深海SPAR平台锚泊系统和锚固基础应用综述.pdf

第2 6 卷第5 期 2 0 1 1 年1 0 月 中国海洋平台 C H I N A0 F F S H O R EP L A T F o R M V 0 1 2 6N o 5 O ct ，2 0 1 1 文章编号：1 0 0 1 - 4 5 0 0 ( 2 0 1 1 ) 0 5 - 0 0 0 6 - 0 5 深海S P A R 平台锚泊系统和锚固基础应用综述 李飒1 ，郝立忠1 ，李忠刚2 ( 1 天津大学，天津3 0 0 0 7 2 ；2 中船重工船舶设计研究中o ，北京1 0 0 0 8 5 ) 摘要：螓夸介绍了现有的S P A R 平台系泊乐统的基本情况同时连棒了几十有代表性的S P A R 平台对 他们的系泊系坑以厦锚田基础进行了分析，忌蛄了S P A R 平台系泊乐皖的发展趋势将对丧田深水s P A R 平台 的设计和研发提供可靠的依据 关键词：S P A R 平台，描泊系统I 铸目基础 中田分类号：P 7 5文慷标识码：A T h eD e v e lo p m e n to ft h eM o o r in gS y s t e ma n dF o u n d a t io no fS P A R L IS a l，H A OL i z h o n 9 1 ，L I Z h o n g - g a n 9 2 ( 1 T ia n j inU n iv e r s it y ，T ia n j in3 0 0 0 7 2 ，C I lin a I 2 C h in aS h ipD e s ig n R e s e a r chC e n t r eC o L t d ，B e ij in g1 0 0 0 8 5 。C h in a ) A b s t r a ct ：I nt h isp a p e r w ech o o s es ixt y p ica lS P A Rf r o mt o t a lS P A Rt h a tisb e in gu s e d a llo v e rt h ew o r ldt oin t r o d u cet h e irm o o r in gs y s t e ma n df o u n d a t io n B a s e do nt h es u m m a r y t h eu t iliz a t io no fS P A R ，w ed is cu s st h ed e v e lo p m e n tt r e n do fm o o r in gs y s t e ma n df o u n d a t io n o fS P A R T h isw ill p r o v id et h er e lia b leg is tf o rd e v e lo p in go u ro w nt e ch n o lo g yo fS P A R K e yw o r d s ：S P A R l m o o r in gs y s t e m ；a n ch o tf o u n d a t io n 0 引言 S P A R 平台技术应用于海洋开发已 经超过3 0 年的历史，但在1 9 8 7 年以前， S P A R 平台主要是作为辅助系统而不是 直接的生产系统。从结构上讲，S P A R 平 台可以分为三个部分：平台上体，平台主 体和系泊系统( 包括锚同基础) 。 S P A R 平台到且前为止已经发展到 第三代( 见图1 ) 。第一代S P A R 平台称 图1S P A R 平台的结构形式 为经典S P A R 平台( C la s s icS P A R ) 。主要特点是主体为封闭式单柱圆筒结构，体形巨大 第二代S P A R 平 台称为构架S P A R 平台( T r u s sS P A R ) ，对第一代S P A R 平台的主体结构进行了改进。平台主体上部的硬 啦稿日期：2 0 1 0 1 1 - 0 2 基盒项目：国家高技术研究发展计划( 8 6 3 ) 项目编号。2 0 0 6 A A 0 9 A 1 1 0 作者简介：李飒( 1 9 7 0 一) ，女博士，副教授 第5 期 李飒等深海S P A R 平台锚泊系统和锚固基础应用综述 7 舱是封闭式圆柱结构，中部采用了开放式构架结构，下部是底部压载舱。目前，T r u s sS P A R 平台是建成使 用最多的S P A R 平台；第三代S P A R 平台称为蜂窝S P A R 平台( C e llS P A R ) 。对主体结构作了进一步的改 进。由若干个小型的、中空的圆柱形主体组成，组装时以一个小型圆柱为中心，将其他的圆柱体环绕捆绑在 该中心圆柱体上，形成一个蜂巢形的主体结构。 1 S P A R 平台的使用现状 目前建成使用的S P A R 平台一共有1 4 座，其中1 3 座位于美国墨西哥湾内，1 座位于南中国海的沙巴海 域。拟建和在建的S P A R 平台有2 座，也位于墨西哥湾海域，其基本情况见表1 。 表1建成的S P A R 平台系泊系统和锚固基础基本情况 从表中可见，S P A R 平台的工作水深大多数都超过了10 0 0m ，最大工作水深达到17 0 0m 。拟建的 S P A R 平台有C h e v r o nS P A R 平台，工作水深为29 5 31 3 1 ，G r e a tw h it eS P A R 平台水深24 4 1m 。可见，目前 S P A R 平台有向更大水深中使用的发展趋势。 2 S P A R 平台的系泊系统和锚固基础 S P A R 平台的系泊系统都是由链一缆一链组成的张拉悬链线系统( 如图2 所示) 。所谓张拉系统是指系 泊系统的锚固基础在任何工况条件下都存在向上的力。 系泊索一般有三部分组成。最上面的部分称为船体链段，由安装在主体结构上部甲板的链式起重机或 起链机提供张拉力，并通过导缆孔与下部锚缆相连。系泊系统的中间段为螺旋钢缆或尼龙缆，下部与海底链 段相连。锚缆的长度和锚泊系统提供的张拉力应保证除非在非常极端的工况条件下，钢缆或尼龙缆不与海 底相接触。海底链段与桩或吸力锚相连，桩或吸力锚可以提供足够的抗拔力和水平承载力。 S P A R 平台系泊系统的一个显著特点是其覆盖区域很大，锚固基础与S P A R 主体的距离可达到数千英 尺，图3 为H o o v e r D ia n aS P A R 平台系泊系统的情况。 由于S P A R 平台各个锚固基础之间的距离较大，因此在进行锚固基础设计时，对海底工程地质的勘查 也就提出了更高的要求。一般来说，每一组系泊链以及锚固基础需要至少一个钻孔提供相应的数据资料。 S P A R 平台的锚固基础一般为打人式桩基或吸力锚。在已有的1 4 座S P A R 平台中采用桩基的有9 座，采用 吸力锚的有5 座。但是近年来有关吸力锚在S P A R 平台中的应用是一个研究热点问题，锚固基础有以吸力 锚取代桩基的趋势。 中国海洋平台 第2 6 卷第5 期 图2S P A R 的锚泊系统图3H o o v e r D ia n aS P A R 系泊系统 3S P A R 平台系泊系统实例分析 ( 1 ) N e p t u r eS P A R 平台( 建于1 9 9 6 年) 平台位于墨西哥湾，工作水深5 8 8in 。主体长2 1 5m 。外径2 2m ，主体重1 29 0 6t ，设计载重5 99 3 0k N 。 N e p t u r eS P A R 通过6 条系泊索固定，锚索由锚链一螺旋绞合钢绳一锚链组成，直径均为1 2C iT I ，总长度 11 2 5m 。锚固基础为直径2 1m 、长5 4 9m 的桩基，桩基通过水下液压锤贯人 ( 2 ) H o r nM o u n t a inS P A R 平台( 建于2 0 0 2 年) H o r nM o u n t a inS P A R 位于墨西哥湾工作水深16 4 6m 。主体长1 7 0m ，直径3 2m 。主体重1 46 0 0t ， 设计载重8 60 0 0k N 。是第一个使用吸力锚作为锚固基础的S P A R 平台。 该平奇采用9 条系泊索定位，每3 条为一组，共3 组。每条系泊索均长23 0 0 m 。由两端各7 5 m 长的锚 链和中部的钢缆组成。锚链和中部的钢缆的直径均为1 4 ，锚固基础为吸力锚。H o r nM o u n t a inS P A R 平台使用的吸力锚见图4 、图5 。对应于9 条锚索。共安装9 个吸力锚。由于各个系泊索所承受的荷载不同， 吸力锚也采用了不同的设计。其中6 个吸力锚用以固定受力较小的锚索，直径5 5m ，长2 6 2m t 其余用于 固定受力较大锚索的吸力锚的直径5 5r n ，长2 7 7m 海底基础距S P A R 主体的水平距离在16 0 0m 以上。 圈4H o mM o u n t a inS P A R 平台使用的嗳力话 图5 吸力锚在土中的状态 ( 3 ) H o ls t e inS P A R 平台( 建于2 0 0 4 年) H o ls t e inS P A R 平台是目前世界上最大的T r u s sS P A R 。位于墨西哥湾，工作水深13 0 8m 。平台主体 长2 2 7m ，直径4 5m 。主体重3 70 0 0t ，设计载重2 3 99 0 0k N 。 H o ls t e inS P A R 平台的锚泊系统也是目前世界上最大的锚泊系统，由1 6 条锚索组成。锚索分为4 组，每 组4 条。锚索的链段直径为1 7cm 总置约为43 0 0t l钢缆段的直径为1 5cm ，总重约为28 6 0t 。锚索通过 第5 期李飒等深海S P A R 平台锚泊系统和锚固基础应用综述 吸力锚固定在海底，吸力锚的直径约为5 5m ，长度约为3 9m 。吸力锚在H o ls t e ins P A R 的成功使用肯定 了吸力锚在深海锚固基础中的地位。 ( 4 ) M a dD o gS P A R 平台( 建于2 0 0 4 年) M a dd o gS P A R 平台位于墨西哥湾，工作水深13 1 1m 。主体长1 6 9m ，直径3 9m 。主体重2 00 0 0t ，设 计载重1 6 32 9 0k N 。 M a dd o gS P A R 平台的锚泊系统由1 1 条锚索组成，4 条一组的有2 组，其余3 条为一组( 如图6 所示) 。 M a dd o gS P A R 平台锚泊系统最显著的特点是它的锚索中段是采用了尼龙缆绳。尼龙缆绳的重量大大轻于 钢缆的重量，对水深的增加不敏感，可以大大提高平台的有效荷载。但是采用尼龙缆绳使得设计计算更为复 杂，主要表现在钢缆受力时表现出弹性性质，而尼龙缆绳则有明显的非线性特征。 从图6 中可以看出M a dd o gS P A R 平台所在位置的海底地形比较复杂，存在水下边坡，且勘查资料表 明各个锚固基础所在位置的土体性质差别较大。在这种情况下，M a dd o gS P A R 平台的锚固基础仍然选择 了吸力锚( 见图7 所示) 。根据实际的土体状况，吸力锚的直径分别选择了5 5 m 和7 6 m 两种，设计人土深 度也根据所在位置的不同采取了从1 4 2m 2 5 9m 的7 种不同数值。M a dd o gS P A R 平台的锚泊系统的 设计采用了很多新思路和新方法，取得了很多技术上的突破。 图6M a dd o gS P A R 平台锚泊系统图7 制作中的M a dd o g S P A R 平台的嗳力锚 ( 5 ) K ik e hS P A R 平台( 建于2 0 0 7 年) K ik e hS P A R 平台位于马来西亚南中国海沙巴州海上K 区块，水深约13 0 0m 。是目前唯一一座位于美 国墨西哥湾以外采用干树采油系统的S P A R 平台，同时也是首个将张力式钻井辅助系统( T A D u ) 与S P A R 平台联合使用的平台。这两个系统的协同工作对S P A R 和T A D U 的锚泊系统的设计提出了新的挑战。 K ik e hS P A R 平台的主体结构是圆柱形，上部是隔成小舱室的硬舱，中段为采用垂荡板分为效层的开放 式构架结构，下部为软舱。其结构形式属于第二代s P A R 。主体直径3 2m ，长度1 4 2m 。主体重1 20 0 0t ，设 计荷载1 0 29 0 0k N ，包括上部结构立管，钻井修井设备。平台的锚泊系统由1 0 条分为4 组的链一缆一链 形式的锚索组成，他的设计可以抵抗百年一遇的荷载。锚固基础采用打人管桩，桩的直径2 11 3 1 ，长度5 5m ( 如图8 所示) 。管桩采用不问断施工方法贯人海底，一共耗时约2 1 小时。 在具体工程当中选择何种锚固基础形式主要取决于土质条件和经济预算。一般讲 业主更倾向于选择 在当地有过成功经验的锚固基础。目前K ik e hS P A R 所在地详细的地质数据还未见报道。相关介绍显示， 沙巴海域存在着较陡的斜坡，地质条件比较复杂，同时在施工海域还存在着海底电缆，锚泊系统的布置面积 受到影响，这也许是K ik e h 油田采用T A D u 与S P A R 平台联合使用的原因之一。 K ik e hS P A R 平台的一个技术特点是将s P A R 平台和T A D U 联合使用。如果将整个钻井系统全部安 装在S P A R 平台上S P A R 平台所承受的有效荷载将增加3 4 倍甲板面积也将增大4 倍来安装这些设备， S P A R 平台主体结构的直径将从3 2m 增大到3 7m 。这样的联合使用使得S P A R 平台的主体结构和锚泊系 中国海洋平台 第2 6 卷第5 期 统只需要承担最大i 8 5 0t 的钻井荷载，其余荷载均有T A D U 来承担。在将来的修井作业中，S P A R 平台也 只需承担很小的修井设备荷载。 ( 6 ) R e d H a w kS P A R 平台 且前世界上唯一一座C e llS P A R 平台是位于位于墨西哥湾的R e dH a w kS P A R 平台。他的工作水深 l6 1 6m ，建成于2 0 0 4 年。R e dH a w kS P A R 平台主体总长1 7 1m ，有效直径2 0m 。主体重量72 0 0t ( 如图 9 所示) 。C e llS P A R 平台在很多方面进行了创新设计，其主体结构的变化是一个最明显的特征。此外R e d H a w kS P A R 平台的锚泊系统的设计也与众不同。 R e d H a w kS P A R 平台的锚泊系统由6 条均布的锚索组成，每条系泊索由中段的尼龙缆和两端的钢链 组成，各系泊索之间夹角为6 0 。锚索的链段长度为3 0 4m ，直径1 1cm f 尼龙缆的长度为21 3 4m ，直径2 3 cm ，分为五段连接而成( 如图1 0 所示) 。锚索通过吸力锚固定在海底，吸力锚长2 4m ，直径5 5m 。 图8 运葛熟S P A R 田9 R 端羁舞暑平台觥 田loR e dH a W ks P A R 平台尼龙缆 平台桩基中的主体结构 一一 一一 一。 4 结论 根据上述分析。可以看到S P A R 平台的锚泊系统存在如下的特点和发展趋势： ( 1 ) 锚泊系统一般采用半张拉式。根据平台受力情况将锚索分为几组，每组的锚索个数和长度均须根据 实际情况分别确定。由于S P A R 平台的锚泊系统覆盖区域广，对应的锚同基础也应根据地质条件的差异采 用不同的设计 ( 2 ) S P A R 平台的系泊索一般分为三段，中段为螺旋钢缆或尼龙缆。由于尼龙缆绳的重量大大轻于钢 缆，对水深的增加不敏感，可以提高平台的有效荷载，因此尼龙缆取代铜缆是近年来的发展趋势，但是采用尼 龙缆绳使得设计计算更为复杂。 ( 3 ) 吸力锚由于不需要大型安装设备，海上安装施工简易，抗拔性能卓越，可以实现异地复用等特点，成 为深海设施的首选锚固基础形式。在S P A R 平台锚固基础的设计上，近年来吸力锚的使用也变得越来越 多，有取代传统桩基的趋势。 参考文献 r 1 J e a nME ，C lu k e yBP H u a n gJ S u ct io nca is s o nin s t a lla t io na tH o r nM o u m a in - Aca s eh is t o r y