深水中悬链线锚泊系统设计研究进展

文章编号:1001-4500(2004)03-0024-06

深水中悬链线锚泊系统设计研究进展

余　龙,谭家华

(上海交通大学,上海200030)

摘　要:系统地整理了深水中悬链线锚泊线材料、展开操作等工程设计技术进展,总结了锚

泊线的静动力分析、锚泊系统与系泊浮体之间的动力响应等理论问题的最新研究成果。提出需

要进一步研究的问题。

关键词:悬链线系统;深水定位;进展

中图分类号:P 75 文献标识码:A

1　引言

悬链线锚泊系统,即传统展开式锚泊系统,具有悠久的使用历史,能适应较恶劣的海洋环境,在当前的深水海洋油气浮式生产结构定位技术中仍然占有重要的地位。2002年超过约1067m 水深的89座半潜和浮式钻井平台中,采用链索结合的悬链线锚泊的有36座。2003年超过同样水深的80座半潜和浮式钻井平台中,悬链线锚泊定位的有31座[1]。

图1　1200米水深的悬链线锚泊示意图[3]悬链线锚泊系统是在环境外力作用下提供水平回复

力以保持系泊浮体定位的锚泊方式(图1)。系泊浮体由

于外力作用离开原来位置的运动会导致锚泊线张力增

大,提供更高的回复力。但是锚泊系统的展开 回收需要

专门的作业船,锚泊系统的重量占据了部分系泊浮体甲

板可变载荷能力。

上世纪70年代以来,锚泊系统的研究可分为:1)工

程设计方面—锚泊系统的展开 回收、锚泊线的组成材

料、锚泊系统的布置、锚的发展。锚的发展内容独立,在本

文中不具体叙述;2)理论研究方面—环境载荷、锚泊线的静动力分析、锚泊系统与系泊浮体之间的动力响应。

其核心便是锚泊系统设计中存在锚泊线伸长的非线性、锚泊线几何非线性、流体载荷非线性、与海底接触非线性四大非线性问题[2]的研究。

本文根据这两大方面,整理和总结近期主要的科研成果和研究热点。

2　悬链线锚泊系统设计研究

2.1　锚泊系统的展开 回收

深水锚泊展开 回收操作要考虑锚泊系统的重量、展开时工作船及系泊浮体的载荷以及锚泊系统的整体性。研究的关键是保证安装安全,提高收放效率,减少不必要的资源消耗。

深水中锚泊展开操作中锚索或用于展开工作的金属索因为扭曲而导致破坏的例子十分普遍。扭转破坏产生的原因是由于与锚索相连的下端锚链的旋转或是绞盘处的扭曲和磨损。

C .R .Chap lin [4]研究在500

～2000m 水深的海域采用锚链 索结合系统作FPSO 的锚泊系统时,螺旋金收稿日期:2003207230

作者简介:余龙(1976—),男,博士生。从事海洋新技术与装备。

属索、6股索和多股索三种结构形式的金属索(图2)的特征和适用范围。根据理论和实验研究表明金属索的破坏通常有两种形式:松弛和局部屈曲造成的结构变形。研究表明随着水深的增加,锚链的传递旋转圈数增加,而回收时与之相连的金属索可旋转的圈数也随直径的增大而增加。解决的途径通过采用扭转平衡的锚索或在锚泊线展开操作过程中保持一个最小张力

。

图2　典型索结构

锚泊系统的展开 回收操作需要确定工作船的功率以及工作索的长度,随着油气生产水深不断增加,执行展开任务需要更大的甲板拖力,导致对工作船功率的要求提高,可能难以找到合适的船舶。相应的工作索的长度也会增加,导致破坏的可能性也增大。需要一个工具来分析展开步骤,将展开锚所需要的资源最小化并获得成本和时间上的节约。

O .B .A ugu sto et al [5]描述了一个典型抛锚操作过程(图3),据此建立一个多准则目标函数,以线长、

船体的位置、线上的张力等作为设计变量,建立最小化目标价值函数。采用一个最小化算法配合外罚函数法处图3　锚处理船(A HV )抛锚过程示意图

。决策变量为拖船抛出的工作索长度、

系泊体上抛出的线长度和系泊浮体提供的水平力。

2.2　锚泊线组成成分的确定

典型的锚泊线材料有钢链、金属索、合成纤维绳。锚

泊线成分选取考虑的因素主要为磨损破坏、老化和疲劳

寿命。通常截取系泊浮体导缆孔到与锚连接点之间的锚

泊线作为研究对象,进行力学分析和设计。深水锚泊系统

重量的限制,导致多成分锚泊线的应用,带来各成分的长

度、直径以及浮标或块重的选择问题。

1)钢链耐磨损和不易破坏,但一般较重,造价也高,一般在深水锚泊中不采用全链系统,只用作与锚连接并触底的一段。

2)金属索通常是多根缠绕在一起,形成复杂的结构,有螺旋形、6股或8股等缠绕形式。同样的断裂强度,索比链轻得多,但抗磨损能力差。故当前的深水锚泊中多采用链索结合系统。

高捷等[6]提供一套转塔式锚泊系统的设计图谱,水深为100～600m ,布置形式为4根到10根,锚泊线构成为全链和索链组合两种方式。随着水深的增加,索链组合系统的优越性越来越明显。在总的悬垂长度增加不多的情况下,系统的回复力可以明显增加。

对金属索可能的破坏情况,C .R .Chap lin [7]讨论了金属索工作中的不可避免的磨损,根据检查和替换的标准对结果进行了讨论。比较了三种不同应用的老化机制细节:螺旋型的绞盘升降机绳,海洋结构物的锚泊线绳和无旋单滑车海洋起重机绳。根据对上述三种金属索的分析表明,没有统一的适用于所有金属索的破坏和补救的方法或模型。对不同用途的金属索,其维持的策略、监控的方法和频率、取代的标准必须在理解特定的老化机制和特定用途的老化率以后制定。

3)合成纤维绳的材料包括尼龙、聚酯、聚丙烯等,具有重量轻,耐磨的特点。

30多年前纤维绳第一次被用于平台锚泊,此后大量的研究、检测和实地测试持续不断。T ran socean 公司的半潜平台鹦鹉螺(N au tilu s )曾在最大水深约2774m 处采用吸力锚配聚酯绳锚泊。

[8]简要回顾了纤维绳在海洋工程应用,介绍了如何通过实验对深水中的纤维绳的材料、

结构