王浩宇， 魏佳廣， 黃山田， 王 楊， 董振強(qiáng)

(1. 海洋石油工程股份有限公司 安裝事業(yè)部， 天津 300461； 2. 中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司， 天津 300456)

0 引 言

隨著海洋石油國(guó)際化進(jìn)程的加快，我國(guó)海洋工程面對(duì)的油田海域也越來(lái)越復(fù)雜[1]。一些傳統(tǒng)的錨泊設(shè)計(jì)及施工機(jī)具已不能滿足復(fù)雜海況下的作業(yè)需求，嚴(yán)重制約著我國(guó)錨泊工程船舶在世界舞臺(tái)上的發(fā)展。因此，研究并建立一體化錨泊工藝技術(shù)，改進(jìn)和優(yōu)化錨泊設(shè)計(jì)方法及關(guān)鍵施工機(jī)具勢(shì)在必行。一體化錨泊工藝技術(shù)將一系列的創(chuàng)新進(jìn)行有機(jī)結(jié)合并形成系統(tǒng)，使其能夠適應(yīng)各種船舶、應(yīng)對(duì)各類海況，從而顯著提高我國(guó)錨泊工程船的國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 一體化錨泊工藝技術(shù)概述

一體化錨泊工藝技術(shù)的研究起源于波斯灣海域的海上安裝項(xiàng)目，該區(qū)域海底設(shè)施密如蛛網(wǎng)，復(fù)雜度高[2]，如圖1所示。采用傳統(tǒng)錨泊施工方案效率低下且作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高，易觸碰、損壞海底設(shè)施。

圖1 波斯灣KJO油田海底布線圖

為此，從軟件設(shè)計(jì)和硬件升級(jí)兩方面進(jìn)行攻關(guān)，建立涵蓋整個(gè)錨泊設(shè)計(jì)施工周期的一整套縱向一體化錨泊工藝技術(shù)。該技術(shù)體系在宏觀上分為軟件系統(tǒng)(海上就位拋錨參數(shù)化設(shè)計(jì)、多浮筒多浮體工況錨泊設(shè)計(jì)和錨纜形態(tài)設(shè)計(jì))和硬件系統(tǒng)(提升作業(yè)效率專用機(jī)具設(shè)計(jì))。

2 一體化錨泊工藝技術(shù)軟件系統(tǒng)

2.1 海上就位拋錨參數(shù)化設(shè)計(jì)

海上就位拋錨參數(shù)化設(shè)計(jì)是將AutoCAD中的動(dòng)態(tài)塊和參數(shù)化功能與安裝設(shè)計(jì)中的船舶拋錨布置相結(jié)合，簡(jiǎn)化拋錨圖繪制，從而提高設(shè)計(jì)效率、降低海上船舶待機(jī)時(shí)間[3]。軟件操作界面如圖2所示。

圖2 海上就位拋錨參數(shù)化設(shè)計(jì)

(1) 拋錨圖動(dòng)態(tài)塊錨點(diǎn)調(diào)整

受施工方案變化及海況影響，施工現(xiàn)場(chǎng)錨點(diǎn)及拋錨角度經(jīng)常需要調(diào)整，以往在變更船舶拋錨圖時(shí)，需要逐根繪制錨纜并測(cè)量角度和長(zhǎng)度，此方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力且操作繁瑣，調(diào)整后的每根錨纜都需重新繪制并量取數(shù)據(jù)。

優(yōu)化后拋錨圖繪制主要依托動(dòng)態(tài)塊的移動(dòng)和編輯，只需將之前創(chuàng)建的錨纜動(dòng)態(tài)塊復(fù)制到新的拋錨圖中，通過(guò)定位、旋轉(zhuǎn)和拉伸(或縮短)達(dá)到每根錨纜的精確調(diào)整。所有錨纜長(zhǎng)度、旋轉(zhuǎn)角度和坐標(biāo)參數(shù)會(huì)根據(jù)更新情況自動(dòng)生成新的位置數(shù)據(jù)。

(2) 拋錨圖參數(shù)化船位調(diào)整

在以往的現(xiàn)場(chǎng)施工中，船舶方向及位置調(diào)整后需要手動(dòng)進(jìn)行相關(guān)錨纜的形態(tài)調(diào)整，在每次船位變動(dòng)時(shí)都需要將錨纜與船舶導(dǎo)纜鉗手動(dòng)關(guān)聯(lián)以達(dá)到調(diào)整效果。該方法操作繁瑣、效率低下。

對(duì)AutoCAD參數(shù)化進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)錨纜與船舶的關(guān)聯(lián)，能夠迅速得到船舶調(diào)整后的錨纜形態(tài)。應(yīng)用參數(shù)化關(guān)聯(lián)后的拋錨圖，通過(guò)確定平臺(tái)基點(diǎn)、對(duì)船舶錨點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)固定、對(duì)船舶錨纜與導(dǎo)纜鉗進(jìn)行重合約束等步驟，使船舶與錨纜成為一體，在進(jìn)行船舶旋轉(zhuǎn)和移位調(diào)整時(shí)，各條錨纜均可隨船舶的變化自動(dòng)更新形態(tài)。

2.2 多浮筒、多浮體工況錨泊設(shè)計(jì)

在以往利用MOSES軟件進(jìn)行錨泊分析時(shí)，當(dāng)單根錨纜浮筒數(shù)量多于2個(gè)時(shí)，即出現(xiàn)不收斂的情況[4]。依托波斯灣油田海上安裝項(xiàng)目，以藍(lán)疆號(hào)為研究對(duì)象，自主研發(fā)多浮筒工況下主作業(yè)船的錨泊計(jì)算方法，MOSES分析模型如圖3(a)所示。對(duì)風(fēng)向和流速每隔45°計(jì)算1次，并結(jié)合8個(gè)工作錨的逐一破斷計(jì)算，反算出適合作業(yè)的極限海況條件，從而確定現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下主作業(yè)船的錨泊穩(wěn)定性。在多浮體工況下(例如運(yùn)輸駁船靠泊時(shí))，模擬浮式起重機(jī)與駁船之間的系泊纜繩和碰球情況，設(shè)置合理化參數(shù)，將單個(gè)剛性結(jié)構(gòu)的錨泊設(shè)置成具有軟連接的2個(gè)剛性體結(jié)構(gòu)，其MOSES分析模型如圖3(b)所示。再逐一計(jì)算8個(gè)方向的極限工況，分析2個(gè)剛性結(jié)構(gòu)在軟連接情況下各自的重心位移，完成軟連接雙重心下的系泊分析并給出起重船在特定錨位中綁靠運(yùn)輸駁船的抗環(huán)境載荷能力，從而找到多浮體工況下的錨泊分析方法。

圖3 MOSES模型

2.3 錨纜形態(tài)設(shè)計(jì)

在海上施工過(guò)程中，錨纜經(jīng)常需要跨越、避讓海底設(shè)施，為此，需在錨纜上懸掛多個(gè)浮筒以控制其與海底管線的距離。水中錨纜的姿態(tài)(即懸鏈線形態(tài))由浮筒數(shù)量、浮筒浮力和安裝相對(duì)位置決定，其設(shè)計(jì)需經(jīng)過(guò)多次迭代計(jì)算。采用一體化錨泊工藝技術(shù)，通過(guò)系泊系統(tǒng)靜力學(xué)建模，結(jié)合懸鏈線姿態(tài)迭代算法，充分考慮錨纜張力波動(dòng)對(duì)靜態(tài)系泊纜形狀的影響，對(duì)錨纜各姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析，應(yīng)用MATLAB-GUI計(jì)算機(jī)技術(shù)[5]，研發(fā)多浮筒復(fù)雜海域下錨纜形態(tài)計(jì)算軟件。該軟件將迭代計(jì)算和靈敏性分析隱藏至后臺(tái)運(yùn)行，輸入、輸出界面友好，只需在輸入端口輸入錨纜長(zhǎng)度、浮筒位置、管線位置、錨纜尺寸和浮筒浮力，即可得到相應(yīng)的錨纜形態(tài)，軟件以圖像的形式輸出水下錨纜形態(tài)，形象直觀且便于方案優(yōu)選。具體如圖4所示。

圖4 多浮筒復(fù)雜海域下錨纜形態(tài)計(jì)算結(jié)果

多浮筒復(fù)雜海域下錨纜形態(tài)計(jì)算軟件的先進(jìn)性[6]主要有如下幾點(diǎn)：

(1) 打破浮筒數(shù)量限制，準(zhǔn)確輸出圖形結(jié)果(傳統(tǒng)計(jì)算軟件浮筒數(shù)量最多為3個(gè)，當(dāng)浮筒數(shù)量較多時(shí)，會(huì)產(chǎn)生懸鏈線形狀失真)。

(2) 自動(dòng)判斷浮筒處于水中或水面上。

(3) 圖形輸出結(jié)果能準(zhǔn)確表達(dá)浮筒、管線或珊瑚群與錨纜的相對(duì)位置。

3 一體化錨泊工藝技術(shù)硬件系統(tǒng)

在復(fù)雜海域，除了海底管線設(shè)施外，還存在大陸坡、珊瑚區(qū)、硬質(zhì)海床區(qū)等多種情況，這會(huì)增加錨泊作業(yè)所需的浮筒數(shù)量和施工作業(yè)難度。有時(shí)1個(gè)錨位需20～30個(gè)浮筒才能完全避開(kāi)海底設(shè)施。為此，研發(fā)專用的高效海上施工機(jī)具，確保一體化錨泊工藝技術(shù)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的錨位在海上能順利、高效地進(jìn)行錨泊作業(yè)。

3.1 旋轉(zhuǎn)式專用浮筒夾具

傳統(tǒng)的浮筒與錨纜連接方式[7]有如下3種：

(1) 直接用吊帶將浮筒索具與錨纜連在一起，如圖5(a)所示。

(2) 在錨纜上安裝2個(gè)U形錨卡，用于固定浮筒索具與錨纜的相對(duì)位置，再用1個(gè)卡環(huán)將浮筒索具卡在2個(gè)U形錨卡之間，卡環(huán)可繞錨纜旋轉(zhuǎn)，如圖5(b)所示。

(3) 采用內(nèi)、外環(huán)的卡子，該方法通過(guò)8個(gè)螺栓將2個(gè)帶擋板的半瓦卡在錨纜上，外環(huán)套在內(nèi)環(huán)上，通過(guò)卡環(huán)將外環(huán)與浮筒索具連接，如圖5(c)所示。

圖5 傳統(tǒng)浮筒與錨纜連接方式

前2種方案對(duì)錨纜有損傷，第3種方案解決錨纜損壞和纏繞問(wèn)題，但是安裝速度慢、操作不方便，安裝1個(gè)浮筒約30～40 min。

通過(guò)自主創(chuàng)新，研制一種全新結(jié)構(gòu)形式的旋轉(zhuǎn)式專用浮筒夾具，該夾具由內(nèi)卡和與內(nèi)卡鉸接的外卡組成，如圖6所示。

圖6 旋轉(zhuǎn)式專用浮筒夾具

內(nèi)卡內(nèi)部設(shè)有非金屬?gòu)椥泽w，能有效地保護(hù)錨纜。內(nèi)卡各部分通過(guò)螺栓連接成可開(kāi)合式的整體，與錨纜連接時(shí)只需張開(kāi)內(nèi)卡即可咬住錨纜，再通過(guò)螺栓緊固，使內(nèi)卡與錨纜固定。內(nèi)卡外側(cè)中間設(shè)有凹槽，兩端凸起，外卡安放在內(nèi)卡中部的凹槽中。在外卡安裝后，以內(nèi)卡外圓為軸形成鉸鏈，外卡外部與浮筒連接件連接，在受力的情況下，外卡可繞內(nèi)卡自由轉(zhuǎn)動(dòng)，提供便利的安裝浮筒的角度，同時(shí)也保證在風(fēng)、浪、流等外力作用下，浮筒和錨纜夾具有一定的自適應(yīng)性。

該夾具只需要2個(gè)安裝螺栓，并且省去內(nèi)卡對(duì)接拼裝環(huán)節(jié)，使夾具安裝時(shí)間縮短至5～8 min。

3.2 易操作的動(dòng)力定位浮筒及安裝平臺(tái)

(1) 易操作的動(dòng)力定位浮筒

傳統(tǒng)動(dòng)力定位(Dynamic Positioning，DP)浮筒體積大、操作笨重，內(nèi)部需要填充泡沫，制作成本高，單位體積提供的凈浮力小，如圖7所示。

圖7 傳統(tǒng)DP浮筒

易操作的DP浮筒采用分倉(cāng)設(shè)計(jì)，整個(gè)浮筒共分為8個(gè)相互獨(dú)立的倉(cāng)(見(jiàn)圖8(a))，任意2個(gè)倉(cāng)破損都能夠保證浮筒將錨纜拽離海床。分倉(cāng)設(shè)計(jì)與無(wú)須泡沫填充可節(jié)約成本5.2萬(wàn)元。無(wú)須填充使單位體積提供的凈浮力增大，整個(gè)浮筒的體積也相應(yīng)減小，便于海上操作，工程應(yīng)用如圖8(b)所示。

圖8 易操作的DP浮筒

(2) 浮筒安裝平臺(tái)

以往DP浮筒安裝可在拖船上進(jìn)行或用絞車把錨纜拖至船舷邊進(jìn)行。用絞車把錨纜拖至船舷邊進(jìn)行浮筒安裝作業(yè)時(shí)，部分船員需將身體探出船舷，施工存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，效率低下，且在操作時(shí)錨纜處于放松狀態(tài)，張力系數(shù)低，導(dǎo)致浮筒的安裝數(shù)量增加。

在拖船上進(jìn)行浮筒安裝時(shí)：需要提前把錨纜卷入拖船的滾筒，增加作業(yè)時(shí)間；另外，拖船甲板一般較小，甲板布置局促，不便于安裝工作的進(jìn)行。

一體化錨泊工藝技術(shù)設(shè)計(jì)的浮筒安裝操作平臺(tái)，既確保浮筒安裝方便高效，又提供安全施工保障。同時(shí)，針對(duì)藍(lán)鯨、藍(lán)疆等不同船型，分別設(shè)計(jì)不同形式的操作平臺(tái)，便于海上操作設(shè)計(jì)，如圖9所示。

圖9 浮筒安裝操作平臺(tái)

3.3 浮筒釋放、打撈裝置

在浮筒安裝過(guò)程中，工程船干舷高，不能直接將浮筒索具掛至吊鉤上，只能利用工程船上的起重機(jī)懸掛吊鉤，在吊鉤下懸掛浮筒索具。浮筒索具入水后產(chǎn)生起伏、晃動(dòng)等不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，經(jīng)常發(fā)生安裝時(shí)索具脫鉤困難、拆除時(shí)索具又不易掛鉤的現(xiàn)象。為此，研發(fā)浮筒釋放、打撈裝置，如圖10所示。

圖10 浮筒釋放和打撈裝置

浮筒釋放鉤[8]在鉤尖處設(shè)置轉(zhuǎn)軸，鉤體上設(shè)置軌道槽。在鉤體上端設(shè)置封桿鎖定裝置，封桿右側(cè)為配重塊。在浮筒釋放作業(yè)中，當(dāng)浮筒放置海平面后，封桿由于配重塊作用，會(huì)隨索具的回收而復(fù)位，當(dāng)封桿到達(dá)頂端時(shí)自動(dòng)鎖定，防止索具再次進(jìn)入鉤體。

浮筒打撈鉤[9]為三齒式，每個(gè)鉤齒上均設(shè)置倒刺。在浮筒打撈過(guò)程中，2個(gè)鉤齒與浮筒的圓柱面接觸，起到穩(wěn)定鉤頭和浮筒相對(duì)位置的作用，倒刺能有效防止浮筒索具脫離鉤齒。

4 一體化錨泊工藝技術(shù)在工程上的應(yīng)用

一體化錨泊工藝技術(shù)先后應(yīng)用在沙特波斯灣海域工程項(xiàng)目、文萊BSP項(xiàng)目、緬甸Zawtika項(xiàng)目，以及國(guó)內(nèi)錦州25-1南項(xiàng)目、潿洲6-13項(xiàng)目、東方13-2等項(xiàng)目中，累計(jì)節(jié)約成本七千余萬(wàn)元。

圖11為應(yīng)用一體化錨泊工藝技術(shù)設(shè)計(jì)的沙特波斯灣海域工程項(xiàng)目CLP平臺(tái)錨位圖，CLP平臺(tái)錨位采用28個(gè)浮筒，成功地避開(kāi)所有海底設(shè)施。采用一體化錨泊工藝技術(shù)專用機(jī)具，有效地縮短海上錨泊施工時(shí)間，將原計(jì)劃2天布完的錨位在1天內(nèi)就全部敷設(shè)完成，施工速度快，安全性高。

圖11 沙特波斯灣海域工程項(xiàng)目CLP平臺(tái)錨位圖

同時(shí)，一體化錨泊工藝技術(shù)在藍(lán)鯨、海洋石油202等船舶上獲得推廣，可降低錨泊成本以提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，具有較好的應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié) 論

編制多浮筒復(fù)雜海域下錨纜形態(tài)計(jì)算軟件、研究多浮體工況下多浮筒的錨泊分析方法，研發(fā)一系列適用于一體化錨泊工藝技術(shù)的專用施工機(jī)具，取得相應(yīng)的專利技術(shù)，突破復(fù)雜海況下的錨泊技術(shù)難題。通過(guò)項(xiàng)目實(shí)踐應(yīng)用，驗(yàn)證該工藝技術(shù)的科學(xué)性和可靠性。此技術(shù)的成功運(yùn)用標(biāo)志著我國(guó)已具備在復(fù)雜海域中的工程建設(shè)能力，為我國(guó)“一帶一路”的“海上絲綢之路”倡議的實(shí)施，為海洋石油“走出去”步伐的邁進(jìn)提供技術(shù)保障，奠定我國(guó)海洋工程進(jìn)入世界舞臺(tái)的技術(shù)基礎(chǔ)。