深水半张紧系泊系统设计研究

赵晶瑞，谢 彬

(中海油研究总院，北京100028)

0 引言

深水开发离不开浮式结构。深水海区大多气候条件恶劣，诸如Semi，Spar，FPSO/FLNG等浮式生产设施，由于外形尺度大，且悬挂立长期作业，均面临恶劣海况下的系泊定位问题。传统的悬链线系泊，由于定位能力不足且占用平台大量的储备浮力，海上安装困难等因素，很难应用于1 000 m以上的深水海区。近20年来，随着系泊缆绳材料以及诸如吸力锚、板锚等法向承力锚技术的逐渐成熟，使得深水系泊设计技术得以迅速发展，目前大部分的深水浮式平台均采用了半张紧型系泊设计理念，其结构特点如下:

1)仍采用高强度锚链与钢缆作为系泊材料;通过施加预张力使水中缆绳呈半张紧型。即缆绳的长度和预张力的选取应保证在多数工况条件下锚固基础均存在向上的力［1］。

2)海底锚链的长度很短，通常控制在400 m以内［2－3］。

3)系泊水平辐射距离得到有效控制。例如安装于墨西哥湾的Na Kika半潜式生产平台［4］，作业水深达1 936 m，采用16根链－缆－链系泊缆进行定位，系泊水平辐射距离仅为2 500 m，与水深的比值仅为1.29∶1，而传统悬链线系泊系统的水平辐射距离与水深的比值大多在2∶1以上。

国内对于深水系泊的设计研究尚属起步，设计理念与国外相比较为滞后。为此本文以半张紧型系泊系统作为设计研究对象，对作业水深、平台最大偏移量以及锚点法向承载力水平等因素的作用进行分析，以期得到规律性的认识。再以1座深水FDPSO平台为例，分别采用传统的悬链线系泊模式与半张紧系泊模式，对平台进行系泊设计。最后，通过性能对比得出采用半张紧系泊系统结构设计的优点以及注意事项，为今后的深水系泊设计提供一些建议与借鉴。

1 深水系泊系统设计基础与校核指标

系泊系统结构设计的前提主要包括船型、作业水深、环境条件以及平台所允许出现的最大偏移量(通常由立管、钻井设备等作业要求而决定)，其中作业水深与平台所允许出现的最大偏移量与单根缆绳结构的设计密切相关。而系泊缆的结构设计所需满足的主要指标如下:

1)最大系泊张力。系泊缆必须按照安全系数进行设计，各国船级社均有相关的规定。如美国船级社ABS规定［5］，若采用准静力法进行校核，则缆绳的张力安全系数在系泊完整状态下大于2.0，单根破损状态下大于1.43;若采用耦合动力法校核，缆绳的张力安全系数完整状态下大于1.67，1根破损状态下大于1.25。

2)缆绳卧底长度。对于永久型系泊系统而言，由于不允许钢缆部分接触海底，因此缆绳的最大卧底长度须小于海底锚链的设置长度;此外若采用拖曳锚作为系泊基础，由于锚本身不能承受上拔力，因此缆绳的最小卧底长度须大于100 m［6］。

3)此外在系泊缆结构设计阶段还需考虑由于锚点位置、缆绳长度的误差，以及由于长期拉伸与腐蚀所导致的轴向刚度的改变，因此需给予船体锚链段足够的长度。

为了方便对比，这里选取相同规格的系泊缆绳进行结构设计，具体数据如表1所示。

表1 系泊设计所选用的缆绳材料Tab.1 Cable material used in mooring system design

2 锚基础垂向负载能力对于系泊缆结构设计的影响

现假定作业水深为2 000 m，平台容许出现的最大水平偏移量为10%的作业水深，分别采用拖曳锚和垂向负载能力为100 t，200 t，300 t与400 t的吸力锚作为锚固基础进行系泊缆结构设计，表2是满足设计规范要求的系泊缆的结构参数。

表2 不同锚基础垂向负载能力下的系泊缆结构参数Tab.2 Mooing line compositions for different vertical load capacity of anchor

系泊载荷、预张力与用钢量随锚基础法向承载力的变化情况如图1所示。导缆孔处系泊缆张力随锚基础法向承载力的变化如图2所示。

图1 系泊载荷、预张力与用钢量变化曲线Fig.1 Curves of mooring loads，pretension and steel quantity

图2 导缆孔处系泊缆张力变化曲线Fig.2 Curves of mooring tensions at fairleads

从表2和图1可知，随着锚基础垂向负载能力的提高，单根缆绳的海底锚链段长度明显缩短，中部钢缆长度也有所下降，缆绳的用钢量和水平辐射距离均大大降低，此外预张力与系泊载荷也有所减小，这也有利于锚机规格的选型以及可变载荷的节省。图2显示，传统悬链线系泊缆绳张力的非线性特性较弱，系统整体的水平回复刚度接近于线性，当采用半张紧系泊模式时，随着锚固基础法向承载能力的提高，缆绳张力与系泊水平回复刚度的非线性效应将逐渐增加，这可能导致平台的波频运动落在张力曲线的陡增段上，使得缆绳张力的突然增大，因此从安全角度考虑，在给定设计基础与缆绳规格前提下，锚点所允许产生的最大上拔力应存在某个合理的上限值。

3 作业水深对于系泊缆结构设计的影响

保持缆绳材料与许用最大偏移量不变，分别采用拖曳锚与法向承载力为400 t的吸力锚作为锚固基础进行系泊缆结构设计，并使作业水深由500～2 000 m变化，表3为符合规范要求的系泊缆结构参数。

表3 不同作业水深下的系泊缆结构参数Tab.3 Mooing line compositions under different water depth

系泊缆绳的静态水中构型如图3所示，预张力、系泊载荷以及用钢量的变化如图4所示。导缆孔处系泊张力变化曲线如图5所示，图6为假设系泊系统采用4×4对称布置时的系泊水平回复刚度曲线。

图3 不同水深条件下系泊缆的静态水中构型Fig.3 Static configurations of mooring line at different water depth

图4 预张力、系泊载荷与用钢量变化曲线Fig.4 Curves of mooring loads，pretension and steel quantity

图5 导缆孔处系泊张力变化曲线Fig.5 Curves of mooring tensions at fairleads

图6 系泊水平回复刚度变化曲线Fig.6 Stiffness curves of mooring system

从图5和图6可知，随着作业水深的增加，系泊系统的水平辐射距离、系泊载荷、预张力等均逐渐增大，但由于缆绳悬链线效应的增强，增幅将逐渐变缓。在同等设计前提下，采用法向承载力锚进行系泊缆结构设计，可有效降低系泊系统的水平辐射距离与用钢量，但系泊水平回复刚度较传统的悬链线系泊系统略有减小。以作业水深1 500 m为例，相对于采用传统的拖曳锚，采用法向承载力为400 t的吸力锚进行半张紧系泊缆结构设计，系泊水平辐射距离、系泊载荷、预张力与用钢量可分别降低41.7%，12.5%，20.9%与45.7%，而系泊水平回复刚度仅降低了7%左右。

4 平台许用水平偏移量对于系泊缆结构设计的影响

保持缆绳规格参数不变，并假设水深为2 000 m，分别采用拖曳锚与法向承载力为400 t的吸力锚作为锚固基础进行系泊缆结设计，表4为平台许用水平偏移量为5%，8%，10%的作业水深时，符合规范要求的系泊缆绳结构参数。

表4 不同许用水平量下的系泊缆结构参数Tab.4 Mooing line compositions for differentl offsets permission

系泊缆绳的静态水中构型如图7所示，预张力、系泊载荷以及用钢量的变化如图8所示。导缆孔处系泊张力随平台水平偏移量变化曲线如图9所示，图10为假设系泊系统采用4×4对称布置时的系泊水平回复刚度曲线。

图7 系泊缆静态水中构型Fig.7 Static configurations of mooring line

图8 预张力、系泊载荷与用钢量变化曲线Fig.8 Curves of mooring loads，pretension and steel quantity

图9 导缆孔处系泊张力变化曲线Fig.9 Curves of mooring tensions at fairleads

图10 系泊水平回复刚度变化曲线Fig.10 Stiffness curves of mooring system

从图9和图10可知，同等水深条件下，平台允许出现的水平偏移量越小，系泊缆所需要的预张力也越大，系泊载荷也越高，但由于单根缆绳中海底锚链所占的长度比重逐渐减小，因此单根缆绳的用钢量将有所降低。采用法向承载力锚进行系泊缆结构设计，系泊系统的水平辐射距离、系泊载荷、预张力与用钢量也可有效降低，但系泊整体的恢复刚度也将有小幅下降。

5 具体算例

以1座作业水深为2 000 m的八角形FDPSO为例，分别采用拖曳锚与法向承载力为250 t的吸力锚对其进行系泊方案设计并进行强度校核。该平台的基本参数如表5所示。

表5 不同装载工况的设计参数Tab.5 Different loading condition parameters

该FDPSO的系泊系统设计条件为南海某油气田百年一遇台风环境条件，具体参数如表6所示。设计得到的2套多点系泊方案如表7所示。平台模型与系泊布置方式如图11和图12所示。

表6 系泊系统设计环境条件Tab.6 Environment condition for mooring system design

表7 两套系泊方案设计参数Tab.7 Design parameters of two mooring systems

图11 FDPSO水动力模型Fig.11 Hydrodynamic model of FDPSO

图12 FDPSO系泊布置图Fig.12 Mooring system arrangement of FDPSO

采用准静力法时域内对FDPSO极端环境下的最大偏移量与缆绳张力进行校核如表8所示。系泊完整工况环境载荷承270°入射时波浪频谱、典型缆绳张力时程与频谱如图13～图15所示。

表8 FDPSO极端环境下的最大偏移量与缆绳张力计算结果Tab.8 Calculation results for maximum offsets of FDPSO and mooring line tension under extreme environment condition

通过表8中的数据对比可知，2套系泊方案的最大系泊张力均满足规范要求。当采用半张紧系泊模式进行设计时，在同等设计前提下，方案整体的用钢量可减少30%，系泊载荷降低11.5%，而最大系泊张力仅增加8%。从图13和图15的对比中可知，2种方案下缆绳动态张力中的波频成分非常接近，但低频部分确有明显的差异，由此也可以推断出采用吸力锚进行系泊缆结构设计将导致缆绳本身质量惯性特性将发生较大的变化，这也是系泊张力幅值发生改变的主要原因。

图13 波浪谱Fig.13 Wave spectrum

图14 典型缆绳张力时间历程Fig.14 Time history of tension in mooring line

图15 缆绳动态张力频谱Fig.15 Spectrums of dynamic tension

6 结语

本文以半张紧型系泊系统作为设计研究对象，对于作业水深、平台最大偏移量以及锚点法向承载力水平等因素的作用进行了分析，以1座深水FDPSO平台为例，对比了同等环境载荷作用下不同系泊方案的各项性能指标，得到结论如下:

1)采用半张紧模式进行系泊缆结构设计，由于允许锚点产生上拔力，因此可以大幅缩短系泊缆绳的设置长度，降低方案整体的用钢量与水平辐射距离，同时还可以节约系泊载荷与预张力。

2)采用法向承力锚进行系泊缆结构设计，将导致缆绳张力与总体系泊刚度非线性效应的增加，即可能使得平台的波频运动落在张力曲线的陡增段上，导致缆绳张力的突然增大，设计阶段应进行充分的数值模拟与实验校核。

［1］ 李飒，郝立忠，李忠刚．深海Spar平台锚泊系统与锚固基础应用综述［J］．中国海洋平台，2011，26(5):6－10．

［2］ DIJKHUIZEN C，COPPENS T，GRAAF P V D．Installation of the horn mountain spar using the enhanced DCV balder［C］//Ocean Technology Conference，Houston，Texas，U.S.A，2003．

［3］ HENDRIKS M，HEEREMA F L．Spar installation in deep water-a developing capability［C］//Ocean Technology Conference，Houston，Texas，U.S.A，2005．

［4］ PATON A K，SMITH J D，WONG L S，et al．Na kikadeepwater mooring and host Installation［C］//Ocean Technology Conference，Houston，Texas，U.S.A，2004．

［5］ American petroleum institute，Guide for building and classing of floating production installation［S］．2004．

［6］ 《海洋石油工程设计指南》编委会．海洋石油工程编辑油气田开发技术［M］．北京:石油工业出版社，2010．

［7］ 《海洋石油工程设计指南》编委会．海洋石油工程FPSO与单点系泊系统设计［M］．北京:石油工业出版社，2010．

［8］ American petroleum institute，Design and analysis of station keeping systems for floating structures［S］．API Recomm-Ended Practiced 2SK，2005．