基于雙船提拉的深水錨系在位躺地纜更換方案設計與驗證

孫 錕 劉 文 楊 盛 陳曉東 孫首陽

(1. 深圳海油工程水下技術有限公司 廣東深圳 518067； 2. 海洋石油工程股份有限公司 天津 300461)

隨著國內外海洋油氣資源的開發(fā)，單點系泊系統(tǒng)的工程修復項目越來越多。針對單點系泊系統(tǒng)的修復，Carpenter等[1-2]詳細介紹了系泊系統(tǒng)更換和回接過程的關鍵技術問題；Leeuwenburgh等[3]介紹了Haewene-Brim FPSO系泊系統(tǒng)上鋼纜更換工作；Bhattacharjee S等[4]總結了Serpentina FPSO系泊系統(tǒng)完整性問題和整個系泊系統(tǒng)更換工作中的經驗教訓；金桐君 等[5]基于南海奮進號FPSO 9條錨腿更換工程實踐，重點總結了上鋼纜和上錨鏈的回接技術問題；符方超 等[6]總結了FPSO 在位不停產上鋼纜更換技術；馬超 等[7]研究了大型吸力錨的安裝、施工船不偏移貼近FPSO直接進行錨點張緊作業(yè)、精確測量調整鏈長度和上錨纜快速更換等多項關鍵技術；王德洋[8]介紹了系泊錨腿懸浮鏈段更換及海床鏈段更換的應急維修作業(yè)技術；Matsumoto S等[9]提出了一種系泊系統(tǒng)的數(shù)字孿生概念的完整性管理技術，降低作業(yè)和維修成本，可為系泊系統(tǒng)修復提供新發(fā)展方向。

現(xiàn)有研究主要總結了以往項目單點系泊系統(tǒng)整體更換、上鋼纜更換等關鍵修復技術，而對于躺地纜的局部更換技術則鮮有文獻涉及。鑒于此，本文基于流花11-1油田NHSL FPSO系泊系統(tǒng)1#錨腿修復工程，在滿足FPSO在位不停產的前提下，對帶有浮筒的系泊腿躺地纜進行更換方案研究，提出了一種雙船提拉概念下的錨系在位躺地纜更換方法，并針對潛在的技術挑戰(zhàn)和風險開展方案設計和比選，解決了船舶側推要求高、錨鏈重鋪堆積風險大等難題，為300 m水深躺地纜更換施工作業(yè)提供了技術支持。

1 躺地纜更換方案研究

1.1 待修復錨腿概況

NHSL FPSO 1#錨腿自上到下依次是上錨鏈、1#連接板、上鋼纜、三角板和中水浮筒、下鋼纜、2#連接板、躺地鏈、3#連接板、躺地纜、連接板、錨頭鏈、抓力錨(圖1)。其中1 100 m長度躺地纜由950 m鋼纜和150 m鋼纜兩部分構成，其中1#錨腿的150 m鋼纜段出現(xiàn)損傷，需要修復。該項目系泊系統(tǒng)以及其他分析參數(shù)見文獻[10]。

圖1 NHSL FPSO系泊系統(tǒng)1#錨腿構成圖

1.2 工程限制條件

為了修復1#錨腿，須采用新鋼纜替換受損的躺地纜段。計劃采取的更換方式為：回收150 m鋼纜，切除950 m鋼纜段45 m，重新澆筑鋼纜索接頭，鋪設195 m鋼纜。NHSL FPSO系泊系統(tǒng)1#錨腿修復作業(yè)是FPSO在位不停產條件下首次開展深水躺地纜更換的海上施工活動，其面臨的工程限制條件主要有：①連續(xù)的作業(yè)天氣窗口要求；②1#錨腿組成構件的安全要求；③抓力錨不出現(xiàn)上拔力的要求；④作業(yè)設備滿足錨系處理大張力的要求；⑤躺地鏈重新鋪設時不會出現(xiàn)打扭和堆積的要求；⑥作業(yè)船舶的船位保持要求。

1.3 躺地纜更換方案比選

針對躺地纜更換，從錨腿的不同位置進行拆除和更換作業(yè)，提出了3套待選方案。

1) 方案A：從FPSO端順序拆除錨腿，更換躺地纜。

該方案從FPSO端釋放上錨鏈，傳遞給作業(yè)船，依次回收上錨鏈、上鋼纜、中水浮筒、下鋼纜、躺地鏈、躺地纜，更換部分躺地纜后，按照逆順序重新鋪設錨腿。此方案須配置2艘大馬力拖輪，以滿足FPSO的限位設計，從而實現(xiàn)錨腿從FPSO上解脫。對于上鋼纜和下鋼纜須做到保護性回收，因此需額外配置專門的設備資源，如滾筒、滾筒驅動裝置、張緊器等，占用主作業(yè)船的甲板空間，直接影響錨系處理作業(yè)船的施工工藝。對于中水浮筒的回收，其作業(yè)風險性高，需控制中水浮筒安全地靠近船舶尾部，回收預設吊裝索具并協(xié)助完成吊機掛鉤，在同時協(xié)調吊機和回收絞車的操作下，實現(xiàn)中水浮筒從水中到主甲板的回收；同時還需設計中水浮筒的臨時存儲結構。對于躺地鏈，其回收和存儲需專門配備錨處理絞車和錨鏈艙，且其重新鋪設面臨著潛在扭轉和堆積的風險。對于躺地纜，須回收部分長度，并進行更換作業(yè)。

此方案操作步驟復雜，回收和重新鋪設工作量大，所需船舶和設備資源較多，作業(yè)時間長，一艘錨系處理主作業(yè)船無法滿足需要，實施起來不經濟，且面臨無法保證在回收、存儲、重新鋪設過程中舊錨腿各部件的安全性的重大挑戰(zhàn)。

2) 方案B ：從2#連接板處拆除錨腿，更換躺地纜。

該方案從2#連接板處回收躺地鏈到作業(yè)船主甲板，首先解開下鋼纜和躺地鏈之間的連接，一側下放下鋼纜到海床，并采取措施保證這一側錨腿形態(tài)穩(wěn)定。另一側逐步回收躺地鏈到錨鏈艙內，之后繼續(xù)回收和更換部分躺地纜，更換后按照逆順序重新連接錨腿并下放復原到海床。

此方案較方案A，避免了上鋼纜、中水浮筒、下鋼纜的回收和存儲作業(yè)，具備可行性，但面臨如下挑戰(zhàn)：①需額外配備一艘作業(yè)船舶協(xié)助完成下鋼纜的下放和回收，施工作業(yè)復雜；②下鋼纜一側的臨時濕存形態(tài)需要設計，以保證鋼纜和中水浮筒的安全；③回收和下放2#連接板的過程中，兩側懸鏈線張力不平衡，對作業(yè)船側推的需求大，現(xiàn)有船舶資源不能滿足要求；④躺地鏈的重新鋪設存在扭轉和堆積的風險。

3) 方案C：從3#連接板處拆除錨腿，更換躺地纜。

該方案從3#連接板處回收躺地鏈到作業(yè)船主甲板，解開躺地鏈和躺地纜之間的連接，一側下放躺地鏈到海床，并采取措施保證這一側錨腿形態(tài)穩(wěn)定，另一側逐步回收和更換部分躺地纜，更換后按照逆順序重新連接錨腿并下放復原到海床。

此方案較方案B，避免了躺地鏈的回收和存儲作業(yè)，同時降低了對作業(yè)船的側推需求。但同樣面臨如下挑戰(zhàn)：①回收和下放3#連接板的過程中，兩側懸鏈線張力不平衡，對船舶側推依然有一定要求；②FPSO絞車能力有限，在躺地鏈下放過程中，無法有效捋順躺地鏈，錨鏈存在堆積的風險；③回收躺地鏈過程中，可能會導致抓力錨出現(xiàn)上拔力。

從船舶資源、技術可行性、作業(yè)工期、作業(yè)風險方面等開展了3套方案的對比(表1)，綜合作業(yè)工期及作業(yè)風險等因素，在實際工程中選取了方案C作為主體施工方案。

表1 NHSL FPSO系泊系統(tǒng)1#錨腿躺地纜更換方案對比

2 躺地纜更換方案設計與分析

2.1 更換方案的分析階段劃分

上述分析階段，主要面臨如下關鍵技術問題：①確定迪尼瑪纜繩釋放長度；②降低船舶側推需求；③避免躺地鏈堆積；④解決躺地鏈水下回收索具無法安裝問題。

2.2 迪尼瑪纜繩釋放長度分析

在躺地纜更換方案的比選過程中，通過分析發(fā)現(xiàn)必須增大錨腿長度，有效降低錨腿在線張力，才能使方案C具備實施的可行性。為了松弛錨腿、降低FPSO絞車張力，在上錨鏈一端增加一段單位長度重量輕、抗拉強度高的迪尼瑪纜繩成為施工方案的首選方式。通過釋放迪尼瑪纜繩長度，可有效增大錨腿長度，從而在雙船提拉過程中改善FPSO絞車鋼絲繩張力、導纜孔處傾斜角度(相對于水平方向)、主作業(yè)船絞車張力、躺地纜觸地點張力、躺地纜躺地長度等，提升作業(yè)的安全性和可行性。為此開展了釋放迪尼瑪纜繩釋放長度敏感性分析，針對迪尼瑪纜繩釋放長度0、50、100、150、200 m等5種工況進行了靜力分析，結果見表2。為了盡量降低FPSO絞車張力、主作業(yè)船絞車張力、作業(yè)時間和成本，建議使用較短的迪尼瑪纜繩，實際作業(yè)中推薦釋放的迪尼瑪纜繩長度為150 m。

表2 迪尼瑪纜繩釋放長度敏感性分析結果

2.3 船舶側推受力平衡設計

通過1艘主作業(yè)船舶回收3#連接板至甲板，由于躺地鏈單位長度質量(286.2 kg/m)約為躺地纜的4.5倍，船舶兩側懸鏈線重量差別較大，從而導致船舶兩側受到的不平衡力超過了動力定位系統(tǒng)(DP)的側推能力，無法開展海上施工作業(yè)。為了降低船舶側推需求，提出了額外增加1艘作業(yè)船舶輔助提拉回收錨腿的方法，從而有效降低躺地鏈一側懸鏈線作用在主作業(yè)船上的水平力。

在保證抓力錨不出現(xiàn)上拔力的前提下，使用雙船提拉錨腿作業(yè)，通過分析發(fā)現(xiàn)，可以將船舶側推需求降低至零。為此須根據仿真分析確定施工作業(yè)路徑，并給出每個詳細步驟的關鍵施工作業(yè)參數(shù)，如主作業(yè)船舶位置和回收絞車鋼絲繩長度、輔助作業(yè)船舶位置和回收絞車鋼絲繩長度。仿真分析設計步驟(圖2)如下：首先，輔助作業(yè)船在距離2#連接板15 m處，回收120 m絞車鋼絲繩，移船80 m，主作業(yè)船保持不動；然后，主作業(yè)船在距離3#連接板15 m處，開始回收290 m絞車鋼絲繩，同步移動主作業(yè)船和輔助作業(yè)船，主作業(yè)船移動98 m，輔助作業(yè)船協(xié)同移動110 m；最后，主作業(yè)船回收3#連接板到甲板，解開躺地鏈和躺地纜之間連接。

圖2 雙船提拉回收3#連接板至甲板分析步驟

現(xiàn)場操作時，建議按照分析結果進行收放鋼絲繩長度、調整船舶位置，以保證船舶側推力需求為零；現(xiàn)場施工作業(yè)過程可以將兩艘船舶尾部處的絞車鋼絲繩是否保持豎直無偏角作為觀察監(jiān)控標志。

2.4 躺地鏈重新鋪設設計

當躺地纜更換完成后，須重新鋪設躺地鏈到原錨腿位置。由于FPSO絞車能力有限，在躺地鏈下放過程中，無法有效捋順躺地鏈，使錨鏈存在堆積風險。為了避免錨鏈堆積，基于雙船提拉的概念，提出了一種重新鋪設躺地鏈的方法，即在躺地鏈觸地前，通過輔助作業(yè)船回收絞車鋼絲繩，主作業(yè)船不斷下放3#連接板，實現(xiàn)3#連接板一側懸鏈線先接觸海床，然后解脫主作業(yè)船，輔助作業(yè)船保持張力鋪設剩余躺地鏈至海床。通過雙船實現(xiàn)錨鏈帶張力的鋪設，從而有效控制懸鏈線鋪設到海床的形狀，避免了錨鏈的堆積。

為了指導海上施工，通過仿真分析確定鋪設作業(yè)路徑如下：①雙船提拉下放3#連接板，直至躺地鏈即將觸地；主作業(yè)船移船63 m，下放絞車鋼絲繩180 m；輔助作業(yè)船移船44 m，保持絞車鋼絲繩長度。②雙船協(xié)同完成3#連接板下放觸地，主作業(yè)船解脫錨腿后，輔助作業(yè)船仍提拉部分錨腿；主作業(yè)船移船35 m，下放絞車鋼絲繩110 m；輔助作業(yè)船移船20 m，回收絞車鋼絲繩長度124 m。③輔助作業(yè)船移船重新下放鋪設剩余躺地鏈至海床；主作業(yè)船已解脫；輔助作業(yè)船移船166 m，下放絞車鋼絲繩長度245 m。

由于實際作業(yè)步驟復雜，涉及4種增量變化(主、輔作業(yè)船船位和絞車鋼絲繩長度變化)，實際施工時須嚴格參照根據分析結果制定的作業(yè)步驟進行操作；應持續(xù)水下監(jiān)控躺地鏈的形態(tài)，及時根據形態(tài)進行微調；此外還要監(jiān)控主輔絞車鋼絲繩張力，確保其數(shù)值變化符合分析結果，如有異常立即暫停，分析原因后對4種變量進行調整。

2.5 水下回收索具安裝設計

由于錨系服役時間較久，受海洋環(huán)境的影響，躺地纜、躺地鏈以及之間的連接板被海底土壤覆蓋，水下機器人無法安裝水下回收索具，導致躺地鏈無法回收到甲板。為了解決這一問題，須將躺地鏈拉出海床，呈現(xiàn)出躺地的形態(tài)，設計的操作方式是采用輔助作業(yè)船提拉2#連接板附近位置，直至#3連接板附近的錨鏈露出泥面，便于主作業(yè)船的水下機器人安裝回收索具，從而具備從#3連接板打撈回收躺地鏈的施工條件。

為了指導海上施工，通過仿真分析確定輔助作業(yè)船的提拉作業(yè)路徑如下：采用輔助作業(yè)船直接在2#連接板附近位置處進行提拉，輔助作業(yè)船移船188 m，回收絞車鋼絲繩長度280 m。基于分析，在實際操作時建議按照分析結果進行收放鋼絲繩長度、調整船舶位置，以保證船舶側推力需求為0；若錨鏈未出泥面，則建議主作業(yè)船吊機提拉距離#3連接板120 m處的錨鏈，確保錨鏈出泥面。

3 躺地纜更換分析工程驗證

3.1 作業(yè)容許海況

在躺地纜更換分析中，重點分析對象是主作業(yè)船、輔助作業(yè)船、FPSO、各個絞車、錨腿等組成的系統(tǒng)。在細化方案C的基礎上，基于OrcaFlex軟件采用數(shù)值仿真方法開展了躺地纜更換更換前6個階段施工步驟的靜力分析，獲得了對應的靜力分析結果；繼而開展關鍵臨界步驟的動力分析，獲得了躺地纜更換作業(yè)全過程的最大容許作業(yè)海況。具體的靜力和動力分析方法見文獻[10-11]。由于前6和后6個階段過程為相反過程，前6個階段的靜力分析和動力分析結果可拓展用于指導整個更換作業(yè)過程，因此，不再做后6個階段的靜力分析和動力分析。由表3可知，躺地纜更換作業(yè)的推薦有義波高范圍為1.0～2.5 m。

表3 躺地纜更換作業(yè)的最大容許有義波高

項目實施過程中結合實際天氣預報數(shù)據選定了適合的天氣窗口，并按照方案設計步驟和分析結果，順利完成了1#錨腿躺地纜的更換工作，下文就分析結果和現(xiàn)場記錄數(shù)據進行對比驗證。

3.2 錨腿松弛和張緊的分析與驗證

圖3 下放和回收迪尼瑪纜繩過程中FPSO絞車張力分析結果與現(xiàn)場記錄對比

3.3 連接板回收和下放的分析與驗證

注：作業(yè)船位置以FPSO轉塔中心為原點，沿著1#錨腿路由朝著錨點移動方向為正；浮筒水深以水面為0，水面以下為負；余同。

回收和下放3#連接板過程中，記錄了主、輔作業(yè)船絞車張力隨船位置的變化情況，將分析結果和現(xiàn)場記錄數(shù)據進行了對比(圖5)，可以看出，回收和下放3#連接板時，主作業(yè)船提拉絞車實際張力與靜力分析結果較為接近，約為靜力分析結果的0.55～1.72倍，其中回收時現(xiàn)場記錄數(shù)據略大于靜力分析結果，下放時略小于靜力分析結果，其動力分析結果遠大于記錄數(shù)據，約為靜力分析結果的1.66～1.85倍；而對于輔助作業(yè)船，由于回收時其是按照靜力分析結果移船，但下放時向FPSO移動了更多的距離，導致回收和下放兩個過程中其提拉絞車張力存在較大差異，其中回收時現(xiàn)場記錄數(shù)據更貼近靜力分析結果，輔助作業(yè)船提拉絞車張力動力分析結果約為靜力分析結果的1.75～2.60倍。

圖5 回收和下放3#連接板過程中主、輔助作業(yè)船絞車張力分析結果與現(xiàn)場記錄對比

3.4 躺地鏈下放和回收的分析與驗證

在階段④、⑨中，通過雙船配合下放和回收躺地鏈，為了控制躺地鏈的形態(tài)，設計確定了主、輔作業(yè)船作業(yè)的路徑，并校核船舶能力滿足躺地鏈的下放和回收要求。通過分析可以得到作業(yè)過程中主、輔作業(yè)船舶絞車鋼絲繩收放要求，并給出對應步驟中浮筒水深的變化規(guī)律，將分析結果與現(xiàn)場數(shù)據記錄進行對比(圖6)。可以看出，在下放躺地鏈時，主、輔作業(yè)船舶移位在靜力分析結果范圍內，絞車鋼絲繩長度接近靜力分析結果；在回收躺地鏈時，主作業(yè)船舶移位超過靜力分析結果的范圍，原因在于實際作業(yè)時絞車鋼絲繩一直和躺地鏈相連并未解脫。從圖6中可以看出，主作業(yè)船絞車鋼絲繩長度隨著主作業(yè)船向FPSO的移動而減少；輔助作業(yè)船舶移位在靜力分析結果范圍內，其絞車鋼絲繩維持長度不變；浮筒實際水深和靜力分析結果存在差異，浮筒在實際作業(yè)過程中并未按照靜力分析結果發(fā)生重大上浮現(xiàn)象，其主要原因是靜力分析中上錨鏈長度、海生物重量等取值與實際數(shù)據存在差異。

圖6 下放和回收躺地鏈過程中主、輔作業(yè)船絞車鋼絲繩長度和浮筒水深分析結果與現(xiàn)場記錄對比

在下放和回收躺地鏈作業(yè)過程中，記錄了主、輔作業(yè)船絞車張力隨船位置的變化情況，將分析結果和現(xiàn)場數(shù)據記錄進行對比(圖7)，可以看出，在下放和回收躺地鏈時，主、輔作業(yè)船實際采取的移船步驟和靜力分析移位步驟不一致，但就絞車張力而言，其實際張力記錄數(shù)據更貼近靜力分析結果，其動力分析結果為靜力分析結果的1.72～1.88倍。

圖7 下放和回收躺地鏈過程中主、輔作業(yè)船絞車張力分析結果與現(xiàn)場記錄對比

3.5 躺地纜回收和鋪設的分析與驗證

在階段⑥和⑦中，通過收放絞車實現(xiàn)躺地纜的回收和鋪設，完成躺地纜更換。主作業(yè)船鋪設絞車張力隨著船位變化情況如圖8所示，可以看出，主作業(yè)船實際移船位置和靜力分析位置略有差別，大致相差20 m；動力分析結果為靜力分析結果的1.48倍；回收和鋪設絞車張力實際記錄數(shù)據均小于靜力分析結果，其中鋪設受力略大于回收受力，分析認為記錄數(shù)據存在不準確性，可能原因在于主作業(yè)船絞車最大能力為5 000 kN，對于100～200 kN的受力不敏感。

圖8 回收和鋪設躺地纜過程中主作業(yè)船鋪設絞車張力分析結果與現(xiàn)場記錄對比

基于上述內容，匯總了1#錨腿躺地纜更換作業(yè)過程中關鍵張力參數(shù)(表4)。通過分析結果和現(xiàn)場記錄數(shù)據對比，可以看出，整個作業(yè)過程中相關作業(yè)設備的實際記錄數(shù)據更接近靜力分析結果，比動力分析結果要小，動力分析結果約為靜力分析結果的1.47～2.60倍。

表4 1#錨腿躺地纜更換作業(yè)關鍵張力參數(shù)對比

4 結論及建議

基于300 m水深NHSL FPSO系泊系統(tǒng)1#錨腿修復項目，對帶有浮筒的系泊腿躺地纜進行更換方案研究，提出了一種雙船提拉概念下的錨系在位躺地纜更換方法，開展了躺地纜更換作業(yè)的靜力和動力分析，并將分析結果和現(xiàn)場記錄數(shù)據進行對比，驗證了更換躺地纜雙船提拉方案設計和分析的可靠性，為后續(xù)類似躺地纜更換施工作業(yè)提供了參考。結合本次工程實施情況，對后續(xù)類似項目提出如下建議：

1) 對于每個錨系更換項目，因其更換部件不同，作業(yè)方案設計和分析的側重點不同，建議做好不同部件更換的快速響應詳細計劃，為應急響應人員提供所需要的指南和工具，以便在失效發(fā)生時能夠做出關鍵決策，保證浮式生產設施安全生產；

2) 海上施工作業(yè)的數(shù)據來源于各種船舶和設備，不便于收集整理，建議搭建海上施工作業(yè)數(shù)字采集平臺，以便實時記錄和存儲數(shù)據，提高施工作業(yè)數(shù)據化水平。