第十章锚泊系统ppt课件.ppt

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1、,第十章 锚泊系统,（Mooring System）,授 课 内 容,3 锚泊设备计算与要求,3 管节点的强度分析,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（anchor chain）,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.

2、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

3、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

4、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（multi strand）。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（anchor cable）,同样的断裂强度，缆重仅为链重的1/41/5,故深

5、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,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,2.3 FPSO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

6、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

7、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

8、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

9、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,2.3 FPSO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

10、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

11、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

12、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

13、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,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,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

14、量和抛锚距离,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,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

15、 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,z - 悬链线垂向位移T - 锚链（或锚缆）最大许用强度K - 锚链

16、（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 锚泊系统的静力分析,5.6 锚泊系统分析简介,概述,锚泊定位分析方法包括确定性静力分析、确定性动力分析、概率动力分析、锚泊定位系统合理分析方法,确定性静力分析方法计算简便，可满足一般精度要求，故在工程设计中被广泛应用,通常规定：1）平台在正常钻井作业时的水平偏移不得大于工作水深的5%（最大到6%）2）锚链在作业状态时的最大张力不得超过锚链断裂强度的1/33）最大水平拉

17、力不得超过锚的最大拉力4）最大允许的抛锚长度也受到锚链可存储长度的限制,5.1 锚链的松弛度,锚链松弛度可用来表征锚泊刚度，用 来表示，其值介于01,当锚链松弛度为0（即l=s）时：锚链被绷到最紧，此时链的回复力和张力均为无穷大当锚链松弛度为1（即s=0,l=h）时：锚链最松，此时链的回复力为0,h-水深,锚链的垂向刚度可用来表征锚链抑制平台升沉幅度的能力，用Kzz表示,5.2 锚链的垂向刚度,假设：假定作用于锚链的水平拉力Q不变，那么悬链线参数a近似为常量,单根锚链在垂直拉力作用下锚缆变化示意图,锚链的水平刚度用Kxx表示,5.3 锚链的水平刚度,单根锚链在水平拉力作用下锚缆变化示意图,由受

18、力最大的锚链入手，根据锚链的最大许用强度就可以确定系统的预张力,假定：,1）各锚链所受到的力为汇交力系2）锚链下端的抬起与原来悬链线处于同一平面里,5.4 锚泊系统预张力的确定,上式表示了锚泊定位系统中水平位移对各根锚链松弛度的影响。而且可判断当ai-=180时的那一根锚链松弛度最小，所受到的张力最大,假设悬链线长度为L0，链端P0离切点O的水平距离为S0。位移后的悬链线长度为L1，链端P1离切点O的水平距离为S1。,5.5 锚泊系统的静力分析,在着链点做水平位移后，悬链线长度L与水平距离S之差的变化相当于悬链线平面内链端的水平位移值当平台位移前锚链预张力给定时，L0、S0为已知值，由此可求出

19、L1-S1。由于的L1-S1值与悬链线张力的水平分力Q存在唯一的对应关系，故可求得Q值和全部新的悬链线状态参数,从锚链对平台的作用来看，可将锚链视为连接在平台着链点上的非线性弹簧锚泊平台系统可视为由若干按一定方向布置的非线性弹簧支持的刚体运动体系,5.5 锚泊系统的静力分析,链端位移时链态变化 （a）锚链俯视图 （b）锚位移前后的悬链线,在锚泊系统静力分析计算中，把外力当做静力，由该静力使平台产生平均静力位移，而将振荡运动引起的运动看做平台围绕平均静力位移的偏移锚泊系统静力分析方法适用于锚泊平台运动幅值很小的情况在风暴工况下或破损工况下，静力分析方法会明显低估与波频运动相关的动张力，此时应采用锚泊系统的确定性动力分析或锚泊系统的合理分析,5.6 锚泊系统分析简介,锚泊系统的合理分析：在概念设计和基本设计阶段，针对给定的环境荷载和平台尺度等条件进行静力分析，按照标准对平台的锚泊设计进行评价，使锚泊设计满足全部要求,基本设计阶段：采用确定性动力分析，进行动力、张力、平台运动轨迹的分析,详细设计阶段：在搜集到平台工作海域的长期海况资料的基础上，采用概率动力分析方法计算锚缆最大张力和进行疲劳分析,