海上平臺(tái)錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

海上平臺(tái)錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

0錨泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)隨著世界經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展，海洋開發(fā)已成為世界技術(shù)革命的重要組成部分，海洋油氣開發(fā)是當(dāng)前海洋開發(fā)工程的主要內(nèi)容之一。海洋移動(dòng)式平臺(tái)是海洋油氣勘探/開發(fā)的主要設(shè)施之一。平臺(tái)在海上受風(fēng)浪的作用來自任何方向,為保持平臺(tái)作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性,根據(jù)CCS規(guī)范,所有移動(dòng)式鉆井平臺(tái)均要求配備臨時(shí)系泊用的錨泊系統(tǒng)和錨泊定位系統(tǒng)。定位錨泊系統(tǒng)形式在規(guī)范中是不作規(guī)定的,一般是業(yè)主根據(jù)平臺(tái)作業(yè)所在的環(huán)境而提出設(shè)計(jì)要求。本文主要對(duì)平臺(tái)配備的定位錨泊系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。1錨索鏈的拉向。錨泊系統(tǒng)在海洋環(huán)境內(nèi),平臺(tái)在海上受風(fēng)浪的作用可能來自任何方向,因此需要將錨索鏈拉向四面八方,即輻射狀的錨泊系統(tǒng)布置。通常根據(jù)平臺(tái)形狀布置,一般常規(guī)矩形平臺(tái)錨索鏈為8根,三角平臺(tái)為9根,五角形平臺(tái)為10根(見圖1)。2錨系統(tǒng)組成2.1轉(zhuǎn)嘴唇錨錨錨的種類繁多,移動(dòng)式平臺(tái)一般采用是轉(zhuǎn)爪錨(見圖2)。錨爪、錨桿和錨冠連為整體,錨柄和錨冠用銷軸鏈接。這樣錨爪和錨柄之間可以張開形成錨爪角。2.2錨柄入土的作用在錨的入土過程中要求不出現(xiàn)側(cè)躺、翻滾,為此通常設(shè)置錨桿,只要錨桿的尺寸適當(dāng),其穩(wěn)定性非常好。下面進(jìn)行入土分析。圖3(a)表示入土前,角β是錨爪與海底所形成的初傾角,它對(duì)錨爪能否入土影響很大,如果角β太小,就會(huì)在錨爪前形成土壤堆積;如果太大,則會(huì)使錨橫向翻倒,錨爪不能入土。合適的角度在17～20°。圖3(b)顯示出錨爪入土是施加于錨柄端部的水平拉力T與錨重力P的聯(lián)合作用。除了T和P外,錨爪上還受到土壤的阻力F。F的作用線與爪面法線形成δ角,該角與爪面粗糙度有關(guān)。錨爪入土的條件是P、F和T3力對(duì)錨柄端點(diǎn)A的矩之和MA>0。除了P、F和T以外,MA還與錨的長(zhǎng)度LV和錨爪角α有關(guān)。其中力T對(duì)A點(diǎn)矩為零,但它對(duì)F有影響。起決定性作用的是錨爪角α。對(duì)于不同的土壤,錨爪角存在一個(gè)臨界范圍,超過此范圍,錨爪就不能順利入土。一般在粒狀土壤中為30°～35°,在軟土壤約為50°,在硬粘土中為25°～30°。2.3有檔錨鏈的破壞強(qiáng)度錨泊線指的是錨鏈、錨索以及配上各種各樣的塊重和浮力器件的組合。錨鏈?zhǔn)怯稍S多鏈環(huán)連接而成的。鏈環(huán)分為有檔鏈環(huán)和無檔鏈環(huán)兩種,同樣的鏈徑,有檔鏈環(huán)強(qiáng)度約比無檔鏈環(huán)高20%。圖4為有檔錨鏈的質(zhì)量和破壞強(qiáng)度示意圖。在錨泊線中設(shè)置塊重,主要是控制錨泊系統(tǒng)的響應(yīng)。一般錨泊系統(tǒng)的剛度隨著塊重的單位長(zhǎng)度增加而增加,而錨泊線的最大張力則隨著塊重的總質(zhì)量而增加。錨泊線上設(shè)置浮力器件的作用是提供浮力,以支持接于其上的儀器裝置。3監(jiān)控方向下的平衡方程圖5(a)是無彈性懸垂線段上任意一纜索元的靜力圖,(b)是無彈性懸垂線段的靜力圖。圖5(a)中W是纜索的單位長(zhǎng)度質(zhì)量,dl為纜索元長(zhǎng)度,T為纜索元下端張力,dT為張力在dl上的增量,θ為T的方向(纜索元下端切線方向)與水平線的夾角,dθ為θ在dl上的增量。沿水平方向與垂直方向建立平衡方程,可得到(T+dT)cos(θ+dθ)-Tcosθ=0(1)(T+dT)sin(θ+dθ)-Tsinθ-Wdl=0(2)圖5(b)中,Ta、θa與Tb、θb為懸垂線ab兩端的張力及其傾角,T0為Ta與Tb的水平分量,ab的長(zhǎng)度l,a端與b端的垂直距離為y,水平距離為x0。T0與Ta與Tb的關(guān)系如下:T0=Tacosθa=Tbcosθb(3)經(jīng)過積分和轉(zhuǎn)化后得到:l=(T0/W)(tanθb-tanθa)(4)4錨泊線滑移線的修正移動(dòng)式平臺(tái)錨泊系統(tǒng)的錨泊線自平臺(tái)周邊向外輻射,各錨泊線并不匯交于一點(diǎn)。如果從研究整個(gè)系統(tǒng)的系泊特性考慮,可以假設(shè)是匯交的。理論計(jì)算和實(shí)際應(yīng)用都表明,這個(gè)假設(shè)是符合工程計(jì)算要求的。本文采用8錨均布錨泊定位系統(tǒng)作為說明,如圖6所示。圖中實(shí)線為預(yù)張狀態(tài)下錨泊線的位置,其匯交點(diǎn)o表示平臺(tái)在正中位置。實(shí)線與虛線圓的交點(diǎn)為預(yù)張狀態(tài)下錨泊線的懸垂部分與海底的切點(diǎn),各錨泊線的方位角以水平軸ox為起點(diǎn)按照逆時(shí)針方向表示。點(diǎn)o′表示平臺(tái)移動(dòng)后的位置,虛線為錨泊線的相應(yīng)位置。此時(shí),錨泊線懸垂部分與海底的切點(diǎn)位置比較難以準(zhǔn)確確定,為簡(jiǎn)化起見,假定仍在預(yù)張狀態(tài)的方向線上。錨泊線方向角的起始線平移到o′x′。平臺(tái)移動(dòng)后,oo′與ox夾角為φ?，F(xiàn)取第i根錨泊線進(jìn)行分析。在平臺(tái)移動(dòng)前,該線的上懸點(diǎn)為o,下切點(diǎn)為a;平臺(tái)移動(dòng)后,則上懸點(diǎn)為o′,下切點(diǎn)為b。Δl=ab是懸垂線長(zhǎng)度的增量,預(yù)張狀態(tài)下的橫距為Sp=oa,方位角為αi,移動(dòng)后的橫距Si=o′b,方位角為α′i,ob與o′b的夾角為γi。平臺(tái)的移動(dòng)距離是δ=oo′。根據(jù)勾股定理得到:S2i2i=[δsin(180°-αi+φ)]2+[Δl+Sp+δcos(180°-αi+φ)]2(5)而Δl是移動(dòng)后懸垂線長(zhǎng)度li與預(yù)張狀態(tài)懸垂線長(zhǎng)度lp之差,即:Δl=li-lp(6)(5)式代入(6)式,得li-√S2i-[δsin(180°-αi+φ)]2=lp-Sp-δcos(180°-αi+φ)(7)li?S2i?[δsin(180°?αi+φ)]2??????????????????????√=lp?Sp?δcos(180°?αi+φ)(7)由于δ與Si相比為極小量可以忽略,上式可簡(jiǎn)化為li-Si=lp-Sp-δcos(180°-αi+φ)(8)兩端除以水深h,整理得上式中的(l-sh)(l?sh)有一個(gè)特點(diǎn),其值越小,表明懸垂線張得越緊;其值越大,則懸垂線越松弛。當(dāng)錨泊線自由下垂時(shí),s=0,l=h,其值等于1?(l-sh)1?(l?sh)因此被稱作懸垂線的松弛度。式(4)表明平臺(tái)移動(dòng)后錨泊線的松弛度可根據(jù)其預(yù)緊狀態(tài)的松弛度和方位角結(jié)合平臺(tái)移動(dòng)方向和距離算出。在已經(jīng)知道預(yù)緊參數(shù)的情況下,可根據(jù)平臺(tái)移位后的狀態(tài)參數(shù)。進(jìn)而計(jì)算初錨泊線的方向角αi和錨泊系統(tǒng)的回復(fù)力(系泊力)Q。錨泊系統(tǒng)的回復(fù)力(系泊力)Q可根據(jù)各錨泊線上端的張力的水平分力Q′i和方向角α′i求得,即Q=√(n∑i=1Qisinα′i)2+(n∑i=1Qicosα′i)2(10)Q=(∑i=1nQisinα′i)2+(∑i=1nQicosα′i)2??????????????????????????????ue001?ue000ue000(10)Q的方向角為:β=tan-1[(n∑i=1Qisinα′i)/(n∑i=1Qicosα′i)](11)給出一系列δh值,算出對(duì)應(yīng)的Q值,即可得到錨泊系統(tǒng)的回復(fù)力對(duì)位移的曲線。5系統(tǒng)特征曲線的計(jì)算錨泊系統(tǒng)特性曲線計(jì)算的要求是,在平臺(tái)達(dá)到最大偏移量時(shí),錨泊線的最大張力達(dá)到最大許用值Tk=Tb/K。平臺(tái)偏移方向可按單根錨泊線受力最大或整個(gè)錨泊系統(tǒng)系泊能力來確定。在已知錨泊線的根數(shù)與分布形式,每根錨泊線的長(zhǎng)度、質(zhì)量、破壞強(qiáng)度(Tb),水深以及百分?jǐn)?shù)表示的平臺(tái)最大偏移量(δ/h)m的情況下,計(jì)算錨泊系統(tǒng)特性曲線的流程如下:(1)計(jì)算與Tk相應(yīng)的懸垂線松弛度(l-sh)k;(2)根據(jù)(l-sh)k及(δ/h)m計(jì)算預(yù)張狀態(tài)的松弛度(l-sh)p;(3)根據(jù)(l-sh)p計(jì)算預(yù)張力Tp;(4)確定偏角φ;(5)確定偏移量(δ/h)值;(6)根據(jù)αi計(jì)算(l-sh)i;(7)根據(jù)(l-sh)i計(jì)算Qi和α′i;(8)重復(fù)(6)(7)兩步,算出各錨泊線上的Qi和α′i;(9)根據(jù)公式(10)和公式(11)計(jì)算錨泊系統(tǒng)回復(fù)力Q和方向角β。給出一組偏移量值,重復(fù)(7)(8)(9)就可以算出某一水深時(shí),偏角為φ的錨泊系統(tǒng)特征曲線即(δ/h)-Q曲線。如果給出一組偏角(φi,i=1,2,3,….N),可得出不同的偏角下的錨泊系統(tǒng)