CN107000817A

CN107000817A - 支撑系泊设备

Info

Publication number: CN107000817A
Application number: CN201580064174.7A
Authority: CN
Inventors: 阿尔内·斯梅达尔; 扬·维达·阿斯内斯; 科勒·赛弗森
Original assignee: Cefront Technology AS
Current assignee: Cefront Technology AS
Priority date: 2014-11-28
Filing date: 2015-11-26
Publication date: 2017-08-01
Also published as: EP3224132B1; WO2016083509A1; EP3224132A1; BR112017011149A2; NO20141434A1; NO338076B1

Abstract

本发明涉及一种用于将第一浮动结构(2)系泊到第二结构(1)的系统，例如将FAU系泊到FPSO的系统。所述系统包括主定位设备(4)，用于将第一浮动结构(2)保持在距第二结构(1)预定距离(l_c)。所述系统还包括辅助定位设备(3、3a、3b)或支撑系统，用于通过例如锚将第一浮动结构(2)系泊到下层海床。该辅助定位设备构造成在主定位设备发生故障的情况下，建立作用于第一浮动结构(2)的合力(F_res)，所述力具有确保保持第一浮动结构(2)和第二结构(1)之间的最小距离(l_min)的大小和方向。所述合力是作用于第一浮动结构的总力，并且涉及例如浪涌添加质量、阻尼力、来自辅助定位设备的水平力分量和来自主定位设备的总力。

Description

支撑系泊设备

技术领域

本发明涉及一种在权利要求1的前序部分中限定的用于避免第一浮动结构和第二结构之间的碰撞的系统以及一种使用本发明系统的设施。

背景技术

存在避免两个海上结构之间碰撞的系统。这在专利公开GB2096963中作了举例说明，其描述了一种解决方案，其中张力线(tension line)以船舶和平台的专用系泊线缆之间的最大长度延伸。此外，专利公开US5’159’891公开了一种解决方案，其使得能够通过使用一组系泊线缆将供给船拉离浮动平台。后者的主要目的是在无需重新设置任何锚的情况下就能够进行位置调整。

然而，上述现有技术的出版物都没有公开一种支撑系统(back-up system)，其包括用于将第一浮动结构系泊到下层海床的辅助定位设备，并且所述支撑系统作为安全系统，其防止在主系统发生故障的情况下两个海上结构之间的碰撞。

因此，本发明的目的是提供一种支撑定位设备，其用作安全系统并且在浮动结构主定位系统中发生故障的情况下确保浮动结构与另一结构之间的最小距离。

发明内容

本发明在主要权利要求中进行阐述和表征，而从属权利要求描述了本发明的其它特征。

特别是，本发明涉及一种用于避免第一浮动结构和第二结构之间的碰撞的系统。所述系统包括：主定位设备，适合用于将所述第一浮动结构保持在距所述第二结构预定距离(l_c)处。所述系统还包括支撑系统或安全系统，所述支撑系统或安全系统包括辅助定位设备，适合用于通过例如锚将第一浮动结构系泊到下层海床。所述辅助定位设备(3)包括可安装在所述第一浮动结构上的张紧装置并构造成在所述主定位设备发生故障的情况下，建立至少间接作用于所述第一浮动结构的合力(F_res)，所述合力具有确保保持所述第一浮动结构和所述第二结构之间的最小距离(l_min)的大小和方向。此外，所述最小距离(l_min)可以分布在从接近零(即接近直接碰撞)直到被认为对于预期目的是足够安全的距离的范围内，例如在10米到100米的范围内，例如10米、20米、30米、40米、50米、60米、70米、80米、90米、100米或任何在这些距离内的距离。第一浮动结构可以是浮动调节单元(FAU，floatingaccommodation unit)，并且第二结构可以是诸如浮动产生、存储和卸载(FPSO，floatingproduction,storage and offloading)单元之类的烃生产设备。

在一个有利实施例中，所述辅助定位设备在使用期间布置在所述第一浮动结构上，背离所述第二结构。

在另一个有利实施例中，所述系统包括连接到所述辅助定位设备的第一端部的张紧装置。所述张紧装置(例如多个绞车)适合用于沿所述辅助定位设备提供可控的张紧。此外，所述张紧装置优选地构造成能够通过沿所述辅助定位设备调节张紧来控制所述最小距离(l_min)。

在另一个有利实施例中，所述辅助定位设备还包括一根或多根系泊线缆，例如链、缆索、绳索、钢缆等或其任何组合。所述系泊线缆在第一端部可连接到所述第一浮动结构并在第二端部连接到海床锚固装置。在该实施例中，所述系泊线缆或多根系泊线缆在使用期间的最大水平分量指向远离所述第二结构。因此，所述系泊线缆也可以构造成不平行于通过所述第一浮动结构和所述第二结构两者绘制的直线。然而，在该具体实施例中，水平合力应该具有沿背离所述第二结构的该直线的净力(net force)。所述系泊线缆或至少一根所述系泊线缆优选平行于或近似平行于所述直线定向。

在另一个有利实施例中，所述辅助定位设备包括两根或更多根系泊线缆，其中，所述系泊线缆各自具有其在使用期间平行于所述下层海床定向并指向远离所述第二结构的最大分量。并且，在该实施例中，所述两根系泊线缆的水平分量限定与所述下层海床平行的平面，具有小于120°的相互角度(mutual angle)，所述相互角度优选小于90°，甚至更优选小于45°，甚至更优选小于25°，例如平行或接近平行。

在另一个有利实施例中，所述辅助定位设备包括：第一细长部分，例如钢丝，其在一端部可连接到所述第一浮动结构；和第二细长部分，例如链，其连接在海床锚固装置和所述第一细长部分的另一端部之间，其中，所述第二细长部分的重量和/或刚度高于所述第一细长部分。所述第二细长部分的长度优选小于所述第一细长部分的长度，更优选小于所述第一细长部分的长度的30％，甚至更优选小于20％，例如约10％。

在另一个有利实施例中，所述主定位设备包括动态定位系统，例如包括动态定位系统和系泊线缆系统的组合定位设备。

本发明还涉及一种设施，例如一种适合用于烃(hydrocarbon)生产的设施。所述设施包括第一浮动结构、第二结构和根据上述特征中的任一项的系统。

在一个有利实施例中，所述设施还包括使所述第一浮动结构和所述第二结构互连的桥接件或舷梯，优选能拆开的伸缩舷梯。

在下面的描述中，引入了许多特定细节以提供对所要求保护的系统和相关设施的实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，这些实施例可以在没有一个或多个特定细节、或者有其它部件、系统等的情况下来实施。在其它情况下，未示出或者不详细描述公知的结构或操作，以避免模糊所公开的实施例的方面。

附图说明

图1a和图1b分别是使用根据本发明的一个实施例的系统的设施的俯视示意图和侧视示意图；

图2示出了当暴露于4000kN的线张力时从海平面延伸到水深300m的2500m长、90mm厚的系泊钢缆的系泊线缆轮廓；

图3示出了呈现在主定位设备故障之后第一浮动结构在不同初始张紧水平时的浪涌动态特性随时间变化的曲线图，第一浮动结构由两条1500m长、厚度为90mm的钢缆锚定在100m深度；

图4示出了呈现在主定位设备故障之后第一浮动结构的浪涌动态特性随时间变化的曲线图，其中，通过使用厚度为90mm的两条1500m长的钢缆将第一浮动结构锚定在100m深度来建立一个浪涌偏移，并通过使用厚度为84mm的两条800m长的链将第一浮动结构锚定在100m深度来建立另一个浪涌偏移；

图5示出了呈现在主定位设备故障之后第一浮动结构的浪涌动态特性随时间变化的曲线图，其中，通过使用厚度为90mm的两条1200m长的钢缆将第一浮动结构锚定在300m深度来建立第一浪涌偏移，通过使用厚度为90mm的两条2500m长的钢缆并使用与第一浪涌偏移相等的初始张紧将第一浮动结构锚定在300m深度来建立第二浪涌偏移，以及通过使用厚度为90mm的两条2500m长的链并使用高于第一和第二浪涌偏移的初始张紧将第一浮动结构锚定在300m深度来建立第三浪涌偏移；以及

图6示出了呈现在主定位设备故障之后第一浮动结构的浪涌动态特性随时间变化的曲线图，其中，通过使用厚度为90mm的两条1200m长的钢缆将第一浮动结构锚定在300m深度来建立第一浪涌偏移，通过使用厚度为90mm的两条2500m长的钢缆并使用高于第一浪涌偏移的初始张紧将第一浮动结构锚定在300m深度来建立第二浪涌偏移，以及通过使用包括长度200m且厚度180mm的底部链和长度450m且厚度90mm的顶部钢缆的系泊线缆并使用低于第一和第二浪涌偏移的初始张紧将第一浮动结构锚定在300m深度来建立第三浪涌偏移。

具体实施方式

在本发明中，提出了辅助或支撑(back-up)系泊设备3。主要目的是在第一浮动结构2的主系泊设备4中发生任何类型的故障的情况下避免第一浮动结构2和第二结构1之间的接触，所述主系泊设备4构造成用于控制第一浮动结构2相对于第二结构1的位置。主系泊设备4可以是动态位置(DP，Dynamic Position)系统，其包括一个或多个推进器4和/或从第一浮动结构2延伸到下层海床5的基本上对称分布的系泊线缆组。

第一浮动结构2的示例是FAU(floating accommodation unit，浮动调节单元)。第二结构1的示例可以是FPSO(floating production,storage and offloading，浮动产生、存储和卸载)单元、FPU(floating production unit，浮动产生单元)或FSO(floating,storage and offloading，浮动、存储和卸载)单元。

下面将描述和分析图1a和图1b所示的设施。FAU 2通过伸缩桥接件6附接到FPSO1。术语“伸缩桥接件”在下文中将表示可以在长度上相对于平均长度l_c在FAU 2和FPSO 1之间的方向上伸展或缩回的桥接件。FAU2和FPSO 1的相对位置由分布在FAU 2的壳体上的多个DP推进器4控制。FAU 2还连接有支撑系泊设备3，所述支撑系泊设备3包括从位于FAU2上的一个或多个系泊绞车7延伸到下层海床5的两根几乎平行定向的系泊线缆3a、3b。这个或这些绞车7在实施例中位于FAU 2的背离桥接件连接的FPSO 1的侧部并能够控制每根系泊线缆3a、3b的预张紧。

基于上述设施，DP推进器故障的两种不同场景被认为是最关键的：

·DP漂移场景：在给定的时间DP系统4向FPSO 1提供全推进，即在桥接件方向上。下面将分析这个极端场景。

·断电场景：在给定的时间发生完全的推进损失。因此，支撑系泊设备3应在FAU 2的零控制力且或许是非常不利的天气条件下安全保持FAU 2远离FPSO 2。

在图1中，l_c表示当伸缩桥接件6处于平均位置时FAU 2和FPSO 1之间的最小间隙，而l_M表示从FAU 2到锚8的距离。

在第一实施例中，系泊线缆包括基于钢缆的线。例如，在d＝100m的水深时，可以使用长度l_wire＝1500m的完全基于钢缆的线。在300m的深度时，长度l_wire可以是2500m。用于选择系泊线缆3a、3b的长度的至少一个目的可以是将锚8的竖直力减小到远低于系泊线缆3a、3b的最大允许张力，例如最小断裂载荷(MBL)的一半。可以使用更短的线长度。然而，这将需要使用专门设计用于这种高竖直力的锚。举例来说，锚可以是拖曳嵌入式高保持力的锚。图2示出用于系泊线缆系统3的系泊线缆轮廓(水深随着距FAU 2的水平距离而变化)，所述系泊线缆系统3具有两根系泊线缆3a、3b，最大水深300m，平均钢缆直径90mm以及预张力4000kN。4000kN的预张力是在DP漂移后不久可能由系泊线缆系统经历的典型峰值张力。

在第二实施例中，系泊线缆包括基于链的线。例如，在d＝100m的水深时，可以使用长度l_chain＝800m的完全基于链的线。

在第三和优选实施例中，系泊线缆包括基于链的线和基于钢缆的线，其中，前者附接到其锚8。为了减少系泊线缆3a、3b的总重量，链的长度应优选大幅短于钢缆的长度。作为将FAU 2系泊到300m处的下层海床5的这种组合的链和钢缆支撑系泊设备的一个示例，系泊线缆3a、3b可以包括等级R2的、平均直径为180mm且长度为200m的锚附接的链、以及附接在链和FAU 2之间的、直径为90mm且长度为450m的钢缆(外部导览器9)。

仿真

完全DP漂移场景

参照上述的完全DP漂移场景，已执行了针对所有上述实施例涉及的力的仿真。再次，在DP漂移场景下，DP系统4向FPSO 1提供完全推力，即在桥接件方向上。

在仿真中已假设图1和图2所示的系统包括：FPSO 1、FAU 2、使FPSO1和FAU 2互联的伸缩桥接件6、连接在FAU 2和下层海床5之间的两根系泊线缆3、3a、3b，所述下层海床5在FAU2的背离FPSO 1的一侧锚固到适当尺寸的锚8。由于桥接件6的伸缩构造，FAU 2和FPSO 1之间的相对距离可以围绕平均位置FAU平均值变化。这种变化在下文中将被称为水平FAU偏移或FAU偏移。类似地，在朝向FPSO 1的方向上的FAU偏移将被称为FAU浪涌偏移。

在仿真中，DP系统4假设为包括4.4MB方位推进器4，其提供大约810kN的最大开放水推力，总共达到3240kN。考虑到推进器-壳体相互作用，可获得的总推力被认为是大约3000kN。此外，在DP漂移场景之后用于仿真FAU 2的动态偏移随时间变化的模型是：

是FAU 2的水平加速度，x是FAU 2的位移，A是浪涌附加质量，F_D是阻尼力，F_T是系泊线缆张力的水平分量，F_DP是来自推进器4的总力。

假定以下阻尼模型：

其中，B₁和B₂分别是线性和二次阻尼系数，是FAU 2的水平速度。基于使用Sevan300FPSO型的FPSO进行衰减试验建立了对壳体阻尼的贡献。数据被调整，以说明系泊系统的(小)规模差异和差异影响。以下值用于壳体贡献：

B_{1_H}＝125·kNs/m

B_{2_H}＝1200·kNs²/m²

此外，推力将由于所假定的推力的速度依赖性(基于上述4.4MW推进器的推力曲线)而给出阻尼贡献为：

B_{1_H}＝275·kNs/m

B_{2_T}＝0

基于钢缆的系泊系统-水深d＝100m

假设基于钢缆的系泊系统3包括平均钢缆直径为90mm的两根1500m长的系泊线缆3a、3b，其锚固在水深为100m处并且在75kN和135kN的正常操作期间暴露于预张紧水平，分别对应于40kN和100kN的水平张力。来自波浪的任何贡献被忽略。结果在图3中示出，其呈现了在DP故障后FAU浪涌偏移(FAU朝FPSO 1的位移)随时间变化。虚线表示具有低预张紧的FAU浪涌偏移，实线表示具有高预张紧的FAU浪涌偏移。

对于朝FPSO的FAU偏移(FAU浪涌偏移)，发现显著的动态过冲。对于最低的预张力水平(虚线)，在故障后约75秒后，朝FPSO的最大偏移被认为是约42m。对于最高预张力水平(实线)，最大偏移减小到约30m。通过控制系泊绞车7来进一步增加预张力，可以获得最大偏移的进一步减小。在该仿真中，动态过冲期间的最大线张力分别针对最低和最高预张力水平达到3750kN和3450kN。

比较，基于链和钢缆的系泊系统-水深d＝100m

为了能够直接比较基于链的系泊系统和基于钢缆的系泊系统，已经针对支撑系泊设备进行了如上所述的类似仿真，所述支撑系泊设备包括锚定在水深100m处的两根800m长的系泊线缆3a、3b，但是其中，每根系泊线缆3a、3b包括直径84mm的链并且暴露于325kN的预张紧(水平方向上200kN)。以链作为系泊线缆，在DP故障后FAU浪涌偏移随时间变化的结果在图4中用虚线表示。为了比较，附加了针对135kN预张紧(水平方向上100kN)的基于钢缆的系统的FAU浪涌偏移(实线)。注意，由于链的重量大得多，基于链的系统的预张紧水平(325kN)远高于上述基于钢缆的系统(135kN)。对于两个系泊系统，最大FAU浪涌偏移被认为几乎相同。

因此，假设最大FAU浪涌偏移是关键参数，基于钢缆的系统由于其在零FAU位置处的显着较低的水平预张力而针对100m的水深通常比链系统更有利。通常期望最小化该力，以减少在正常操作中补偿预张紧所需的推力，从而降低燃料消耗。

基于钢缆的系泊系统-水深d＝300m

假设一种基于钢缆的系泊系统3包括具有平均钢缆直径为90mm的两根2500m长的系泊线缆3a、3b，其锚固在水深为100m处并在正常操作期间暴露于预张紧水平，水平分量对应于290kN和400kN。来自波浪的任何贡献被忽略。结果在图5中示出，呈现了在DP故障后FAU浪涌偏移(FAU朝FPSO 1的位移)随时间变化。虚线表示具有低预张紧的FAU浪涌偏移，实线表示具有高预张紧的FAU浪涌偏移。对于上述公开的系泊系统，在水深为100m时，FAU浪涌偏移可以看出显著动态过冲。图5还示出了使用1200m长的系泊线缆3a、3b的基于钢缆的系泊系统3的FAU浪涌偏移(点划线)。对于2500m，最大FAU浪涌偏移分别为约54m和约43m，沿水平方向的预张紧水平分别为290kN和400kN。在这种情况下，400kN的预张紧水平被认为是有利的。再次，进一步降低最大FAU偏移需要进一步增加预张力。通常，由于现有桥接件设计的长度限制，40m以上的FAU浪涌偏移被认为是不期望的。对于1500m，发现最大FAU浪涌偏移为约42m，其明显低于在相同的预张紧水平(290kN)下具有2500m长度的钢索的系泊系统。然而，在这种情况下，最大张力峰值显著较高，几乎为4500kN。使用预应力为290kN和400kN的水平分量，补偿预张力所需的推力分别为580kN和800kN。将钢缆的平均直径从90mm减小到70mm没有显著改变最大FAU浪涌偏移。

基于钢缆和基于链的系泊系统-水深d＝300m

已经针对包括两根系泊线缆的支撑系泊系统进行了与基于300m长的钢缆的系统类似的仿真，每根系泊线缆具有长度为455m且平均直径为90mm的顶部钢缆(外部导缆器)和长度为200m且平均直径为180mm的底部链。预张紧水平的水平分量是125kN。FAU浪涌偏移的结果在图6中用实线表示，以及示出2500m/400kN(虚线)和1200m/290kN(点划线)的基于钢缆的系泊系统。对于基于钢缆/基于链的组合系统，FAU浪涌偏移为约37m，其低于两个基于钢缆的系统(均在40m以上)。此外，预张紧水平显着较低。因此，基于图6中的观察结果，在引起DP漂移场景的DP故障之后，甚至对于达300m以上的水深，基于组合的底部链系统和顶部钢缆系统的支撑系泊系统被认为是本发明的优选实施例。

断电

参照上述完全断电场景，即，构成主系泊设备的DP系统中没有可用的推力，已经进行了第一和第三实施例所涉及的力的仿真，即分别使用完全基于钢缆的系泊系统以及基于钢缆和基于链的组合系统。在这种情况下，最关键的条件被认为是在朝FPSO 2的桥接件方向上到达的波，即波头0度，参见图1a箭头10，以及具有共线性环境。在本分析中考虑以下环境条件：

表1：在断电场景仿真中使用的环境条件

Hs是有效波高，Tp是波谱峰值周期，Uw是1小时期间的平均风速，Uc是表面当前速度。

基于钢缆的系泊系统-水深d＝100m

假设基于钢缆的系泊系统3包括平均钢缆直径为90mm的两根1500m长的系泊线缆3a、3b，其锚固在水深为100m处并且在135kN的正常操作期间暴露于预张紧水平，对应于100kN的水平张力。

在这种情况下，分析表明，对于具有10.5m的有效高度的情况，最大FAU浪涌偏移为约35m。注意，10.5m明显高于用于连接FAU与FPSO的上限波，其在5-7m范围内。再次，可以通过在正常操作期间增加预张紧水平来减小偏移。相应的最大系泊线缆张力达到5692kN。

基于链和基于线缆的系泊系统-水深d＝300m

对于300m的水深，已经针对包括两根系泊线缆的支撑系泊系统进行了仿真，每根系泊线缆具有长度为450m且平均直径为90mm的顶部钢缆(外部导缆器)和长度为200m且平均直径为180mm的底部链。预张紧水平的水平分量是125kN。

通常，针对300m水深的该特定的支撑系泊系统的结果与针对漂移场景的水深100m的结果非常相似。因此，得出结论，在完全断电场景的情况下，支撑系泊系统将能够保持FAU2远离FPSO 1。该结论适用于至少Hs＝10m的海况，其远高于用于使FAU 2与FPSO 1连接的实际操作限值。

在前面的描述中，已经参照说明性实施例描述了根据本发明的组件的各个方面。为了说明的目的，阐述了具体的数字、系统和配置，以便对系统及其工作提供透彻的了解。然而，该描述并不旨在被解释为限制性的。说明性实施例的各种修改和变化以及对本领域技术人员显而易见的系统的其它实施例被认为在本发明的范围内。

Claims

1.一种用于避免第一浮动结构(2)和第二结构(1)之间的碰撞的系统，所述系统包括：

-主定位设备(4)，用于将所述第一浮动结构(2)保持在距所述第二结构(1)预定距离(l_c)处，

其特征在于，所述系统还包括支撑系统，所述支撑系统包括：

-辅助定位设备(3、3a、3b)，用于将所述第一浮动结构(2)系泊到下层海床(5)，所述辅助定位设备(3)包括能安装在所述第一浮动结构(2)上的张紧装置(7)，并且

-所述辅助定位设备(3)构造成在所述主定位设备(4)发生故障的情况下，建立作用于所述第一浮动结构(2)的合力(F_res)，所述合力具有确保保持所述第一浮动结构(2)和所述第二结构(1)之间的最小距离(l_min)的大小和方向。

2.根据权利要求1所述的系统，

其特征在于，所述辅助定位设备(3)在使用期间布置在所述第一浮动结构(2)上，背离所述第二结构(1)。

3.根据权利要求1或2所述的系统，

其特征在于，所述张紧装置(7)连接到所述辅助定位设备(3)的第一端部。

4.根据权利要求3所述的系统，

其特征在于，所述张紧装置(7)能够通过沿所述辅助定位设备(3)调节张紧来控制所述最小距离(l_min)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的系统，

其特征在于，所述辅助定位设备(3)包括：

系泊线缆(3a、3b)，所述系泊线缆能在第一端部处连接到所述第一浮动结构(2)并在第二端部处连接到海床锚固装置(8)，其中，在使用期间所述系泊线缆(3a、3b)的平行于所述下层海床(5)定向的最大分量远离所述第二结构(1)指向。

6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，

其特征在于，所述辅助定位设备(3)包括：

两个系泊线缆(3a、3b)，每个系泊线缆在使用期间均具有平行于所述下层海床(5)定向并远离所述第二结构(2)指向的最大分量，其中，所述两个系泊线缆(3a、3b)的分量限定与所述下层海床(5)平行的平面，具有小于120°的相互角度。

7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，

其特征在于，所述辅助定位设备(3)包括：

第一细长部分，在一个端部处能连接到所述第一浮动结构(2)；和

第二细长部分，连接在海床锚固装置(8)和所述第一细长部分的另一端部之间，

其中，所述第二细长部分的重量和刚度中的至少一个高于所述第一细长部分。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第二细长部分的长度小于所述第一细长部分的长度。

9.根据前述权利要求中任一项所述的系统，

其特征在于，所述主定位设备(4)包括动态定位系统。

10.一种设施，包括：

第一浮动结构(2)，

第二结构(1)，以及

根据权利要求1至9中任一项所述的系统。

11.根据权利要求10所述的设施，

其特征在于，所述设施还包括使所述第一浮动结构(2)和所述第二结构(1)互连的桥接件(6)。

12.根据权利要求11所述的设施，

其特征在于，所述桥接件是能拆开的伸缩桥接件(6)。