深水工程船多點(diǎn)系泊海底鏈設(shè)計(jì)分析

徐田甜，張美榮

(1.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津 300459；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

深水工程船通常采用半張緊式系泊系統(tǒng)，海底錨基礎(chǔ)上的錨點(diǎn)處承受垂向和水平向荷載的作用。吸力錨因具有水下定位精確、可重復(fù)利用、可承受較大的水平向荷載和海上安裝費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，已成為深水工程船普遍采用的錨基礎(chǔ)型式。安裝船預(yù)鋪設(shè)并拖拽海底鏈?zhǔn)共糠趾５祖溓度胪林行纬煞磻益溇€形態(tài)。工程船海上安裝時(shí)，安裝船從海底提升系泊線的船體鏈與工程船的掣鏈器連接，工程船錨機(jī)根據(jù)海上安裝誤差調(diào)整各系泊線的出線長(zhǎng)度和預(yù)張力，確保工程船的定位精度和系泊性能。海底鏈的反懸鏈線形態(tài)決定了吸力錨錨點(diǎn)處的荷載。基于此，對(duì)一艘深水工程船的多點(diǎn)系泊海底鏈工程進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

1 工程船系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 工程船系泊總體方案

工程船位于某熱帶環(huán)境條件溫和海域25 a不解脫，環(huán)境條件見(jiàn)表1，作業(yè)處水深1 470 m，最高、最低天文潮位和百年一遇風(fēng)暴增水分別為+1.09、-1.11和+0.5 m。工程船總長(zhǎng)×型寬×型深為330 m×61 m×33.5 m，定位采用4組、共16根系泊線，相鄰系泊線之間夾角為2°，總體布置示意圖見(jiàn)圖1。

表1 工程船作業(yè)海域環(huán)境條件

圖1 工程船多點(diǎn)系泊總體布置示意

每根系泊線由船體鏈、錨纜、海底鏈(含錨頭鏈)及連接器組成。16根錨頭鏈的出土點(diǎn)為理論錨固點(diǎn)(theoretical anchor point，TAP)，TAP(圖1中的S～S、P～P)與工程船掣鏈器之間的理論設(shè)計(jì)水平距離均為2 100 m；TAP處水深范圍分別為1 432～1 513 m。每個(gè)吸力錨直徑6 m，高27 m，入土深度26 m，自重質(zhì)量218 t。按照API RP 2SK規(guī)范，錨點(diǎn)(Anchor pad eye)在海床之下深度取為吸力錨入土深度的2/3，即17.3 m，見(jiàn)圖2。

圖2 吸力錨、錨頭鏈和連接器

1.2 系泊設(shè)計(jì)控制性工況

工程船系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用準(zhǔn)動(dòng)態(tài)分析方法和ARIANE7軟件，滿足其所屬公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)總則》(以下簡(jiǎn)稱企標(biāo))、ISO19901-7、API RP 2SK和BV-NR493等規(guī)范要求。系泊系統(tǒng)分析模型中，TAP之上海底鏈和錨纜的長(zhǎng)度分別取320和2 220 m，考慮系泊線完整、1根或2根系泊線破斷和瞬態(tài)自存等工況。百年一遇環(huán)境條件工況是系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制性工況，企標(biāo)要求和海底鏈詳細(xì)設(shè)計(jì)初期分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 企標(biāo)要求和海底鏈詳細(xì)設(shè)計(jì)初期分析結(jié)果

1根系泊線破斷的控制性工況為：S系泊線破斷后，S系泊線上的張力最大；S系泊線破斷后，工程船平面位移最大。2根系泊線破斷的控制性工況為：S和S系泊線破斷后，S系泊線上的張力最大；S和S系泊線破斷后，工程船平面位移最大。

海底鏈為BV QR3級(jí)無(wú)檔鏈，直徑147 mm，無(wú)腐蝕和扣除11.2 mm腐蝕余量后的最小破斷拉力分別為15 536 kN和13 627 kN。船體鏈和錨纜直徑分別為157 mm和118 mm，無(wú)腐蝕的最小破斷拉力分別為17 282 kN和13 900 kN。

企標(biāo)要求，海底鏈的長(zhǎng)度應(yīng)保證工程船海上安裝時(shí)錨機(jī)提升預(yù)張系泊線后，仍有一段海底鏈平躺在海床上，使海底鏈能以最佳效率嵌入土中。工程船海上安裝完工時(shí)，海底鏈在TAP處的預(yù)張力設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 海底鏈預(yù)張力設(shè)計(jì)結(jié)果

可見(jiàn)工程船海上安裝，錨機(jī)提升張緊系泊線時(shí)應(yīng)使海底鏈在TAP處的預(yù)張力最大達(dá)到1 723 kN。工程船詳細(xì)設(shè)計(jì)末期，按BV-NR493和NI605規(guī)范要求分別計(jì)入工程船船體、上部模塊和系泊線詳設(shè)完工狀態(tài)影響和吸力錨設(shè)計(jì)安全系數(shù)后，得到的海底鏈在TAP處的最大張力見(jiàn)表4。

表4 海底鏈在TAP處的最大張力

錨纜為系泊線上最薄弱部件，瞬態(tài)自存工況為百年一遇環(huán)境條件時(shí)，1根錨纜突然破斷而導(dǎo)致的工程船系泊系統(tǒng)瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)過(guò)程；企標(biāo)要求：瞬態(tài)自存工況時(shí)，海底鏈在TAP處的張力取為1.1倍的錨纜最小破斷拉力。

2 工程船系泊系統(tǒng)海上安裝誤差

2.1 系泊線部件制造誤差

系泊線部件制造要求錨頭鏈、海底鏈和船體鏈制造長(zhǎng)度為正誤差，單根錨鏈制造長(zhǎng)度正誤差小于錨鏈長(zhǎng)的2.5%；要求錨纜制造長(zhǎng)度正誤差小于錨纜長(zhǎng)的0.2%。系泊線部件制造長(zhǎng)度完工誤差見(jiàn)表5，系泊線的制造長(zhǎng)度大于理論設(shè)計(jì)長(zhǎng)度。

表5 系泊線部件制造長(zhǎng)度完工誤差 m

2.2 海上安裝誤差

系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮海上安裝誤差的敏感性影響。按照API RP 2SK規(guī)范和企標(biāo)要求，工程船系泊系統(tǒng)海上安裝誤差要求見(jiàn)表6。吸力錨的錨點(diǎn)位置誤差須綜合考慮吸力錨平面位置誤差±5 m和由吸力錨垂直度誤差引起的位置誤差±1.5 m，合計(jì)取為±6.5 m。

表6 工程船系泊系統(tǒng)海上安裝誤差要求

船體鏈在工程船掣鏈器之下的理論設(shè)計(jì)出鏈長(zhǎng)度為43.6～99.8 m，海上安裝允許船體鏈在掣鏈器之下相較理論出鏈環(huán)數(shù)多放出2個(gè)或少放出4個(gè)鏈環(huán)以微調(diào)系泊線的預(yù)張力，則船體鏈的長(zhǎng)度增加1.256 m或減少2.512 m。為應(yīng)對(duì)各種海上安裝誤差的影響，船體鏈的長(zhǎng)度應(yīng)有足夠冗余，以便工程船錨機(jī)在海上安裝時(shí)調(diào)整船體鏈從掣鏈器放出的鏈環(huán)數(shù)量，精確調(diào)整各系泊線的出線長(zhǎng)度和預(yù)張力。吸力錨海上安裝完工誤差見(jiàn)表7。

表7 吸力錨海上安裝完工誤差

2.3 海上安裝誤差影響分析

工程船系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)百年一遇環(huán)境條件工況分別考慮TAP位置誤差和系泊線出線長(zhǎng)度誤差的敏感性影響，分析結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 海上安裝誤差的敏感性影響分析結(jié)果

分析TAP位置誤差對(duì)S系泊線上的最大準(zhǔn)動(dòng)態(tài)張力變化影響，考慮兩種誤差模式:

1)S系泊線TAP靠近掣鏈器6.5 m，其他右舷7根系泊線TAP均遠(yuǎn)離掣鏈器6.5 m，左舷P～P系泊線TAP位置誤差為0。

2)S系泊線TAP沿該船縱向靠近船舯6.5 m，S～S系泊線TAP均沿工程船縱向向船艏遠(yuǎn)離工程船船舯6.5 m，S～S系泊線TAP均沿工程船縱向向船艉遠(yuǎn)離工程船船舯6.5 m，左舷P～P系泊線TAP位置誤差為0。

分析TAP位置誤差對(duì)工程船最大平面位移變化影響，考慮兩種誤差模式:

1)右舷S～S系泊線TAP均遠(yuǎn)離掣鏈器6.5 m，左舷P～P系泊線TAP位置誤差為0。

2)右舷S～S系泊線TAP均沿工程船縱向向船艏遠(yuǎn)離船舯6.5 m，S～S系泊線TAP均沿工程船縱向向船艉遠(yuǎn)離船舯6.5 m，左舷P～P系泊線TAP位置誤差為0。

分析系泊線出線長(zhǎng)度誤差對(duì)S系泊線上的最大準(zhǔn)動(dòng)態(tài)張力變化影響，考慮的誤差模式為：S系泊線船體鏈少放出2個(gè)鏈環(huán)，S、S和S系泊線船體鏈均多放出2個(gè)鏈環(huán)，P～P系泊線出線長(zhǎng)度誤差為0。

分析系泊線出線長(zhǎng)度誤差對(duì)工程船最大平面位移變化影響，考慮的誤差模式為：右舷S～S系泊線船體鏈均多放出2個(gè)鏈環(huán)，P～P系泊線出線長(zhǎng)度誤差為0。

由表8可見(jiàn)，工程船系泊系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)考慮海上安裝誤差的影響后，系泊線的強(qiáng)度仍滿足企標(biāo)要求；但應(yīng)通過(guò)調(diào)整船體鏈的出鏈數(shù)量來(lái)精確控制出線長(zhǎng)度，保證系泊線完整工況時(shí)工程船的最大平面位移仍滿足企標(biāo)要求。百年一遇環(huán)境條件的最低天文潮時(shí)，工程船平面位移最大，按懸鏈線方程分析得出：TAP之上海底鏈的長(zhǎng)度取320 m，錨纜的底端在海床之上的高度為1.41～3.62 m，即錨纜在工程船平面位移最大的極端工況時(shí)不會(huì)接觸海床，避免錨纜摩擦海床而受損，滿足BV-NR493規(guī)范中關(guān)于錨纜的底端在海床之上的高度大于1.0 m的要求。

3 海底鏈反懸鏈線形態(tài)分析

吸力錨海上安裝時(shí)錨頭鏈隨吸力錨一同入土，由水下機(jī)器人(ROV)安裝海底鏈和錨頭鏈之間連接器的銷后，海底鏈和錨頭鏈即連為整段，再由安裝船拖拽海底鏈?zhǔn)瑰^鏈切割土體，見(jiàn)圖3。

圖3 ROV安裝海底鏈和錨頭鏈之間連接器的銷

嵌入土中的錨鏈?zhǔn)艿酵馏w對(duì)其的切向力和法向力以及錨鏈自重力的作用，形成反懸鏈線形態(tài)。

3.1 土體不排水剪切強(qiáng)度

海底鏈嵌入土中的反懸鏈線形態(tài)與土體的性質(zhì)有關(guān)。工程船作業(yè)海域的海底為飽和軟黏土；海床至1.5 m深的表層土體的不排水剪切強(qiáng)度S隨深度劇烈變化；深度大于1.5 m后，土體S隨深度逐漸增加，見(jiàn)表9；S為土體的靈敏度指數(shù)，即未擾動(dòng)土體不排水抗剪強(qiáng)度/擾動(dòng)后土體不排水抗剪強(qiáng)度的比值。土體的S存在不確定性，以S上限值分析確定海底鏈反懸鏈線形態(tài)，以S下限值評(píng)估S的不確定性對(duì)海底鏈反懸鏈線形態(tài)的敏感性影響。

表9 土體不排水剪切強(qiáng)度Su

3.2 反懸鏈線形態(tài)分析方法

嵌入土中的錨鏈微元段受力模型見(jiàn)圖4。

圖4 土中錨鏈微元段受力模型

土中錨鏈微元段的靜力平衡控制微分方程為

(1)

(2)

考慮海底鏈?zhǔn)茌S向張力產(chǎn)生的彈性變形因素，土中錨鏈微元段的控制微分方程為

(3)

(4)

式(1)～(4)中，為錨鏈的軸向張力；為錨鏈原始微元段的長(zhǎng)度；和分別為土體對(duì)錨鏈沿切向和法向作用力；為在土中單位長(zhǎng)度錨鏈的浮重度；為錨鏈微元段與水平面夾角；為錨鏈的彈性模量；為錨鏈的截面積。

=×××

(5)

=××

(6)

=×

(7)

=

(8)

式(5)～(8)中，為錨鏈與土體之間的黏滯系數(shù)，取為03；和分別為法向和切向的有效寬度系數(shù)，=2.5，=8.0；為錨鏈單鏈環(huán)的直徑；和為黏土中作用于錨鏈單位長(zhǎng)度上的法向和切向土抗力；為承載力系數(shù)，在海床處取5.14，從海床到深度6處線性增至76，在深度6之下處取7.6。

3.3 反懸鏈線形態(tài)分析結(jié)果

計(jì)算及分析結(jié)果見(jiàn)表10。由表10可見(jiàn)，工程船在位，系泊線完整工況時(shí)，的取值變化對(duì)嵌入土中錨鏈的長(zhǎng)度影響約為2.7 m；各工況的TAP位置變化范圍約為6 m，此變化范圍在系泊系統(tǒng)海上安裝誤差影響分析涵蓋的范圍之內(nèi)。

表10 海底鏈反懸鏈線形態(tài)分析結(jié)果

以表10中的百年一遇環(huán)境條件，最高天文潮位+風(fēng)暴增水水深，系泊線完整工況的海底鏈反懸鏈線形態(tài)分析結(jié)果作為確定吸力錨的安裝位置和海底鏈總長(zhǎng)度的基準(zhǔn)工況，即吸力錨錨點(diǎn)與TAP之間的水平距離為36.9 m；海底鏈的全長(zhǎng)取為360.69 m，包括錨頭鏈段長(zhǎng)19.25 m、安裝船海上安裝的海底鏈段長(zhǎng)339.75 m、錨頭鏈與錨點(diǎn)之間的連接器A長(zhǎng)0.902 m、錨頭鏈與海底鏈之間的連接器B長(zhǎng)0.789 m。

錨頭鏈在吸力錨錨點(diǎn)處的張力分析結(jié)果見(jiàn)表11。

表11 錨頭鏈在吸力錨錨點(diǎn)處的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)張力分析結(jié)果

由表11可見(jiàn)，工程船在位時(shí)，錨頭鏈在錨點(diǎn)處與水平面夾角范圍為31°～35°，在吸力錨最佳承載角度范圍內(nèi)；S的取值變化對(duì)錨頭鏈在錨點(diǎn)處的張力分析結(jié)果影響小于2.1%；錨頭鏈在錨點(diǎn)處的張力比在TAP處的張力降低約2.7%～4.4%。

3.4 安裝船拖拽海底鏈嵌入土中分析

安裝船拖拽海底鏈嵌入土中應(yīng)以盡量小的觸地點(diǎn)(touch down piont, TDP)處水平拉力保證錨鏈嵌入土中的效率，降低對(duì)海上安裝機(jī)具的性能要求。

為評(píng)估安裝船拖拽海底鏈嵌入土中所需的TDP處最小水平拉力，對(duì)所處水深最深的S海底鏈在TDP處的水平拉力為1 000 kN～1 700 kN進(jìn)行數(shù)值迭代求解，計(jì)算反懸鏈線形態(tài)特征參數(shù)并做趨勢(shì)外推，見(jiàn)圖5、6，得出海底鏈在TDP處的水平拉力為500 kN時(shí)的反懸鏈線形態(tài)結(jié)果見(jiàn)表12。

圖5 吸力錨錨點(diǎn)與TDP之間的水平距離

圖6 海底鏈嵌入土中的長(zhǎng)度

表12 海底鏈反懸鏈線形態(tài)分析結(jié)果(海上安裝工況)

即海底鏈海上安裝完工的TDP位置與工程船在位時(shí)的TAP位置的偏差范圍為1.8 m～4.2 m，滿足企標(biāo)要求。安裝船拖拽海底鏈嵌入土中時(shí)，應(yīng)使錨鏈在TDP處水平拉力達(dá)到500 kN。

4 海底鏈海上安裝分析

為縮短工程船海上安裝工期，吸力錨和系泊線在工程船海上安裝前1年采用預(yù)鋪設(shè)法安裝、鋪設(shè)在海底，動(dòng)員DP-3動(dòng)力定位3 000 t級(jí)起重船，起重船右舷配備安裝收/棄絞車(abandonment and recovery winch，A/R絞車)，A/R絞車和安裝纜繩的額定負(fù)荷分別為3 433 kN、3 896 kN。

應(yīng)用ORCAFLEX軟件對(duì)起重船拖拽所處水深最深的海底鏈工況進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)分析。一年一遇環(huán)境條件作業(yè)海況的最大有義波高為2.7 m，分析的波浪譜峰周期范圍為8～16 s；起重船的艏向或艉向與波浪方向夾角保持在±15°以內(nèi)，以降低起重船的運(yùn)動(dòng)幅值。A/R絞車的安裝纜繩與海底鏈采用三角耳板連接，此連接點(diǎn)與海底鏈頂端之間的鏈長(zhǎng)為65 m。海上安裝時(shí)，要求起重船從吸力錨正上方開(kāi)始移位，至A/R絞車與吸力錨之間的水平距離為600 m，起重船最終在此位置動(dòng)力定位。

起重船拖拽海底鏈初始靜態(tài)工況設(shè)定錨鏈在TDP處水平拉力為500 kN。起重船移位時(shí)，A/R絞車同步調(diào)整安裝纜繩的出線長(zhǎng)度，控制海底鏈在TDP處與水平面夾角小于5°，見(jiàn)圖7。

圖7 起重船拖拽海底鏈工況

海底鏈TDP到達(dá)設(shè)計(jì)位置后，A/R絞車控制保持安裝纜繩頂部張力約1 962 kN至少15 min，使海底鏈的反懸鏈線形態(tài)穩(wěn)定后，再將海底鏈、錨纜和船體鏈依次預(yù)鋪設(shè)在海床上。

海底鏈海上安裝分析主要結(jié)果見(jiàn)表13。由表13可見(jiàn)，波浪譜峰周期為10 s時(shí)，A/R絞車處的拉力達(dá)到最大值；海底鏈在TDP處的水平拉力大于500 kN，海底鏈在TDP處與水平面夾角范圍為3.9°～4.7°，滿足海底鏈嵌入土中的技術(shù)要求。

表13 海底鏈海上安裝分析結(jié)果

5 結(jié)論

1)海底鏈在海床之上的長(zhǎng)度應(yīng)保證工程船在位工況時(shí)，錨纜不會(huì)接觸海床，避免錨纜摩擦海床而受損。

2)應(yīng)用數(shù)值迭代求解控制微分方程分析海底鏈的反懸鏈線形態(tài)時(shí)，系泊張力的輸入值應(yīng)足夠大，保證反懸鏈線形態(tài)計(jì)算結(jié)果收斂、可靠。

3)工程船在位工況時(shí)，理論錨固點(diǎn)的位置變化和嵌入土中的海底鏈長(zhǎng)度變化范圍應(yīng)盡量減少海底鏈在土中的滑移，保證吸力錨的承載性能。

4)安裝船拖拽海底鏈嵌入土中的安裝工況時(shí)，應(yīng)控制海底鏈在觸地點(diǎn)處與水平面夾角小于5°，保證海底鏈嵌入土中的效率，降低對(duì)海上安裝機(jī)具的性能要求；應(yīng)校核起重船安裝收/棄絞車處和安裝纜繩的最大動(dòng)態(tài)拉力小于額定工作負(fù)荷，確保作業(yè)安全。