CN102785761B - 自调节型单点系泊系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自调节型单点系泊系统，由系泊装置、浮筒装置、连接装置和控制装置组成。系泊装置包括系泊缆索、连接链、悬挂重块和海底的锚固装置；浮筒装置由底端系泊转盘、旋转轴、系泊浮筒和旋转接头构成；连接装置有阻尼连接臂、连接杆。所述系泊浮筒可通过旋转接头绕旋转轴做360°旋转，而所述阻尼连接臂与船体刚性连接，连接杆与系泊浮筒铰接后与阻尼连接臂对接，使船体能绕浮筒做360°旋转。本发明通过添加悬挂重块来提高系泊系统回复能力和稳定性，旋转轴和旋转接头的应用避免了立管的互相缠绕，保证了作业的安全性，在控制装置作用下的连接装置刚柔兼备。

Description

自调节型单点系泊系统

技术领域

本发明属于系泊技术领域，具体涉及一种自调节型单点系泊系统。

背景技术

浮式生产储油单元(FPSO)功能性强，作业水深广(20~2000m)，是目前海上油气开发生产设施的最为主流形式。FPSO由用于生产储油的船体和系泊系统构成，用于FPSO的系泊系统不仅承担着对船体进行定位的作用，还具备油气开采的功能。因此，设计与FPSO相配套的高效、安全的系泊系统具有十分重要的意义。

目前，应用于FPSO上的系泊系统主要是单点系泊系统，这主要归结于单点系泊具有良好的“风标效应”，采用单点系泊后，船体做360°旋转，在系泊载荷最小的地方停止转动，提高了系泊效率。单点系泊系统分为转塔式(Turret Mooring)、悬链腿锚式(CALM)和单锚腿式(SALM)。然而，以上各种单点系泊系统存在各自的缺陷。

转塔式系泊系统根据转塔在船体中的位置可分为外转塔和内转塔，转塔式系泊系统建造周期长，建造昂贵，安装困难且需要改变船体的结构；悬链腿锚单点系泊系统根据连接系泊浮筒和船体的构件不同分为系绳悬链腿锚和钢臂悬链腿锚，系绳悬链腿锚单点系泊系统由于系泊浮筒与船体之间的相对运动过大，定位能力差，而钢臂悬链腿单点系泊系统刚度过大，在高海况下容易引起钢臂的疲劳损坏，威胁整个系统的安全；单腿锚系泊系统与船体刚性固定，仅适用于浅海。因此，发展一种单点系泊系统解决上述问题显得尤为必要。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对目前单点系泊系统的缺陷，提出一种集定位功能和生产作业功能于一体的自调节型单点系泊系统。

技术方案：本发明所述自调节型单点系泊系统，包括连接装置、浮筒装置和系泊装置；其中：

所述连接装置包括阻尼连接臂和连接杆，所述阻尼连接臂的一端与船体刚性连接，所述连接杆的一端与所述阻尼连接臂对接，使整个连接装置成为一体，让船体可绕浮筒装置中的系泊浮筒做360°旋转，达到“风标效应”；

所述浮筒装置包括旋转接头、系泊浮筒、旋转轴和系泊转盘，所述系泊转盘位于浮筒装置的底部，所述旋转轴设置在所述系泊转盘的中心处；所述系泊浮筒套在所述旋转轴的外面；所述系泊浮筒的底部与所述系泊转盘连接，所述系泊浮筒通过顶端的旋转接头绕所述旋转轴作360°旋转；所述系泊浮筒的外部与所述连接杆的另一端铰接可绕系泊浮筒转动，带动船体作360°旋转；

所述系泊装置包括一套系泊缆索、连接链、悬挂重块和海底的锚固装置，所述系泊缆索的顶端与所述系泊转盘相连，给系泊浮筒提供回复力，底端通过锚固装置固定在海底；所述悬挂重块通过所述连接链悬挂在所述系泊转盘上，也提供给系泊系统一定的回复力。

当顶端的系泊浮筒运动时，系泊浮筒带动重块运动，重块的惯性力总沿着系泊浮筒运动的反方向阻碍系泊浮筒的运动，在重块的重力作用下，浮筒增加了吃水和湿表面面积，从而增大了水对系泊浮筒的阻力，提高了系泊浮筒的稳定性。

所述连接杆的一端伸入所述阻尼连接臂内部与活塞连接，所述阻尼连接臂内部充满磁流变液，所述连接杆可在阻尼连接臂内部来回运动。

所述活塞内部设置有至少一个线圈，所述线圈与外部的控制系统相连接；所述控制系统包括电源和控制程序，控制程序控制电源输出给线圈的电流，从而控制磁流变液的阻尼。

所述控制系统位于船体上，控制程序根据船体和系泊浮筒的相对运动计算出控制连接杆运动的最佳阻尼力，利用求得的最佳阻尼力和阻尼连接臂参数计算供给线圈所需的电流。通过控制装置的作用使连接装置刚柔兼备，不会出现疲劳损坏的结果，同时将系泊浮筒和船体之间的相对运动控制在很小范围内，使系泊浮筒将系泊系统提供的回复力很好地传递给船体。

为了使整个系泊装置既有定位功能也有生产作业功能，所述系泊浮筒与所述系泊转盘内设置有不少于一个用以接收立管的通道，所述立管穿过所述系泊浮筒与所述系泊转盘内的通道后与船体相连接。系泊转盘通过旋转轴与系泊浮筒相连接，在系泊转盘顶部安装的旋转接头作用下，系泊浮筒可绕旋转轴做360°旋转，避免了系泊浮筒上的立管相互缠绕，提高作业的安全性。

所述连接链的材质为锚链、钢丝绳或聚酯缆中的一种，长度为5～20m，位于所述系泊转盘的中心位置。

所述悬挂重块的重力小于所述系泊浮筒的浮力，形状为立方体、球体或柱体，材质为金属、水泥块或石块，数量不少于一个，两个以上的悬挂重块串联连接；所述悬挂重块沿系泊浮筒相反的方向摆动。

有益效果：与现有技术相比，本发明通过添加悬挂重块来提高系泊系统回复能力和稳定性，旋转轴和旋转接头的应用避免了立管的互相缠绕，保证了作业的安全性，在控制装置作用下的连接装置刚柔兼备，在保证船体“风标效应”的同时，大大减小了系泊浮筒与船体之间的相对运动，让系泊浮筒和船体“融为一体”，提高了系泊效率，且不会产生疲劳损伤。本发明具有经济性好、系泊效率高、安全性突出等优点。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是阻尼连接臂的剖视图。

图3是系泊浮筒的剖视图。

图4是本发明实施例的俯视图。

图5是本发明实施例中船体向右运动时的结构示意图。

图6是本发明实施例中船体向左运动时的结构示意图。

图中：1、船体；2、阻尼连接臂；3、连接杆；4、旋转接头；5、系泊浮筒；6、旋转轴；7、系泊转盘；8、系泊缆索；9、连接链；10、悬挂重块；11、立管；12、电源；13、控制程序；14、活塞；15、磁流变液；16、线圈。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1：本发明自调节型单点系泊系统，包括连接装置、浮筒装置和系泊装置。如图1、4所示。

所述连接装置包括阻尼连接臂2和连接杆3，所述阻尼连接臂2的一端与船体1刚性连接，所述连接杆3的一端与所述阻尼连接臂2对接。如图2所示，所述连接杆3的一端伸入所述阻尼连接臂2内部与活塞14连接，所述阻尼连接臂2内部充满磁流变液15，所述连接杆3可在阻尼连接臂2内部来回运动。

所述浮筒装置包括旋转接头4、系泊浮筒5、旋转轴6和系泊转盘7，所述系泊转盘7位于浮筒装置的底部，所述旋转轴6设置在所述系泊转盘7的中心处；所述系泊浮筒5套在所述旋转轴6的外面；所述系泊浮筒5的底部与所述系泊转盘7连接，所述系泊浮筒5通过顶端的旋转接头4绕所述旋转轴6作360°旋转；所述系泊浮筒5的外部与所述连接杆2的另一端铰接，带动船体1作360°旋转；所述系泊浮筒5与所述系泊转盘7内设置有不少于一个用以接收立管11的通道，所述立管11穿过所述系泊浮筒5与所述系泊转盘7内的通道后与船体1相连接，如图3所示。

所述系泊装置包括一套系泊缆索8、连接链9、悬挂重块10和海底的锚固装置，所述系泊缆索8的顶端与所述系泊转盘7相连，底端通过锚固装置固定在海底；所述悬挂重块10通过所述连接链9悬挂在所述系泊转盘7上。所述连接链9的材质为锚链、钢丝绳或聚酯缆中的一种，长度为5～20m，位于所述系泊转盘7的中心位置。所述悬挂重块10的重力小于所述系泊浮筒5的浮力，形状为立方体、球体或柱体，材质为金属、水泥块或石块，数量不少于一个，两个以上的悬挂重块10串联连接；所述悬挂重块10沿系泊浮筒5相反的方向摆动。

所述活塞14内部设置有至少一个线圈16，所述线圈16与外部的控制系统相连接；所述控制系统包括电源12和控制程序13，控制程序13控制电源12输出给线圈16的电流，从而控制磁流变液15的阻尼。所述控制系统位于船体1上，控制程序13根据船体1和系泊浮筒5的相对运动计算出控制连接杆3运动的最佳阻尼力，利用求得的最佳阻尼力和阻尼连接臂2参数计算供给线圈16所需的电流。

根据环境载荷和船体1的特性确定以上各个装置的参数，当各个装置准备完成时，将整套自调节型单点系泊系统安装在目标海域。当FPSO在目标海域作业时，首先根据船体1和系泊浮筒5的相对运动，利用位于船体1上的控制程序13利用主动控制算法可以为LQR最有控制算法，但不仅限于此计算出控制连接杆3运动的最优阻尼力，然后根据最优阻尼力和阻尼连接臂2参数反推出线圈16所需要的电流，由控制程序13控制电源12输出电流供给线圈16，控制磁流变液15的阻尼。在这个过程中，连接杆3在控制装置的控制下在阻尼连接臂2内时刻运动，因此阻尼连接臂2具备刚柔兼备的特性，且大大减小了系泊浮筒5与船体1之间的相对运动，让系泊浮筒5和船体1“融为一体”，将系泊浮筒5上的系泊力有效地传递给船体1。如图5、图6所示，在船体1的运动过程中，悬挂重块10始终阻碍船体1的运动，提供给船体1回复力。而阻尼连接臂2提供的阻尼力应满足如下公式：

                                                             

式中，为磁流变液15的表观黏度；L为阻尼连接臂2的长度；h为阻尼连接臂2的高度；D为活塞14内径；d为连接杆3直径；v为活塞14与阻尼连接臂2的相对速度；为磁流变液的剪切屈服强度，与电流有关；sgn为符号函数。从上式可见阻尼力与连接装置的参数密切相关，可在很大一个范围内变动，只要合理地确定连接装置的参数，就能满足最优阻尼力大小的需要，从而实现自调节型单点系泊系统的优点。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims (7)

1.一种自调节型单点系泊系统，其特征在于：包括连接装置、浮筒装置和系泊装置；其中：

所述连接装置包括阻尼连接臂（2）和连接杆（3），所述阻尼连接臂（2）的一端与船体（1）刚性连接，所述连接杆（3）的一端与所述阻尼连接臂（2）对接；

所述浮筒装置包括旋转接头（4）、系泊浮筒（5）、旋转轴（6）和系泊转盘（7），所述系泊转盘（7）位于浮筒装置的底部，所述旋转轴（6）设置在所述系泊转盘（7）的中心处；所述系泊浮筒（5）套在所述旋转轴（6）的外面；所述系泊浮筒（5）的底部与所述系泊转盘（7）连接，所述系泊浮筒（5）通过顶端的旋转接头（4）绕所述旋转轴（6）作360°旋转；所述系泊浮筒（5）的外部与所述连接杆（2）的另一端铰接，带动船体（1）作360°旋转；

所述系泊装置包括一套系泊缆索（8）、连接链（9）、悬挂重块（10）和海底的锚固装置，所述系泊缆索（8）的顶端与所述系泊转盘（7）相连，底端通过锚固装置固定在海底；所述悬挂重块（10）通过所述连接链（9）悬挂在所述系泊转盘（7）上。

2.根据权利要求1所述的自调节型单点系泊系统，其特征在于：所述连接杆（3）的一端伸入所述阻尼连接臂（2）内部与活塞（14）连接，所述阻尼连接臂（2）内部充满磁流变液（15），所述连接杆（3）可在阻尼连接臂（2）内部来回运动。

3.根据权利要求2所述的自调节型单点系泊系统，其特征在于：所述活塞（14）内部设置有至少一个线圈（16），所述线圈（16）与外部的控制系统相连接；所述控制系统包括电源（12）和控制程序（13），控制程序（13）控制电源（12）输出给线圈（16）的电流，从而控制磁流变液（15）的阻尼。

4.根据权利要求3所述的自调节型单点系泊系统，其特征在于：所述控制系统位于船体（1）上，控制程序（13）根据船体（1）和系泊浮筒（5）的相对运动计算出控制连接杆（3）运动的最佳阻尼力，利用求得的最佳阻尼力和阻尼连接臂（2）参数计算供给线圈（16）所需的电流。

5.根据权利要求1所述的自调节型单点系泊系统，其特征在于：所述系泊浮筒（5）与所述系泊转盘（7）内设置有不少于一个用以接收立管（11）的通道，所述立管（11）穿过所述系泊浮筒（5）与所述系泊转盘（7）内的通道后与船体（1）相连接。

6.根据权利要求1所述的自调节型单点系泊系统，其特征在于：所述连接链（9）的材质为锚链、钢丝绳或聚酯缆中的一种，长度为5～20m，位于所述系泊转盘（7）的中心位置。

7.根据权利要求1所述的自调节型单点系泊系统，其特征在于：所述悬挂重块（10）的重力小于所述系泊浮筒（5）的浮力，形状为立方体、球体或柱体，材质为金属、水泥块或石块，数量不少于一个，两个以上的悬挂重块（10）串联连接；所述悬挂重块（10）沿系泊浮筒（5）相反的方向摆动。