[科普中国]-锚泊定位

简介

锚泊定位是指用锚及锚链、锚缆将船或浮式结构物系留于海上，限制外力引起的漂移，使其保持在预定位置上的定位方式，常用于钻井船或半潜式钻井平台上，目的在于限制和减小它们在风、浪、流作用下的运动，以减少由于过度运动所造成的停钻时间。风、浪、流可能来自不同方向，一般采用呈辐射状的多点锚泊系统。为最大限度地减小运动，在强度许可条件下将每根索链尽量收紧。一般多用链，因链较重，吸收动载荷的能力较强。锚泊定位水深通常可达200~300米，更大的水深则可用索或上段为索、下段为链的索链组合系统，其水深可达800～900米。但深水中亦有采用动力定位者，或锚泊定位与动力定位并用，浅水时用锚泊定位，深水时用动力定位，或以锚泊定位为主，大风浪时使用动力定位协助。

锚泊系统分类按锚泊线与船体接触点的数目来分类，则锚泊系统可分为单点锚泊系统、两点锚泊系统和多点锚泊系统。

单点锚泊系统单点锚泊（Single Point Mooring，SPM）系统是一种应用广泛的锚泊方式。实际中，船舶或海洋结构物能够围绕着单个轴自由转动，使得自身所受的风、浪、流阻力始终最小的锚泊系统均为单点锚泊系统。单点锚泊系统最早于二十世纪四十年代由美国海军发明，为战舰的海上加油提供服务。当前装卸原油的终端设备上，主要使用悬链式单点锚泊系统来定位超大型油轮，作为缆式单点锚泊系统的代表产品，技术已经非常成熟。

单点锚泊又被称为“浮动的码头”，在不断变化的自然环境作用下，浮筒始终供给水平回复力，确保浮体的稳定。当浮体受到外力而偏离期望位置时，锚链上的张力会随之增大，用以抵御外力来维持浮体稳定。由于浮体可于水平面内绕转台任意转动，则其对不同方向的环境外力有较强的适应性，因此设计时可相应减小锚泊系统的尺寸。单点锚泊系统的优点是操作方便、安全、可靠性高,特殊情况下能及时实施解脱,确保人身安全；缺点是其技术较为复杂且制造成本较高。

两点锚泊系统两点锚泊系统是船舶或浮体通过2个单锚腿浮筒来完成的艏艉锚泊。它最大的特点是能省去单点锚泊中的旋转接头，且整个系统可采用国内设计与施工的传统组件。缺点是船舶保持固定方向，不能转动，则船舶难以抵御较强力度的横向环境力，所以此系统只适用于自然条件温和或外载荷方向较单一的海洋工程。有的项目工程中可用两点锚泊系统增补和替换单点锚泊系统。

多点锚泊系统多点锚泊系统常用于定位要求高或者定位水域非常狭小的情况下。它的定位效果较好,但由于多点锚泊系统下的浮体不能随着环境力无约束地转动和移动，在强自然环境力作用下时，锚泊系统将承受较大的锚泊力。此外，根据力学原理，如果锚泊系统中各锚泊链间的夹角偏大，将会使得锚泊链张力较大。因此，锚泊力与浮体运动是多点锚泊系统研究中需要考虑的两个重要方面。在实际工程中，多点锚泊系统常应用于海况平稳的区域(如非洲西部),也常应用于环境力方向较单一的海域。

多点锚泊系统的类型有：多浮筒式锚泊，多应用于岸边船靠泊；扩展式锚泊，多用于移动式钻井装置的定位，其实现方式是向钻井装置的四周海域抛出多根锚泊线。铺管船等工程船舶在海上或江河中作业时也经常采用多点锚泊系统定位和移位1。

布锚方式一般的船舶包括钻井船由于侧向的面积通常大于首向面积，因而锚索布置成对侧向提供较大支持的形式。但对于半潜式钻井平台，由于首向和侧向暴露面积近似相同，作用在半潜式平台上的环境力在各个方向上差别不是很大，因此半潜式钻井平台采用辐射状锚泊进行定位时可以不考虑作业区域环境力的方向，锚索的布置一般均采用对称形式。对于实际作业海域环境条件比较有规律，操作者对环境条件比较清楚时，则可以根据占优势风、流和波浪的方向选择良好的锚索布置，将锚索集中于一侧的强有力的不对称形式，这种布锚方式在实际中也得到不少成功的应用。

图 1 所示为几种典型的布锚方式，其中最常用的是 8 点 30°~60°（图 1-1A）和 8 点对称（图 1-1B）。某些地区，强的风或流来自可以预见的方向时，则如图 1-1G所示的不对称布置方式已经得到成功的应用。当半潜式钻井平台附近有管系或者航道时，有时使用如图 1-1H 所示的不对称布锚方式。

而近些年，随着半潜式钻井平台作业水深的不断加大，作业环境的不断恶化，飓风及强热带风暴灾害性天气的频繁出现，国际上对于半潜式钻井平台的锚泊定位系统的可靠性及安全性提出了更高的要求。因此，有些新建或者改造的平台项目已经出现了 12 点锚泊系统的形式2。

锚泊定位系统的主要设备锚半潜式钻井平台的锚泊定位系统采用的锚一般为拖曳式大抓力锚。早期用得较多的有DANFORTH锚、LWT锚等。随着海洋工程的发展，新型的抓力更大的锚不断出现，诸如FLIPPER DELTA锚、BRUCE-TS锚、STEVPRIS系列锚等。与普通大抓力锚相比，这些锚的抓重比更大，如Stevpris MK6锚在淤泥中的抓重比可达约44，在中等硬度的粘土中抓重比可达约60，在硬土中可达约80。大抓重比拖曳锚的开发，推动了深水半潜式钻井平台锚泊定位的配套技术。图2为目前常用的几种大抓力锚形式。

锚索深水半潜式钻井平台锚泊定位所采用的锚索都是组合形式，其形式主要可分为:钢丝绳一锚链组合系统、锚链一钢丝绳一锚链组合系统或者锚链一合成纤维索一锚链组合系统。国际上多数深水半潜式钻井平台采用锚索的多是锚链与钢丝绳组合的形式。锚索组成中的锚链、钢丝绳及合成纤维索特点如下：

(1)锚链锚链在海上作业中已显示出其经久耐用的特性，它在适度的刚性下具有较好弹性并且耐磨，在海床土质中摩擦系数最高，为保证和增加拖曳锚的抓力起到至关重要的作用。深水半潜式钻井平台通常采用R级高强度系泊锚链。随着锚链等级不断提高，早期的R3和R3S锚链通常用作锚头前的一段连接卧链，R4、R4S锚链在锚缆组合中使用最多。

(2)钢丝绳用于锚泊定位的钢丝绳典型结构形式如图3。海洋工程装置通常采用精炼梨钢(IPS)和高级精炼梨钢(EIPS)、单股钢丝绳芯((IWRC)的6股、8股圆股钢丝绳，这些钢丝绳受力时会产生扭矩。为达到防扭的目的，防扭转(螺旋股型和多股型)的钢丝绳得以应用，通过几层钢丝(或几束钢丝)反向缠绕，钢丝绳受力时不会产生很大的扭矩，因此对于永久式锚泊定位系统是很具吸引力的。

(3)合成纤维索由于缺乏长期使用的经历，合成纤维索一直没有被广泛应用于平台锚泊系统。高性能合成材料做成的各种锚索的认识尚处于研究阶段。近年来，已经有移动式钻井平台开始使用合成纤维索作为锚索。合成纤维索由于其自身在强度相当的前提下具有重量轻的优点，在防腐蚀方面目前国际上先进的合成索生产厂也有了有效的解决措施，随着进一步的研究和使用经历，有可能在将来得到广泛的应用。

锚机或绞车锚机/绞车的用途是放出和回收链(缆)时控制其运动速度，锚泊时预紧和调节链(缆)张力。深水半潜式钻井平台的锚泊定位系统配备的锚机或锚绞车，需要综合考虑锚索的形式、抛/起锚方式及平台质量控制、布置空间等方面的要求，主要有卧式锚机、锚绞车及组合锚机。

卧式锚机通常为组合形式，有双联、三联和四联组合锚机，即两台、三台或四台锚机串联在一起，被同一套动力装置驱动。卧式锚机主要适用于链锚绞车为滚筒式锚绞车或牵引式绞车(或称摩擦滚筒绞车)的缆一链系统。

滚筒式锚绞车的滚筒表面设置钢丝绳槽以控制第一层钢丝绳的位置，且配置排缆器，其主要缺点是随着锚索直径及长度的增加，绞车的尺寸会非常大，同时各层钢丝绳的工作负荷、支持负荷和速度都是不同的，内层拉力大、速度慢，外层则相反。

牵引式绞车由两个平行的带槽滚筒组成，钢丝绳在两个滚筒上绕几圈(一般为6~8圈)，钢丝绳与滚筒间的摩擦提供钢丝绳的拉力和支持力，而通过摩擦滚筒的钢丝绳贮存在专用的储绳卷车上，从而解决了滚筒式锚绞车因钢丝绳层次不同导致拉力和速度变化的问题。

导向轮导向轮用于改变链(缆)的运动方向，根据锚索类型及所配置的锚机不同，可分为导链器、导缆器及导索器。导链器用于锚链；导缆器用于钢丝绳；导索器既能用于锚链又能用于钢丝绳3。

抛锚方式抛锚方式取决于平台设置的锚机形式(卧式锚机，锚绞车，组合锚机)、拖船的功能及操作者的判断。深水半潜式钻井平台常用的抛锚方式有两种：常规抛锚及预抛锚方式。

常规抛锚方式设置组合锚机的平台，锚泊定位所需的所有锚索(钢丝绳和锚链)全部存放在平台上。与单一锚链或单一钢缆抛锚方式相同。抛锚时，拖船携锚连带锚链加钢缆，拖至预定锚点将锚下放到海床上，然后平台锚机收锚索使锚啮人泥底。锚抛好后，进行锚抓力试验，再调整平台位置并放松锚索至预张力。回收时，平台先放松锚索，由拖船将锚拔出后，再回收锚索，直到锚头放在锚架上。

优点：在不同的作业水深，可通过组合锚机调节锚索的长度实现定位。在初始定位及回收时拖船只需要进行简单的抛/起锚作业即可。

缺点：对于锚泊设备要求较高，需要配备质量较大的组合锚机，全部设备需要占用相当大的立柱空间或甲板空间。

预抛锚方式设置卧式锚机及链一缆一链锚索或锚绞车及缆一链系统的平台，锚泊定位所需的部分锚索(钢丝绳、锚链)存放在拖船上。在平台到达井位前，拖船在井场预先将所有锚抛在设定的锚位，当平台到达后，拖船将预抛锚的锚索与平台自带的锚索进行对接，然后，平台锚机或锚绞车将锚索收紧，完成常规抛锚方式的相关程序即可实现定位。结束作业时，拖船将预抛锚的锚索与平台自带锚索脱开即可。

优点：平台所配备的锚泊设备简单，一般只需要配备卧式锚机或锚绞车，平台上保留用于与预抛锚部分相连接的锚链或钢丝绳。

缺点：当平台经常在不同水深海域作业时，需要根据水深情况预先确定预抛锚部分的锚索长度。尤其在深水情况下，大量的锚索需要由平台拖船来存放，因此对拖船的要求较高3。