浮式结构物定位系统设计与分析的推荐作法

前言
本标准等同采用美国石油学会的《浮式结构物定位系统设计与分析的推荐作法》（1996年版），即API RP 2SK《API Recommended Practice for Design and Anaalysis of Stationkeeping Systems for Floating Structures》（1996）。

本标准的译文中关于风、浪、流、冰、温度、地震等环境条件数据或定量计算方法，仍使用原标准中得数据和定量计算方法。

关于计量单位，以公制单位为主，即公制单位值在前，其后将英制单位的响应标值在括号内。

为不改变原标准中公式、曲线的形状特征，常熟和系数，凡使用硬直单位的，仍沿用英制单位。

本标准的附录A、附录B、附录C和附录D均为资料性附录
本标准由中国海洋石油总公司提出并归口。

本标准起草单位：天津市银旭科技中心。

本标准主要起草人：田树棠、王仲民、王朋来。

API前言
在本推荐作法中凡用竖线标出的部分都是对API前版所作的修改。

注意，所有章节、段落、图和表均已重新编号。

本推荐作法的所有权属于API海洋结构分会。

API出版物可为愿意使用的任何人所用。

为确保出版物中资料的准确性和可靠性，本学会已经做了各种努力，但是，本学会对与本出版物有关联的一些问题绝不做出表示、保证或担保，并且明确表示对由于使用本出版物产生的损失或损坏不承担任何义务或法律责任，并且对由于本出版物可能与联邦、州或市法律发生冲突而违反了这些法律不承担任何义务或法律责任。

欢迎提出修改意见，并直接提供给华盛顿，D.C20025 1220L大街，N.W.美国石油学会勘探与生产部主任。

这个标准按封面上注明的日期开始生效，但亦可在发布之日起资源地使用。

API环境保护使命和环境保护知道原则
从长远发展趋势看，影响石油工业未来生存的一个最重要问题是公众对环境的关注，鉴于这一发展趋势，美国石油学会（API）的成员伙伴们建立起了一种积极地、向前看的环境战略，称当代环境合作伙伴行动战略（STEP）。

这个行动计划所瞄准的目标，就是通过改善石油工业的环境、健康与安全状况，对公众的关注作为回应，用文件方式记录这些改善，并与公众沟通。

这个行动战略（STEP）的基础便是美国石油学会（API）的环境保护使命个环境保护指导原则。

API标准将促进人们从事良好的工程设计和作业实践，是执行API的STEP 的一种重要手段。

API环境保护使命的环境保护指导原则。

美国石油学会的成员们在经济的开发能源井并向消费者提供高质量产品与有志夫妇的同时，一直为改善作业与环境的协调性作不懈努力。

这些成员都认识到在保护其雇员和公众的健康与安全的同时，他们有责任有效地满足社会的需要以及与公众、政府和其他方面共同努力开发，并以良好的保护环境的方式利用天然气资源。

为了满足上述要求，API成员们保证按照如下原则规范其业务行为：
了解公众对其原材料、产品及作业的关注并作出响应。

以一种保护环境和保护雇员与公众健康和安全的方式运作其工厂和设施，管理其原材料和产品。

在设计以及开发新产品、新工艺时，将安全、健康和环境问题放在首位。

将有关的重大的安全、健康和环境危险以及推荐的保护措施迅速告知有关官员、雇员、客户和公众。

向客户、承运方和其他人士提出其原料、产品和废物的安全使用、运输和处理方面的建议。

经济地开发和开采天然资源，并有效地利用能源以保护这些资源。

通过从事和支持关于其原料、产品、工艺和废物对安全健康和环境影响的研究来扩展知识。

责成有关部门减少总得气体排放和废物的生成量。

同其他有关部门一道解决由于处理和处置作业中得危险物质所产生的问题。

参与政府和其他方面制定有关保护公众、工作场所和环境安全的责任法律、法规和标准。

通过与生产、处理、利用、运输或处置类似原料、石油产品和废物的其他单位互相学习和帮助，推广这些原则和作法。

特别说明
API出版物所阐述的毕默然都是一些一般性问题。

就一些具体的情况，还应再查阅当地、州以及联邦政府的法律与法规。

当涉及到事关健康与安全风险及预防方面的问题时，API对雇主、制造商或供应商不横担预先警告、适当培训和装备其雇员以及其他参与者的义务；API也不承担地方、州和联邦政府法律规定的属于雇主、制造商和供应商的责任。

对于一些特殊材料的安全与健康风险以及适当预防等方面的资料，应当从有关雇主、该材料的制造商或供应商，或者从材料安全数据表中得到。

任何的API出版物都没有隐含或暗示授予任何人制造、销售或使用设计专利权的任何方法、仪器设备或者产品的权利、API出版物中所包含的任何内容也不能作为免于任何侵犯专利权责任的保证。

一般地说，API标准至少每五年进行一次审查、修订或撤销。

有时可将这个审查周期一次性延长两年。

在这个出版物作为可操作标准出版5年后，或经允许延长再版，此出版物则不再有效。

出版物的有效情况可从API管理机构查明{电话（202）682——8000}。

API出版物和资料目录由API每年出版一次，且每个季度进行一次修订。

API总部位于华盛顿，D.C.20005L大街，N.W。

上述文件是按确保形成过程中适时通报和参与的API标准化程序产生地，并被指定为一个API标准。

有关这个标准的内容的解释或者标准产生的程序问题应直接写信给编辑部主任（见本文扉页），华盛顿，D.C.20005L大街，N.W美国石油学会。

关于API标准的正式提出和出版无意义任何方式阻止任何人采用任何其他作法。

对于其设备和材料的标识与某种API标准的标识要求相一致的任何制造商，均要独自承担按照该标准的全部要求行事的责任。

API不代表、不保证或不担保这些产品实际上与适用的API标准相一致。

全部保留权：
这份文件的任何部分在未得打出版商事先书面允许之前，不得复制、不得采用可检索系统储存，或通过任何手段，茹电子的、机械的、照相复制、录像或其他方式传播。

API出版服务：华盛顿，D.C.20005L大街，N.W。

版权@1996 美国石油学会
浮式结构物定位系统设计与分析的推荐作法
1.范围
本标准的目的在于提出一种合理的分析、设计或评价与浮式装置一起使用的系泊方法。

这个方提供了一个统一的分析工具。

通过这个工具，在了解了某一特定地域的环境条件、系泊状态下的装置特性及其他因素的情况下，能确定系泊系统的适用性和安全性。

本标准也包括一些动力定位系统的设计指南。

浮式装置系泊技术在迅速发展。

对本委员会认为有足够资料可用的领域，作了明确具体的和详细推荐。

对另一些领域，则只针对一些具体问题提出应当考虑的一般性叙述。

应鼓励设计人员利用所有的研究成果。

随着海洋技术的不断发展，本推荐法将做修改，希望这里包含的一般性叙述将逐步被详细的建议所取代。

2.基本考虑
2.1定位系统介绍
一个浮式结构物的定位系统既可以是单点系泊，也可以是扩展式系泊。

船型装置更多的趋向于采用单点系泊，而对半潜式装置多采用扩展式系泊。

定位系统第三种型式是动力定位（DP）。

动力定位可作为定位的独立动力源，或用于辅助一个悬链式系泊。

动力定位既可以用于储油轮，也可用于半潜式系统。

2.1.1扩展式系泊
图1是一个悬链扩展式半潜式系泊示意图。

这是用于浮式钻井作业的一种通用系泊技术。

就浮式生产应用而言，扩扎实系泊主要用于半潜式装置。

因为作用在半潜式装置上得环境力对方向不太敏感，扩展式系泊系统设计成保持持续该装置一环境力方向无关的位置上。

然而，该系统也可用于对环境力方向较敏感的船型装置。

这种系泊可以使锚链式、钢索式、合成纤维索式或者这三种方式的结合。

不管是通用的拖曳锚还是锚链，均可用于系泊缆的终端。

对于半潜式浮式生产系统来说，扩展式系泊有某些优点。

由于它固定了装置的位置，可对就在该装置之下的水下井口进行钻井和完井作业。

对修井作业也如此。

另一方面，扩展式系泊系统稀薄扩展的范围相当大（几千英尺量级）。

锚和悬链的系泊缆均处于此扩展的范围内。

在安装盒维修管线、立管或其他海底设备时必须考虑这些因素。

扩展式系泊与用于固定张腿平台（TLP）上得垂直系泊钢索（见图2）结合，既增强了张力腿平台基本概念的可操作性，也提高了它的可靠性。

这种扩展式系泊允许以一种可控制的方式对水面船型进行调整，并且提供一种独立的平行加载路径以抵抗横向环境力。

采用这一概念可以将水平布置的钻具和生产设备撬块送到位，并与海床结构连接。

否则要使用诸如导索、顶推器或在水面船舶上拖移井架等方法将这些设备撬块送到适当位置。

这种扩展式系泊的调整形态和设计与用于半潜式生产系统的扩展式系泊系统极其相似。

2.1.2单点系泊
单点系泊主要用于油轮。

这种系泊能使油轮像风向标那样改变方向。

为了使作用在
油轮上得环境载荷最小，有必要使油轮船首朝向环境条件主控制方向。

单点系泊系统的设计多种多样，但是它们所起的作用基本相同。

单点系泊与生产立管和储油轮连成一体。

典型的单点系泊系统介绍如下。

2.1.2.1转塔式系泊
转塔式系泊系统被定义为若干悬链式系泊腿连接在一个转塔上，而该转塔成为所系的装置的基本组成部分。

转塔有一些支承轴使装置能环绕锚腿旋转。

通过适当的加强措施，可以把转塔安装在艏部或者艉部的外部（见图3），或者安装到船的内部（见图4）。

锚链盘可以在水线之上或在水线之下。

转塔也可与垂直立管系统连成一体，此垂直立管系统通过某种机构（装有万向接头的架子，U型接头或锚链连接装置）与船体艏部或者艉部（或内部）连接。

立管的基盘往往靠在立管内增加重量或靠悬浮在立管之下（平衡）加重。

上述转塔与船体的连接方式影响着系泊系统的性能。

立管的构造可包括钢管柱、锚链或钢丝缆等部件，并且直径和长度的变化范围相当大。

链盘与立管的相对位置也可根据设计改变。

图5绘出了工业部门提供的几种转塔设计类型。

2.1.2.2悬链锚腿系泊（CALM）
悬链锚腿系泊系统包括一个大型浮筒，该浮筒支承着一些锚碇于海床上的悬链锚链腿（见图6）。

自海床伸出的立管或者出油管与CALM浮筒底面相连接。

某些系泊在浮筒与油轮之间使2，一般为合成纤维缆。

由于在波浪的影响下,CALM浮筒的响应与油轮的响应完全不同，该系统承受环境条件的能力有限，当海况达到某种程度时，必须解脱油轮。

为了克服这种局限性，在一些比较心地设计中则采用带有铰轴的刚性结构连接臂架把船连接到浮筒顶部（见图7）。

该刚性连接实际上消除了浮筒与油轮之间的相对水平运动。

图8给出最近开发的带软钢臂的系泊系统，它使用锚链把船连接到具有软系泊连接的有福利的刚
臂上。

2.1.2.3单锚腿系泊（SALM）
该系统使用了一个垂直立管系统，该系统在靠近水面除（有时在水面处）有相当大的浮力，靠预张的立管系固。

该系统一般使用一段筒柱，使立管与一个固定刚臂铰接（见图9），也可能使用一个具有软系泊连接的链式立管（见图10）。

作用在立管顶部垂直浮力的作用似一个倒置的摆锤。

当系统侧移动时，该摆锤作用使立管恢复到垂直位置。

油轮或者通过在悬链锚腿系泊（CALM）描述中讨论过的柔性系泊缆或者通过刚臂固定在单锚腿系泊（SALM）浮筒的顶部。

此立管基盘通常是通过一个U形接头固定到桩上或海床上的加重混凝土块或钢结构上。

在深水，立管系统常有中跨铰接头。

2.1.3动力定位
动力定位（见图11）可用作单独定位源或用于辅助悬链系泊系统。

动力定位通常由声学定位参照系统和船体周围由电脑控制的侧推器组成。

动力定位可于一种被称作DP辅助系泊（如果侧推器是由人工控制的或称作侧推器辅助系泊）一起使用。

动力定位特别适合于预定频繁进出现场的船舶，例如油井延长测试系统。

2.2永久性与可移动系泊系统之间的区别
永久性系泊通常用于设计寿命较长的生产作业。

例如，一个浮式生产系统（FPS）的
系泊就是永久性系泊，因为浮式生产系统系泊的一般设计寿命超过10年。

移动式系泊经常短期地停留在某地。

移动式系泊的实例包括移动式海上钻井装置（MODU）和系泊到邻近其他平台上的辅助船。

诸如浮船坞、钻井供应船以及值班船。

对设计寿命仅几年的作业，移动式和永久性之间的区别可能不太明显。

在这种情况下，用户应当根据遭遇恶劣环境的风险以及系泊事故的后果作出判断。

如下所述，永久性与可移动式系泊之间的差别是显著的。

下面的讨论可用作确定浮式结构的归属类别（永久性的或是可移动的）指南。

2.2.1系泊类型
一座移动式的浮式平台通常选择装备一套扩展系泊、内转塔系泊或者动力定位系统，而一座永久性的浮式平台会有更多的系泊设计选择，因为其通常不需要移动。

2.2.2环境准则
移动式系泊的设计环境低于永久性系泊的设计环境。

移动式系泊设计的环境较低是基于如下考虑，即一般地说移动式系泊出现事故后果的严重性要轻些。

这可以通过移动式海上钻井装置（MODU）与浮式生产系统（FPS）的比较来解释。

在许多场合，移动式海上钻井装置至少可以解脱，甚至可将钻井立管放下来。

在热带风暴情况下，在风暴到达之前可将装置撤离作业区。

相反，浮式生产系统不太可能从作业地撤离，甚至没有可能快速收回立管。

2.2.3分析方法
通常使用准静力分析方法评价移动式系泊系统性能，并通过使用一个相对保守的安全系数包含缆的动力效应。

永久性系泊系统的最终设计要求使用更加精确的动力学分析方法。

并使安全系数放宽，以消除缆的张力预报方面的某些不确定。

如果系泊事故后果严重，移动式系泊也应进行动力分析。

此外，移动式系泊系统不要求做疲劳分析。

由于频繁地展开和回收的杂乱状态，移动式系泊系统的许多系泊部件在达到它们的疲劳极限之前就被更换了。

然而，对永久性设施，例如浮式生产系统（FPS），疲劳则是个重要的设计因素，应进行疲劳分析。

2.2.4系泊硬件
移动式系泊使用的系泊硬件要能快速布设和收回。

永久性系泊不存在这种限制。

许多系泊部件，例如锚桩、线性绞车、浮筒及链传动装置或许不适合于移动式系泊，但能够用于永久性系泊。

此外，由于永久性系泊的设计要求更为严格，所以它常常要求使用重型系泊硬件。

2.2.5安装
移动式系泊的展开通常要借助于一些辅助工作船来进行。

这种作业是简单的，一般不超过几天。

一座浮式生产系统的系泊展开则经常需要一些重型船舶，例如起重船或专门建造的工作船协助。

系泊的区域通常是预先确定的。

为便于部署，有时还要将一些特殊的设计细节融合到系泊设计中。

2.2.6检测和维护
在移动式系泊展开和回收期间，可经常作目视检测。

为检测而收回一套永久性系泊系统是非常昂贵的。

为了检测永久性系泊，常用潜水员或遥控潜水器（ROV）。

另外，为移动式系泊更换系泊部件要比为永久性系泊更换系泊部件容易些。

2.3设计考虑
2.3.1设计
与系泊系统有关的主要设计考虑是设计准则、设计载荷、设计寿命、操作和维修等。

下面几节详细叙述这些需要考虑的事项。

此外，设计者也必须注意立管和海底设备需要考虑的事项。

2.3.2立管
这些立管在海底与生产船或钻井船之间输送液体，并且是系泊系统主要的设计制约因素之一。

立管系统限制船舶允许的位移。

在船位移过大情况下，为避免损伤立管，有时允许调整系泊缆，例如放松下风向缆。

一个同等重要的考虑是在作业和极端气象条件期间，系泊缆与立管之间的相互干扰。

因此，系泊系统与立管系统必须设计成能够彼此适应，并使这两方面的设计工作协调一致。

立管系统的设计指南可再API RP 17A、API RP 16Q中找到。

2.3.3海底设备
诸如基盘、立管基础、卫星井和井流管线等海底设备的布置，应避开任何可能的系泊缆的干扰。

在安装、作业或维修期间，系泊缆与海底设备之间的任何接触均存在着即可能损坏海底设备也可能损坏系泊缆的严重事故隐患。

如果这种干扰或干扰的潜在性不可避免，则需要通过系泊缆的非对称布置，或使用重块或弹性浮筒来改变系泊系统的布置和设计。

系泊系统的设计与海地设备的布置的协调一致是最重要的。

在API RP 17A中给出了海地设备的设计指南。

3 系泊部件
3.1.1 系泊缆的分类
系留船舶的系泊缆可由锚链、钢丝缆、合成材料或者它们的组合构成。

可能有多种由不同类型、尺寸的缆和不同位置、不同大小的重块或浮筒组成的组合。

上述组合可用于满足给定的系泊性能要求。

下面介绍一些工程应用的典型系泊缆系统。

3.1.1.1 全钢丝缆系统
由于钢丝缆比锚链轻许多，对于给定的预拉伸力，钢丝缆提供更大的恢复力。

随着水深的增大，这一点就越发变得重要。

然而，为了借助一个全钢丝缆系泊系统防止锚抬升，便要求很长的系泊缆。

全钢丝绳缆系统的一个缺点是由于在其同海地接触之处长期摩擦造成的磨损。

由于这种原因，全钢丝缆系统很少用于永久性系泊。

3.1.1.2 全锚链系统
在海上作业中，锚链已显现出其经久耐用性。

锚链能够较好的抵抗还低摩擦并显著地增大锚抓力。

但是，在深水中，一套全锚链系统由于其自重和要求的高初始张力，将对浮体施加一个增加的重负荷。

3.1.1.3 锚链/钢丝缆组合
在该系统中，典型的做法是将一段锚链与锚相连。

这样在系泊缆与海床接触的地方能够很好地抵抗摩擦，而且其重量增强了锚抓力。

装置末端出锚链或钢丝缆以及终端型式的选择取决于作业期间调节系泊缆张力的要求。

通过适当地选择钢丝缆和锚链的长度，组合系统便呈现出降低预张力要求和改善锚抓力以及有效抵抗海底摩擦力的优点。

这些优点使得组合系统在深水系泊方面具有吸引力。

上述组合系统的一种替代形式是钢丝缆/锚链/钢丝缆组合系统。

在该系统中，钢丝缆段既连接浮体，也连接锚。

浸没段使用一条长锚链，此处系泊缆与海床成动力接触。

这种锚链数量最少，但在深水区使用是昂贵和困难的。

3.1.2 锚链
为系泊浮体选择大直径锚链的材料和制造要做认真评定。

每条系泊腿所使用的锚链最好是制成延续不间断的。

这样便不需要使用锚链接环，并排除了伴随疲劳所产生的问题。

反之，则应当使用具有足够疲劳寿命的连接环。

可在属于最高强度4级（K4）的几个级别中买到锚链。

近些年来石油平台高质量（ORQ）锚链，已经大量的卖给了钻井承包商，并且一般都使用的很好。

3级锚链具有的产品破坏强度度大约相当于ORQ锚链的93%，而4级锚链具有的产品破坏强度大约相当于ORQ锚链的130%。

主要系泊作业不推荐使用2级锚链。

某些场合介于ORQ与K4之间的锚链的某一级别，例如“ORQ+20%”（破坏强度比ORQ 高20%）相比之下更能得到一些设计人员的喜欢，因为在制造方面比K4锚链容易。

建议在任何情况下，都要对验证棒材的正确的化学成分、制造工艺给予高度重视。

它们溶合了严格的质量控制的最终产品式样的综合实验。

ORQ锚链的技术规格检验和测试的详细指南，可在API Spec 2F[46]中查到。

通常采用增大锚链直径的办法防止锚链腐蚀和磨损。

锚链直径的腐蚀和磨损余量是个复杂的难题，还要做许多有效的研究。

目前工业上的实际做法是，在犹豫充氧水而加速腐蚀的飞溅区，以及在坚硬海底上发生严重摩擦的沉入和插入区，将锚链直径按每服役年增大0.2mm~0.4mm。

其余锚链直径增量按每服役年减少0.1mm~0.2mm。

用阳极对锚链进行电流保护的方法已经研究出来，但是由于阳极的寿命相对较短（大约5年），难以固定且费用高，还未得打广泛使用。

3.1.3 钢丝绳系泊缆
系泊钢丝绳缆可以是如图12所示的各种钢丝绳缆结构型式，包括许多股，围绕一根中央芯体沿同一方向旋转绕制成的钢丝绳。

就一条钢丝绳缆来说，股数和每股的钢丝数（例如6*36,6*42,6*54），芯体设计和股的布置，由），芯体设计和股的布置，由对钢丝绳缆要求的强度以及弯曲疲劳的考虑所控制。

这种结构在张力增大时产生扭矩。

抗自旋型股结构（螺旋股和多股）对永久性系泊来说是令人感兴趣的，因为它不随着张力的变化产生显著扭矩。

为了得到这种抗自选特性，两种结构都使用沿相对方向扰之的的钢丝层（或钢丝束）。

在永久性系泊方面，为了抵抗腐蚀，典型的是使用聚乙烯或基氨基甲（乙）酯外套。

外套材料应当高密度型材料，并且全部钢丝都应镀锌。

有时候钢丝间加锌丝也可成为辅助的防腐措施。

用一些填充物堵塞钢丝之间的间隙，以减少由于海水的浸入而使腐蚀扩大。

为减少腐蚀及磨损，增大钢丝系泊缆的直径已不是一种通用作法。

但是，在少数采用无外套的钢丝绳系泊缆的永久性系泊中，为了防腐和抗磨损还是将缆的直径按每服役年增大0.1mm~0.2mm。

每根系泊缆的尾端都应采用套筒结尾。

就浇注套筒来说，树脂材料比锌应当带有柔性更胜一筹。

为永久性系泊提供的套筒应当带有柔性解脱式密封保护罩（弯曲限制机构）。

此罩用密封阻止水浸入并采用限制形成自由弯曲疲劳的方法与套筒相连接。

在系泊缆制造之前和制造期间均应进行严格的质量控制和测试，以保证生产出的系泊缆满足设计规格以及保证最终产品具有所规定的最低破坏强度。

3.1.4 合成材料系泊缆
由于缺乏长期使用的经验，合成材料通常不用于永久性系泊缆。

目前正在一些研究工作以更好地了解用高性能合成材料制成的各种缆的性能，这种材料将来或许会得到广泛使用。

作为一个例外，合成材料系泊缆应用于CALM系泊缆中，其重要特性是具有很高的弹力。

可频繁地对这些系泊缆进行检验和更换。

而且在极浅水域，在一般设计环境条件下，通常可以把一段合成缆（一般为尼龙缆）组合到插入系泊缆中，以便吸收船舶的洞能量。