张紧倒置悬链线式系泊系统的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年10月9日提出申请的美国临时申请第62/061,838号和于2015年10月1日提出申请的美国临时申请第62/235,907号的权益。这些临时申请中的每个的内容借此以全文引用方式并入。

关于联邦政府赞助的研究或开发的声明：不适用。

背景技术：

1.技术领域

本发明一般来说涉及用于海上浮子的系泊系统。更特定来说，本发明涉及具有水下弹性浮筒并适用与能潜水浮子一起使用的系泊系统。

2.包括根据37cfr1.97和1.98公开的信息的相关技术的描述

可用于深水的两个主要系泊系统构思是半张紧和张紧系统。张紧系统在任何（未损坏）情况下对锚始终具有正上升力并具有有限的几何结构刚度，即，该系统的刚度主要由索（line）材料的刚度确定。通常，索材料具有相对高的强度重量比。

现有技术的张紧系泊系统尚未用于可断开系泊系统（诸如浮筒转塔式系泊系统）中。此外，现有技术的张紧系泊系统尚未与弹性浮筒组合使用。

浮筒转塔式系泊(btm)是可断开转塔式系泊系统，其包括可断开的系泊浮筒和定位于浮动船舶（诸如油轮）的船首舱中的固定转塔结构。系泊浮筒由悬链线式锚腿固定到海床、支撑原油和气体立管、并借助于结构连接器连接到固定转塔。固定转塔向上延伸穿过油轮、支撑于随风向改变方位的轴承上、并包含定位于主甲板上方的重新连接绞盘、出油管、控制歧管和流体旋转件。（apl系统不必在主甲板上方具有旋转件。）。

已针对台风、飓风或冰山是fpso或fso的危险物的区域开发了这些系统，并且主要出于安全原因，需要快速断开/重新连接。

可在无外部干预的情况下从油轮执行断开和重新连接操作。当断开时，系泊浮筒在水中下沉到中性浮力，并且fpso可航离。

浮动生产储存和卸载系统（fpso）是通常安装于海上石油和/或气田上方或附近的表面上用于接收、加工、存储和输出碳氢化合物的浮动设施。其包括浮子，浮子通常是永久系泊在现场的改造油轮。船舶的货物容量用作所生产石油的缓冲储存。加工设施（顶部）和住所安装于浮子上。系泊构造可以是扩展式系泊类型或单点式系泊系统，通常是转塔。

所生产的流体的高压混合物被输送到安装于油轮的甲板上的加工设施，其中将石油、气体和水分离。将水向船外排出或在处理后重新注入到贮存器中以消除污染物。将稳定的原油储存在货舱中并随后经由calm浮筒或者通过并排地或一前一后地放置到fpso而转移到穿梭般运行的油轮中。气体可用于通过气举来增强液体生产，和/或用于船舶上的能量生产。气体的剩余部分可被压缩并通过管道输运到海岸或重新注入到贮存器中。

悬链线式锚腿系泊(calm)是浮动浮筒，其实施以下双重功能：将穿梭般运行油轮系泊保持在单点上并转移流体（通常为原油或精炼产品），并且同时允许船只随风向改变方位。其包括通过常规锚腿或桩借助于固定到海床的多个链条/聚酯腿锚固的圆形浮动浮筒。该浮筒自身可自由上下移动、侧向移动并处于俯仰（pitch）和滚动运动中。穿梭般运行油轮经由缆绳系泊到浮筒上的可转动件。油轮可借助于柔性船用软管从浮筒装载或卸载到船舶的歧管。浮筒内部的管路和水下管道之间的连接可借助柔性软管。

在转塔系泊系统中，转塔系统整合到油轮的船体中（内部转塔）或附接到油轮的船体，在大多数情况下靠近船首（外部转塔），并允许油轮围绕其随风向改变方位，并且从而采用对风、波浪和涌流的组合力具有最小阻力的索。高压石油和气体旋转堆叠件（swivelstack）被安装到系泊系统上。该旋转堆叠件是从海床上的水下出油管到船舶上的管道系统的立管之间的连接。其允许石油、气体和水到单元上的流动得以继续，而不在fpso随风向改变方位时中断。出于大小和成本原因，旋转件的数目保持为最小值，并且因此石油和气体的流动必须在转塔区域中被多样化，特别是当系统从大量单独井生产时。

转塔系泊和高压旋转堆叠件因此是fpso的必要部件。

单点系泊(spm)是使得船舶能够在其装载或卸载碳氢化合物、化学品或淡水的同时随风向改变方位的系泊系统。spm的两种类型是：

•设计成用于由任何贸易穿梭般运行的油轮使用并且因此独立于船舶的单点系泊浮筒或塔；

•并入到船舶（诸如fso或fpso）内的系统，诸如转塔系泊。

半张紧系泊系统是具有不同性质的两个段的组合。第一段连接至锚。此段具有较低的强度重量比并且最常见是链条。其提供几何结构刚度，尽管存在悬链线行为并铺设在海床上。其降低锚上的垂直加载并防止第二段接触海床。

在半张紧系泊系统中，第二段的一端连接至第一段并且另一端连接至浮子。此段具有较高的强度重量比（如聚酯纤维绳索），并且因此展现有限的悬链线行为。此段对刚度的主要贡献是材料的刚度。对于半张紧系泊系统，总的索刚度因此由材料刚度和几何结构刚度两者确定。

现有技术的可断开系泊系统包括半张紧系泊系统，在一些情况下，由顶部段中的弹性浮筒辅助。对于这些系统，几何结构刚度由两个效果确定：底部段的悬链线行为和弹性浮筒对索几何结构的影响。这两个效果是对立者，从而降低彼此的效力。

技术实现要素：

根据本发明的张紧-倒置悬链线式(tic)系泊系统可仅使用现有的经现场证实的部件实现。“张紧”意味着系泊索在所有情况下在海底锚上产生正上升力。“倒置悬链线”意味着几何结构刚度由有浮力元件提供，该有浮力元件可被分布化，但优选地是索上的单个有浮力元件。该有浮力元件被称为弹性浮筒，因为其是有浮力的并以弹簧方式提供几何结构刚度。

对于张紧-倒置悬链线式系统，刚度由材料刚度和几何结构刚度两者确定。在根据本发明的系泊系统中，不是重量的悬链线行为，而是索因浮力的行为提供几何结构刚度。

根据本发明的tic系统可尽可能由轻质部件构成，诸如聚酯纤维绳索。由于锚上的上升力始终为正，因此聚酯绳索和海床之间的空隙由系统的几何结构提供。所有几何结构刚度由弹性浮筒提供。因此，锚[或短锚链条]和纤维绳索之间的制动链条不是必需的，并且因此无制动链条影响系统刚度。

系泊腿到锚的终止通常设计成水面下的（subsurface）。当半张紧系泊链条在水面下被附接时，该链条作为制动链条持续某些长度，其偶尔被提升。在本发明的tic系统中，当系泊终止在水面下时，类似的系泊链条可附接到锚。借助tic系统，该水面下的链条可终止在海底正上方，并且系泊腿中的浮力将保持此链条和到海底上方的聚酯系泊绳索的连接。如果锚到系泊腿的连接在海底上方，则tic聚酯连接件可直接到锚，并且不需要使用链条。

本发明的tic系统可用于任何类型的标准深水系泊用途。其在与可断开系统（诸如浮筒转塔系泊(btm)系统）组合使用时具有特定优点，这是由于系统在其中遇到水平力（例如偏移涌流）的断开条件下的最高级行为。

附图说明

图1是具有在静水中的根据本发明的tic系泊系统的已断开btm浮筒的示意图。

图2是具有涌流加载的图1中示出的已断开btm浮筒的示意图。

图3是具有在静水中的淹没舱的图1中示出的已断开btm浮筒的示意图。

图4是具有淹没舱和涌流加载的图1中示出的已断开btm浮筒的示意图。

图5是在btm浮筒的每个系泊腿上具有两个水下弹性浮筒的本发明的实施例的示意图。

图6是在btm浮筒的每个系泊腿上具有分布式浮力的本发明的实施例的示意图。

具体实施方式

通过参考附图中示出的（多个）示例性实施例可最好地理解本发明，其中tic系泊系统描绘为处于已断开条件下并受四个不同加载情况的影响。加载情况在先前部分中阐明。在每一情况下，已达到平衡。尽管出于解释目的，附图未按比例绘制，但形状是实事求是的。为清楚起见，图示仅示出两个系泊索以及其相关联的锚桩和弹性浮筒。然而，实际上，应理解，根据本发明的系泊系统将具有至少三个系泊索（腿）。

海底锚（每个[下]系泊索连接至其）可以是具有足以保持固定在海底上的总固持力的任何合适装置。合适的锚固装置的非限制性实例包括：打入桩；吸力锚[或桩]和吸力式嵌入板锚。本领域的技术人员将了解，锚的固持力可通过挂钩/吸力、自身重量或通过两个因素的组合实现。

在根据本发明的tic系统中，弹性浮筒的几何结构刚度与锚上的正上升力组合。弹性浮筒已用于系泊系统中达至少二十年。然而，弹性浮筒的每个已知应用已与半张紧系泊系统（即，包括一个或多个制动链条的系泊系统）组合。

与半张紧(st)系泊系统和张紧系泊系统两者相比，根据本发明的tic系统在恢复力曲线和索加载曲线方面具有优越特性。因此，根据本发明的tic系统产生比现有技术水平的系统更小的偏移和更小的索加载。

当与可断开系统（诸如浮筒转塔系泊(btm)）组合使用时，根据本发明的tic系统在断开时也具有优越特性。根据本发明的tic系统在水平恢复力和垂直下拉力之间具有低耦合。因此，其可适应例如因涌流导致的较大水平力，同时仅最小程度地增加浮筒的深度。这导致较小的平衡深度和较大的可允许损坏的舱。这两个因素都对浮筒设计具有有益效果。

根据本发明的tic系统在已断开情况下固有地稳健。甚至当浮筒已下沉到比其被设计的深度的更深的深度时，根据本发明的tic系统也仍具有防止浮筒进一步下沉的剩余垂直刚度。当浮筒已下沉到弹性浮筒下方时，浮筒上的净力甚至可能变成正向上。

由于高的垂直刚度，根据本发明的tic系统适用与scr立管系统和钢浮筒btm组合使用。混合立管不是必要的，因为所需垂直刚度由系泊系统引起。因此，立管系统可独立于浮筒深度具有恒定的垂直有效加载。可使用钢btm浮筒，因为根据本发明的tic系统产生小的平衡深度并允许大的舱尺寸，因此泡沫填充不是必须的。

根据本发明的tic系泊系统的成本可以是可比较的，但稍微低于具有弹性浮筒的半张紧系泊系统的成本。tic系统的更大益处是对btm浮筒设计的影响，并且继而，因较小尺寸的btm浮筒而导致的后续影响。

根据本发明的tic系统降低对btm系统浮筒的要求；浮筒结构可允许较小的外部压力并且可包括较大的舱。因此，浮筒可具有较低的结构密度，并且因此浮筒可更小，但达到相似的有效加载能力。

较小btm浮筒具有许多后续益处，其中的一些益处是：较小浮筒构建成本较便宜；并且，较小浮筒在重新连接和断开期间更好地起作用。因此，对这些操作所需设备的要求（诸如升沉补偿）减少。

而且，可能不需要在浮筒上方用水预先填充转塔以增强从浮动船舶的断开，因此缩短断开所需的时间。较小浮筒更容易安装，并且可能不需要大的重货船舶。对于输运，湿拖拽可由于更好的稳定性而是优选的。较小的系泊索加载较少对结构连接器的要求。

本领域的技术人员将理解，根据本发明的tic系统具有至少两个一般实施例：1)包括纤维绳索和在锚上维持正上升力的弹性浮筒的系泊系统(tic)；以及2)应用于（可断开）btm的这样系泊系统。当前，第二实施例是系泊btm的申请人已知的最有效方式。第一实施例可用于其它应用中，诸如具有moorspar™系泊浮筒或用于张力腿平台(tlp)的横向系泊系统的应用。

不同于现有技术的张紧腿系泊系统（例如，参见treu等人的美国专利第5,704,307号），根据本发明的tic是包括至少三个系泊索的系泊系统。在所有应用和情况中，这些系泊索通过浮筒（水面下浮动）或船舶（水面上浮动）彼此连接。现有技术的张紧腿系泊系统具有可单独地断开的单个系泊索。

根据本发明的tic系统的单独系泊索包括互连的一系列的数个系泊索，从而产生不同于垂直索（诸如现有技术的张紧腿系泊系统在断开时）的几何结构。该几何结构导致锚处的总垂直力始终大于零。这是因为浮筒的浮力减去系泊索的水中重量大于零的情况。

根据本发明的tic系统完全在水面下-无任何部分到达吃水线。不同于现有技术的张紧腿系泊系统，本发明的tic系统并不依赖于水面的存在。而且，不同于现有技术的张紧腿系泊系统，tic系泊系统无任何部分可松弛。

将理解，根据第一实施例的tic系泊系统的上索直接连接至船舶，这不同于首先连接至水面浮筒的现有技术的张紧腿系泊系统。

在根据第二实施例的tic系泊系统中，btm浮筒直接连接至船舶，这不同于通过缆绳索连接至船舶的现有技术的张紧腿系泊系统。

首先参见图1，btm浮筒18描绘为处于断开的水面下状态中。多个系泊腿将浮筒18连接至海底锚10。系泊腿包括下系泊索12，在所示出的实施例中，下系泊索12连接在海底锚10和水下浮力元件-弹性浮筒14之间。另外地，系泊腿包括上系泊索16，在所示出实施例中，上系泊索16连接在浮力元件-弹性浮筒14和btm浮筒18之间。

在某些优选实施例中，上系泊索16和下系泊索12包括合成纤维（或大体由合成纤维组成）。合适的合成纤维的实例包含聚酯、dyneema®聚乙烯纤维（荷兰海尔伦b.v.eisterweg36422pn的dsmhighperformancefibers（dsm高性能纤维）公司）和芳香族聚酰胺纤维。在一些实施例中，合成纤维系泊索可在海水中大体具有中性浮力。在又一其它实施例中，上系泊索(16)和下系泊索(12)可包括钢索或链条或者具有包括钢索或链条的选择段。

现参见图2，图1中描绘的系泊系统示出为受水面下涌流的影响。其示出为涌流矢量20。涌流矢量20用于使btm浮筒18在图2中向左移位。将注意，该移位导致下系泊索12变得更垂直；弹性浮筒14上升；下系泊索12'呈现更小锐角（相对于海底）；并且弹性浮筒14'在水柱中移动得更低。然而，应注意，系泊腿保持在张紧倒置悬链线式(tic)构造中，并且通过下系泊索12将正上升力赋予给锚10。甚至当通过涌流20使btm浮筒18从其平衡位置偏移时，下锚索12也并不接触海底。

图3示出根据本发明的系泊系统对增加的垂直加载和/或btm浮筒18的浮力的一部分损失（如由矢量箭头22所指示）的响应。例如，浮力的损失可以是一个或多个淹没舱的结果或在使用泡沫漂浮性时浮力的逐渐损失的结果。如图3中所示的，当btm浮筒18移动得更低时，下系泊索12更朝向垂直取向移动，而上系泊索16更朝向水平取向移动。这导致弹性浮筒14移开并在水柱中移动得稍微更高。应注意，甚至当btm浮筒18呈现比在水柱中更低的平衡位置时，系泊腿也保持在张紧倒置悬链线式(tic)构造中，并且正上升力通过下系泊索12被赋予给锚10。下系泊索12保持离开海底。

现参见图4，图1中描绘的系泊系统示出为受水面下涌流（示出为涌流矢量20）和加载增加或浮力部分损失（示出为矢量22）两者的影响。涌流矢量20用于使图4中的btm浮筒18向左移位。这些组合力导致下系泊索12变得更垂直；弹性浮筒14上升；上系泊索16向浮筒18提供某些上升力；下系泊索12'呈现更小锐角（相对于海底）；并且弹性浮筒14'在水柱中移动得更低。然而，应注意，系泊腿始终保持在张紧倒置悬链线式(tic)构造中，并且通过下系泊索12将正上升力赋予给锚10。甚至当通过涌流（矢量箭头20）和更大加载或浮力的部分损失（矢量箭头22）两者使btm浮筒18从其平衡位置偏移时，下锚索12也并不接触海底。

图5示意性示出本发明的替代实施例，其中多个水面下浮力元件并入到每个系泊腿中。海底s在图5和图6中示出为虚线。在所示出实例中，这些水面下浮力元件分别呈上弹性浮筒24和下弹性浮筒26的形式。中间系泊索28将上弹性浮筒24和下弹性浮筒26互连。中间系泊索28可包括用于下系泊索12和/或上系泊索16的类型的合成聚合物纤维或者实质上由其组成。又一其它实施例可具有采用类似的连接系泊索位于下浮力元件26和上浮力元件24之间的一个或多个额外的水面下浮力元件。这样额外的水面下浮力元件可以是与所示出的弹性浮筒24和26相同的类型或不同的类型。将理解，在图5的实施例中，系泊索12,28和16中的每个在平衡时均呈现大体笔直的取向。

图6示意性示出本发明的另一实施例，其中一段分布式水面下浮力元件32设置在系泊索16和30之间的一段索上。浮力元件32可以是环绕索32的选择部分的有浮力泡沫护套，其可在平衡情况下具有向上曲率。还可使用本领域中已知的其它分布式浮力构件。例如，多个分立的泡沫浮力元件可夹持或以其它方式附接到系泊索32。

根据本发明的系泊系统可采用以下实施例的形式：其包括有浮力本体；以及多个系泊腿。每个系泊腿包括：海底锚，其具有足以保持固定在海底上的总固持力；水下浮力元件；第一纤维绳索段，其从海底锚向上延伸，并且在其第一端部处连接至海底锚并在相对的第二端部处连接至浮力元件；以及第二纤维绳索段，其大致从浮力元件向上延伸，并且在其第一端部处连接至浮力元件并在相对的第二端部处连接至有浮力本体。每个系泊腿可被构造成使得其在所有正常[未损坏]情况下向海底锚施加正上升力。有浮力本体可以是能潜水的，并且可具有可调节浮力。在某些实施例中，有浮力本体包括浮筒转塔系泊(btm)浮筒。在某些实施例中，每个海底锚可定位于海底上。在某些实施例中，每个系泊腿缺少制动链条。

在某些实施例中，第一和/或第二纤维绳索可包括聚酯纤维、dyneema®超高分子量聚乙烯纤维、和/或芳香族聚酰胺纤维。在某些实施例中，浮力元件包括水面下弹性浮筒。

在某些实施例中，该水面船舶可选自包括张力腿平台(tlp)、半潜式平台、fpso和fso的组。

在又一其它实施例中，根据本发明的系泊系统包括有浮力本体以及多个系泊腿。每个系泊腿包括：海底锚，其具有足以保持固定在海底上的总固持力；第一水下浮力元件；第二水下浮力元件；第一纤维绳索段，其从海底锚向上延伸，并且在其第一端部处连接至海底锚并在相对的第二端部处连接至第一浮力元件；第二纤维绳索段，其大致从第一浮力元件向上延伸，并且在其第一端部处连接至第一浮力元件并在相对的第二端部处连接至第二浮力元件；以及第三纤维绳索段，其大致从第二浮力元件向上延伸，并且在其第一端部处连接至第二浮力元件并在相对的第二端部处连接至有浮力本体。每个系泊腿可被构造成使得其在所有正常[未损坏]情况下向海底锚施加正上升力。

在再一其它实施例中，根据本发明的系泊系统可包括有浮力本体；以及多个系泊腿。每个系泊腿包括：海底锚，其具有足以保持固定在海底上的总固持力；系泊索，其大致从所述海底锚向上延伸，并且在其第一端部处连接至海底锚并在相对的第二端部处连接至有浮力本体；以及在系泊索的选择部分上的一个或多个浮力元件，其中每个系泊腿被构造成使得其在所有正常[未损坏]情况下向海底锚施加正上升力。该一个或多个浮力元件可包括大体环绕系泊索的选择部分的有浮力护套和/或可包括附接到系泊索的选择部分的浮力罐或有浮力泡沫元件。

上文呈现体现本发明的原理的系统的特定实施例。本领域的技术人员将能够设计出替代方案和变型，该替代方案和变型即使在本文中未明确被公开，也体现那些原则并且因此在如由以下权利要求书字面地和等效地涵盖的本发明的范围内。