深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)錨泊定位系統(tǒng)配置簡述

潘方豪， 單鐵兵

(中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司第708研究所， 上海 200011)

深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)錨泊定位系統(tǒng)配置簡述

潘方豪， 單鐵兵

(中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司第708研究所， 上海 200011)

國內(nèi)對于深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)錨泊定位系統(tǒng)的研究尚處于早期階段，該錨泊定位系統(tǒng)屬永久定位范疇，與移動(dòng)式錨泊定位差異較大。介紹深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)的錨泊定位形式及錨索收放裝置、錨索、錨固等主要定位設(shè)備組成，全面闡述當(dāng)前國際上典型深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)的錨泊定位系統(tǒng)配置，并介紹不同設(shè)備組成的國產(chǎn)化現(xiàn)狀。

深水；半潛式生產(chǎn)平臺(tái)；錨泊定位系統(tǒng)

0 引言

隨著海洋油氣開發(fā)逐漸向深海推進(jìn)，國際上適用于深水開發(fā)的海洋石油鉆探平臺(tái)、采油平臺(tái)、浮式生產(chǎn)系統(tǒng)，包括浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置(FPSO)、大型深海半潛式生產(chǎn)平臺(tái)(Semi-FPS)、深吃水立柱式平臺(tái)(Spar)、張力腿平臺(tái)(TLP)等海洋工程裝備取得了長足發(fā)展。我國對深海油氣開發(fā)裝備的各種裝置也進(jìn)行了分析研究，其中深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)是我國開發(fā)深海油氣資源產(chǎn)業(yè)鏈中急需突破的關(guān)鍵裝備之一[1-3]。

近年來，通過多型深水半潛式鉆井平臺(tái)工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)建造，國內(nèi)對深水半潛式鉆井平臺(tái)各主要系統(tǒng)有了一些了解，對其中的移動(dòng)式錨泊定位系統(tǒng)也有了一定的技術(shù)積累。但目前國內(nèi)對于深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)的研究還較少，對于其中錨泊定位系統(tǒng)的研究尚處于早期階段。

與半潛式鉆井平臺(tái)不同，半潛式生產(chǎn)平臺(tái)在一處從事生產(chǎn)作業(yè)的時(shí)間通常在10年以上，而新設(shè)計(jì)的生產(chǎn)平臺(tái)設(shè)計(jì)壽命一般為20～30年。整個(gè)作業(yè)周期內(nèi)，無論處于何種環(huán)境條件，平臺(tái)必須始終處于定位可控狀態(tài)，因此半潛式生產(chǎn)平臺(tái)的錨泊定位系統(tǒng)屬于永久定位范疇。與移動(dòng)式錨泊系統(tǒng)相比，生產(chǎn)平臺(tái)永久錨泊定位系統(tǒng)除了在設(shè)計(jì)分析方法、分析內(nèi)容等方面存在較大差異外，在錨泊定位系統(tǒng)配置及海上安裝等方面的區(qū)別也很大。本文重點(diǎn)闡述深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)的錨泊定位系統(tǒng)配置。

1 錨泊形式

圖1 “南海挑戰(zhàn)號(hào)”錨泊定位系統(tǒng)

由于采用永久錨泊定位系統(tǒng)的生產(chǎn)平臺(tái)在臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣來臨之前無法移位，也沒有可以快速回收的立管，因此永久錨泊系統(tǒng)通常不需要考慮定位裝置的可移動(dòng)性[4]。

早期淺水作業(yè)的生產(chǎn)平臺(tái)可以采用懸鏈?zhǔn)藉^泊系統(tǒng)，如國內(nèi)的“南海挑戰(zhàn)號(hào)”半潛式生產(chǎn)平臺(tái)，作業(yè)水深為305 m，采用了11點(diǎn)懸鏈?zhǔn)较挡炊ㄎ幌到y(tǒng)，如圖1所示。

對于深水作業(yè)的半潛式生產(chǎn)平臺(tái)，傳統(tǒng)的懸鏈?zhǔn)藉^泊系統(tǒng)已經(jīng)無法完全適用。表1為國際上幾型現(xiàn)役超深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)的錨泊定位系統(tǒng)配置。

由表1可以看出，目前國際上的深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)一般采用張緊式輻射狀錨泊定位系統(tǒng)。這些深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)的海上安裝，一般先由專用工作船完成大部分錨索及錨固的布放安裝，再由多用工作船完成平臺(tái)與預(yù)先布放錨索及錨固的對接，最后通過平臺(tái)錨索收放裝置進(jìn)行張力調(diào)整后完成平臺(tái)的海上定位。

表1 現(xiàn)役超深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)錨泊定位配置

圖2 深水生產(chǎn)平臺(tái)典型定位配置

2 錨泊定位系統(tǒng)的主要設(shè)備配置

對于深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)，永久錨泊系統(tǒng)的典型配置如圖2所示，錨泊系統(tǒng)的設(shè)備組成包括平臺(tái)端的提鏈裝置、立柱外側(cè)的錨鏈導(dǎo)向裝置、錨索及海底的錨固設(shè)備四大部分。

2.1 錨索收放裝置

由于移動(dòng)式平臺(tái)需要在不同區(qū)域移動(dòng)作業(yè)，其錨泊定位系統(tǒng)一般采用可以快速收放錨索的錨機(jī)或錨絞車裝置，與永久式錨泊定位系統(tǒng)相比較，平臺(tái)端所采用的錨索收放裝置型式差異很大，目前大部分永久錨泊定位系統(tǒng)采用錨索提升或牽引裝置。對于深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)，平臺(tái)自帶的錨索一般為錨鏈，因此平臺(tái)端均采用提鏈裝置對錨鏈進(jìn)行收放，如圖3所示。

圖3 提鏈裝置

提鏈裝置是一種直線往復(fù)收進(jìn)和張緊錨鏈的設(shè)備，通常由一個(gè)或多個(gè)液壓油缸驅(qū)動(dòng)，其工作原理為：首先，提鏈裝置通過夾具夾緊錨鏈，驅(qū)動(dòng)液壓油缸帶動(dòng)錨鏈完成一個(gè)行程，然后啟動(dòng)掣鏈器，夾具復(fù)位，再重復(fù)此過程。雖然提鏈裝置是收放錨鏈的強(qiáng)有力設(shè)備，但其收放錨鏈的速度較慢，僅在類似生產(chǎn)平臺(tái)等不需頻繁操作定位錨索的海上裝置中才推薦使用。

對于深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)，可以為每根錨索配置1臺(tái)提鏈裝置。對于甲板空間和平臺(tái)的可變載荷或成本要求比較嚴(yán)苛的生產(chǎn)平臺(tái)，則可以在平臺(tái)每個(gè)角配置1臺(tái)移動(dòng)式提鏈裝置，如圖4所示。移動(dòng)式提鏈裝置可以通過臺(tái)架平移，實(shí)現(xiàn)對平臺(tái)一個(gè)角所有錨索的收放作業(yè)。對于錨索數(shù)量較多，且不需要頻繁調(diào)整定位錨索的生產(chǎn)平臺(tái)而言，移動(dòng)式提鏈裝置是較為理想的選擇。

圖4 移動(dòng)式提鏈裝置

圖5 導(dǎo)鏈器

目前，國際上各生產(chǎn)平臺(tái)上使用的提鏈裝置主要由歐美主流甲板機(jī)械生產(chǎn)商供應(yīng)，國內(nèi)廠商尚未對提鏈裝置進(jìn)行過相關(guān)研究和生產(chǎn)。

2.2 導(dǎo)向輪

與半潛式鉆井平臺(tái)類似，根據(jù)錨索類型的不同，導(dǎo)向輪可分為導(dǎo)鏈器和導(dǎo)纜器，分別用于錨鏈、鋼絲繩的導(dǎo)向。對應(yīng)于提鏈裝置，深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)一般均采用導(dǎo)鏈器，如圖5所示，用于平臺(tái)端錨鏈的導(dǎo)向。

圖6 無檔系泊鏈(右)

2.3 錨索

深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)錨泊定位系統(tǒng)的錨索一般采用“錨鏈+合成纜+錨鏈”或“錨鏈+鋼絲繩+錨鏈”等組合型式。

(1) 錨鏈

錨鏈在海上作業(yè)中已顯示出其經(jīng)久耐用的特性，具有較好的抗海底磨擦性能，并且對于錨的抓力性能也能起到明顯的改善作用。在20世紀(jì)90年代，一種應(yīng)用于永久系泊的錨鏈——無檔系泊鏈，得到了廣泛的認(rèn)可與應(yīng)用，如圖6所示。在相同強(qiáng)度下，無檔系泊鏈比有檔錨鏈輕10%。有限的疲勞試驗(yàn)表明，無檔系泊鏈的疲勞壽命要稍短，但到目前為止無檔系泊鏈仍比較受歡迎。

對于系泊鏈，國內(nèi)有些生產(chǎn)廠家的研制生產(chǎn)技術(shù)已躋身國際前沿，相關(guān)產(chǎn)品在國際海工裝備上已得到了大量的運(yùn)用。

(2) 鋼絲繩

防扭轉(zhuǎn)型式(螺旋股型式和多股型式)的鋼絲繩多用于永久錨泊系統(tǒng)，如圖7所示，因?yàn)檫@兩種結(jié)構(gòu)型式的鋼絲繩采用幾層鋼絲(或幾束鋼絲)進(jìn)行反向纏繞，當(dāng)張力變化時(shí)不會(huì)產(chǎn)生很大的扭矩。

圖7 適用永久系泊的鋼絲繩

在永久錨泊系統(tǒng)中，為了防腐，所有的鋼絲都應(yīng)鍍鋅，并且通常會(huì)在鋼絲繩外表使用聚乙烯或聚亞安酯等高密度材料護(hù)套。有時(shí)也會(huì)采用鋅填充的鋼絲以提供額外的防腐能力，可以在鋼絲之間的空隙中加入填充物，使海水進(jìn)入后產(chǎn)生的腐蝕擴(kuò)散最小化。

永久系泊中采用的各種鋼絲繩設(shè)計(jì)壽命見表2，目前，國內(nèi)尚無運(yùn)用于永久系泊定位的鋼絲繩廠商。

表2 鋼絲繩設(shè)計(jì)壽命 單位：年

圖8 合成纜典型結(jié)構(gòu)型式

(3) 合成纜

隨著深水勘探與生產(chǎn)作業(yè)的增加，合成纜的使用越來越有優(yōu)勢，因?yàn)樗膹?qiáng)度與重量之比遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的鋼絲繩和錨鏈。合成纜可用于懸鏈?zhǔn)交驈埦o式系泊系統(tǒng)的中間插入段，與錨鏈、鋼絲繩的差別在于：合成纜的剛度是非線性的，而且會(huì)隨著時(shí)間及載荷的變化而變化；使用合成纜可減小錨索重量從而增加平臺(tái)的可變載荷；合成纜的剛度更小，可以減小錨索的極限動(dòng)態(tài)載荷，從而減少設(shè)備和安裝成本；合成纜抗磨損性能較差，因此在使用中應(yīng)使其遠(yuǎn)離導(dǎo)向輪及海床[5]。

合成纜的結(jié)構(gòu)型式較多，通?？煞殖伞颁摻z繩結(jié)構(gòu)”和“平行股結(jié)構(gòu)”。在使用或者安裝回收過程中可能發(fā)生磨損時(shí)，應(yīng)加上護(hù)套。某些結(jié)構(gòu)型式的合成纜，如平行股合成纜必須借助護(hù)套將受力繩芯固定在一起。護(hù)套還具有防止泥沙進(jìn)入、防海生物及海魚咬繩的作用。在護(hù)套與繩芯間通常還會(huì)設(shè)置泥沙過濾器增加保護(hù)，如果使用了護(hù)套，在評估錨索性能、使用壽命及安裝回收程序時(shí)，應(yīng)考慮護(hù)套與繩芯之間的相互作用。當(dāng)前，聚酯纜因其成本低、剛度低(最大設(shè)計(jì)工況下產(chǎn)生更小的動(dòng)態(tài)張力)、抗軸向壓縮疲勞能力強(qiáng)、疲勞性能好、強(qiáng)度與重量比理想、抗蔓延性好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為唯一應(yīng)用于永久錨泊系統(tǒng)的合成纜。圖8為永久錨泊定位系統(tǒng)所用合成纜的典型結(jié)構(gòu)型式，對于深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)，合成纜是比較理想的錨索選擇。目前，國內(nèi)適用于永久系泊定位的合成纜尚處于前期研究階段。

2.4 錨固

適用于永久錨泊定位的錨固裝置包括拖曳埋置錨、樁錨、吸力樁錨、板錨(拖曳埋置式和直接埋置式)、魚雷錨等[6]。錨的選擇必須考慮底質(zhì)條件、可靠性和負(fù)載試驗(yàn)等因素，不同的錨固型式所對應(yīng)的安裝方案也需在設(shè)計(jì)中加以特殊考慮。對于深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)，目前使用較多的錨固型式是吸力樁錨和吸力埋置式板錨，如圖9和圖10所示。

吸力樁錨通常采用較長的鋼質(zhì)柱體結(jié)構(gòu)，柱體內(nèi)部根據(jù)需要決定是否設(shè)置加強(qiáng)筋。柱體下部開口，上部封閉。吸力樁錨應(yīng)用廣泛，既可以用于固定式平臺(tái)或浮式生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的系泊錨，又能作為水下生產(chǎn)設(shè)施的支撐結(jié)構(gòu)[7]。吸力樁主要用于密實(shí)的黏土型底質(zhì)，吸力樁錨比普通樁錨入土淺，因此不需要在海底鉆深孔，但是它需要更詳細(xì)的底質(zhì)資料作為設(shè)計(jì)輸入。

板錨一般具有大的垂向支持能力，可用于張緊式錨泊系統(tǒng)，因?yàn)樵谠撓到y(tǒng)中，錨索以大傾斜角與海床相交。板錨有兩種主要型式：拖曳埋置式和直接埋置式。直接埋置的板錨可采用吸力、沖擊或振動(dòng)錘、火箭推進(jìn)或液壓錘。吸力埋置式板錨(Suction Embedded Plate Anchor，SEPLA)已應(yīng)用于主要的海洋工程錨泊定位作業(yè)。SEPLA采用的吸力追隨器(Suction Follower)實(shí)際上是一種可重復(fù)使用的吸力錨，它帶有開槽的尖端可供板錨插入。吸力追隨器在板錨達(dá)到設(shè)計(jì)深度時(shí)通過泵的反向作用回收，可用于安裝其他的板錨。SEPLA的作用原理是：板錨的錨爪進(jìn)行垂直埋置，在拉動(dòng)錨索進(jìn)行定位的過程中，使錨爪充分旋轉(zhuǎn)從而到達(dá)最終的作用位置。目前，國內(nèi)各錨廠家只生產(chǎn)傳統(tǒng)拖曳式埋置錨，尚未研發(fā)適用于深水錨泊定位的錨固裝置。

圖9 吸力樁錨 圖10 吸力埋置式板錨(SEPLA)

3 結(jié)論

通過對深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)錨泊定位系統(tǒng)配置的研究，可以發(fā)現(xiàn)：與半潛式鉆井平臺(tái)相比，深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)錨泊定位系統(tǒng)隸屬于永久定位，它的錨泊形式及系統(tǒng)配置差異很大，所采用的錨索提升裝置、錨索及錨固等定位設(shè)備型式幾乎完全不同。深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)錨泊定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，必須綜合考慮這些特殊設(shè)備的布置、安裝及其使用的特殊需求。

本文雖然主要針對深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)的錨泊定位系統(tǒng)配置，但對FPSO等其他深水海上生產(chǎn)裝置尤其是永久定位系統(tǒng)也具有一定的借鑒和指導(dǎo)作用。此外，目前深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)的錨泊定位系統(tǒng)設(shè)備國產(chǎn)化能力和水平明顯較弱，除了無檔系泊鏈可以實(shí)現(xiàn)國內(nèi)生產(chǎn)外，其余的錨泊定位設(shè)備均需依賴進(jìn)口。因此，在國內(nèi)深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)裝備的研發(fā)過程中，除了總體設(shè)計(jì)能力的補(bǔ)缺需求外，相關(guān)配套設(shè)備的國產(chǎn)化設(shè)計(jì)、制造能力也亟待提升。

[1] Recommended Practice for Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structure：API-RP-2SK[S].3rd ed. 2005.

[2] Recommended Practice for Design ,Manufacturing, and Maintenance of Synthetic Fiber Ropes for Offshore Mooring：API-RP-2SM[S].2001.

[3] Specification for Mooring Chain：API-2F[S].6th ed.1997.

[4] DNV.Offshore Standard DNV-OS-E301 Position Mooring[S].2010.

[5] 王麗勤，侯金林.深水油氣田開發(fā)工程中的基礎(chǔ)應(yīng)用探討[J].海洋石油，2011(4)：87-92.

[6] 張偉.深海半潛式生產(chǎn)平臺(tái)張緊式系泊系統(tǒng)安裝方案[J].船舶，2016(2)：80-87.

[7] 潘方豪，葉邦全.深水半潛式鉆井平臺(tái)錨泊定位系統(tǒng)簡述[J].中國海洋平臺(tái)，2011,26(2)：8-12.

Introduction to Mooring Positioning System of Deep Water Semi-submersible Production Platform

PAN Fanghao， SHAN Tiebing

(Marine Design & Research Institute of China， Shanghai 200011, China)

Up to now, we have known much about the positioning mooring system of semi-submersible drilling unit by some project practices. As for the positioning mooring system of semi-submersible production unit, which belongs to permanent mooring and is very different from mobile positioning mooring，the research is still ongoing. A detail introduction and comparison is given about typical mooring positioning system of deep water semi-submersible production unit, from aspects of winching equipment, mooring line and anchor, etc.

deep water; semi-submersible production unit; permanent mooring system

2016-03-29

潘方豪(1978-)，男，研究員

1001-4500(2017)01-0001-06

P75

A