一體化錨泊工藝技術(shù)的應用

王浩宇， 魏佳廣， 黃山田， 王 楊， 董振強

(1. 海洋石油工程股份有限公司 安裝事業(yè)部， 天津 300461； 2. 中海油安全技術(shù)服務有限公司， 天津 300456)

0 引 言

隨著海洋石油國際化進程的加快，我國海洋工程面對的油田海域也越來越復雜[1]。一些傳統(tǒng)的錨泊設(shè)計及施工機具已不能滿足復雜海況下的作業(yè)需求，嚴重制約著我國錨泊工程船舶在世界舞臺上的發(fā)展。因此，研究并建立一體化錨泊工藝技術(shù)，改進和優(yōu)化錨泊設(shè)計方法及關(guān)鍵施工機具勢在必行。一體化錨泊工藝技術(shù)將一系列的創(chuàng)新進行有機結(jié)合并形成系統(tǒng)，使其能夠適應各種船舶、應對各類海況，從而顯著提高我國錨泊工程船的國際市場競爭力。

1 一體化錨泊工藝技術(shù)概述

一體化錨泊工藝技術(shù)的研究起源于波斯灣海域的海上安裝項目，該區(qū)域海底設(shè)施密如蛛網(wǎng)，復雜度高[2]，如圖1所示。采用傳統(tǒng)錨泊施工方案效率低下且作業(yè)風險高，易觸碰、損壞海底設(shè)施。

圖1 波斯灣KJO油田海底布線圖

為此，從軟件設(shè)計和硬件升級兩方面進行攻關(guān)，建立涵蓋整個錨泊設(shè)計施工周期的一整套縱向一體化錨泊工藝技術(shù)。該技術(shù)體系在宏觀上分為軟件系統(tǒng)(海上就位拋錨參數(shù)化設(shè)計、多浮筒多浮體工況錨泊設(shè)計和錨纜形態(tài)設(shè)計)和硬件系統(tǒng)(提升作業(yè)效率專用機具設(shè)計)。

2 一體化錨泊工藝技術(shù)軟件系統(tǒng)

2.1 海上就位拋錨參數(shù)化設(shè)計

海上就位拋錨參數(shù)化設(shè)計是將AutoCAD中的動態(tài)塊和參數(shù)化功能與安裝設(shè)計中的船舶拋錨布置相結(jié)合，簡化拋錨圖繪制，從而提高設(shè)計效率、降低海上船舶待機時間[3]。軟件操作界面如圖2所示。

圖2 海上就位拋錨參數(shù)化設(shè)計

(1) 拋錨圖動態(tài)塊錨點調(diào)整

受施工方案變化及海況影響，施工現(xiàn)場錨點及拋錨角度經(jīng)常需要調(diào)整，以往在變更船舶拋錨圖時，需要逐根繪制錨纜并測量角度和長度，此方法費時費力且操作繁瑣，調(diào)整后的每根錨纜都需重新繪制并量取數(shù)據(jù)。

優(yōu)化后拋錨圖繪制主要依托動態(tài)塊的移動和編輯，只需將之前創(chuàng)建的錨纜動態(tài)塊復制到新的拋錨圖中，通過定位、旋轉(zhuǎn)和拉伸(或縮短)達到每根錨纜的精確調(diào)整。所有錨纜長度、旋轉(zhuǎn)角度和坐標參數(shù)會根據(jù)更新情況自動生成新的位置數(shù)據(jù)。

(2) 拋錨圖參數(shù)化船位調(diào)整

在以往的現(xiàn)場施工中，船舶方向及位置調(diào)整后需要手動進行相關(guān)錨纜的形態(tài)調(diào)整，在每次船位變動時都需要將錨纜與船舶導纜鉗手動關(guān)聯(lián)以達到調(diào)整效果。該方法操作繁瑣、效率低下。

對AutoCAD參數(shù)化進行二次開發(fā)，實現(xiàn)錨纜與船舶的關(guān)聯(lián)，能夠迅速得到船舶調(diào)整后的錨纜形態(tài)。應用參數(shù)化關(guān)聯(lián)后的拋錨圖，通過確定平臺基點、對船舶錨點進行參數(shù)固定、對船舶錨纜與導纜鉗進行重合約束等步驟，使船舶與錨纜成為一體，在進行船舶旋轉(zhuǎn)和移位調(diào)整時，各條錨纜均可隨船舶的變化自動更新形態(tài)。

2.2 多浮筒、多浮體工況錨泊設(shè)計

在以往利用MOSES軟件進行錨泊分析時，當單根錨纜浮筒數(shù)量多于2個時，即出現(xiàn)不收斂的情況[4]。依托波斯灣油田海上安裝項目，以藍疆號為研究對象，自主研發(fā)多浮筒工況下主作業(yè)船的錨泊計算方法，MOSES分析模型如圖3(a)所示。對風向和流速每隔45°計算1次，并結(jié)合8個工作錨的逐一破斷計算，反算出適合作業(yè)的極限海況條件，從而確定現(xiàn)場環(huán)境下主作業(yè)船的錨泊穩(wěn)定性。在多浮體工況下(例如運輸駁船靠泊時)，模擬浮式起重機與駁船之間的系泊纜繩和碰球情況，設(shè)置合理化參數(shù)，將單個剛性結(jié)構(gòu)的錨泊設(shè)置成具有軟連接的2個剛性體結(jié)構(gòu)，其MOSES分析模型如圖3(b)所示。再逐一計算8個方向的極限工況，分析2個剛性結(jié)構(gòu)在軟連接情況下各自的重心位移，完成軟連接雙重心下的系泊分析并給出起重船在特定錨位中綁靠運輸駁船的抗環(huán)境載荷能力，從而找到多浮體工況下的錨泊分析方法。

圖3 MOSES模型

2.3 錨纜形態(tài)設(shè)計

在海上施工過程中，錨纜經(jīng)常需要跨越、避讓海底設(shè)施，為此，需在錨纜上懸掛多個浮筒以控制其與海底管線的距離。水中錨纜的姿態(tài)(即懸鏈線形態(tài))由浮筒數(shù)量、浮筒浮力和安裝相對位置決定，其設(shè)計需經(jīng)過多次迭代計算。采用一體化錨泊工藝技術(shù)，通過系泊系統(tǒng)靜力學建模，結(jié)合懸鏈線姿態(tài)迭代算法，充分考慮錨纜張力波動對靜態(tài)系泊纜形狀的影響，對錨纜各姿態(tài)參數(shù)進行靈敏度分析，應用MATLAB-GUI計算機技術(shù)[5]，研發(fā)多浮筒復雜海域下錨纜形態(tài)計算軟件。該軟件將迭代計算和靈敏性分析隱藏至后臺運行，輸入、輸出界面友好，只需在輸入端口輸入錨纜長度、浮筒位置、管線位置、錨纜尺寸和浮筒浮力，即可得到相應的錨纜形態(tài)，軟件以圖像的形式輸出水下錨纜形態(tài)，形象直觀且便于方案優(yōu)選。具體如圖4所示。

圖4 多浮筒復雜海域下錨纜形態(tài)計算結(jié)果

多浮筒復雜海域下錨纜形態(tài)計算軟件的先進性[6]主要有如下幾點：

(1) 打破浮筒數(shù)量限制，準確輸出圖形結(jié)果(傳統(tǒng)計算軟件浮筒數(shù)量最多為3個，當浮筒數(shù)量較多時，會產(chǎn)生懸鏈線形狀失真)。

(2) 自動判斷浮筒處于水中或水面上。

(3) 圖形輸出結(jié)果能準確表達浮筒、管線或珊瑚群與錨纜的相對位置。

3 一體化錨泊工藝技術(shù)硬件系統(tǒng)

在復雜海域，除了海底管線設(shè)施外，還存在大陸坡、珊瑚區(qū)、硬質(zhì)海床區(qū)等多種情況，這會增加錨泊作業(yè)所需的浮筒數(shù)量和施工作業(yè)難度。有時1個錨位需20～30個浮筒才能完全避開海底設(shè)施。為此，研發(fā)專用的高效海上施工機具，確保一體化錨泊工藝技術(shù)軟件系統(tǒng)設(shè)計的錨位在海上能順利、高效地進行錨泊作業(yè)。

3.1 旋轉(zhuǎn)式專用浮筒夾具

傳統(tǒng)的浮筒與錨纜連接方式[7]有如下3種：

(1) 直接用吊帶將浮筒索具與錨纜連在一起，如圖5(a)所示。

(2) 在錨纜上安裝2個U形錨卡，用于固定浮筒索具與錨纜的相對位置，再用1個卡環(huán)將浮筒索具卡在2個U形錨卡之間，卡環(huán)可繞錨纜旋轉(zhuǎn)，如圖5(b)所示。

(3) 采用內(nèi)、外環(huán)的卡子，該方法通過8個螺栓將2個帶擋板的半瓦卡在錨纜上，外環(huán)套在內(nèi)環(huán)上，通過卡環(huán)將外環(huán)與浮筒索具連接，如圖5(c)所示。

圖5 傳統(tǒng)浮筒與錨纜連接方式

前2種方案對錨纜有損傷，第3種方案解決錨纜損壞和纏繞問題，但是安裝速度慢、操作不方便，安裝1個浮筒約30～40 min。

通過自主創(chuàng)新，研制一種全新結(jié)構(gòu)形式的旋轉(zhuǎn)式專用浮筒夾具，該夾具由內(nèi)卡和與內(nèi)卡鉸接的外卡組成，如圖6所示。

圖6 旋轉(zhuǎn)式專用浮筒夾具

內(nèi)卡內(nèi)部設(shè)有非金屬彈性體，能有效地保護錨纜。內(nèi)卡各部分通過螺栓連接成可開合式的整體，與錨纜連接時只需張開內(nèi)卡即可咬住錨纜，再通過螺栓緊固，使內(nèi)卡與錨纜固定。內(nèi)卡外側(cè)中間設(shè)有凹槽，兩端凸起，外卡安放在內(nèi)卡中部的凹槽中。在外卡安裝后，以內(nèi)卡外圓為軸形成鉸鏈，外卡外部與浮筒連接件連接，在受力的情況下，外卡可繞內(nèi)卡自由轉(zhuǎn)動，提供便利的安裝浮筒的角度，同時也保證在風、浪、流等外力作用下，浮筒和錨纜夾具有一定的自適應性。

該夾具只需要2個安裝螺栓，并且省去內(nèi)卡對接拼裝環(huán)節(jié)，使夾具安裝時間縮短至5～8 min。

3.2 易操作的動力定位浮筒及安裝平臺

(1) 易操作的動力定位浮筒

傳統(tǒng)動力定位(Dynamic Positioning，DP)浮筒體積大、操作笨重，內(nèi)部需要填充泡沫，制作成本高，單位體積提供的凈浮力小，如圖7所示。

圖7 傳統(tǒng)DP浮筒

易操作的DP浮筒采用分倉設(shè)計，整個浮筒共分為8個相互獨立的倉(見圖8(a))，任意2個倉破損都能夠保證浮筒將錨纜拽離海床。分倉設(shè)計與無須泡沫填充可節(jié)約成本5.2萬元。無須填充使單位體積提供的凈浮力增大，整個浮筒的體積也相應減小，便于海上操作，工程應用如圖8(b)所示。

圖8 易操作的DP浮筒

(2) 浮筒安裝平臺

以往DP浮筒安裝可在拖船上進行或用絞車把錨纜拖至船舷邊進行。用絞車把錨纜拖至船舷邊進行浮筒安裝作業(yè)時，部分船員需將身體探出船舷，施工存在一定的風險，效率低下，且在操作時錨纜處于放松狀態(tài)，張力系數(shù)低，導致浮筒的安裝數(shù)量增加。

在拖船上進行浮筒安裝時：需要提前把錨纜卷入拖船的滾筒，增加作業(yè)時間；另外，拖船甲板一般較小，甲板布置局促，不便于安裝工作的進行。

一體化錨泊工藝技術(shù)設(shè)計的浮筒安裝操作平臺，既確保浮筒安裝方便高效，又提供安全施工保障。同時，針對藍鯨、藍疆等不同船型，分別設(shè)計不同形式的操作平臺，便于海上操作設(shè)計，如圖9所示。

圖9 浮筒安裝操作平臺

3.3 浮筒釋放、打撈裝置

在浮筒安裝過程中，工程船干舷高，不能直接將浮筒索具掛至吊鉤上，只能利用工程船上的起重機懸掛吊鉤，在吊鉤下懸掛浮筒索具。浮筒索具入水后產(chǎn)生起伏、晃動等不規(guī)則運動，經(jīng)常發(fā)生安裝時索具脫鉤困難、拆除時索具又不易掛鉤的現(xiàn)象。為此，研發(fā)浮筒釋放、打撈裝置，如圖10所示。

圖10 浮筒釋放和打撈裝置

浮筒釋放鉤[8]在鉤尖處設(shè)置轉(zhuǎn)軸，鉤體上設(shè)置軌道槽。在鉤體上端設(shè)置封桿鎖定裝置，封桿右側(cè)為配重塊。在浮筒釋放作業(yè)中，當浮筒放置海平面后，封桿由于配重塊作用，會隨索具的回收而復位，當封桿到達頂端時自動鎖定，防止索具再次進入鉤體。

浮筒打撈鉤[9]為三齒式，每個鉤齒上均設(shè)置倒刺。在浮筒打撈過程中，2個鉤齒與浮筒的圓柱面接觸，起到穩(wěn)定鉤頭和浮筒相對位置的作用，倒刺能有效防止浮筒索具脫離鉤齒。

4 一體化錨泊工藝技術(shù)在工程上的應用

一體化錨泊工藝技術(shù)先后應用在沙特波斯灣海域工程項目、文萊BSP項目、緬甸Zawtika項目，以及國內(nèi)錦州25-1南項目、潿洲6-13項目、東方13-2等項目中，累計節(jié)約成本七千余萬元。

圖11為應用一體化錨泊工藝技術(shù)設(shè)計的沙特波斯灣海域工程項目CLP平臺錨位圖，CLP平臺錨位采用28個浮筒，成功地避開所有海底設(shè)施。采用一體化錨泊工藝技術(shù)專用機具，有效地縮短海上錨泊施工時間，將原計劃2天布完的錨位在1天內(nèi)就全部敷設(shè)完成，施工速度快，安全性高。

圖11 沙特波斯灣海域工程項目CLP平臺錨位圖

同時，一體化錨泊工藝技術(shù)在藍鯨、海洋石油202等船舶上獲得推廣，可降低錨泊成本以提高市場競爭力，具有較好的應用價值和經(jīng)濟效益。

5 結(jié) 論

編制多浮筒復雜海域下錨纜形態(tài)計算軟件、研究多浮體工況下多浮筒的錨泊分析方法，研發(fā)一系列適用于一體化錨泊工藝技術(shù)的專用施工機具，取得相應的專利技術(shù)，突破復雜海況下的錨泊技術(shù)難題。通過項目實踐應用，驗證該工藝技術(shù)的科學性和可靠性。此技術(shù)的成功運用標志著我國已具備在復雜海域中的工程建設(shè)能力，為我國“一帶一路”的“海上絲綢之路”倡議的實施，為海洋石油“走出去”步伐的邁進提供技術(shù)保障，奠定我國海洋工程進入世界舞臺的技術(shù)基礎(chǔ)。