiān)控。

（4）將ROV 2號停靠至錨頂部。

（5）ROV 2號將水下電羅經(jīng)安裝至吸力錨頂部插座內(nèi)。

（6）ROV 2號將錨頂部插座盲板移除并將連接吸力泵的針形插頭插入其中。

（7）對潛水泵進行預調(diào)試。確保數(shù)據(jù)記錄軟件正常運行。測試潛水泵在10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%和100%時的流量并記錄流量和壓力讀數(shù)。

（8）將錨下放至距離海床5 m高度處。

（9）ROV 2號將吸力錨旋轉(zhuǎn)至正確的角度，確保錨位置和方向處于允許誤差范圍內(nèi)。

（10）將吸力錨下放至海床上，下放速度控制在17 m/min。

（11）在自重貫入情況下，ROV 1號需對錨側(cè)貫入標記進行監(jiān)視。

（12）ROV 2號用于監(jiān)視錨方位、垂直度以及貫入深度（在ROV 1號無法辨識貫入標記的情況下可通過ROV 2號上的傳感器讀取貫入深度）。

（13）在抵達自重貫入深度后，ROV 2號將錨頂部泄放閥關(guān)閉。

（14）ROV 2號啟動潛水泵，建立負壓，下沉吸力錨［7］；同時ROV 1號開始移除連接在錨上的吊索。

（15）在吸力錨抵達目標貫入深度后，確認錨的方位、垂直度處于允許誤差范圍內(nèi)。

（16）ROV 2號關(guān)閉潛水泵，將錨上泵撬設(shè)備移除；ROV 1號對吸力錨安裝結(jié)果進行調(diào)查。

（17）將吊索及泵撬回收至三用工作船，ROV 1號和ROV 2號返回水面。

1.2.3第2階段——聚酯纜預安裝

在第2階段的安裝過程中，聚酯纜被分為兩部分安裝在系泊點并由1個水上浮體固定。在該階段面臨的挑戰(zhàn)是將聚酯纜從工廠運輸及搬移至相關(guān)海域。聚酯纜采用集裝箱運輸取代了傳統(tǒng)的線纜卷筒，并降低費用。聚酯纜放入集裝箱后，被海運至安裝公司，此時聚酯纜將從集裝箱中移出并纏繞至動力卷筒上，如圖6所示。

圖6　聚酯纜從集裝箱移出至卷筒

聚酯纜由集裝箱移出至卷筒之后，這些卷筒被運送到三用工作船甲板上。同時，錨鏈儲存于三用工作船錨鏈艙中，H型連接器、水上浮體及其他相關(guān)設(shè)備也一并放置并固定于主甲板上。

一旦到達指定地點，系泊設(shè)備在主甲板上組裝并于船尾滾筒上進行下放工作。下端觸底錨鏈與聚酯纜繩在三用工作船甲板上通過H型連接器進行連接，而后下放水中，與吸力錨Ballgrab連接器連接。圖7所示為聚酯纜繩與錨鏈間的H型連接器。

圖7　聚酯纜及錨鏈間的H型連接器

每根聚酯纜都直接通過三用工作船的錨機進行下放并通過金屬扣眼固定保證兩段聚酯纜的連接，如圖8所示。相比于目的性地制造提掛工具，尤其是三用工作船作業(yè)時，在聚酯纜下放及纜繩連接過程中，使用金屬扣眼非常輕便有效。

圖8　聚酯纜下放過程中使用的金屬扣眼

綜上所述，吸力錨的Ballgrab型錨鏈連接器使預安裝的錨鏈能夠迅速連接，大大縮短了安裝時間。Ballgrab連接器的豎向進入安裝法使錨鏈的連接得以實現(xiàn)，即使下放系泊的過程中在其豎直方向上產(chǎn)生位移，也不需要額外的升沉補償系統(tǒng)。ROV不需要實際操作協(xié)助吸力錨錨鏈連接器而僅僅是提供必要的觀察和連接指引。聚酯纜的安裝操作如圖9所示。

一旦聚酯纜繩成功地安裝就位，在其上連接一浮體并從三用工作船尾部下水。為保證系泊系統(tǒng)預安裝的安全，需由備用船只監(jiān)視浮體并阻止其他船只在平臺抵達指定地點前經(jīng)過該海域。

圖9　聚酯纜的安裝操作圖

1.2.4第3階段——系泊纜與船體連接操作

半潛式生產(chǎn)平臺在安裝海域被拖曳至錨泊海域中心，此時第3階段系泊纜連接操作開始。首先需要安裝的是平臺的錨鏈，該錨鏈從三用工作船的錨鏈艙出來向上通過導纜器，而后隨著與錨鏈連接的引纜線返回三用工作船，可將錨鏈引導至平臺立柱頂端的止鏈器并固定。同時，三用工作船開始回收水上浮體以將預安裝的錨鏈固定在工作船甲板上。該工作船用于儲存需要安裝的上部聚酯纜，并且在聚酯纜連接操作期間提升下部聚酯纜以保證其與海床無接觸。

在上端平臺錨鏈與平臺連接后，三用工作船攜帶工作錨鏈及工作纜繩（工作錨鏈及工作纜繩的主要作用是輔助聚酯纜繩的連接）向另一艘工程船移動。當兩艘船的船尾相對時，前者將其攜帶的上部聚酯纜一端從船尾傳遞到后者甲板上，并與預安裝的纜繩相連接，如圖10所示。

圖10　中間聚酯纜的安裝操作圖

一旦上端平臺錨鏈與下端平臺錨鏈在三用工作船上相連，該錨鏈在船尾部通過2個特殊的”J”型鎖鉤進行下放，如圖11所示。船舶左右舷的錨機同時釋放工作纜繩以下放錨鏈。將左舷的J型鎖鉤與錨鏈解脫，使載荷轉(zhuǎn)移到右舷工作纜繩上。右舷繼續(xù)下放纜繩直至所有載荷轉(zhuǎn)移到錨鏈上，同時解脫右舷的J型鎖鉤并停止下放作業(yè)，最后回收J型鉤鎖。整個過程由船載ROV進行監(jiān)控。

三用工作船繼續(xù)上部聚酯纜的安裝，同時另一艘工作船將中間及聚酯纜繩的H型連接器下放到一定水深以保證下部聚酯纜與海床不接觸（如圖12所示）。在將剩余聚酯纜繩安裝完成后，三用工作船回收工作纜繩并將平臺錨鏈端部上提至船舶甲板面。此時，三用工作船與錨鏈保持垂直位置，并使平臺錨鏈與聚酯纜相連，整個流程參見圖12。

圖11　錨鏈連接部位及J型鉤鎖的工程圖

圖12　平臺系泊纜安裝連接圖

為提供必要持續(xù)的系柱拉力，安裝過程中安排第4艘工作船以提供必要的幫助并達到需要的系柱拉力。該工作船將連接在兩個主要工作船其中之一的船首，因此當?shù)?艘工作船連接后，可提供充分的系柱拉力以滿足安裝要求。主工作船考慮到環(huán)境載荷方向及流向在其前進方向作適當調(diào)整。同時半潛式生產(chǎn)平臺在錨鏈連接過程中通過4艘拖船施加反向作用力以維持在指定位置使三用工作船甲板載荷最小化，參見圖13。

圖 13 平臺固定就位示意圖

該階段的最后一步內(nèi)容是三用工作船分離其一直提升的下部聚酯纜。ROV返回到三用工作船一側(cè)，并利用ROV將提升系泊纜的雙吊索切斷。

根據(jù)設(shè)計要求，在系泊纜布置完成后，在現(xiàn)場要對吸力錨、聚酯纜繩及錨鏈進行整體預拉試驗。整體預拉試驗旨在將已布設(shè)在海底的錨鏈及聚酯纜拉直，以減小平臺在系泊狀態(tài)下的最大位移。分析表明：在安裝過程中，約有40%最小抗斷力的張緊力能夠滿足設(shè)計要求。

三用工作船上通過一根工作纜繩連接至聚酯纜H型連接器，并采用拖拽方式在朝向平臺或背離平臺的航行方向中對工作纜繩施加張緊力。同時在工作船上安裝一個預拉工作平臺和一臺測力儀，工作纜通過調(diào)整鏈與測力儀連接。工作船按程序分步增加拖力，直到測力儀顯示的張力達到設(shè)計拉力值，然后保持該拉力若干時長，記錄試驗數(shù)據(jù)；最后逐步減少拖力，結(jié)束預拉試驗，參見圖14所示。

圖14　預拉試驗示意圖

該系泊安裝流程需要安裝16個吸力錨，并且錨的安裝順序需要在系泊安裝設(shè)計時確定。在聚酯纜繩與錨鏈連接及預張緊后，通過錨機操作適當調(diào)整系泊纜長度使平臺準確定位于設(shè)計位置。

1.3意外事件應急程序

1.3.1安全須知

針對高張緊力系泊纜的相關(guān)操作必須直接由拋錨長及三用工作船船長共同執(zhí)行，所有無關(guān)人員應始終遠離系泊纜。

當吸力錨及系泊纜下放深度達到最大水深即1 600 m時，相關(guān)預防措施必須執(zhí)行以確保安全地操作，特別是在靠近水下設(shè)備布置或安裝區(qū)域。該操作需要工作船負責人與海事局協(xié)商后再做決定。船舶在航行期間需要降低航速以避免碰撞到結(jié)構(gòu)物、浮體、記錄儀及其他浮體。探照燈需要保持開啟狀態(tài)以提高能見度。

1.3.2錨移位

拋錨船應當定期檢查并確認錨的位置以辨別錨是否移位。當拉力讀數(shù)器中錨的拉力受到質(zhì)疑時，需進行吸力錨位置檢查。浮標的方位將會確認，通過水深和懸掛纜繩的長度，便能夠判斷錨的位置。在平臺處于待命狀態(tài)時，所有錨浮體均需每日檢查4次。

所有錨的檢查都需要記錄及報告，任何吸力錨的回收作業(yè)均需通知石油公司。相關(guān)回收原因包括吸力錨未能完全貫入海床、錨的垂直或水平允許超出安裝偏差等，此時需要將水泵入錨中有限的空間，使其內(nèi)部壓力上升以便于錨的拔出。而后吸力錨按照上文所述的安裝流程重復執(zhí)行直至合理安裝在海床中。

監(jiān)視及控制系泊纜繩的卷入/卷出長度及系泊纜繩張力：

（1）在拖船進行系泊纜繩的鋪放過程中，系泊纜繩的卷入/卷出長度需要進行監(jiān)視及記錄。

（2）每根纜繩上的張力應持續(xù)進行監(jiān)控，以隨時檢測錨的拉力。

1.3.3惡劣天氣

無論何時天氣狀況的惡化都可能影響系泊安裝的進度，工作船船長將根據(jù)作業(yè)安全性向石油公司及海事局咨詢以作出最終決定。如果預報的天氣狀況較差，則根據(jù)安裝狀態(tài)考慮以下兩種可行方案：

（1）如果此時吸力錨正在貫入過程中，則在錨貫入完成后，停止安裝作業(yè)，松開并回收相應索具，撤離該油田。

（2）如果吸力錨正在下放過程中，則需停止所有正在進行的活動，工作船將錨拖至盛行海浪海域的方向處，并在該處停留直到氣象減弱；在極端緊急的情況下，拋錨船應從纜繩卷筒中釋放其所有纜繩并駛離油田。

2　結(jié) 論

我國南海油氣資源豐富，屬于世界四大海洋油氣聚集中心之一。然而，該海域超過300 m水深區(qū)域的石油、天然氣資源的物探和開發(fā)基本上仍處于起步階段，缺少必要的深海油氣開發(fā)和生產(chǎn)裝備。本文的研究可為南海深海油氣開采裝備張緊式系泊定位系統(tǒng)的安裝提供參考，提高海上系泊安裝的安全性和可靠性，降低作業(yè)人員在安裝過程中受到傷害的幾率，為今后進行海洋工程作業(yè)提供幫助。

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［7］ 朱紹華. 海洋工程設(shè)計指南 第八冊 海洋石油工程安裝設(shè)計［M］. 北京：石油工業(yè)出版社，2007：88.

Installation scheme of taut-mooring system for deepwater semisubmersible

ZHAO Nan ZHANG Wei YANG Yong
(Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co.,Ltd., Shanghai 200137, China)

Abstract:The permanent taut-mooring system is generally applied to the deepwater semisubmersible production platform. The mooring installation schemes are induced and summarized through the collection of the relevant information of the deepwater taut-mooring installation procedure from industry. It describes the installation procedures of the suction anchors and the polyester mooring lines, and illustrates the corresponding plans for maritime accident, which can provide reference for the offshore installation of the deepwater taut-mooring system in the future.

Keywords:deepwater; production platform; taut; mooring; installation

［中圖分類號］P752

［文獻標志碼］A

［文章編號］1001-9855（2016）02-0080-08

［基金項目］工信部聯(lián)裝［2012］534號。

［收稿日期］2015-09-18；［修回日期］2015-11-17

［作者簡介］趙 南（1989-），男，碩士，助理工程師，研究方向：水下工程與管理。