第十章--锚泊系统

第十章锚泊系统（MooringSystem）授课内容1锚和锚链3锚泊设备计算与要求4锚系设计2锚泊系统的种类与布置型式3管节点的强度分析5锚泊系统定位分析锚泊系统的可靠性对海上移动式平台尤为重要，是其重要组成部分概述锚泊系统锚缆锚链锚机锚锚浮标锚架其他设备1.1锚（anchor）1锚和锚链1.2锚链（anchorchain）根据承受荷载的机理不同，锚的分类如下：1.重力锚：主要靠材料本身重量，部分靠锚与土壤之间的摩擦力来来抵抗外力的锚。材料为钢和混凝土2.拖曳嵌入式锚：部分或全部深入海底，主要靠锚前部与土壤的摩擦力来抵抗外力。它能承受较大的水平力，但承受垂向力的能力不强。目前最受欢迎使用最多3.桩锚：中空的钢管通过打桩安于海底，靠管侧与土壤的摩擦力来抵抗外力。通常需要将锚埋入较深的海底，以抵抗外力。它能承受水平力和垂向力1.1锚4.吸力锚：类似于桩锚，但中空的钢管直径要大的多。通过安于钢管顶部的人工泵使管内外出现压力差。当管内压力小于管外，钢管即被吸入海底，然后将泵撤走。吸力锚主要靠管侧与土壤的摩擦力来抵抗外力，能承受水平力和垂向力5.垂向荷载锚：与传统的嵌入式锚一样，而且深入的更深。可以承受水平力和垂向力。它是最新发展的一种锚钻井平台常用大抓力锚锚泊时需使锚链的下端与海底相切抓力锚抓力锚的特点：只有当拉力为水平方向时才能保证锚的抓力若拉力具有垂向分力，抓力减小，锚爪就会被拉出土深水中，如果仍要求锚链下端与海底相切来保证锚的抓力，所需的锚链很长目前研究出现能承受垂向分力的锚，如采用水泥重块或锚桩当遇到岩性海底无法打桩时，可采用钻孔灌注锚桩需做现场试验来确定锚的真正抓力1.锚的抓力（主要因素）锚的类型、海底土质条件会影响锚的抓力2.操作方便3.便于存放4.经济适用锚的选择主要应考虑的因素：有横档链（stud）：强度比无挡链环高20%左右。横档可能导致局部疲劳，如失去一个横档将会在链接处产生较高的弯曲力矩无横档链（studless）：使用较多锚链根据屈服强度划分等级。只能承受拉力，不易打结，能收藏在锚链舱里。链比其它材料的疲劳寿命要短。链的破坏形式：塑性破断、脆性断裂（主要破坏形式）、疲劳断裂，应力腐蚀1.2锚链（a）无挡链环（b）有挡链环比锚缆耐磨锚缆一般由若干根钢丝先拧成股，再由若干股拧成缆常见的钢缆结构形式：六股式、螺旋股式、多股式（multistrand）。螺旋股式结构具有较强的纵向刚度和扭转平衡，旋转损耗低，对于深水系泊系统，常采用此种结构缆易被擦伤，易出现扭结，易被海水腐蚀和疲劳破坏。钢缆破坏的主要原因是腐蚀，常采用镀锌和润滑并配合阳极保护的方法来防止腐蚀的发生。对于螺旋股式钢缆，还通常采用高密度的聚乙烯外壳来防止海水腐蚀钢缆锚缆（anchorcable）同样的断裂强度，缆重仅为链重的1/4~1/5,故深水锚泊时应选用锚缆，或采用锚链和锚缆组合锚泊系统全链与全缆的锚泊系统比较系泊方式全缆全链操作收放锚链设备大型绞车大型起链机船型中型中型移动性良好良好可靠性可行可行性能对平台的影响置放时的重心高起锚时重量大工作时水平位移小水平移动较大风暴时能量吸收差，容易走锚能量吸收较大存在问题浅水时容易走锚不易走锚深水时锚的长度受到限制重量加大大外力时缆长度大，容易走锚比较稳定2.1移动式平台的锚泊系统2锚泊系统的种类与布置型式2.2锚泊系统布置型式2.3FPSO浮式生产系统的锚泊2.1移动式平台的锚泊系统移动式平台锚泊系统包括系泊用锚泊系统（必须有）；定位用锚泊系统临时系泊用的锚泊系统是用舾装数来确定系泊设备的数量、重量和规格定位用锚泊设备的数量和重量由设计单位根据使用单位要求进行设计：（a）首先要满足使用单位对定位的要求（b）其次要满足规范对临时系泊的要求动力定位系统是借助于推进器来保持船舶或浮式结构的位置的技术使用精密仪器来测定船舶因风、浪、流而发生的位移和方位变化通过自动控制系统对位置反馈信息进行处理与计算控制若干个推进器发生推力和力矩，使船或浮式结构回复到初始位置和最有利的方向动力定位系统动力操纵系统：提供定位所需要的所有动力推进器系统：控制浮体在水平、纵向及扭转的力，使浮体保持在指定位置位置测量系统：随时将浮体的具体位置提供给控制系统动态定位控制系统：控制浮体在具体的位置和方向，以抵抗外界环境荷载优点：适于恶劣海况的区域，浅水和深水系统都能适用运行成本不由水深决定定位的相对精度随水深而提高，能够快速系泊与解脱可以安装较多的立管系统缺点：资金和燃料的耗费都很高，系统复杂，比锚链或钢缆系泊更易失败动力定位系统的主要组成部分自升式钻井平台的锚泊1）插桩前控制运动的锚泊定位为确保安全，在自升式平台插桩、升平台前，需要锚泊定位2）锚泊后的位置调整当自升式平台完成插桩前的锚泊定位后，平台有可能不处于事先预定的井位上，需用通过收、放锚缆进行调整，直至平台移到预定井位后，再放下桩腿，进行升船3）拖航过程中发生故障要求锚泊自升式平台在拖航过程中如果遇到大风浪、托缆断裂、拖轮发生故障或平台所受到的外力大于拖轮托力无法再前进时，平台将失去控制，很危险。此时需用大抓力首锚抛入海底，将平台临时锚泊住，等故障排除或大风过后再拖半潜式钻井平台的锚泊1）半潜式平台的锚泊主要用于定位，但也要考虑拖航和就位时需求2）锚泊系统需要有足够大的回复力，以保证平台位于井口上方，其漂移半径不能超过规定范围3）在被迫停止钻井作业但隔水套管还没有拖开时，锚泊系统也要将平台控制在规定的范围内4）当平台遇到风暴时，隔水套管必须与海底防喷器脱开。这时平台的漂移半径虽然可以增大，但是平台必须满足安全生存的锚泊要求2.2锚泊系统布置型式定位锚泊系统需要将锚链拉呈辐射状布置，以承受不同方向的风浪一般矩形平台锚链多为8根，三角平台锚链多为9根，五角形平台锚链多为10根临时系泊用的锚泊系统一般设于平台首部。系泊时把平台首部拉住，能始终保证平台首部迎着风浪。此时平台受力状态好，稳性好，不容易翻沉定位锚泊系统与临时系泊的锚泊系统的区别：1）布置型式不同2）定位锚泊系统在使用中需加预张力，可使系统的回复力大，增强平台抵抗偏移的能力；而系泊用锚泊系统对漂移没有严格要求，不用对锚链施加预张力2.3FPSO浮式生产系统的锚泊FPSO浮式生产系统常采用单点系泊系统锚泊单点系泊系统：在海上将船只（油轮）系泊于一点，使船与海底管线间通过立管连接，完成海上石油装卸作业的终端装置单点系泊装置单点系泊系统特点：允许船只绕系泊点自由转动，可有效减少风浪流的作用力，系泊线的尺度也相应地减小优点：操作方便、安全、可操作率高缺点：制造成本高，技术复杂功能：定位系泊功能；液体输送及电力、光控传输功能在特定的条件下可以实施现场解脱，以保证FPSO及人民财产的安全单点系泊系统浮筒式系泊装置单点系泊系统浮筒式系泊系统塔式系泊系统转塔式系泊系统右图所示为浮筒式锚泊系统，它由浮筒、锚链、锚桩、转台、系缆、筒下软管、输油旋转接头和浮动软管等组成塔式系泊系统包括内转塔式系泊系统和外转塔式系泊系统内转塔式系泊系统：常用于中等水深及深水海域的平台，如北海海域主要组成部分：转塔及其套筒、液体传输系统、转盘、海底锚内转塔系泊装置一般设在船艏优点：转塔直径可以设计得很大，为布置设备和管汇提供足够的空间；内转塔嵌入船体之中后可以得到很好的保护缺点：转塔的存在对船体结构造成了影响，也减少了舱容；系泊船的“风标效应”效果受转塔位置的制约一般可分为永久式和可解脱式内转塔系泊系统塔式系泊系统内转塔系泊系统包括永久式内转塔系泊系统、可解脱式内转塔系泊系统永久式内转塔系泊系统能够保证采油的连续性，使FPSO在作业年限内的任何工况下都能正常工作，绝大多数工况下具有最大的系泊和油气传输能力可解脱式内转塔系泊系统可解脱式内转塔系泊系统具有快速的解脱和回接功能，在极端恶劣条件下可以迅速解脱以规避各种危险海况，更适合于恶劣环境、季节性飓风区和冰区转塔位于船体的外部，减少了对船体的必需的维修允许在码头沿岸安装转塔，而内转塔式系泊系统只能在干坞中安装外转塔式系泊系统限制了立管的数量多用于浅水海域外转塔式系泊系统塔式系泊系统：油轮与塔之间通过一个永久性的叉型结构或系船索布置连接其主要组成部分为：1）塔：与海底相连的静态部分，其上部是与船体相连的转盘2）系泊部分：叉型结构或系船索3）生产传输系统：液体通过海底终端系统传输于立管（连接于塔），然后通过转台传给软管，最后到达FPSO。塔上有足够的甲板空间以提供管汇系统、辅助设备等该系泊系统适用于中浅水域，可以布置较多的立管系统，施工安装容易，成本较低，适合于改装的油轮塔式系泊系统3.1临时锚泊设备计算3锚泊设备计算与要求3.2移动式平台对锚泊定位系统的设计要求3.1临时锚泊设备计算1.舾装数法我国《海上移动式钻井船入级与建造规范》给出的舾装数公式：N---舾装数∆---夏季满载吃水线的型排水量B---型宽A---侧面面积，包括夏季满载吃水线以上规范所指长度以内的船体，以及宽度超过0.25B的上层建筑和甲板室hg---从夏季满载吃水线量起的船中干舷高度加上上层建筑及所有宽度超过0.25B的甲板室高度ABhNg1.0232求得舾装数N后，可查规范中锚泊设备表，即可确定锚的数量、重量和锚链的直径、长度（适用于确定临时系泊用的锚泊设备）2.抓持力法该法根据锚和锚链在海底的抓持力与作用在平台上的外力相平衡条件，确定锚和锚链尺寸，其中作用在平台上的外力包括风力、波浪力和海流力W---锚的重量F---全部外力的合力k---锚的抓重比kFW锚将抓力通过锚链传递给平台可通过悬链线方程确定锚链长度、重量和抛锚距离土质霍尔锚斯贝克锚海军锚丹福式锚LWT锚淤泥2~32~32~410~169~15粘土3~53~5-8~98~10砂3~43~44~57~86~7石砾3~63~63~85~65~8锚的抓重比（适用于重量约为50kg的锚）3.2移动式平台对锚泊定位系统的设计要求移动式平台锚泊系统定位设备的规格和布置，主要取决于环境荷载、水深、海底地质、定位准确性、平台形状等因素钻井平台包括正常钻井、准备停钻、停钻、风暴自存等工况浮式钻井平台要求在正常钻井作业条件下，其水平位移不超过工作水深的5%当平台被迫停钻时，钻杆已提起，而隔水套管尚未脱开时，为保证连接条件，要求最大偏移量为水深的8%~10%当平台处于风暴自存工况时，隔水套管已脱开（不存在限位问题），要减小锚链上所受到的张力操作状况正常钻井准备停钻停钻风暴自存锚链或缆最大张力1/8断裂强度=1/3断裂强度1/5~1/2断裂强度1/2断裂强度或走锚下风松弛缆--至少2跟松弛至少2跟松弛最大位移，%2~85~68~10无限制4°条件连接连接连接不连接球形接头的最大偏角，（°）-1010-泥浆钻井泥浆钻井泥浆水代替泥浆，必要时用海水-操作钻井钻井，同时做停钻准备停钻，准备起隔水套管，等候好天气除锚泊系统外，完全无作业，平台不加控制锚泊定位系统设计要求4.1锚链的状态4锚系设计4.2锚链的悬链线方程4.3锚链计算概述锚链和锚缆都只能受拉；而且各锚索的受力一般来说不是汇交力系锚系设计包括：1）计算每个抛锚点与平台之间的距离2）确定锚链或锚缆长度3）确定单位长度重量4）确定断裂强度4.1锚链的状态如右图所示为锚链的三种状态1）松弛状态：锚链与海底的切点和锚之间有一段平躺在海底的锚链2）临界状态：锚链与海底的切点和锚所在位置重合3）张紧状态：锚链与海底没有切点锚链的三种状态悬链线：一种具有均质、完全柔性而无延伸的链或缆自由悬挂于两点上时所形成的曲线4.2锚链的悬链线方程锚链悬垂示意图描述悬链线的方程aaxachz1hahl22hqTaaqQqlWKTTbz---悬链线垂向位移T---锚链（或锚缆）最大许用强度K---锚链（或锚缆）安全系数l---锚链（或锚缆）长度W---锚链（或锚缆）重量Q---锚链（或锚缆）回复力5.1锚链的松弛度5锚泊定位系统分析5.2锚链的垂向刚度5.3锚链的水平刚度5.4锚泊系统预张力的确定5.5锚泊系统的