一種適用于石油平臺(tái)的有纜潛標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與布放方法

倪佐濤, 姜靜波, 徐永平, 李思忍, 涂登志

(中國科學(xué)院 海洋研究所, 山東 青島 266071)

在海上石油氣田生產(chǎn)過程中, 海洋油氣生產(chǎn)平臺(tái)附近的海洋環(huán)境動(dòng)力因素會(huì)對(duì)平臺(tái)自身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響, 尤其是每年夏季的臺(tái)風(fēng)季節(jié), 海洋環(huán)境動(dòng)力因素對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的影響成為保障石油平臺(tái)安全生產(chǎn)的一個(gè)新的研究課題。由于平臺(tái)自身的管架結(jié)構(gòu), 測(cè)量設(shè)備易受潮汐海流的影響纏繞在平臺(tái)管架上, 所以通常遠(yuǎn)離平臺(tái)布放, 所獲得數(shù)據(jù)有一定誤差。通常安裝于平臺(tái)上的觀測(cè)設(shè)備采用船舶和水下機(jī)器人共同布放的方式進(jìn)行, 費(fèi)時(shí)費(fèi)力[1]。本文設(shè)計(jì)一套有纜潛標(biāo)系統(tǒng), 從海底到平臺(tái)垂直布放一根受力鋼纜, 測(cè)量設(shè)備和通訊電纜依附于受力鋼纜上。布放時(shí)采用船舶布放有纜潛標(biāo)水下部分, 平臺(tái)布放有纜潛標(biāo)水面以上部分, 兩部分在水面附近進(jìn)行連接, 調(diào)整受力, 可以快速完成布放。

1 有纜潛標(biāo)系統(tǒng)概況

有纜潛標(biāo)系統(tǒng)所在平臺(tái)為一個(gè)導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)平臺(tái),附近平均水深196 m, 需要建立一套有纜潛標(biāo)測(cè)量海底到平臺(tái)的海流和溫鹽剖面數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集通訊電纜長度總計(jì)250 m, 其中196 m位于水下,連接26臺(tái)設(shè)備, 分布于水下20 m至水下193 m位置。整個(gè)有纜潛標(biāo)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn): (1)有纜潛標(biāo)系統(tǒng)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(tái)不同測(cè)量設(shè)備, 分布于水下20 m到193 m范圍內(nèi), 最下方的設(shè)備距離海底3 m, 為防止纏繞平臺(tái)管架和對(duì)儀器產(chǎn)生不良震動(dòng), 無法采用重力投放的系統(tǒng); (3)系統(tǒng)布放錨系點(diǎn)位于樁腿附近,電纜容易與樁腿產(chǎn)生纏繞; (4)通訊電纜提供電力和數(shù)據(jù)接口。

2 有纜潛標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上特點(diǎn), 有纜潛標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為在平臺(tái)的火炬臂下安裝一個(gè)滑輪為吊掛點(diǎn), 吊掛點(diǎn)投影位于平臺(tái)樁腿圍繞區(qū)域以外。從吊掛點(diǎn)到錨系重物之間設(shè)置一根受力鋼纜, 通訊電纜和測(cè)量設(shè)備依附于受力鋼纜之上的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。采用此結(jié)構(gòu)可以最大限度降低海流對(duì)通訊電纜的拉力, 布放時(shí)采用緩慢釋放錨系重物的方式進(jìn)行系統(tǒng)釋放, 降低對(duì)設(shè)備的沖擊力, 并可以控制錨系點(diǎn)位置。

如圖1所示, 有纜潛標(biāo)系統(tǒng)由電動(dòng)防爆絞車、導(dǎo)向滑輪、受力鋼纜、通訊電纜、測(cè)量傳感器、錨系重物組成。在施工平臺(tái)34 m平臺(tái)處安裝一臺(tái)電動(dòng)防爆絞車, 在施工平臺(tái)的火炬臂距離水面43 m處安裝一套導(dǎo)向滑輪為上懸掛點(diǎn), 該懸掛點(diǎn)投影在所施工平臺(tái)樁腿外側(cè), 受力鋼纜一端連接錨系重物, 另一端經(jīng)火炬臂下的懸掛點(diǎn)滑輪到電動(dòng)防爆絞車, 通訊電纜和傳感器依附于受力鋼纜上。系統(tǒng)在整個(gè)受錨系重物拉力拉緊后, 提供剖面測(cè)量平臺(tái)。

本系統(tǒng)布放的通訊電纜長 250 m, 受力鋼纜長320 m(包括電動(dòng)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(jì)216 m, 其中水下196 m, 第二段為水上20 m處到電動(dòng)防爆絞車滾筒, 第一段和第二段鋼纜之間采用連接鋼環(huán)進(jìn)行連接。通過電動(dòng)防爆絞車進(jìn)行提拉, 使系統(tǒng)整體受力拉緊。水面上20 m連接環(huán)處連接一根細(xì)鋼絲繩斜拉到平臺(tái)34 m平臺(tái)處, 通訊電纜經(jīng)過連接鋼環(huán)后依附于斜拉鋼絲繩上, 拉至34 m平臺(tái)數(shù)據(jù)接口處。

圖1 有纜潛標(biāo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of mooring wired-buoy system

3 有纜潛標(biāo)系統(tǒng)布放

在有纜潛標(biāo)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布放過程中, 受力鋼纜的布放是整個(gè)系統(tǒng)的布放重點(diǎn)。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(dòng), 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(diǎn), 作業(yè)平臺(tái)布放第二段鋼纜, 兩段鋼纜布放完畢后, 使用連接環(huán)進(jìn)行連接, 最后用電動(dòng)防爆絞車進(jìn)行提拉受力, 使整個(gè)系統(tǒng)受力拉緊, 完成布放。

系統(tǒng)按照錨系重物、釋放器、受力鋼纜、連接環(huán)的順序進(jìn)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(jìn)行連接固定, 每隔15 m左右安裝一個(gè)不銹鋼吊環(huán)。該吊環(huán)由不銹鋼材質(zhì)制作, 如圖2所示, 主體為一個(gè)梯形結(jié)構(gòu)不銹鋼板, 在梯形板的上底和下底之間留有 3對(duì)孔, 孔距和鋼絲繩抓緊器尺寸一致, 在一個(gè)梯形結(jié)構(gòu)不銹鋼板上底焊接一個(gè)吊環(huán), 吊環(huán)方向與斜邊方向一致[2]。該吊環(huán)可以承受2 t拉力不產(chǎn)生位移, 滿足布放回收過程的要求。

圖2 吊環(huán)Fig. 2 Stationary rings

布放該系統(tǒng)時(shí), 利用船舶的兩臺(tái)絞車和船尾的三角架實(shí)施布放。我們將守護(hù)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(huán)從下至上依稀命名為, ①, ②, ③……。布放時(shí), 將脫鉤器2掛到不銹鋼環(huán), 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(tǒng)提拉到三腳架定點(diǎn), 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(shì)送入海中, 繼續(xù)釋放布放鋼纜I, 如圖3 布放步驟2所示。電動(dòng)絞車2保持不動(dòng), 脫鉤器2受力鎖緊不銹鋼環(huán),布放鋼纜 II受力, 錨系系統(tǒng)重量轉(zhuǎn)至布放鋼纜 II上,繼續(xù)釋放布放鋼纜I至不受力, 脫鉤器1自動(dòng)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(huán)[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(huán)①, 系統(tǒng)重量轉(zhuǎn)移到布放鋼纜I上, 繼續(xù)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(gè)吊環(huán)。通知船舶駕駛臺(tái)調(diào)整船位到釋放點(diǎn), 通知平臺(tái)操縱電動(dòng)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(huán)連接,通過斜拉繩索將通訊電纜拉到平臺(tái)甲板, 釋放錨系重物到指定點(diǎn)后, 布放鋼纜不受力, 脫鉤器自動(dòng)脫開?；厥詹挤配摾|, 電動(dòng)絞車提拉整個(gè)系統(tǒng)至鋼纜受力拉直。至此布放工作完成。

圖3 有纜潛標(biāo)系統(tǒng)布放示意圖Fig. 3 Schematic diagram of release

4 總結(jié)

本系統(tǒng)于2011年5月份在番禺30-1平臺(tái)順利布放成功, 布放完畢后, 水下機(jī)器人對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查, 整個(gè)系統(tǒng)工作正常。該海區(qū)經(jīng)歷 2011年 4號(hào)臺(tái)風(fēng)“海馬”后, 系統(tǒng)未發(fā)生漂移及纏繞等現(xiàn)象。

對(duì)于本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與布放工作, 總結(jié)如下:(1)系統(tǒng)設(shè)計(jì)上采用通訊電纜依附于受力鋼纜上的結(jié)構(gòu)形式, 減少通訊電纜的強(qiáng)度要求, 保證在惡劣海況下系統(tǒng)的安全性。(2)本次布放對(duì)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(jìn)行系統(tǒng)的展開和連接。節(jié)省在船舶甲板作業(yè)時(shí)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(duì)船舶原位時(shí)間要求少, 降低船舶定點(diǎn)操縱難度。整個(gè)系統(tǒng)布放完畢在1 h左右。只需在海上平流期即可完成作業(yè), 對(duì)海況要求低。

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

[2]吳宗澤, 高志. 機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 北京: 高等教育出版社,2008: 15-54.