一種適用于石油平臺的有纜潛標系統的設計與布放方法

倪佐濤, 姜靜波, 徐永平, 李思忍, 涂登志

(中國科學院 海洋研究所, 山東 青島 266071)

在海上石油氣田生產過程中, 海洋油氣生產平臺附近的海洋環境動力因素會對平臺自身結構產生較大的影響, 尤其是每年夏季的臺風季節, 海洋環境動力因素對平臺結構的影響成為保障石油平臺安全生產的一個新的研究課題。由于平臺自身的管架結構, 測量設備易受潮汐海流的影響纏繞在平臺管架上, 所以通常遠離平臺布放, 所獲得數據有一定誤差。通常安裝于平臺上的觀測設備采用船舶和水下機器人共同布放的方式進行, 費時費力[1]。本文設計一套有纜潛標系統, 從海底到平臺垂直布放一根受力鋼纜, 測量設備和通訊電纜依附于受力鋼纜上。布放時采用船舶布放有纜潛標水下部分, 平臺布放有纜潛標水面以上部分, 兩部分在水面附近進行連接, 調整受力, 可以快速完成布放。

1 有纜潛標系統概況

有纜潛標系統所在平臺為一個導管架結構平臺,附近平均水深196 m, 需要建立一套有纜潛標測量海底到平臺的海流和溫鹽剖面數據。該系統的數據采集通訊電纜長度總計250 m, 其中196 m位于水下,連接26臺設備, 分布于水下20 m至水下193 m位置。整個有纜潛標系統具有以下特點: (1)有纜潛標系統通訊電纜長 250 m, 通訊電纜本身承受拉力能力差’ (2)懸掛26臺不同測量設備, 分布于水下20 m到193 m范圍內, 最下方的設備距離海底3 m, 為防止纏繞平臺管架和對儀器產生不良震動, 無法采用重力投放的系統; (3)系統布放錨系點位于樁腿附近,電纜容易與樁腿產生纏繞; (4)通訊電纜提供電力和數據接口。

2 有纜潛標系統設計

根據以上特點, 有纜潛標系統設計為在平臺的火炬臂下安裝一個滑輪為吊掛點, 吊掛點投影位于平臺樁腿圍繞區域以外。從吊掛點到錨系重物之間設置一根受力鋼纜, 通訊電纜和測量設備依附于受力鋼纜之上的系統結構。采用此結構可以最大限度降低海流對通訊電纜的拉力, 布放時采用緩慢釋放錨系重物的方式進行系統釋放, 降低對設備的沖擊力, 并可以控制錨系點位置。

如圖1所示, 有纜潛標系統由電動防爆絞車、導向滑輪、受力鋼纜、通訊電纜、測量傳感器、錨系重物組成。在施工平臺34 m平臺處安裝一臺電動防爆絞車, 在施工平臺的火炬臂距離水面43 m處安裝一套導向滑輪為上懸掛點, 該懸掛點投影在所施工平臺樁腿外側, 受力鋼纜一端連接錨系重物, 另一端經火炬臂下的懸掛點滑輪到電動防爆絞車, 通訊電纜和傳感器依附于受力鋼纜上。系統在整個受錨系重物拉力拉緊后, 提供剖面測量平臺。

本系統布放的通訊電纜長 250 m, 受力鋼纜長320 m(包括電動防爆絞車滾筒上的部分), 通訊電纜通過夾子依附于受力鋼纜上, 無法直接通過滑輪,因此, 將受力鋼纜分成兩部分, 第一段為錨系重物到水面上20 m處, 共計216 m, 其中水下196 m, 第二段為水上20 m處到電動防爆絞車滾筒, 第一段和第二段鋼纜之間采用連接鋼環進行連接。通過電動防爆絞車進行提拉, 使系統整體受力拉緊。水面上20 m連接環處連接一根細鋼絲繩斜拉到平臺34 m平臺處, 通訊電纜經過連接鋼環后依附于斜拉鋼絲繩上, 拉至34 m平臺數據接口處。

圖1 有纜潛標系統結構示意圖Fig. 1 Schematic diagram of mooring wired-buoy system

3 有纜潛標系統布放

在有纜潛標系統現場布放過程中, 受力鋼纜的布放是整個系統的布放重點。第一部分鋼纜上依附通訊電纜和傳感器, 布放過程中需要避免碰撞和振動, 并且布放過程中需要避免鋼纜和線纜之間的纏繞。我們采用船舶布放第一段受力鋼纜至海底指定點, 作業平臺布放第二段鋼纜, 兩段鋼纜布放完畢后, 使用連接環進行連接, 最后用電動防爆絞車進行提拉受力, 使整個系統受力拉緊, 完成布放。

系統按照錨系重物、釋放器、受力鋼纜、連接環的順序進行連接。從最下方的傳感器開始, 每隔 1 m,使用夾子將通訊電纜和受力鋼纜進行連接固定, 每隔15 m左右安裝一個不銹鋼吊環。該吊環由不銹鋼材質制作, 如圖2所示, 主體為一個梯形結構不銹鋼板, 在梯形板的上底和下底之間留有 3對孔, 孔距和鋼絲繩抓緊器尺寸一致, 在一個梯形結構不銹鋼板上底焊接一個吊環, 吊環方向與斜邊方向一致[2]。該吊環可以承受2 t拉力不產生位移, 滿足布放回收過程的要求。

圖2 吊環Fig. 2 Stationary rings

布放該系統時, 利用船舶的兩臺絞車和船尾的三角架實施布放。我們將守護船絞車的鋼纜命名為布放鋼纜 I, 布放鋼纜 II, 與之連接的脫鉤器命名為脫鉤器 1, 脫鉤器 2, 受力鋼纜上的不銹鋼環從下至上依稀命名為, ①, ②, ③……。布放時, 將脫鉤器2掛到不銹鋼環, 脫鉤器1掛到錨系重物上, 布放鋼纜I收緊, 脫鉤器1受力鎖緊, 將錨系系統提拉到三腳架定點, 如圖 3 布放步驟 1所示。釋放布放鋼纜 I, 錨系重物入海, 受力鋼纜和通訊電纜順勢送入海中, 繼續釋放布放鋼纜I, 如圖3 布放步驟2所示。電動絞車2保持不動, 脫鉤器2受力鎖緊不銹鋼環,布放鋼纜 II受力, 錨系系統重量轉至布放鋼纜 II上,繼續釋放布放鋼纜I至不受力, 脫鉤器1自動松開脫離錨系重物, 如圖3 布放步驟3所示。布放鋼纜I回收到甲板, 脫鉤器1掛到不銹鋼環[1]上, 如圖3布放步驟4所示。釋放布放鋼纜II, 至布放鋼纜I受力, 脫鉤器1抓緊不銹鋼環①, 系統重量轉移到布放鋼纜I上, 繼續釋放布放鋼纜II至脫鉤器2不受力松開, 回收布放鋼纜 II到甲板, 依此類推, 將受力鋼纜第一部分釋放到最后一個吊環。通知船舶駕駛臺調整船位到釋放點, 通知平臺操縱電動防爆絞車將受力鋼纜第二部分釋放至水面, 將受力鋼纜的兩部分通過不銹鋼連接環連接,通過斜拉繩索將通訊電纜拉到平臺甲板, 釋放錨系重物到指定點后, 布放鋼纜不受力, 脫鉤器自動脫開?；厥詹挤配摾|, 電動絞車提拉整個系統至鋼纜受力拉直。至此布放工作完成。

圖3 有纜潛標系統布放示意圖Fig. 3 Schematic diagram of release

4 總結

本系統于2011年5月份在番禺30-1平臺順利布放成功, 布放完畢后, 水下機器人對系統進行全面檢查, 整個系統工作正常。該海區經歷 2011年 4號臺風“海馬”后, 系統未發生漂移及纏繞等現象。

對于本系統的設計與布放工作, 總結如下:(1)系統設計上采用通訊電纜依附于受力鋼纜上的結構形式, 減少通訊電纜的強度要求, 保證在惡劣海況下系統的安全性。(2)本次布放對于海上工作量要求低。通訊電纜和受力鋼纜可以在陸地上完成連接工作, 在船舶上只需進行系統的展開和連接。節省在船舶甲板作業時間和降低海上工作量。(3)布放速度快。本次采用脫鉤器布放受力鋼纜的第一部分只用40 min,對船舶原位時間要求少, 降低船舶定點操縱難度。整個系統布放完畢在1 h左右。只需在海上平流期即可完成作業, 對海況要求低。

[1]楊坤漢, 王明午. 繃緊型單點錨定潛標系統布放回收操作方法[J]. 海洋技術, 1989, 8(1): 51-69.

[2]吳宗澤, 高志. 機械設計[M]. 北京: 高等教育出版社,2008: 15-54.