深海半潜式生产平台张紧式系泊系统安装方案

赵 南 张 伟 杨 勇

（上海外高桥造船有限公司 上海200137）



深海半潜式生产平台张紧式系泊系统安装方案

赵 南 张 伟 杨 勇

（上海外高桥造船有限公司 上海200137）

［摘 要］深海半潜式生产平台通常采用永久张紧式系泊系统，通过搜集整理行业内深水张紧式系泊安装流程的相关资料，对系泊系统海上安装方案进行归纳和总结，详细阐述吸力锚及系泊缆的安装作业流程，并针对海上意外事件出现而采取的相应措施进行说明，为今后深水张紧式系泊系统的海上安装提供参考。

［关键词］深海；生产平台；张紧式；系泊；安装

张 伟（1989-），女，硕士，助理工程师，研究方向：船舶与海洋结构物设计制造。

杨 勇（1988-），男，硕士，助理工程师，研究方向：船舶与海洋结构物设计制造。

引 言

深水半潜式生产平台是长时间作业于深海的采油平台，为保证其在恶劣海况下的精确定位以及为安全生产提供保障，系泊定位系统的重要性显得尤为突出。此类型平台通常采用永久张紧式系泊定位方式，该系泊系统中系泊缆索以一定的角度到达海底，通常与海床夹角为30°～ 45°，抛锚点处受到水平力和垂直向上的两种力作用［1］，相比移动式系泊方式其系泊范围更广、水深更深、锚基型式更加复杂［2］，需要依靠专业的三用工作船及水下辅助设备以顺利完成系泊系统的安装。本文将详细阐述深海张紧式系泊施工过程中锚及系泊缆安装流程，并对意外事件发生时需采取的措施进行说明。

1　平台定位系统海上安装方案

1.1安装海域海况要求

安装海域海况条件通过三用工作船利用风力计及测流计测得。根据设计要求，安装过程中的海况条件如表1所示。

表1　安装海域海况要求

安装时，只有在确认抛锚地点后才能够抛锚。如果观察到超过安装限制的较强海流或风速，应该立即停止安装操作，等待海况条件转好。风力计及测流计的读数需要记录并与已有流/浪图表进行对比。

工作人员应当通过工程船管理系统（Tug Management System）监视三用工作船的移动。相关信息可协助安装人员对海况条件进行评估。如果海况条件超出上述要求而无法布置锚，所有的安装操作都要推迟以等待海况好转。

在吸力锚安装期间，三用工作船根据设计计算需要保持下放索具所需最小张紧力及额外5 t的张紧力以防意外事故的发生。在锚及缆绳回收期间，工作船船长及抛锚长将会根据当时天气状况及工作船稳性来决定回收缆绳的速率。

1.2系泊系统安装流程

1.2.1系泊系统概述

目标半潜式生产平台共有16根“链-聚酯缆-链”张紧式系泊缆均匀地布置在平台四周［3］。该平台布置于1 600 m水深位置。锚基型式选用吸力锚。平台系泊缆的预安装位置及最终安装位置示意图如图1所示。

每根系泊缆分为触底锚链、顶端锚链及中间的5部分聚酯缆绳，总长达2 130 m。锚链与聚酯缆、聚酯缆与聚酯缆间均由H型连接器进行连接。其中，锚链为直径165 mm的R4型无档链环［4］，聚酯缆直径228.6 mm、抗断强度12 232 kN。

在满足永久系泊要求的前提下，聚酯缆绳需定期进行检验、维护、修复及替换。聚酯缆绳比传统的悬链式锚链轻，故减小了平台竖向载荷，使之拥有更大的可变载荷，并且可省去传统系泊系统中浮体等辅助安装材料，减少昂贵操作设备的使用，节省安装费用。吸力锚与锚链的连接接头选取的是Ballgrab型式［5］连接，如图2所示。

图1　系泊缆位置示意图

图2　Ballgrab型式连接示意图

设置该连接接头主要有以下目的：

（1）能够在平台海上安装前提供锚链系统中吸力锚及触底锚链的预安装而不必在前期安装任何聚酯缆。

（2）能够使任意的系泊缆恢复使用或是替换（在需要时），通过断开锚链与平台的连接而后断开锚链与吸力锚锚链连接器的连接（或反向操作）并使吸力锚保持原先位置不动。

系泊系统的安装及与半潜式生产平台的连接分为三个阶段进行，三用工作船作为主要安装船将在海上安装的整个过程使用。安装主要阶段如下：

第1阶段 16个吸力锚及其自带锚链/下端触地锚链的安装；

第2阶段 预安装过程中的部分聚酯缆连接（每根系泊缆均有两段聚酯缆）；

第3阶段 其余部分聚酯缆、测试段聚酯缆及与平台锚链的连接安装。

1.2.2第1阶段——吸力锚安装

该阶段包括所有吸力锚、自带锚链、吸力锚锚链连接器母连接部分的安装，并需在系泊缆预安装之前几个月进行。较早安装可使吸力锚具有足够的安装时间以达到设计载荷。

完成早期评估后，两个吸力锚的部件连同自带锚链和吸力锚锚链连接器被装载至三用工作船上，运输到指定海域并进行安装，三用工作船分8次运送吸力锚，每次运送2个。图3所示为海上安装过程中三用工作船携带的2个吸力锚。图4为吸力锚在安装过程中。

图3　海上运输吸力锚

图4　吸力锚安装过程图

工作级水下机器人（ROV）及相关支撑设备安装在主甲板主绞车间的上方。在抛锚点运用预先安装的长基线水声定位矩阵（LBL）实现精确的导航及吸力锚标记。

此外，为使三用工作船可容纳并运输吸力锚，需要克服的最大挑战是设计一个结构紧凑且成本较低的大型吸力锚下放系统，并能够安全的在三用工作船上操作。研究分析表明：两个在下放线缆中串联的辅助下放设备（与其他下放设备一起，如图5所示）可以显著减小三用工作船在至少1.8 m波高海面上的动态载荷。

图5　吸力锚下放图

同时，该辅助下放设备另一优势在于在下放过程中不会占据甲板空间。吸力锚安装技术要求如下：

吸力锚安装允许偏差：结构中心平面位置3 m半径范围内，锚链连接固定吊点方位角±5.0°，吸力锚筒体倾斜（垂直度）+/-2.0°。

在到达指定海域后，两台工作级ROV通过精确的LBL测量系统在海底安装标记浮体。这些浮体固定在锚泊地以待吸力锚安装就位时释放。安全下放及在海床中插入吸力锚需要相当数量的索具。一旦到达海底，吸力锚就能够自行插入土壤中。此时ROV关闭泄放阀，停靠在一侧，同时吸力泵将吸力桩内的水抽出并使其下降［6］，具体安装流程如下：

（1） 将吸力锚缓慢下放并通过水面飞溅区，其中的空气通过顶部泄放孔释放。

（2）下放ROV 2号（配置停靠撬）及ROV 1号。

（3）将锚继续下放至距离海床20 m处， ROV 2号在下放过程中监视吸力锚确保不会发生旋转或是不受控制的移动，ROV 1号需始终位于锚上方并对锚与海床的距离进行监控。

（4）将ROV 2号停靠至锚顶部。

（5）ROV 2号将水下电罗经安装至吸力锚顶部插座内。

（6）ROV 2号将锚顶部插座盲板移除并将连接吸力泵的针形插头插入其中。

（7）对潜水泵进行预调试。确保数据记录软件正常运行。测试潜水泵在10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%和100%时的流量并记录流量和压力读数。

（8）将锚下放至距离海床5 m高度处。

（9）ROV 2号将吸力锚旋转至正确的角度，确保锚位置和方向处于允许误差范围内。

（10）将吸力锚下放至海床上，下放速度控制在17 m/min。

（11）在自重贯入情况下，ROV 1号需对锚侧贯入标记进行监视。

（12）ROV 2号用于监视锚方位、垂直度以及贯入深度（在ROV 1号无法辨识贯入标记的情况下可通过ROV 2号上的传感器读取贯入深度）。

（13）在抵达自重贯入深度后，ROV 2号将锚顶部泄放阀关闭。

（14）ROV 2号启动潜水泵，建立负压，下沉吸力锚［7］；同时ROV 1号开始移除连接在锚上的吊索。

（15）在吸力锚抵达目标贯入深度后，确认锚的方位、垂直度处于允许误差范围内。

（16）ROV 2号关闭潜水泵，将锚上泵撬设备移除；ROV 1号对吸力锚安装结果进行调查。

（17）将吊索及泵撬回收至三用工作船，ROV 1号和ROV 2号返回水面。

1.2.3第2阶段——聚酯缆预安装

在第2阶段的安装过程中，聚酯缆被分为两部分安装在系泊点并由1个水上浮体固定。在该阶段面临的挑战是将聚酯缆从工厂运输及搬移至相关海域。聚酯缆采用集装箱运输取代了传统的线缆卷筒，并降低费用。聚酯缆放入集装箱后，被海运至安装公司，此时聚酯缆将从集装箱中移出并缠绕至动力卷筒上，如图6所示。

图6　聚酯缆从集装箱移出至卷筒

聚酯缆由集装箱移出至卷筒之后，这些卷筒被运送到三用工作船甲板上。同时，锚链储存于三用工作船锚链舱中，H型连接器、水上浮体及其他相关设备也一并放置并固定于主甲板上。

一旦到达指定地点，系泊设备在主甲板上组装并于船尾滚筒上进行下放工作。下端触底锚链与聚酯缆绳在三用工作船甲板上通过H型连接器进行连接，而后下放水中，与吸力锚Ballgrab连接器连接。图7所示为聚酯缆绳与锚链间的H型连接器。

图7　聚酯缆及锚链间的H型连接器

每根聚酯缆都直接通过三用工作船的锚机进行下放并通过金属扣眼固定保证两段聚酯缆的连接，如图8所示。相比于目的性地制造提挂工具，尤其是三用工作船作业时，在聚酯缆下放及缆绳连接过程中，使用金属扣眼非常轻便有效。

图8　聚酯缆下放过程中使用的金属扣眼

综上所述，吸力锚的Ballgrab型锚链连接器使预安装的锚链能够迅速连接，大大缩短了安装时间。Ballgrab连接器的竖向进入安装法使锚链的连接得以实现，即使下放系泊的过程中在其竖直方向上产生位移，也不需要额外的升沉补偿系统。ROV不需要实际操作协助吸力锚锚链连接器而仅仅是提供必要的观察和连接指引。聚酯缆的安装操作如图9所示。

一旦聚酯缆绳成功地安装就位，在其上连接一浮体并从三用工作船尾部下水。为保证系泊系统预安装的安全，需由备用船只监视浮体并阻止其他船只在平台抵达指定地点前经过该海域。

图9　聚酯缆的安装操作图

1.2.4第3阶段——系泊缆与船体连接操作

半潜式生产平台在安装海域被拖曳至锚泊海域中心，此时第3阶段系泊缆连接操作开始。首先需要安装的是平台的锚链，该锚链从三用工作船的锚链舱出来向上通过导缆器，而后随着与锚链连接的引缆线返回三用工作船，可将锚链引导至平台立柱顶端的止链器并固定。同时，三用工作船开始回收水上浮体以将预安装的锚链固定在工作船甲板上。该工作船用于储存需要安装的上部聚酯缆，并且在聚酯缆连接操作期间提升下部聚酯缆以保证其与海床无接触。

在上端平台锚链与平台连接后，三用工作船携带工作锚链及工作缆绳（工作锚链及工作缆绳的主要作用是辅助聚酯缆绳的连接）向另一艘工程船移动。当两艘船的船尾相对时，前者将其携带的上部聚酯缆一端从船尾传递到后者甲板上，并与预安装的缆绳相连接，如图10所示。

图10　中间聚酯缆的安装操作图

一旦上端平台锚链与下端平台锚链在三用工作船上相连，该锚链在船尾部通过2个特殊的”J”型锁钩进行下放，如图11所示。船舶左右舷的锚机同时释放工作缆绳以下放锚链。将左舷的J型锁钩与锚链解脱，使载荷转移到右舷工作缆绳上。右舷继续下放缆绳直至所有载荷转移到锚链上，同时解脱右舷的J型锁钩并停止下放作业，最后回收J型钩锁。整个过程由船载ROV进行监控。

三用工作船继续上部聚酯缆的安装，同时另一艘工作船将中间及聚酯缆绳的H型连接器下放到一定水深以保证下部聚酯缆与海床不接触（如图12所示）。在将剩余聚酯缆绳安装完成后，三用工作船回收工作缆绳并将平台锚链端部上提至船舶甲板面。此时，三用工作船与锚链保持垂直位置，并使平台锚链与聚酯缆相连，整个流程参见图12。

图11　锚链连接部位及J型钩锁的工程图

图12　平台系泊缆安装连接图

为提供必要持续的系柱拉力，安装过程中安排第4艘工作船以提供必要的帮助并达到需要的系柱拉力。该工作船将连接在两个主要工作船其中之一的船首，因此当第4艘工作船连接后，可提供充分的系柱拉力以满足安装要求。主工作船考虑到环境载荷方向及流向在其前进方向作适当调整。同时半潜式生产平台在锚链连接过程中通过4艘拖船施加反向作用力以维持在指定位置使三用工作船甲板载荷最小化，参见图13。

图 13 平台固定就位示意图

该阶段的最后一步内容是三用工作船分离其一直提升的下部聚酯缆。ROV返回到三用工作船一侧，并利用ROV将提升系泊缆的双吊索切断。

根据设计要求，在系泊缆布置完成后，在现场要对吸力锚、聚酯缆绳及锚链进行整体预拉试验。整体预拉试验旨在将已布设在海底的锚链及聚酯缆拉直，以减小平台在系泊状态下的最大位移。分析表明：在安装过程中，约有40%最小抗断力的张紧力能够满足设计要求。

三用工作船上通过一根工作缆绳连接至聚酯缆H型连接器，并采用拖拽方式在朝向平台或背离平台的航行方向中对工作缆绳施加张紧力。同时在工作船上安装一个预拉工作平台和一台测力仪，工作缆通过调整链与测力仪连接。工作船按程序分步增加拖力，直到测力仪显示的张力达到设计拉力值，然后保持该拉力若干时长，记录试验数据；最后逐步减少拖力，结束预拉试验，参见图14所示。

图14　预拉试验示意图

该系泊安装流程需要安装16个吸力锚，并且锚的安装顺序需要在系泊安装设计时确定。在聚酯缆绳与锚链连接及预张紧后，通过锚机操作适当调整系泊缆长度使平台准确定位于设计位置。

1.3意外事件应急程序

1.3.1安全须知

针对高张紧力系泊缆的相关操作必须直接由抛锚长及三用工作船船长共同执行，所有无关人员应始终远离系泊缆。

当吸力锚及系泊缆下放深度达到最大水深即1 600 m时，相关预防措施必须执行以确保安全地操作，特别是在靠近水下设备布置或安装区域。该操作需要工作船负责人与海事局协商后再做决定。船舶在航行期间需要降低航速以避免碰撞到结构物、浮体、记录仪及其他浮体。探照灯需要保持开启状态以提高能见度。

1.3.2锚移位

抛锚船应当定期检查并确认锚的位置以辨别锚是否移位。当拉力读数器中锚的拉力受到质疑时，需进行吸力锚位置检查。浮标的方位将会确认，通过水深和悬挂缆绳的长度，便能够判断锚的位置。在平台处于待命状态时，所有锚浮体均需每日检查4次。

所有锚的检查都需要记录及报告，任何吸力锚的回收作业均需通知石油公司。相关回收原因包括吸力锚未能完全贯入海床、锚的垂直或水平允许超出安装偏差等，此时需要将水泵入锚中有限的空间，使其内部压力上升以便于锚的拔出。而后吸力锚按照上文所述的安装流程重复执行直至合理安装在海床中。

监视及控制系泊缆绳的卷入/卷出长度及系泊缆绳张力：

（1）在拖船进行系泊缆绳的铺放过程中，系泊缆绳的卷入/卷出长度需要进行监视及记录。

（2）每根缆绳上的张力应持续进行监控，以随时检测锚的拉力。

1.3.3恶劣天气

无论何时天气状况的恶化都可能影响系泊安装的进度，工作船船长将根据作业安全性向石油公司及海事局咨询以作出最终决定。如果预报的天气状况较差，则根据安装状态考虑以下两种可行方案：

（1）如果此时吸力锚正在贯入过程中，则在锚贯入完成后，停止安装作业，松开并回收相应索具，撤离该油田。

（2）如果吸力锚正在下放过程中，则需停止所有正在进行的活动，工作船将锚拖至盛行海浪海域的方向处，并在该处停留直到气象减弱；在极端紧急的情况下，抛锚船应从缆绳卷筒中释放其所有缆绳并驶离油田。

2　结 论

我国南海油气资源丰富，属于世界四大海洋油气聚集中心之一。然而，该海域超过300 m水深区域的石油、天然气资源的物探和开发基本上仍处于起步阶段，缺少必要的深海油气开发和生产装备。本文的研究可为南海深海油气开采装备张紧式系泊定位系统的安装提供参考，提高海上系泊安装的安全性和可靠性，降低作业人员在安装过程中受到伤害的几率，为今后进行海洋工程作业提供帮助。

［参考文献］

［1］ 范亚丽，吴宝山，缪泉明. 张紧式系泊方式对深水半潜式平台性能影响研究［J］. 中国海洋平台，2010（3）：41-46.

［2］ 韩强. 起抛锚辅助船作业程序研究［J］. 船舶设计通讯，2013（1）：18-23.

［3］ 工信部.“深海半潜式生产平台总体设计关键技术研究项目”系泊分析报告［R］. 2012.

［4］ 郝绍瑞，曹剑鸣.某型布缆船锚系设计［J］. 船舶，2015（4）：123-127.

［5］ API RP 2SK-2005 Recommended Practice for Design and Analysis for Stationkeeping Systems for Floating Structures. ［S］. 2005.

［6］ 国振. 吸力锚锚泊系统安装与服役性状研究［D］. 浙江：浙江大学，2011.

［7］ 朱绍华. 海洋工程设计指南 第八册 海洋石油工程安装设计［M］. 北京：石油工业出版社，2007：88.

Installation scheme of taut-mooring system for deepwater semisubmersible

ZHAO Nan ZHANG Wei YANG Yong
(Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co.,Ltd., Shanghai 200137, China)

Abstract:The permanent taut-mooring system is generally applied to the deepwater semisubmersible production platform. The mooring installation schemes are induced and summarized through the collection of the relevant information of the deepwater taut-mooring installation procedure from industry. It describes the installation procedures of the suction anchors and the polyester mooring lines, and illustrates the corresponding plans for maritime accident, which can provide reference for the offshore installation of the deepwater taut-mooring system in the future.

Keywords:deepwater; production platform; taut; mooring; installation

［中图分类号］P752

［文献标志码］A

［文章编号］1001-9855（2016）02-0080-08

［基金项目］工信部联装［2012］534号。

［收稿日期］2015-09-18；［修回日期］2015-11-17

［作者简介］赵 南（1989-），男，硕士，助理工程师，研究方向：水下工程与管理。