深水工程船多點系泊海底鏈設計分析

徐田甜，張美榮

(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

深水工程船通常采用半張緊式系泊系統，海底錨基礎上的錨點處承受垂向和水平向荷載的作用。吸力錨因具有水下定位精確、可重復利用、可承受較大的水平向荷載和海上安裝費用低等優點，已成為深水工程船普遍采用的錨基礎型式。安裝船預鋪設并拖拽海底鏈使部分海底鏈嵌入土中形成反懸鏈線形態。工程船海上安裝時，安裝船從海底提升系泊線的船體鏈與工程船的掣鏈器連接，工程船錨機根據海上安裝誤差調整各系泊線的出線長度和預張力，確保工程船的定位精度和系泊性能。海底鏈的反懸鏈線形態決定了吸力錨錨點處的荷載。基于此，對一艘深水工程船的多點系泊海底鏈工程進行設計分析。

1 工程船系泊系統設計

1.1 工程船系泊總體方案

工程船位于某熱帶環境條件溫和海域25 a不解脫，環境條件見表1，作業處水深1 470 m，最高、最低天文潮位和百年一遇風暴增水分別為+1.09、-1.11和+0.5 m。工程船總長×型寬×型深為330 m×61 m×33.5 m，定位采用4組、共16根系泊線，相鄰系泊線之間夾角為2°，總體布置示意圖見圖1。

表1 工程船作業海域環境條件

圖1 工程船多點系泊總體布置示意

每根系泊線由船體鏈、錨纜、海底鏈(含錨頭鏈)及連接器組成。16根錨頭鏈的出土點為理論錨固點(theoretical anchor point，TAP)，TAP(圖1中的S～S、P～P)與工程船掣鏈器之間的理論設計水平距離均為2 100 m；TAP處水深范圍分別為1 432～1 513 m。每個吸力錨直徑6 m，高27 m，入土深度26 m，自重質量218 t。按照API RP 2SK規范，錨點(Anchor pad eye)在海床之下深度取為吸力錨入土深度的2/3，即17.3 m，見圖2。

圖2 吸力錨、錨頭鏈和連接器

1.2 系泊設計控制性工況

工程船系泊系統設計采用準動態分析方法和ARIANE7軟件，滿足其所屬公司企業標準《系泊系統設計總則》(以下簡稱企標)、ISO19901-7、API RP 2SK和BV-NR493等規范要求。系泊系統分析模型中，TAP之上海底鏈和錨纜的長度分別取320和2 220 m，考慮系泊線完整、1根或2根系泊線破斷和瞬態自存等工況。百年一遇環境條件工況是系泊系統設計的控制性工況，企標要求和海底鏈詳細設計初期分析結果見表2。

表2 企標要求和海底鏈詳細設計初期分析結果

1根系泊線破斷的控制性工況為：S系泊線破斷后，S系泊線上的張力最大；S系泊線破斷后，工程船平面位移最大。2根系泊線破斷的控制性工況為：S和S系泊線破斷后，S系泊線上的張力最大；S和S系泊線破斷后，工程船平面位移最大。

海底鏈為BV QR3級無檔鏈，直徑147 mm，無腐蝕和扣除11.2 mm腐蝕余量后的最小破斷拉力分別為15 536 kN和13 627 kN。船體鏈和錨纜直徑分別為157 mm和118 mm，無腐蝕的最小破斷拉力分別為17 282 kN和13 900 kN。

企標要求，海底鏈的長度應保證工程船海上安裝時錨機提升預張系泊線后，仍有一段海底鏈平躺在海床上，使海底鏈能以最佳效率嵌入土中。工程船海上安裝完工時，海底鏈在TAP處的預張力設計結果見表3。

表3 海底鏈預張力設計結果

可見工程船海上安裝，錨機提升張緊系泊線時應使海底鏈在TAP處的預張力最大達到1 723 kN。工程船詳細設計末期，按BV-NR493和NI605規范要求分別計入工程船船體、上部模塊和系泊線詳設完工狀態影響和吸力錨設計安全系數后，得到的海底鏈在TAP處的最大張力見表4。

表4 海底鏈在TAP處的最大張力

錨纜為系泊線上最薄弱部件，瞬態自存工況為百年一遇環境條件時，1根錨纜突然破斷而導致的工程船系泊系統瞬態運動過程；企標要求：瞬態自存工況時，海底鏈在TAP處的張力取為1.1倍的錨纜最小破斷拉力。

2 工程船系泊系統海上安裝誤差

2.1 系泊線部件制造誤差

系泊線部件制造要求錨頭鏈、海底鏈和船體鏈制造長度為正誤差，單根錨鏈制造長度正誤差小于錨鏈長的2.5%；要求錨纜制造長度正誤差小于錨纜長的0.2%。系泊線部件制造長度完工誤差見表5，系泊線的制造長度大于理論設計長度。

表5 系泊線部件制造長度完工誤差 m

2.2 海上安裝誤差

系泊系統設計應考慮海上安裝誤差的敏感性影響。按照API RP 2SK規范和企標要求，工程船系泊系統海上安裝誤差要求見表6。吸力錨的錨點位置誤差須綜合考慮吸力錨平面位置誤差±5 m和由吸力錨垂直度誤差引起的位置誤差±1.5 m，合計取為±6.5 m。

表6 工程船系泊系統海上安裝誤差要求

船體鏈在工程船掣鏈器之下的理論設計出鏈長度為43.6～99.8 m，海上安裝允許船體鏈在掣鏈器之下相較理論出鏈環數多放出2個或少放出4個鏈環以微調系泊線的預張力，則船體鏈的長度增加1.256 m或減少2.512 m。為應對各種海上安裝誤差的影響，船體鏈的長度應有足夠冗余，以便工程船錨機在海上安裝時調整船體鏈從掣鏈器放出的鏈環數量，精確調整各系泊線的出線長度和預張力。吸力錨海上安裝完工誤差見表7。

表7 吸力錨海上安裝完工誤差

2.3 海上安裝誤差影響分析

工程船系泊系統設計百年一遇環境條件工況分別考慮TAP位置誤差和系泊線出線長度誤差的敏感性影響，分析結果見表8。

表8 海上安裝誤差的敏感性影響分析結果

分析TAP位置誤差對S系泊線上的最大準動態張力變化影響，考慮兩種誤差模式:

1)S系泊線TAP靠近掣鏈器6.5 m，其他右舷7根系泊線TAP均遠離掣鏈器6.5 m，左舷P～P系泊線TAP位置誤差為0。

2)S系泊線TAP沿該船縱向靠近船舯6.5 m，S～S系泊線TAP均沿工程船縱向向船艏遠離工程船船舯6.5 m，S～S系泊線TAP均沿工程船縱向向船艉遠離工程船船舯6.5 m，左舷P～P系泊線TAP位置誤差為0。

分析TAP位置誤差對工程船最大平面位移變化影響，考慮兩種誤差模式:

1)右舷S～S系泊線TAP均遠離掣鏈器6.5 m，左舷P～P系泊線TAP位置誤差為0。

2)右舷S～S系泊線TAP均沿工程船縱向向船艏遠離船舯6.5 m，S～S系泊線TAP均沿工程船縱向向船艉遠離船舯6.5 m，左舷P～P系泊線TAP位置誤差為0。

分析系泊線出線長度誤差對S系泊線上的最大準動態張力變化影響，考慮的誤差模式為：S系泊線船體鏈少放出2個鏈環，S、S和S系泊線船體鏈均多放出2個鏈環，P～P系泊線出線長度誤差為0。

分析系泊線出線長度誤差對工程船最大平面位移變化影響，考慮的誤差模式為：右舷S～S系泊線船體鏈均多放出2個鏈環，P～P系泊線出線長度誤差為0。

由表8可見，工程船系泊系統詳細設計考慮海上安裝誤差的影響后，系泊線的強度仍滿足企標要求；但應通過調整船體鏈的出鏈數量來精確控制出線長度，保證系泊線完整工況時工程船的最大平面位移仍滿足企標要求。百年一遇環境條件的最低天文潮時，工程船平面位移最大，按懸鏈線方程分析得出：TAP之上海底鏈的長度取320 m，錨纜的底端在海床之上的高度為1.41～3.62 m，即錨纜在工程船平面位移最大的極端工況時不會接觸海床，避免錨纜摩擦海床而受損，滿足BV-NR493規范中關于錨纜的底端在海床之上的高度大于1.0 m的要求。

3 海底鏈反懸鏈線形態分析

吸力錨海上安裝時錨頭鏈隨吸力錨一同入土，由水下機器人(ROV)安裝海底鏈和錨頭鏈之間連接器的銷后，海底鏈和錨頭鏈即連為整段，再由安裝船拖拽海底鏈使錨鏈切割土體，見圖3。

圖3 ROV安裝海底鏈和錨頭鏈之間連接器的銷

嵌入土中的錨鏈受到土體對其的切向力和法向力以及錨鏈自重力的作用，形成反懸鏈線形態。

3.1 土體不排水剪切強度

海底鏈嵌入土中的反懸鏈線形態與土體的性質有關。工程船作業海域的海底為飽和軟黏土；海床至1.5 m深的表層土體的不排水剪切強度S隨深度劇烈變化；深度大于1.5 m后，土體S隨深度逐漸增加，見表9；S為土體的靈敏度指數，即未擾動土體不排水抗剪強度/擾動后土體不排水抗剪強度的比值。土體的S存在不確定性，以S上限值分析確定海底鏈反懸鏈線形態，以S下限值評估S的不確定性對海底鏈反懸鏈線形態的敏感性影響。

表9 土體不排水剪切強度Su

3.2 反懸鏈線形態分析方法

嵌入土中的錨鏈微元段受力模型見圖4。

圖4 土中錨鏈微元段受力模型

土中錨鏈微元段的靜力平衡控制微分方程為

(1)

(2)

考慮海底鏈受軸向張力產生的彈性變形因素，土中錨鏈微元段的控制微分方程為

(3)

(4)

式(1)～(4)中，為錨鏈的軸向張力；為錨鏈原始微元段的長度；和分別為土體對錨鏈沿切向和法向作用力；為在土中單位長度錨鏈的浮重度；為錨鏈微元段與水平面夾角；為錨鏈的彈性模量；為錨鏈的截面積。

=×××

(5)

=××

(6)

=×

(7)

=

(8)

式(5)～(8)中，為錨鏈與土體之間的黏滯系數，取為03；和分別為法向和切向的有效寬度系數，=2.5，=8.0；為錨鏈單鏈環的直徑；和為黏土中作用于錨鏈單位長度上的法向和切向土抗力；為承載力系數，在海床處取5.14，從海床到深度6處線性增至76，在深度6之下處取7.6。

3.3 反懸鏈線形態分析結果

計算及分析結果見表10。由表10可見，工程船在位，系泊線完整工況時，的取值變化對嵌入土中錨鏈的長度影響約為2.7 m；各工況的TAP位置變化范圍約為6 m，此變化范圍在系泊系統海上安裝誤差影響分析涵蓋的范圍之內。

表10 海底鏈反懸鏈線形態分析結果

以表10中的百年一遇環境條件，最高天文潮位+風暴增水水深，系泊線完整工況的海底鏈反懸鏈線形態分析結果作為確定吸力錨的安裝位置和海底鏈總長度的基準工況，即吸力錨錨點與TAP之間的水平距離為36.9 m；海底鏈的全長取為360.69 m，包括錨頭鏈段長19.25 m、安裝船海上安裝的海底鏈段長339.75 m、錨頭鏈與錨點之間的連接器A長0.902 m、錨頭鏈與海底鏈之間的連接器B長0.789 m。

錨頭鏈在吸力錨錨點處的張力分析結果見表11。

表11 錨頭鏈在吸力錨錨點處的準動態張力分析結果

由表11可見，工程船在位時，錨頭鏈在錨點處與水平面夾角范圍為31°～35°，在吸力錨最佳承載角度范圍內；S的取值變化對錨頭鏈在錨點處的張力分析結果影響小于2.1%；錨頭鏈在錨點處的張力比在TAP處的張力降低約2.7%～4.4%。

3.4 安裝船拖拽海底鏈嵌入土中分析

安裝船拖拽海底鏈嵌入土中應以盡量小的觸地點(touch down piont, TDP)處水平拉力保證錨鏈嵌入土中的效率，降低對海上安裝機具的性能要求。

為評估安裝船拖拽海底鏈嵌入土中所需的TDP處最小水平拉力，對所處水深最深的S海底鏈在TDP處的水平拉力為1 000 kN～1 700 kN進行數值迭代求解，計算反懸鏈線形態特征參數并做趨勢外推，見圖5、6，得出海底鏈在TDP處的水平拉力為500 kN時的反懸鏈線形態結果見表12。

圖5 吸力錨錨點與TDP之間的水平距離

圖6 海底鏈嵌入土中的長度

表12 海底鏈反懸鏈線形態分析結果(海上安裝工況)

即海底鏈海上安裝完工的TDP位置與工程船在位時的TAP位置的偏差范圍為1.8 m～4.2 m，滿足企標要求。安裝船拖拽海底鏈嵌入土中時，應使錨鏈在TDP處水平拉力達到500 kN。

4 海底鏈海上安裝分析

為縮短工程船海上安裝工期，吸力錨和系泊線在工程船海上安裝前1年采用預鋪設法安裝、鋪設在海底，動員DP-3動力定位3 000 t級起重船，起重船右舷配備安裝收/棄絞車(abandonment and recovery winch，A/R絞車)，A/R絞車和安裝纜繩的額定負荷分別為3 433 kN、3 896 kN。

應用ORCAFLEX軟件對起重船拖拽所處水深最深的海底鏈工況進行靜、動態分析。一年一遇環境條件作業海況的最大有義波高為2.7 m，分析的波浪譜峰周期范圍為8～16 s；起重船的艏向或艉向與波浪方向夾角保持在±15°以內，以降低起重船的運動幅值。A/R絞車的安裝纜繩與海底鏈采用三角耳板連接，此連接點與海底鏈頂端之間的鏈長為65 m。海上安裝時，要求起重船從吸力錨正上方開始移位，至A/R絞車與吸力錨之間的水平距離為600 m，起重船最終在此位置動力定位。

起重船拖拽海底鏈初始靜態工況設定錨鏈在TDP處水平拉力為500 kN。起重船移位時，A/R絞車同步調整安裝纜繩的出線長度，控制海底鏈在TDP處與水平面夾角小于5°，見圖7。

圖7 起重船拖拽海底鏈工況

海底鏈TDP到達設計位置后，A/R絞車控制保持安裝纜繩頂部張力約1 962 kN至少15 min，使海底鏈的反懸鏈線形態穩定后，再將海底鏈、錨纜和船體鏈依次預鋪設在海床上。

海底鏈海上安裝分析主要結果見表13。由表13可見，波浪譜峰周期為10 s時，A/R絞車處的拉力達到最大值；海底鏈在TDP處的水平拉力大于500 kN，海底鏈在TDP處與水平面夾角范圍為3.9°～4.7°，滿足海底鏈嵌入土中的技術要求。

表13 海底鏈海上安裝分析結果

5 結論

1)海底鏈在海床之上的長度應保證工程船在位工況時，錨纜不會接觸海床，避免錨纜摩擦海床而受損。

2)應用數值迭代求解控制微分方程分析海底鏈的反懸鏈線形態時，系泊張力的輸入值應足夠大，保證反懸鏈線形態計算結果收斂、可靠。

3)工程船在位工況時，理論錨固點的位置變化和嵌入土中的海底鏈長度變化范圍應盡量減少海底鏈在土中的滑移，保證吸力錨的承載性能。

4)安裝船拖拽海底鏈嵌入土中的安裝工況時，應控制海底鏈在觸地點處與水平面夾角小于5°，保證海底鏈嵌入土中的效率，降低對海上安裝機具的性能要求；應校核起重船安裝收/棄絞車處和安裝纜繩的最大動態拉力小于額定工作負荷，確保作業安全。