深水半潜式生产平台锚泊定位系统配置简述

潘方豪， 单铁兵

(中国船舶工业集团公司第708研究所， 上海 200011)

深水半潜式生产平台锚泊定位系统配置简述

潘方豪， 单铁兵

(中国船舶工业集团公司第708研究所， 上海 200011)

国内对于深水半潜式生产平台锚泊定位系统的研究尚处于早期阶段，该锚泊定位系统属永久定位范畴，与移动式锚泊定位差异较大。介绍深水半潜式生产平台的锚泊定位形式及锚索收放装置、锚索、锚固等主要定位设备组成，全面阐述当前国际上典型深水半潜式生产平台的锚泊定位系统配置，并介绍不同设备组成的国产化现状。

深水；半潜式生产平台；锚泊定位系统

0 引言

随着海洋油气开发逐渐向深海推进，国际上适用于深水开发的海洋石油钻探平台、采油平台、浮式生产系统，包括浮式生产储油装置(FPSO)、大型深海半潜式生产平台(Semi-FPS)、深吃水立柱式平台(Spar)、张力腿平台(TLP)等海洋工程装备取得了长足发展。我国对深海油气开发装备的各种装置也进行了分析研究，其中深水半潜式生产平台是我国开发深海油气资源产业链中急需突破的关键装备之一[1-3]。

近年来，通过多型深水半潜式钻井平台工程项目的设计建造，国内对深水半潜式钻井平台各主要系统有了一些了解，对其中的移动式锚泊定位系统也有了一定的技术积累。但目前国内对于深水半潜式生产平台的研究还较少，对于其中锚泊定位系统的研究尚处于早期阶段。

与半潜式钻井平台不同，半潜式生产平台在一处从事生产作业的时间通常在10年以上，而新设计的生产平台设计寿命一般为20～30年。整个作业周期内，无论处于何种环境条件，平台必须始终处于定位可控状态，因此半潜式生产平台的锚泊定位系统属于永久定位范畴。与移动式锚泊系统相比，生产平台永久锚泊定位系统除了在设计分析方法、分析内容等方面存在较大差异外，在锚泊定位系统配置及海上安装等方面的区别也很大。本文重点阐述深水半潜式生产平台的锚泊定位系统配置。

1 锚泊形式

图1 “南海挑战号”锚泊定位系统

由于采用永久锚泊定位系统的生产平台在台风等恶劣天气来临之前无法移位，也没有可以快速回收的立管，因此永久锚泊系统通常不需要考虑定位装置的可移动性[4]。

早期浅水作业的生产平台可以采用悬链式锚泊系统，如国内的“南海挑战号”半潜式生产平台，作业水深为305 m，采用了11点悬链式系泊定位系统，如图1所示。

对于深水作业的半潜式生产平台，传统的悬链式锚泊系统已经无法完全适用。表1为国际上几型现役超深水半潜式生产平台的锚泊定位系统配置。

由表1可以看出，目前国际上的深水半潜式生产平台一般采用张紧式辐射状锚泊定位系统。这些深水半潜式生产平台的海上安装，一般先由专用工作船完成大部分锚索及锚固的布放安装，再由多用工作船完成平台与预先布放锚索及锚固的对接，最后通过平台锚索收放装置进行张力调整后完成平台的海上定位。

表1 现役超深水半潜式生产平台锚泊定位配置

图2 深水生产平台典型定位配置

2 锚泊定位系统的主要设备配置

对于深水半潜式生产平台，永久锚泊系统的典型配置如图2所示，锚泊系统的设备组成包括平台端的提链装置、立柱外侧的锚链导向装置、锚索及海底的锚固设备四大部分。

2.1 锚索收放装置

由于移动式平台需要在不同区域移动作业，其锚泊定位系统一般采用可以快速收放锚索的锚机或锚绞车装置，与永久式锚泊定位系统相比较，平台端所采用的锚索收放装置型式差异很大，目前大部分永久锚泊定位系统采用锚索提升或牵引装置。对于深水半潜式生产平台，平台自带的锚索一般为锚链，因此平台端均采用提链装置对锚链进行收放，如图3所示。

图3 提链装置

提链装置是一种直线往复收进和张紧锚链的设备，通常由一个或多个液压油缸驱动，其工作原理为：首先，提链装置通过夹具夹紧锚链，驱动液压油缸带动锚链完成一个行程，然后启动掣链器，夹具复位，再重复此过程。虽然提链装置是收放锚链的强有力设备，但其收放锚链的速度较慢，仅在类似生产平台等不需频繁操作定位锚索的海上装置中才推荐使用。

对于深水半潜式生产平台，可以为每根锚索配置1台提链装置。对于甲板空间和平台的可变载荷或成本要求比较严苛的生产平台，则可以在平台每个角配置1台移动式提链装置，如图4所示。移动式提链装置可以通过台架平移，实现对平台一个角所有锚索的收放作业。对于锚索数量较多，且不需要频繁调整定位锚索的生产平台而言，移动式提链装置是较为理想的选择。

图4 移动式提链装置

图5 导链器

目前，国际上各生产平台上使用的提链装置主要由欧美主流甲板机械生产商供应，国内厂商尚未对提链装置进行过相关研究和生产。

2.2 导向轮

与半潜式钻井平台类似，根据锚索类型的不同，导向轮可分为导链器和导缆器，分别用于锚链、钢丝绳的导向。对应于提链装置，深水半潜式生产平台一般均采用导链器，如图5所示，用于平台端锚链的导向。

图6 无档系泊链(右)

2.3 锚索

深水半潜式生产平台锚泊定位系统的锚索一般采用“锚链+合成缆+锚链”或“锚链+钢丝绳+锚链”等组合型式。

(1) 锚链

锚链在海上作业中已显示出其经久耐用的特性，具有较好的抗海底磨擦性能，并且对于锚的抓力性能也能起到明显的改善作用。在20世纪90年代，一种应用于永久系泊的锚链——无档系泊链，得到了广泛的认可与应用，如图6所示。在相同强度下，无档系泊链比有档锚链轻10%。有限的疲劳试验表明，无档系泊链的疲劳寿命要稍短，但到目前为止无档系泊链仍比较受欢迎。

对于系泊链，国内有些生产厂家的研制生产技术已跻身国际前沿，相关产品在国际海工装备上已得到了大量的运用。

(2) 钢丝绳

防扭转型式(螺旋股型式和多股型式)的钢丝绳多用于永久锚泊系统，如图7所示，因为这两种结构型式的钢丝绳采用几层钢丝(或几束钢丝)进行反向缠绕，当张力变化时不会产生很大的扭矩。

图7 适用永久系泊的钢丝绳

在永久锚泊系统中，为了防腐，所有的钢丝都应镀锌，并且通常会在钢丝绳外表使用聚乙烯或聚亚安酯等高密度材料护套。有时也会采用锌填充的钢丝以提供额外的防腐能力，可以在钢丝之间的空隙中加入填充物，使海水进入后产生的腐蚀扩散最小化。

永久系泊中采用的各种钢丝绳设计寿命见表2，目前，国内尚无运用于永久系泊定位的钢丝绳厂商。

表2 钢丝绳设计寿命 单位：年

图8 合成缆典型结构型式

(3) 合成缆

随着深水勘探与生产作业的增加，合成缆的使用越来越有优势，因为它的强度与重量之比远大于传统的钢丝绳和锚链。合成缆可用于悬链式或张紧式系泊系统的中间插入段，与锚链、钢丝绳的差别在于：合成缆的刚度是非线性的，而且会随着时间及载荷的变化而变化；使用合成缆可减小锚索重量从而增加平台的可变载荷；合成缆的刚度更小，可以减小锚索的极限动态载荷，从而减少设备和安装成本；合成缆抗磨损性能较差，因此在使用中应使其远离导向轮及海床[5]。

合成缆的结构型式较多，通常可分成“钢丝绳结构”和“平行股结构”。在使用或者安装回收过程中可能发生磨损时，应加上护套。某些结构型式的合成缆，如平行股合成缆必须借助护套将受力绳芯固定在一起。护套还具有防止泥沙进入、防海生物及海鱼咬绳的作用。在护套与绳芯间通常还会设置泥沙过滤器增加保护，如果使用了护套，在评估锚索性能、使用寿命及安装回收程序时，应考虑护套与绳芯之间的相互作用。当前，聚酯缆因其成本低、刚度低(最大设计工况下产生更小的动态张力)、抗轴向压缩疲劳能力强、疲劳性能好、强度与重量比理想、抗蔓延性好等优点，已经成为唯一应用于永久锚泊系统的合成缆。图8为永久锚泊定位系统所用合成缆的典型结构型式，对于深水半潜式生产平台，合成缆是比较理想的锚索选择。目前，国内适用于永久系泊定位的合成缆尚处于前期研究阶段。

2.4 锚固

适用于永久锚泊定位的锚固装置包括拖曳埋置锚、桩锚、吸力桩锚、板锚(拖曳埋置式和直接埋置式)、鱼雷锚等[6]。锚的选择必须考虑底质条件、可靠性和负载试验等因素，不同的锚固型式所对应的安装方案也需在设计中加以特殊考虑。对于深水半潜式生产平台，目前使用较多的锚固型式是吸力桩锚和吸力埋置式板锚，如图9和图10所示。

吸力桩锚通常采用较长的钢质柱体结构，柱体内部根据需要决定是否设置加强筋。柱体下部开口，上部封闭。吸力桩锚应用广泛，既可以用于固定式平台或浮式生产结构的系泊锚，又能作为水下生产设施的支撑结构[7]。吸力桩主要用于密实的黏土型底质，吸力桩锚比普通桩锚入土浅，因此不需要在海底钻深孔，但是它需要更详细的底质资料作为设计输入。

板锚一般具有大的垂向支持能力，可用于张紧式锚泊系统，因为在该系统中，锚索以大倾斜角与海床相交。板锚有两种主要型式：拖曳埋置式和直接埋置式。直接埋置的板锚可采用吸力、冲击或振动锤、火箭推进或液压锤。吸力埋置式板锚(Suction Embedded Plate Anchor，SEPLA)已应用于主要的海洋工程锚泊定位作业。SEPLA采用的吸力追随器(Suction Follower)实际上是一种可重复使用的吸力锚，它带有开槽的尖端可供板锚插入。吸力追随器在板锚达到设计深度时通过泵的反向作用回收，可用于安装其他的板锚。SEPLA的作用原理是：板锚的锚爪进行垂直埋置，在拉动锚索进行定位的过程中，使锚爪充分旋转从而到达最终的作用位置。目前，国内各锚厂家只生产传统拖曳式埋置锚，尚未研发适用于深水锚泊定位的锚固装置。

图9 吸力桩锚 图10 吸力埋置式板锚(SEPLA)

3 结论

通过对深水半潜式生产平台锚泊定位系统配置的研究，可以发现：与半潜式钻井平台相比，深水半潜式生产平台锚泊定位系统隶属于永久定位，它的锚泊形式及系统配置差异很大，所采用的锚索提升装置、锚索及锚固等定位设备型式几乎完全不同。深水半潜式生产平台锚泊定位系统的设计，必须综合考虑这些特殊设备的布置、安装及其使用的特殊需求。

本文虽然主要针对深水半潜式生产平台的锚泊定位系统配置，但对FPSO等其他深水海上生产装置尤其是永久定位系统也具有一定的借鉴和指导作用。此外，目前深水半潜式生产平台的锚泊定位系统设备国产化能力和水平明显较弱，除了无档系泊链可以实现国内生产外，其余的锚泊定位设备均需依赖进口。因此，在国内深水半潜式生产平台装备的研发过程中，除了总体设计能力的补缺需求外，相关配套设备的国产化设计、制造能力也亟待提升。

[1] Recommended Practice for Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structure：API-RP-2SK[S].3rd ed. 2005.

[2] Recommended Practice for Design ,Manufacturing, and Maintenance of Synthetic Fiber Ropes for Offshore Mooring：API-RP-2SM[S].2001.

[3] Specification for Mooring Chain：API-2F[S].6th ed.1997.

[4] DNV.Offshore Standard DNV-OS-E301 Position Mooring[S].2010.

[5] 王丽勤，侯金林.深水油气田开发工程中的基础应用探讨[J].海洋石油，2011(4)：87-92.

[6] 张伟.深海半潜式生产平台张紧式系泊系统安装方案[J].船舶，2016(2)：80-87.

[7] 潘方豪，叶邦全.深水半潜式钻井平台锚泊定位系统简述[J].中国海洋平台，2011,26(2)：8-12.

Introduction to Mooring Positioning System of Deep Water Semi-submersible Production Platform

PAN Fanghao， SHAN Tiebing

(Marine Design & Research Institute of China， Shanghai 200011, China)

Up to now, we have known much about the positioning mooring system of semi-submersible drilling unit by some project practices. As for the positioning mooring system of semi-submersible production unit, which belongs to permanent mooring and is very different from mobile positioning mooring，the research is still ongoing. A detail introduction and comparison is given about typical mooring positioning system of deep water semi-submersible production unit, from aspects of winching equipment, mooring line and anchor, etc.

deep water; semi-submersible production unit; permanent mooring system

2016-03-29

潘方豪(1978-)，男，研究员

1001-4500(2017)01-0001-06

P75

A