內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)調(diào)整鏈測(cè)量切割技術(shù)

李龍祥,李剛,馮麗梅

(1.中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司,廣東 深圳 518000；2.中海油研究總院有限責(zé)任公司,北京 100028)

隨著海洋油氣開(kāi)發(fā)逐漸向深海、遠(yuǎn)海發(fā)展，對(duì)于周邊缺少管網(wǎng)依托的海域，F(xiàn)PSO成為全海式開(kāi)發(fā)油氣田的重要設(shè)施[1-2]。FPSO在海上運(yùn)營(yíng)期間需要采用單點(diǎn)系泊系統(tǒng)長(zhǎng)期系泊于油田附近某一固定的海域，同時(shí)可抵抗極端臺(tái)風(fēng)的環(huán)境荷載，使FPSO具有“風(fēng)向標(biāo)”效應(yīng)總是處于合外力最小的位置[3-4]。南海以往FPSO采用的切割計(jì)算方法，更適用于淺水系泊系統(tǒng)；而對(duì)于深水系泊系統(tǒng)的適用性存在一定不足。通過(guò)對(duì)南海3艘不同水深FPSO(HYSY111、HYSY118、HYSY119)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的調(diào)整鏈切割計(jì)算和測(cè)量方法進(jìn)行對(duì)比分析，提出更精確可靠的計(jì)算和操作方法。

1 調(diào)整鏈的切割必要性

系泊系統(tǒng)的剛度過(guò)高將使錨腿所受荷載過(guò)大；剛度過(guò)低則將使單點(diǎn)中心偏移過(guò)大。因此，系泊系統(tǒng)的剛度需確保FPSO的偏移和錨腿荷載均處在合理、可接受的范圍內(nèi)，同時(shí)確保錨腿、立管、電纜之間不發(fā)生相互干涉[5]。

系泊系統(tǒng)由多條錨腿組成，錨鏈和鋼纜的完工長(zhǎng)度偏差、錨樁安裝位置偏差、錨鏈單位長(zhǎng)度重量偏差等，都將導(dǎo)致錨腿實(shí)際長(zhǎng)度與理論設(shè)計(jì)存在一定偏差，進(jìn)而導(dǎo)致系泊系統(tǒng)的限位性能不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。因此，需在安裝時(shí)通過(guò)計(jì)算分析切去多余長(zhǎng)度，以確保系泊系統(tǒng)的性能。

錨腿各構(gòu)件在制造及安裝過(guò)程存在的公差可分為確定性和不確定性2種。確定性的公差可測(cè)，不確定性的公差不可測(cè)，各類(lèi)公差見(jiàn)表1。

表1 系泊系統(tǒng)公差分類(lèi)

2 錨腿切割長(zhǎng)度計(jì)算方法

HYSY111和HYSY118單點(diǎn)系泊系統(tǒng)為水下浮筒型，HYSY119為船體集成型，3個(gè)系泊系統(tǒng)錨腿均由錨鏈和鋼纜組成，見(jiàn)表2。

表2 HYSY111、HYSY118、HYSY119的錨腿組成

2.1 調(diào)整鏈末端測(cè)量法

HYSY111調(diào)整鏈切割計(jì)算以調(diào)整鏈末端至單點(diǎn)中心的水平距離作為控制因素。見(jiàn)圖1，調(diào)整鏈完成預(yù)張緊后，測(cè)出調(diào)整鏈末端至單點(diǎn)中心的距離，計(jì)算的調(diào)整鏈末端鏈環(huán)到單點(diǎn)中心的距離計(jì)算調(diào)整鏈切割長(zhǎng)度，最終保證錨腿著泥點(diǎn)在設(shè)計(jì)的圓周上。

圖1 調(diào)整鏈末端測(cè)量法示意

Lcut=D-S

(1)

式中：Lcut為調(diào)整鏈切割長(zhǎng)度；D為調(diào)整鏈末端至單點(diǎn)中心位置的距離；S為理論計(jì)算的調(diào)整鏈末端鏈環(huán)到單點(diǎn)中心的距離。

2.2 錨樁距離法

HYSY118調(diào)整鏈切割計(jì)算基于錨樁坐標(biāo)與姿態(tài)、錨樁處的土壤參數(shù)、錨腿構(gòu)件完工長(zhǎng)度、模型中計(jì)算公差等計(jì)算調(diào)整鏈切割長(zhǎng)度，錨腿切割后總公差小于±1.5 m。見(jiàn)圖2,需測(cè)量錨樁坐標(biāo)、姿態(tài)；錨樁至單點(diǎn)中心的距離。

圖2 錨樁距離法示意

Lcut=δc-δp-δt-δe-δa

(2)

式中：Lcut為調(diào)整鏈切割長(zhǎng)度；δc為錨腿各構(gòu)件實(shí)際與設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的差值；δp為錨樁實(shí)際位置與設(shè)計(jì)位置偏差；δt為錨樁傾斜引起錨腿水平長(zhǎng)度的偏差；δe為極端工況與張緊工況下反懸鏈線(xiàn)理論計(jì)算差值；δa為錨腿實(shí)際長(zhǎng)度與設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的差值。

2.3 調(diào)整鏈多點(diǎn)測(cè)量法

HYSY119錨腿切割長(zhǎng)度計(jì)算,認(rèn)定頂部預(yù)張力與設(shè)計(jì)值相同，根據(jù)安裝后的確定性公差和不確定性公差，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算切割長(zhǎng)度。此方法著重于鋪設(shè)過(guò)程控制，通過(guò)多次測(cè)量點(diǎn)校核，確保切割鏈環(huán)數(shù)精準(zhǔn)度。該方法采取兩步切割：調(diào)整鏈切割和頂部鏈切割。

2.3.1 調(diào)整鏈切割計(jì)算

錨腿預(yù)張緊后，選取調(diào)整鏈上的3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，位置見(jiàn)圖3。

圖3 調(diào)整鏈上測(cè)量點(diǎn)位置示意

基于圖示3點(diǎn)與錨樁及各自間存在的可能公差,計(jì)算3點(diǎn)位置的包絡(luò)區(qū)域。

1)A點(diǎn)位于錨鏈入泥點(diǎn)附近，用于校核海床埋藏段在預(yù)張緊之后鏈環(huán)是否已拉直、檢查土壤強(qiáng)度的不確定性。

2)B點(diǎn)距調(diào)整鏈末端約100 m處，其實(shí)際測(cè)量坐標(biāo)作為調(diào)整鏈切割長(zhǎng)度計(jì)算輸入。

3)C點(diǎn)距調(diào)整鏈末端約50 m處，其實(shí)際測(cè)量坐標(biāo)用于調(diào)整鏈切割長(zhǎng)度計(jì)算輸入。

基于B點(diǎn)和C點(diǎn)的測(cè)量坐標(biāo)分別計(jì)算調(diào)整鏈的切割長(zhǎng)度并對(duì)比，若結(jié)果相同則切割。若結(jié)果不同，則以切割長(zhǎng)度較短的結(jié)果進(jìn)行切割。

2.3.2 頂部鏈切割計(jì)算

調(diào)整鏈切割完成后，根據(jù)調(diào)整鏈切割后各條錨腿的不確定性公差分布,進(jìn)行敏感性分析，確定頂部鏈切割長(zhǎng)度。

3 調(diào)整鏈切割后分析

錨腿不確定性公差均為正公差，將增加錨腿實(shí)際長(zhǎng)度，使單點(diǎn)中心的實(shí)際偏移增大。若錨腿長(zhǎng)度設(shè)計(jì)冗余小，調(diào)整鏈計(jì)算切割時(shí)不確定性公差已超過(guò)設(shè)計(jì)冗余時(shí)，則需對(duì)不確定性公差進(jìn)行敏感性分析。HYSY119每條錨腿考慮了2 m設(shè)計(jì)冗余以補(bǔ)償錨腿安裝后有效長(zhǎng)度的偏差，也是為了確保單點(diǎn)中心偏移量符合設(shè)計(jì)要求。其設(shè)計(jì)冗余被不確定性公差抵消后，單點(diǎn)中心偏移的UC值為0.999,見(jiàn)表3。

表3 HYSY119單點(diǎn)中心的設(shè)計(jì)偏移

HYSY119錨系不確定性公差見(jiàn)表4，總不確定性公差為+3.785 m，遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)冗余2 m，則單點(diǎn)中心偏移不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。因此，需根據(jù)調(diào)整鏈切割后的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行敏感分析，確定頂部鏈切割長(zhǎng)度，進(jìn)行切割調(diào)整。

4 錨腿切割長(zhǎng)度計(jì)算方法對(duì)比分析

3種方法所考慮的公差對(duì)比見(jiàn)表5。

表4 HYSY119錨系不確定性公差

表5 3種切割方案考慮的因素

調(diào)整鏈末端測(cè)量法未考慮土壤特性的不確定性影響；錨樁距離法考慮了理論計(jì)算的反懸鏈線(xiàn)長(zhǎng)度差異，未考慮土壤特性差異及海床地形影響；調(diào)整鏈多點(diǎn)測(cè)量法，對(duì)土壤特性的不確定性進(jìn)行校核，并通過(guò)敏感性分析確定不確定性公差影響，微調(diào)頂部鏈的長(zhǎng)度。

歸納3種切割測(cè)量方法，對(duì)比控制因素，見(jiàn)表6。

表6 3種計(jì)算方法對(duì)比

5 結(jié)論

1)調(diào)整鏈末端測(cè)量法和錨樁距離法未考慮不確定性公差的影響，需考慮較大的設(shè)計(jì)冗余。其適應(yīng)于管纜懸掛較少、水深淺的單點(diǎn)系泊系統(tǒng)。

2)調(diào)整鏈多點(diǎn)測(cè)量法綜合考慮了不確定性公差，調(diào)整鏈和頂部鏈的兩次計(jì)算切割，適用于深水、懸掛管纜多且對(duì)于單點(diǎn)中心偏移要求嚴(yán)格的單點(diǎn)系泊系統(tǒng)。

3)錨腿長(zhǎng)度設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮一定量的冗余，以補(bǔ)償安裝公差。

4)深水系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)錨腿頂部應(yīng)優(yōu)先考慮采用錨鏈，以便進(jìn)行二次切割。