海洋平台系泊系统发展

李志海,徐兴平,王慧丽

(中国石油大学 (华东)机电工程学院,山东 东营 257061)

海洋平台系泊系统发展

李志海,徐兴平,王慧丽

(中国石油大学 (华东)机电工程学院,山东 东营 257061)

钻井平台的作业水深超过 1 000 m后,对系泊系统提出了更高的要求。介绍了国内外深水钻采平台系泊方式及系泊材料的发展趋势,锚链、钢索及合成纤维绳的性能。重点介绍了合成纤维绳的研究与应用现状,指出合成纤维系缆是深水钻井平台系泊的发展方向。

深水系泊系统;锚链;钢索;合成纤维绳

随着陆上及浅海油气资源日益贫乏,向深海发展已成为必然趋势。几十年来,研究人员对此做出了不懈努力,已成功在 3 000 m的超深海域进行油气钻探,并向着更深、条件更恶劣的海域发展。我国的深海油气开发技术取得了很大的进步,但与国外仍存在很大差距[1-3]。

海洋上的恶劣环境及深海钻采平台的定位需求,使得深海海洋结构物系泊系统的研究、设计、制造都面临着新的挑战,并一度成为深海油气开采的技术瓶颈。近年来,新的系泊方式和系泊材料的研究开发取得了很大进展,由传统的悬链线系泊系统发展到深海钻采平台,例如 SPAR、TLP平台采用的张紧系泊系统,传统大质量的锚链、钢索日趋不能满足深海钻采发展的需要,对新型系泊材料的研究开发成为深海石油工业的重要课题之一。本文介绍了系泊材料的发展现状,并对各材料进行了比较分析,从而阐明了深海钻井平台系泊材料的发展趋势。

1 系泊技术的发展

海洋钻井平台在发展过程中主要有传统的悬链线系泊系统和张紧索系泊系统,如图 1。

悬链式系泊系统,即传统的展开式系泊系统,有着悠久的使用历史,是通过悬垂的钢链、索和锚与海底接触,由悬链线的几何作用和重力产生回复力实现船体的定位,通常只适用于 1 000 m内的水深。当水深超过 1 000 m后,系泊半径过大,增大了船体的载荷,降低船体的可变载荷,悬链线与船体的水平夹角也增大,几何作用减小,不能满足回复力的要求,使设计和施工方面都面临许多新的问题。

图 1 悬链线系泊系统和张紧索系泊系统

张紧索系泊系统是随着纤维材料应用于深海而逐渐发展起来的,最早应用于 20世纪 80年代的张力腿平台和 Spar平台。它通过系泊缆索将平台直接固定于海底,系泊缆索中间部分多采用质量较轻的高强度尼龙绳、聚酯绳或其他合成材料,缆索两端采用耐磨的钢质锚链或钢丝绳。绷紧索系泊系统的系泊缆索与海底的接触角度为 30°～45°,其回复力由缆索的轴向刚度提供。

与悬链式系泊系统相比,张紧索系泊系统有 4个优点。

a) 合成纤维系缆回复刚度大,提供较大的回复力,平台水平偏离量减小较多。

b) 同等水深下,需要较短的系泊缆索,节约成本,尤其在深水和超深水条件下的经济性愈加明显。

c) 系泊系统所用系泊缆索长度减小,同时避免了大质量钢链的应用,从而减小了系泊重力,即对平台的载荷降低,从而提高了平台的可变载荷。

d) 较小的系泊半径,系泊基础占用的海床面积小,减小了和附近其他水下设施相碰撞的危险。悬链式系泊系统中悬链线与平台垂向夹角更大,从而使锚链对平台产生很大的向下拉力,减小了平台的有效载荷,或者增大了平台的浮力。浮筒的应用增加了系统的材料和安装费用,还增加了系统的拖拽力。张紧索系泊系统可有效解决这一问题。

由于工作状态下系缆需承受巨大的张力及轴向应力,因此对系缆的模量、寿命等特性提出了更高要求,同时要求船体能提供较大的储备浮力。

2 系泊材料的发展

随着系泊方式的发展,典型的锚泊线材料从传统的钢链、钢索向应用日趋广泛的合成纤维绳索过渡。

2.1 钢链

钢链是最传统的系泊材料,在海洋油气开采的初期就开始广泛应用于钻采船及钻采平台的单点和多点系泊。钢链,即锚链由许多链环连接而成,链环分有挡链环与无挡链环 2种。有挡链环的强度比无挡者高,同样链径的有挡链环强度约比无挡者高20%。在海洋钻采结构中,锚泊系统大都采用 64～102 mm直径的有挡锚链。

常用锚链性能特点:

a) 应用广泛,制造简单。锚链被广泛的应用于浅海浮动式平台及其他船舶的系泊,制造成本低,工序简单。现在国内已制造出 4级锚链钢,国外已生产出更高性能的 5级锚链钢。

b) 质量大、强度高、伸长率低。锚链通常由钢铸造而成,在制造上常要分段,为构成整根锚泊线就要使用连接件,如 Kenter型连接环、Baldt型连接环及D型卸扣,具有很大的质量,因此随着水深的增加,所需锚链的质量大幅度增加、将占用海洋结构物更多的可变载荷。其材料性能又决定了锚链具有高强度、低伸长率,DNV对不同级别的锚链屈服应力、抗拉强度及伸长率规定如表 1[4]。

表1 DNV中不同等级锚链的最低力学性能

c) 耐磨损,不易破坏。钢制锚链有较好的耐磨性,在运输及安装过程中无需担心磨损,但安装后较容易腐蚀,现用锚链通常需要进行表面防腐处理。同时锚链的全钢结构有很好的可靠性,不容易破坏,但部分锚链存在对链档的焊接,在链档焊接处容易出现疲劳裂缝。

2.2 钢索

钢索是由钢丝组成。它先由若干根钢丝捻成股,再由若干股捻成绳。捻的方向可以向左或向右,股与绳皆如此。股与绳的捻向相同叫同向捻,捻向相反叫交叉捻。钢丝绳的中心构件叫做芯,它可以是一股钢丝芯或一股纤维芯。芯是钢丝绳的基础,当钢丝绳承受负荷时,芯的作用是支持其他的股,并使其保持在原位上。纤维芯通常渗透润滑剂,使钢丝绳工作时能得到内部润滑,从而减小钢丝间的摩擦。钢丝绳可为裸钢丝绳或蒙皮钢丝绳。蒙皮多为塑性材料 (聚氨基甲酸酷、聚乙烯),可提高钢丝绳的耐磨性和抗腐蚀性。钢丝多用碳素钢制成,海洋工程中通常选用高强度钢制造,犁钢的破断应力可达 18 000 kN左右,强度特别高的钢其破断应力则超过 20 000 kN。钢丝绳也有用不锈钢和各种合金制造的,其耐腐蚀性比碳素钢好,但其强度与耐久性都不及犁钢高,造价也贵。

常用钢索性能特点:

a) 结构复杂,制造成本高。由于金属索通常由多根绳缠绕在一起,形成螺旋形等复杂结构,内部还需钢丝芯或纤维芯,制造工艺复杂,因此成本较高。

b) 同等断裂强度下,钢索重仅为链重的 1/4～1/5,适应更大水深的要求。

c) 易磨损、易扭结,易被海水腐蚀和疲劳破坏,而且索接头很困难,一旦在中部破坏就等于整根索报废。

d) 不易存放。钢链是毫无抗弯能力的,也不能承受任何轴向压力,不易打结,因此它能收藏在锚链舱里。钢索则只能存放在卷筒上,卷筒随同绞车布置在甲板上,重心较高,占据甲板面积,而且卷筒的容量有限,给深水锚泊带来一些困难。

2.3 合成纤维绳

由于张紧索系泊系统在深海钻采平台上的广泛应用,合成纤维索成为系统研究的关键之一。合成纤维绳的材料通常有聚酯纤维 (PET),高强聚乙烯(HMPE),芳香族尼龙(Aramid)等,其中以聚酯纤维应用最广。合成纤维绳的结构型式有股绞式、打辫式、编织式和平行纱式。用这些材料制造的合成纤维绳比较轻,耐磨性好,疲劳特性好,但强度都比同等直径的钢丝绳小得多。

在 20世纪 70年代,国外学者开始了对传统聚酯纤维、尼龙系泊绳索作为系泊材料做了相关研究,检验了尼龙、聚酯纤维索等在干燥以及湿润环境下的破坏强度、周期载荷疲劳特性、伸缩特性,并制定了一系列准则,对大型合成纤维绳的试验、制造、检验标准做了规定。

1990年,NEL(National Engineering Laboratory)测试了多种合成纤维绳索作为深海系泊线的可行性,以开发适合深海系泊用的高强度、高模量的纤维,如Aramid、HMPE等纤维绳。测试结果表明:以上聚酯纤维具有高强度、高模量、良好的弹性伸长及蠕变特性,适合 1 000～3 000 m深海系泊,改变了海洋工程界对合成纤维绳索刚度不足的传统认识[5]。

1996年,DeepStar平台上成功安装了一条长由PET、尼龙、HMPE三种不同材料组成的合成纤维绳,长度为 945 m,采用垂直张紧系泊的方式。经过两年恶劣海况的考验,该系缆被更换,在实验室中继续接受更高频率的周期载荷测试和破坏载荷测试,未发现损坏,从而再次证明了合成纤维绳作为深海系泊材料的可行性[6]。

巴西石油公司在 20世纪 90年代也开展了对合成纤维绳系泊的研究。1995-01,巴西石油公司在“P -I X”平台的一个系泊腿上安装了 300 m的大直径聚酯纤维绳,随后同样的系缆安装于“P-XXII”平台。安装使用 1 a后系缆被移除并进行检测,测得强度、模量等的数值大小几乎等同于安装使用前的新系缆,从而证明聚酯纤维绳有良好的寿命与性能保持性。1997年,巴西石油公司首次在 FPSO II上使用聚酯纤维绳 +锚链的悬链线系泊系统,水深为1 420 m,此应用极大地减小了锚链对船体向下的拉力,有效提高了深海系泊的回复力。在该系统运行18个月后,全部更换为由聚酯纤维绳索系泊的张紧索系泊系统。这是首次在 FPSO上使用张紧系泊系统[7]。

此后,更多的纤维绳系泊系统出现在墨西哥湾。1999年,聚酯纤维绳系泊系统首次在工作水深为1 615 m的半潜式平台“Ocean Victory”上使用,在平台的 8个系泊锚腿中的一个采用 1 067 m的聚酯纤维绳。该系泊纤维绳于 35 d后更换,经检测保持了初始的刚度和模量,状态良好,证实了其较好的系泊特性[8]。2004年,用于 Spar平台永久系泊的深海聚酯纤维系泊系统的在墨西哥湾就位,分别为“Mad Dog”和“Red Hawk”,“Mad Dog”工作水深为 1 348 m,采用 PET纤维绳,“Red Hawk”工作水深为 1 615 m,采用直径 215 mm的聚酯纤维绳,破坏极限是12 500 kN。经检测,以上系泊系统与锚链及钢索系泊相比,可以减小 1 500～2 000 kN的垂直载荷,有效减小恶劣海况下的 5%位移,为平台节约了大量的经济成本[9]。

性能:

a) 质量轻,具有重力-浮力中和特性,可有效降低平台负载。表 2给出了锚链、钢索、合成纤维绳中的 PET和HMPE的直径、最小破坏载荷以及在空气中和水中单位长度的重力,可见合成纤维绳在同等强度下,重力仅为锚链的 1/10或者更低。纤维绳的使用减小了系泊系统对平台向下的拉力,从而使平台有更大的有效载荷,浮力减小的同时也减小了波浪、流对平台的作用力[10]。

表2 不同系泊材料的比较

b) 不易磨损、寿命较长、张力范围大。钢索都需要进行防腐蚀处理,而聚酯纤维绳不需要。研究认为,滞后、蠕变、轴向压缩疲劳可能限制纤维绳的寿命。为了证实聚酯纤维绳的寿命,学术界进行了许多拉伸试验,数据显示,通常使用的合成纤维绳可以在加载大的张力变化范围的实验条件下,有很好的疲劳特性。从而证明,聚酯纤维绳可以经受上百年恶劣海况的考验[11]。

c) 强度高、模量高。最初应用于系泊的合成纤维绳存在强度较低的问题,随着制造技术的发展,应用于深水系泊的纤维绳已经满足了高强度、高模量的要求。

d) 对安装、运输和系泊环境要求高。合成纤维绳易经受潜在破坏存在于运输、安装过程,如运输安装中不合理的操作,则易被剪断、挤压或者磨损造成的内外部破坏。此外,泥沙等杂质进入纤维绳会造成极大威胁,要避免与海底的接触,表面过滤层的研制也十分重要。

3 结论

1) 由悬链式系泊系统向张紧式系泊系统转变已成为深水钻采平台发展的必然趋势,同时,动力定位系统也逐渐在系泊技术研究中占据重要地位。

2) 合成纤维系缆的高性能决定了其在深水系泊中的应用,不同合成材料又决定了系缆的多样性,除已大量应用的 PET、尼龙、HMPE外,更高性能的PEN、HSHMPE等系缆正在研制。

[1] 张用德,袁学强.我国海洋钻井平台发展现状与趋势[J].石油矿场机械,2008,37(9):14-17.

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[11]Corbetta I,Sloan F.HMPEMooringLine Trial for Scarabeo III[C]//Offshore Technology Conference Proceedings. Houston:Offshore Technology Conference,2001.

Development of Offshore Platform M ooring System s

L I Zhi-hai,XU Xing-ping,WANG Hui-li
(College of M echanical and Electronic Engineering,China University of Petroleum(Huadong),Dongying257061,China)

On the basis of technical studies of offshore in deep water,developments and trends ofmooring methods and materials are introduced as the depth increases.Perfor mancesof anchor chain,wire rope and synthetic fiber rope are also introduced here.And the most important,the research and application status of synthetic fiber ropewere focused on,the application of synthetic fiber rope in the deep-watermooring in an inevitable trend is pointed out.

mooring system in deep-water;chain;wire repel;synthetic fiber

1001-3482(2010)05-0075-04

TE952

A

2009-11-27

李志海 (1985-),男,山东枣庄人,硕士研究生,主要从事深海半潜式平台多点系泊系统方面的研究工作,E-mail:lizhihai-upc@163.com。