一体化锚泊工艺技术的应用

王浩宇， 魏佳广， 黄山田， 王 杨， 董振强

(1. 海洋石油工程股份有限公司 安装事业部， 天津 300461； 2. 中海油安全技术服务有限公司， 天津 300456)

0 引 言

随着海洋石油国际化进程的加快，我国海洋工程面对的油田海域也越来越复杂[1]。一些传统的锚泊设计及施工机具已不能满足复杂海况下的作业需求，严重制约着我国锚泊工程船舶在世界舞台上的发展。因此，研究并建立一体化锚泊工艺技术，改进和优化锚泊设计方法及关键施工机具势在必行。一体化锚泊工艺技术将一系列的创新进行有机结合并形成系统，使其能够适应各种船舶、应对各类海况，从而显著提高我国锚泊工程船的国际市场竞争力。

1 一体化锚泊工艺技术概述

一体化锚泊工艺技术的研究起源于波斯湾海域的海上安装项目，该区域海底设施密如蛛网，复杂度高[2]，如图1所示。采用传统锚泊施工方案效率低下且作业风险高，易触碰、损坏海底设施。

图1 波斯湾KJO油田海底布线图

为此，从软件设计和硬件升级两方面进行攻关，建立涵盖整个锚泊设计施工周期的一整套纵向一体化锚泊工艺技术。该技术体系在宏观上分为软件系统(海上就位抛锚参数化设计、多浮筒多浮体工况锚泊设计和锚缆形态设计)和硬件系统(提升作业效率专用机具设计)。

2 一体化锚泊工艺技术软件系统

2.1 海上就位抛锚参数化设计

海上就位抛锚参数化设计是将AutoCAD中的动态块和参数化功能与安装设计中的船舶抛锚布置相结合，简化抛锚图绘制，从而提高设计效率、降低海上船舶待机时间[3]。软件操作界面如图2所示。

图2 海上就位抛锚参数化设计

(1) 抛锚图动态块锚点调整

受施工方案变化及海况影响，施工现场锚点及抛锚角度经常需要调整，以往在变更船舶抛锚图时，需要逐根绘制锚缆并测量角度和长度，此方法费时费力且操作繁琐，调整后的每根锚缆都需重新绘制并量取数据。

优化后抛锚图绘制主要依托动态块的移动和编辑，只需将之前创建的锚缆动态块复制到新的抛锚图中，通过定位、旋转和拉伸(或缩短)达到每根锚缆的精确调整。所有锚缆长度、旋转角度和坐标参数会根据更新情况自动生成新的位置数据。

(2) 抛锚图参数化船位调整

在以往的现场施工中，船舶方向及位置调整后需要手动进行相关锚缆的形态调整，在每次船位变动时都需要将锚缆与船舶导缆钳手动关联以达到调整效果。该方法操作繁琐、效率低下。

对AutoCAD参数化进行二次开发，实现锚缆与船舶的关联，能够迅速得到船舶调整后的锚缆形态。应用参数化关联后的抛锚图，通过确定平台基点、对船舶锚点进行参数固定、对船舶锚缆与导缆钳进行重合约束等步骤，使船舶与锚缆成为一体，在进行船舶旋转和移位调整时，各条锚缆均可随船舶的变化自动更新形态。

2.2 多浮筒、多浮体工况锚泊设计

在以往利用MOSES软件进行锚泊分析时，当单根锚缆浮筒数量多于2个时，即出现不收敛的情况[4]。依托波斯湾油田海上安装项目，以蓝疆号为研究对象，自主研发多浮筒工况下主作业船的锚泊计算方法，MOSES分析模型如图3(a)所示。对风向和流速每隔45°计算1次，并结合8个工作锚的逐一破断计算，反算出适合作业的极限海况条件，从而确定现场环境下主作业船的锚泊稳定性。在多浮体工况下(例如运输驳船靠泊时)，模拟浮式起重机与驳船之间的系泊缆绳和碰球情况，设置合理化参数，将单个刚性结构的锚泊设置成具有软连接的2个刚性体结构，其MOSES分析模型如图3(b)所示。再逐一计算8个方向的极限工况，分析2个刚性结构在软连接情况下各自的重心位移，完成软连接双重心下的系泊分析并给出起重船在特定锚位中绑靠运输驳船的抗环境载荷能力，从而找到多浮体工况下的锚泊分析方法。

图3 MOSES模型

2.3 锚缆形态设计

在海上施工过程中，锚缆经常需要跨越、避让海底设施，为此，需在锚缆上悬挂多个浮筒以控制其与海底管线的距离。水中锚缆的姿态(即悬链线形态)由浮筒数量、浮筒浮力和安装相对位置决定，其设计需经过多次迭代计算。采用一体化锚泊工艺技术，通过系泊系统静力学建模，结合悬链线姿态迭代算法，充分考虑锚缆张力波动对静态系泊缆形状的影响，对锚缆各姿态参数进行灵敏度分析，应用MATLAB-GUI计算机技术[5]，研发多浮筒复杂海域下锚缆形态计算软件。该软件将迭代计算和灵敏性分析隐藏至后台运行，输入、输出界面友好，只需在输入端口输入锚缆长度、浮筒位置、管线位置、锚缆尺寸和浮筒浮力，即可得到相应的锚缆形态，软件以图像的形式输出水下锚缆形态，形象直观且便于方案优选。具体如图4所示。

图4 多浮筒复杂海域下锚缆形态计算结果

多浮筒复杂海域下锚缆形态计算软件的先进性[6]主要有如下几点：

(1) 打破浮筒数量限制，准确输出图形结果(传统计算软件浮筒数量最多为3个，当浮筒数量较多时，会产生悬链线形状失真)。

(2) 自动判断浮筒处于水中或水面上。

(3) 图形输出结果能准确表达浮筒、管线或珊瑚群与锚缆的相对位置。

3 一体化锚泊工艺技术硬件系统

在复杂海域，除了海底管线设施外，还存在大陆坡、珊瑚区、硬质海床区等多种情况，这会增加锚泊作业所需的浮筒数量和施工作业难度。有时1个锚位需20～30个浮筒才能完全避开海底设施。为此，研发专用的高效海上施工机具，确保一体化锚泊工艺技术软件系统设计的锚位在海上能顺利、高效地进行锚泊作业。

3.1 旋转式专用浮筒夹具

传统的浮筒与锚缆连接方式[7]有如下3种：

(1) 直接用吊带将浮筒索具与锚缆连在一起，如图5(a)所示。

(2) 在锚缆上安装2个U形锚卡，用于固定浮筒索具与锚缆的相对位置，再用1个卡环将浮筒索具卡在2个U形锚卡之间，卡环可绕锚缆旋转，如图5(b)所示。

(3) 采用内、外环的卡子，该方法通过8个螺栓将2个带挡板的半瓦卡在锚缆上，外环套在内环上，通过卡环将外环与浮筒索具连接，如图5(c)所示。

图5 传统浮筒与锚缆连接方式

前2种方案对锚缆有损伤，第3种方案解决锚缆损坏和缠绕问题，但是安装速度慢、操作不方便，安装1个浮筒约30～40 min。

通过自主创新，研制一种全新结构形式的旋转式专用浮筒夹具，该夹具由内卡和与内卡铰接的外卡组成，如图6所示。

图6 旋转式专用浮筒夹具

内卡内部设有非金属弹性体，能有效地保护锚缆。内卡各部分通过螺栓连接成可开合式的整体，与锚缆连接时只需张开内卡即可咬住锚缆，再通过螺栓紧固，使内卡与锚缆固定。内卡外侧中间设有凹槽，两端凸起，外卡安放在内卡中部的凹槽中。在外卡安装后，以内卡外圆为轴形成铰链，外卡外部与浮筒连接件连接，在受力的情况下，外卡可绕内卡自由转动，提供便利的安装浮筒的角度，同时也保证在风、浪、流等外力作用下，浮筒和锚缆夹具有一定的自适应性。

该夹具只需要2个安装螺栓，并且省去内卡对接拼装环节，使夹具安装时间缩短至5～8 min。

3.2 易操作的动力定位浮筒及安装平台

(1) 易操作的动力定位浮筒

传统动力定位(Dynamic Positioning，DP)浮筒体积大、操作笨重，内部需要填充泡沫，制作成本高，单位体积提供的净浮力小，如图7所示。

图7 传统DP浮筒

易操作的DP浮筒采用分仓设计，整个浮筒共分为8个相互独立的仓(见图8(a))，任意2个仓破损都能够保证浮筒将锚缆拽离海床。分仓设计与无须泡沫填充可节约成本5.2万元。无须填充使单位体积提供的净浮力增大，整个浮筒的体积也相应减小，便于海上操作，工程应用如图8(b)所示。

图8 易操作的DP浮筒

(2) 浮筒安装平台

以往DP浮筒安装可在拖船上进行或用绞车把锚缆拖至船舷边进行。用绞车把锚缆拖至船舷边进行浮筒安装作业时，部分船员需将身体探出船舷，施工存在一定的风险，效率低下，且在操作时锚缆处于放松状态，张力系数低，导致浮筒的安装数量增加。

在拖船上进行浮筒安装时：需要提前把锚缆卷入拖船的滚筒，增加作业时间；另外，拖船甲板一般较小，甲板布置局促，不便于安装工作的进行。

一体化锚泊工艺技术设计的浮筒安装操作平台，既确保浮筒安装方便高效，又提供安全施工保障。同时，针对蓝鲸、蓝疆等不同船型，分别设计不同形式的操作平台，便于海上操作设计，如图9所示。

图9 浮筒安装操作平台

3.3 浮筒释放、打捞装置

在浮筒安装过程中，工程船干舷高，不能直接将浮筒索具挂至吊钩上，只能利用工程船上的起重机悬挂吊钩，在吊钩下悬挂浮筒索具。浮筒索具入水后产生起伏、晃动等不规则运动，经常发生安装时索具脱钩困难、拆除时索具又不易挂钩的现象。为此，研发浮筒释放、打捞装置，如图10所示。

图10 浮筒释放和打捞装置

浮筒释放钩[8]在钩尖处设置转轴，钩体上设置轨道槽。在钩体上端设置封杆锁定装置，封杆右侧为配重块。在浮筒释放作业中，当浮筒放置海平面后，封杆由于配重块作用，会随索具的回收而复位，当封杆到达顶端时自动锁定，防止索具再次进入钩体。

浮筒打捞钩[9]为三齿式，每个钩齿上均设置倒刺。在浮筒打捞过程中，2个钩齿与浮筒的圆柱面接触，起到稳定钩头和浮筒相对位置的作用，倒刺能有效防止浮筒索具脱离钩齿。

4 一体化锚泊工艺技术在工程上的应用

一体化锚泊工艺技术先后应用在沙特波斯湾海域工程项目、文莱BSP项目、缅甸Zawtika项目，以及国内锦州25-1南项目、涠洲6-13项目、东方13-2等项目中，累计节约成本七千余万元。

图11为应用一体化锚泊工艺技术设计的沙特波斯湾海域工程项目CLP平台锚位图，CLP平台锚位采用28个浮筒，成功地避开所有海底设施。采用一体化锚泊工艺技术专用机具，有效地缩短海上锚泊施工时间，将原计划2天布完的锚位在1天内就全部敷设完成，施工速度快，安全性高。

图11 沙特波斯湾海域工程项目CLP平台锚位图

同时，一体化锚泊工艺技术在蓝鲸、海洋石油202等船舶上获得推广，可降低锚泊成本以提高市场竞争力，具有较好的应用价值和经济效益。

5 结 论

编制多浮筒复杂海域下锚缆形态计算软件、研究多浮体工况下多浮筒的锚泊分析方法，研发一系列适用于一体化锚泊工艺技术的专用施工机具，取得相应的专利技术，突破复杂海况下的锚泊技术难题。通过项目实践应用，验证该工艺技术的科学性和可靠性。此技术的成功运用标志着我国已具备在复杂海域中的工程建设能力，为我国“一带一路”的“海上丝绸之路”倡议的实施，为海洋石油“走出去”步伐的迈进提供技术保障，奠定我国海洋工程进入世界舞台的技术基础。