一种用于张紧式系泊系统的系泊装置

摘要

本发明公开一种用于张紧式系泊系统的系泊装置，包括系泊缆、置于海洋平台上的第一绞车、设于海洋平台上的支座、置于海中的浮筒、通过钢缆与浮筒相连的动滑轮、通过钢缆和动滑轮相连的第一定滑轮、与系泊缆末端固连的第二定滑轮、置于海底的锚和重物块。本发明使系泊缆张力最大处的张力减半，防止疲劳破坏，有效应对百年一遇的恶劣海况；并降低第一绞车的设计规格，大大减小了海底锚的工作负荷，降低了对锚的设计要求，不仅增加了安全性，也降低了设备成本；在海洋平台没有到达采油区域前，可以事先安装系泊系统，可通过浮筒来标示系泊所在，便于安装，且重量小、系泊半径小。

说明书

技术领域

本发明涉及深海系泊系统，特别是一种用于张紧式系泊系统的系泊装置。

背景技术

目前，世界已探明的海洋石油储量80%以上都集中在水深500m之内，然而 世界海洋面积的70%以上都是3000m到6000m之间的，大量的海域面积还有待 探明。此外，除世界少数海域，大部分地区的近海油气资源已经日渐枯竭，向深 海发展已经成为必然趋势。

走向深海的关键问题之一就是浮式结构物的定位问题。大型浮式结构物一般 采用两种方式进行定位：系泊定位和动力定位。由于系泊系统具有投资少、使用 和维修方便等优点，所以系泊系统是目前主要的定位系统。

目前常用的系泊系统分为悬链线式系泊系统和张紧式系泊系统。悬链线式系 泊系统依靠自重为浮体提供回复力，应用广泛、技术成熟，但当水深到达1000m 以上时，由于重量过大、成本剧增、系泊效率降低等因素出现，此种系泊方式已 不再适合深水系泊。

鉴于悬链式系泊在海洋石油开采走向深海的种种限制，张紧式系泊系统在深 海油气开发领域得到越来越多的关注。张紧式系泊利用系泊缆轴向刚度来给浮体 提供回复力，系泊缆材料一般采用轻质、价低的高强度尼龙绳、聚酯绳或其他复 合材料，其优良的特性已被文献和生产实际证明。尽管如此，张紧式系泊亦存在 很多不足之处，如：张紧式系泊缆端部与海底成一定角度（一般30°～45°）， 因此海底锚点将受到一个较大的垂向载荷，这对锚的垂向抗拔性能提出很高的要 求，张紧式系泊的海底锚泊基础一般采用法向承载锚或者吸力锚，这些设备技术 复杂、安装成本较高。再如用于张紧式系泊的聚合材料，其材料和力学性能非常 复杂，张力的急剧变化非常容易引起疲劳破坏，在理论研究中不得不采用较大的 安全系数，更加为实际运用于工程带来巨大挑战。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明公开一种用于张紧 式系泊系统的系泊装置，达到有益效果，并且经济、可靠。

为实现上述发明目的，本发明用于张紧式系泊系统的系泊装置可采用如下技 术方案：

一种用于张紧式系泊系统的系泊装置，包括系泊缆、置于海洋平台上的第一 绞车、设于海洋平台上的支座、置于海中的浮筒、通过钢缆与浮筒相连的动滑轮、 通过钢缆和动滑轮相连的第一定滑轮、与系泊缆末端固连的第二定滑轮、置于海 底的锚和置于海底的重物块；所述第一绞车上缠绕的钢缆绕过动滑轮后与支座相 连；所述浮筒上设有第二绞车，第二绞车上缠绕的系泊缆绕过第一定滑轮一圈后 和第二定滑轮相连；所述锚和重物块通过绕过第二定滑轮的钢缆相连。

本发明利用定滑轮和动滑轮组合的装置，结合拉力传感器，根据张力的变化， 使系泊缆中部一段在单根和双根间互相自动转换，将张力减半，将张力控制在合理范围之内， 避免疲劳破坏。

作为优选，系泊缆为采用轻质、价低的高强度尼龙绳、聚酯绳或其他复合材 料制成的系泊缆。

作为优选，所述重物块的形状可以为立方体、球体或柱体，材质可以为金属、 水泥或石头，数量不少于一个，多个重物块时采用串联连接方式连接。

所述钢缆上安装有拉力传感器，所述浮筒中设有控制模块，所述拉力传感器 通过电线与控制模块连接。

所述第一定滑轮上设有制动器，所述制动器与控制模块连接。

有益效果：与现有技术相比，本发明有如下优点：

1、本发明的用于张紧式系泊系统的系泊装置，在靠近浮筒处有一个动滑轮， 该动滑轮的动滑轮轴部上绕有钢缆，钢缆一端与海洋平台上的支座绞接，一端与 第一绞车连接，根据动滑轮工作原理，本设计使得第一绞车承受的工作拉力只有 系泊缆张力的一半，同理支座的绞接点也承受一半的系泊缆拉力，这大大减小了 第一绞车的工作负荷、支座绞接点的局部应力，整根系泊缆从海底到浮体，张力不断 增大，即靠近浮体那一段张力最大，最容易发生断裂等破坏，所以本发明不仅增加安全 性，还降低了第一绞车的设计规格，减少设备成本，具有很高的经济效益。

2、本发明的用于张紧式系泊系统的系泊装置，在靠近动滑轮的附近还有第 一定滑轮，纤维系泊缆缠绕在第一定滑轮上，所述纤维系泊缆一端与靠近海底的 第二定滑轮相连，另一端与浮筒上的第二绞车连接，第一定滑轮上还有控制系泊缆 滑动的制动器；所述第一定滑轮配合动滑轮一起使用，当遇到恶劣极限海况，动 滑轮连接的第一绞车放钢缆、与第一定滑轮连接的第二绞车收系泊缆，随着动滑 轮的向下滑动，一根系泊缆的地方变成有两根系泊缆来承担，使系泊缆张力减半， 有效应对百年一遇的恶劣海况，反之海况良好时动滑轮向上滑动，两根系泊缆的 地方变成有一根系泊缆来承担。

3、本发明的用于张紧式系泊系统的系泊装置，在靠近海底锚处有第二定滑 轮，第二定滑轮的轴部上绕有钢缆，该钢缆一端与海底锚连接，一端与重物块连 接，根据定滑轮工作原理，海底锚只承受了一半的系泊缆张力，这大大减小了海 底锚的工作负荷，降低了对锚的设计要求，不仅增加了安全性，也降低了设备成 本。

4、本发明的用于张紧式系泊系统的系泊装置，在动滑轮上还安装有浮筒， 首先，浮筒中安装有第二绞车，控制单根系泊缆的长度；其次，当动滑轮移动时， 可通过浮筒来稳定动滑轮，以提高系泊的可靠性和安全性；最后，在海洋平台没 有到达采油区域前，可以事先安装系泊系统，可通过浮筒来标示系泊所在，便于 安装。

5、由于最大张力减半、张力变化平稳，最大程度降低了由复杂的力学及材料性 能带来的影响，所以本发明可以采用质量小、价格低的聚酯缆，并且应用张紧式系 泊方式，从而达到重量小、系泊半径小，也便于安装的目的。

附图说明

图1是本发明中的系泊缆上段使用较短双根系泊缆时的结构示意图；

图2是本发明中的系泊缆上段使用较长双根系泊缆时的结构示意图；

图3是图1中A处所示动滑轮和第一定滑轮组合部位的结构示意图；

图4是本发明中第一定滑轮和浮筒连接的结构示意图；

图5是本发明中动滑轮和第一定滑轮组合部位的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。

请参阅图1至图5所示，本发明公开一种用于张紧式系泊系统的系泊装置， 包括系泊缆、置于海洋平台6上的第一绞车1、设于海洋平台6上的支座10、置 于海中的浮筒12、通过钢缆与浮筒12相连的动滑轮5、通过钢缆和动滑轮5相 连的第一定滑轮16、与系泊缆末端固连的第二定滑轮8、置于海底15的锚13 和置于海底15的重物块14；第一绞车1上缠绕的钢缆绕过动滑轮5后与支座10 相连；浮筒12上设有第二绞车23，第二绞车23上缠绕的系泊缆绕过第一定滑 轮16一圈后和第二定滑轮8相连；锚13和重物块14通过绕过第二定滑轮8的 钢缆相连。其中，钢缆上安装有拉力传感器21，浮筒12中设有控制模块，拉力 传感器21通过电线20与控制模块连接。第一定滑轮16上设有制动器19，制动 器19与控制模块连接。

本实施例中，系泊缆采用轻质、价低的高强度尼龙绳、聚酯绳或其他复合材 料。重物块14的形状可以为立方体、球体或柱体，材质可以为金属、水泥或石 头，数量不少于一个，多个重物块14时采用串联连接方式连接。

为了便于说明，将钢缆分为二号钢缆2、一号钢缆4、八号钢缆9、七号钢 缆11、六号钢缆17、五号钢缆18、四号钢缆28和三号钢缆29，将系泊缆分为 系泊缆3和系泊缆22。

本发明中，控制模块与拉力传感器21配合进行工作的原理如下：

在控制模块中设定控制程序，根据浮式结构物系泊系统的规范，设定一个合 理张力区间，例如最小值为A，最大值为B。

拉力传感器21将实时数据传递到控制模块，将系缆中张力实际值与A或者 B进行对比，如果大于B，说明此时拉力过大，处于恶劣海况，滑轮组合要向下 滑，控制模块发出指令，打开制动器19，第二绞车23收系缆，第一绞车1放系 缆，滑轮组往系缆底端缓慢平稳下滑；之后，当拉力传感器21传递到控制模块 的实时数据在A和B之间时，说明此时张力合理，海况正常，控制模块发出指 令，关闭制动器19，第二绞车23和第一绞车1停止收放系缆；当拉力传感器21 传递到控制模块的实时数据小于A时，说明此时拉力过小，海况较好，控制模 块发出指令，打开制动器19，第二绞车23放系缆，第一绞车1收系缆，滑轮组 往系泊缆靠近浮体12的一端缓慢平稳上滑。

本发明可以将系缆张力控制在合理范围内，并且张力变化幅值小、变化平稳 缓慢，避免引起疲劳破坏。

具体来说，本实施例中，海洋平台6上的第一绞车1通过钢缆、动滑轮5 和第一定滑轮16与系泊缆相连，系泊缆末端与第二定滑轮8，第二定滑轮8通 过钢缆与锚13连接。

动滑轮5的动滑轮轴部27绕有钢缆，钢缆一端与浮体12连接，一端与第二 绞车23连接；靠近海底15的钢缆一端与海底15上的锚13连接，一端与重物块 14连接；动滑轮5的两端各设置有一个端盖，且四号钢缆28、三号钢缆29、六 号钢缆17、五号钢缆18都绕端盖设置。第一定滑轮16两端与六号钢缆17、五 号钢缆18连接，纤维系泊缆缠绕于第一定滑轮16上；第一定滑轮16上还有制 动器19，控制纤维系泊缆的滑动。浮筒12的底端通过四号钢缆28和三号钢缆 29分别与动滑轮5的两端连接，且四号钢缆28和三号钢缆29对称设置。

本发明的用于张紧式系泊系统的系泊装置，在靠近浮筒12处有一个动滑轮 5，该动滑轮5的动滑轮轴部27上绕有钢缆，钢缆一端与海洋平台6上的支座 10绞接，一端与第一绞车1连接，根据动滑轮工作原理，本设计使得第一绞车1 承受的工作拉力只有系泊缆张力的一半，同理支座10的绞接点也承受一半的系 泊缆拉力，这大大减小了第一绞车1的工作负荷、支座10绞接点的局部应力， 而且根据相关文献资料显示，整根系泊缆从海底15到浮体12，张力不断增大，即靠近 浮体13那一段张力最大，最容易发生断裂等破坏，所以本设计不仅增加安全性，而且 降低绞车的设计规格，减少设备成本。因此本发明不仅提高安全性，还具有很高 的经济效益。

本发明的用于张紧式系泊系统的系泊装置，在靠近动滑轮5的附近还有第一 定滑轮16，纤维系泊缆缠绕在第一定滑轮16上，纤维系泊缆一端与靠近海底15 的第二定滑轮8相连，另一端连接到浮筒12上的第二绞车23上，第一定滑轮 16上还有控制系泊缆滑动的制动器19；第一定滑轮16配合动滑轮5一起使用， 当遇到恶劣极限海况，动滑轮5连接的第一绞车1放钢缆、与第一定滑轮16连 接的第二绞车23收系泊缆22，随着动滑轮5的滑动，一根系泊缆的地方变成有 两根系泊缆来承担，使系泊缆张力减半，有效应对百年一遇的恶劣海况。

本发明的用于张紧式系泊系统的系泊装置，在靠近海底15上的锚13处有第 二定滑轮8，第二定滑轮8的轴部上绕有钢缆，该钢缆一端与海底15上的锚13 连接，一端与重物块14连接，根据定滑轮工作原理，锚13只承受了一半的系泊 缆张力，这大大减小了锚13的工作负荷，降低了对锚13的设计要求，不仅增加 了安全性，也降低了设备成本。

本发明的用于张紧式系泊系统的系泊装置，在动滑轮5上还安装有浮筒12， 首先浮筒12中安装有第二绞车23，控制单根系泊缆的长度；其次，当动滑轮5 移动时，可通过浮筒12来稳定动滑轮5，以提高系泊的可靠性和安全性；最后， 在海洋平台6没有到达采油区域前，可以事先安装系泊系统，可通过浮筒12来 标示系泊所在，便于安装。

由于最大张力减半、张力变化平稳，最大程度降低了由复杂的力学及材料性能带 来的影响，所以本发明可以采用质量小、价格低的聚酯缆，并且应用张紧式系泊方 式，从而达到重量小、系泊半径小，也便于安装的目的。

二号钢缆2和一号钢缆4缠绕在动滑轮5的动滑轮轴部27上，二号钢缆2 的另一端与海洋平台6上的支座10相连，一号钢缆4的另一端与海洋平台6上 的第一绞车1连接；动滑轮5的动滑轮端部26和第一定滑轮16的定滑轮端部 25分别利用六号钢缆17、五号钢缆18连接。

动滑轮5通过四号钢缆28、三号钢缆29与浮筒12相连，四号钢缆28、三 号钢缆29绕于动滑轮5的动滑轮端部26，四号钢缆28和三号钢缆29对称布置。 定滑轮16与系泊缆3相连，系泊缆3缠绕于定滑轮轴部24一圈后为系泊缆22， 系泊缆22与浮筒12上的第二绞车23连接；定滑轮16上还有制动器19，控制 系泊缆3和系泊缆22的滑动。五号钢缆18上装有拉力传感器21，通过电线20 连接到浮筒12的控制模块。

系泊缆3连接第一定滑轮16与第二定滑轮8，第二定滑轮8分别与八号钢 缆9和七号钢缆11相连，其中八号钢缆9的另一端与置于海底15的锚13相连， 七号钢缆11的另一端与置于海底15的重物块14相连。重物块14能提供给七号 钢缆11沿系泊缆3方向上的拉力应大于用单个锚13所提供拉力的一半，重物块 14的形状可以为立方体、球体和柱体，材质可以为金属、水泥或石头，数量不 少于一个，多个重物块14时采用串联连接方式连接。

根据海上风浪条件的变化，通过第一绞车1收放钢缆的操作来调节系泊缆3 的预张力，从而保证在风浪作用下海洋平台6的运动响应值均在规范要求范围之 内；通过第一绞车1与第二绞车23同时收放钢缆和系泊缆，来控制系泊缆间最 大张力，即当遇到极限海况时，海洋平台6响应巨大，造成系泊缆3张力巨大， 同时六号钢缆17、五号钢缆18上也有巨大张力，拉力传感器21将具体张力值 通过电线20传到浮筒12中的控制模块，控制模块通过控制程序判断系泊缆张力 是否在安全范围内，假设系泊缆张力过大，控制程序发出指令，打开第一定滑轮 16上的制动器19，浮筒12内的绞车23开始收起系泊缆22，同时第一绞车1开 始放一号钢缆4，从而使单根系泊缆变成双根系泊缆，如图2所示，第一绞车1 放一号钢缆4的速度与第二绞车23收系泊缆22速度相同，此时动滑轮5、第一 定滑轮16、浮筒12三者平稳地向系泊缆3的海底15一端移动。当移动到某一 位置时，浮筒12中的控制模块判断出拉力传感器21传来的张力合理，控制模块 发出指令，制动器19锁死，第一绞车1与第二绞车23停止收放钢缆和系泊缆。

本发明不仅可以用于浮式海洋平台，同样适用于海上其他采油装置，以FPSO （Floating Production Storage and Offloading即浮式储油卸油装置）为例，当遇到 百年一遇突发恶劣海况时，就需要将系泊解脱释放，FPSO回港避风。此时将支 座10的二号钢缆2解脱，以便于第一绞车1与动滑轮5脱离，解脱后FPSO被 拖航或自航到安全海域，而与动滑轮5相连的浮筒12就会漂浮到海面上成为浮 标，不仅能稳定动滑轮5，在恶劣海况后还可以指示锚13和动滑轮5的位置， 便于绞车1上的一号钢缆4重新缠绕到动滑轮5的动滑轮轴部27上从而与支座 10再次铰接。同时当海洋平台6完成某一油气区块的钻井或采油任务后转移下 一个区域，浮筒12可以清楚地标示出锚13和系泊缆3的位置，大大降低设备回 收的难度和费用。

综上，本发明不仅解决悬链式系泊系统重量过大、费用过高的问题，也解决 了张紧式系泊缆对锚13拉力过大、系泊缆张力过大、系泊缆张力急剧变化、钢 缆对第一绞车1拉力过大等问题，也为安装、拆卸带来便利。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技 术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些 改进和润饰也应视为本发明的保护范围。