兩點(diǎn)系泊系統(tǒng)系泊力影響因素分析

梅華東 尹漢軍 蔡元浪 張益公 周 燕

（海洋石油工程股份有限公司）

兩點(diǎn)系泊系統(tǒng)系泊力影響因素分析

梅華東 尹漢軍 蔡元浪 張益公 周 燕

（海洋石油工程股份有限公司）

以渤海某海域油田開發(fā)工程為例，對兩點(diǎn)系泊系統(tǒng)的浮筒凈浮力、纜繩預(yù)張力、纜繩長度和環(huán)境條件對系泊力的影響進(jìn)行了研究，并在此基礎(chǔ)上對系泊系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。應(yīng)用實(shí)踐表明，基于兩點(diǎn)系泊系統(tǒng)系泊力主要影響因素分析對系泊系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是必要的，可使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到安全可靠的要求，對今后我國海上其他油田開發(fā)工程中兩點(diǎn)系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有借鑒意義。

兩點(diǎn)系泊系統(tǒng) 系泊力 影響因素 優(yōu)化設(shè)計(jì)

從上世紀(jì)90年代后期開始，吳思、范模等提出了一種新的系泊系統(tǒng)——兩點(diǎn)系泊系統(tǒng)[1－2]，為油輪外輸原油作業(yè)提出了一種簡易的系泊方式，并對邊際油田原油外輸方式做出了有益的嘗試。為了使兩點(diǎn)系泊系統(tǒng)成功應(yīng)用于邊際油田開發(fā)原油外輸作業(yè)，達(dá)到節(jié)約油田開發(fā)成本的目標(biāo)，筆者在文獻(xiàn)[1、2]的基礎(chǔ)上，以渤海某油田開發(fā)工程為例，利用MOSES軟件對兩點(diǎn)系泊系統(tǒng)系泊力影響因素進(jìn)行了模擬分析，并在此基礎(chǔ)上對系泊系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。應(yīng)用實(shí)踐表明，基于兩點(diǎn)系泊系統(tǒng)系泊力主要影響因素分析對系泊系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是必要的，整個(gè)系泊系統(tǒng)達(dá)到了安全可靠的要求，對今后我國海上其他油田開發(fā)工程中兩點(diǎn)系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有借鑒意義。

1 兩點(diǎn)系泊系統(tǒng)構(gòu)成

兩點(diǎn)系泊系統(tǒng)主要由系泊纜、水下錨鏈、浮筒、樁錨構(gòu)成。水下浮筒提供浮力，當(dāng)浮筒與其他系泊構(gòu)件連接好后，浮筒浸沒于水下，它除了克服自身重力和水下系泊鏈及摩擦鏈重力外，還具有剩余浮力（即凈浮力），以拉緊水下錨鏈。浮筒與油輪之間的系泊纜由油輪的絞車提供一定的預(yù)張力。水下浮筒、錨鏈和系泊纜組成彈性回復(fù)力系統(tǒng)，浮筒是整個(gè)系統(tǒng)彈性回復(fù)力的主要貢獻(xiàn)者。當(dāng)油輪偏離平衡位置時(shí)，系泊系統(tǒng)提供柔性回復(fù)力，最大限度地減少穿梭油輪的受力情況，滿足外輸條件。

圖1為本次研究的兩點(diǎn)系泊系統(tǒng)布置圖，中間為5000噸級(jí)穿梭油輪，兩端為浮筒、系泊纜、水下錨鏈和樁錨，構(gòu)件包括快速脫勾裝置、尼龍纜環(huán)、摩擦鏈、卸扣等。

圖1 兩點(diǎn)系泊系統(tǒng)布置圖

2 系泊力主要影響因素分析

受兩點(diǎn)系泊系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的影響，系統(tǒng)中各個(gè)構(gòu)件的承載能力并不一致，因此找到系統(tǒng)中的薄弱點(diǎn)，并以此優(yōu)化系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)是非常必要的。在兩點(diǎn)系泊系統(tǒng)實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，系泊力的準(zhǔn)確計(jì)算是各個(gè)構(gòu)件選取的基礎(chǔ)，最大限度地減小系泊力是兩點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。為準(zhǔn)確模擬系泊系統(tǒng)中各個(gè)構(gòu)件的水動(dòng)力性能，使用MOSES軟件進(jìn)行模擬，建立油輪及錨鏈模型，對波浪與油輪的水動(dòng)力相互作用進(jìn)行頻域分析，并對系泊系統(tǒng)在全方向的環(huán)境荷載下進(jìn)行時(shí)域分析，計(jì)算出不同條件下的最大系泊力及船體運(yùn)動(dòng)。在水動(dòng)力各種試算中，我們發(fā)現(xiàn)系泊力對浮筒凈浮力、纜繩預(yù)張力、系泊纜長度和環(huán)境條件非常敏感。對系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有著關(guān)鍵性的影響。

本文研究的目標(biāo)海域位于渤海中部海域西北部，海圖水深為24～25 m；海域的浪情與氣候、季節(jié)風(fēng)密切相關(guān)，大浪主要出現(xiàn)在NNE—ENE方向；海域的潮汐性質(zhì)為不規(guī)則半日潮型海區(qū)，漲、落潮最大海流流速為50～60 cm/s，具有較為明顯的主流方向。

2.1 浮筒凈浮力對系泊力的影響

浮筒由鋼板焊接而成，內(nèi)有加強(qiáng)筋，其凈浮力由排開海水的重量減去自重及錨鏈重得到。由于浮筒凈浮力豎直向上，在船舶移位時(shí)可以提供系泊過程中回復(fù)力分量，對系泊力有較大的影響。浮筒的模擬分2步：①浮筒在水動(dòng)力整體分析中模擬為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)并施加浮力；②單獨(dú)對浮筒的水動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析，準(zhǔn)確地計(jì)算出系泊纜對油輪的拖拉力。

考慮到盡量增大系統(tǒng)的可操作概率，選取的基本參數(shù)為纜繩預(yù)張力20 k N、纜繩長65 m、水深25 m、風(fēng)速15 m/s、流速1.0 m/s、浪高2.1 m，當(dāng)浮筒凈浮力分別為150、250、350、450 k N時(shí)系泊力隨來浪角度變化曲線見圖2。從圖2可以看出，由于在來浪角度為75°左右時(shí)系泊力最大，僅分析系泊力的最大值，因此對凈浮力250、350、450 k N只做來浪角度75°附近的系泊力計(jì)算。

圖2 兩點(diǎn)系泊系統(tǒng)不同浮筒凈浮力下系泊力隨來浪角度的變化曲線（纜繩預(yù)張力20 k N，纜繩長65 m、水深25 m、風(fēng)速15 m/s、流速1.0 m/s和浪高2.1 m條件下）

由圖2的計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著浮筒凈浮力的增加，最大系泊力有減小的趨勢，從最高近1600 k N減小為1200 k N，因此在系泊力的設(shè)計(jì)中可以適當(dāng)利用這一規(guī)律。需要指出的是，浮筒凈浮力并不是越大越好，凈浮力增大，浮筒的體積也隨之增大，浮筒在水下晃動(dòng)時(shí)引起的動(dòng)力響應(yīng)也將增大，這個(gè)響應(yīng)將增加油輪的系泊力；另外，浮筒凈浮力增大后對浮筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安裝就位增加了難度，因此，在確定浮筒凈浮力時(shí)應(yīng)綜合考慮各個(gè)因素的影響，對于5000噸級(jí)油輪，浮筒凈浮力取150 k N比較適宜。

2.2 纜繩預(yù)張力對系泊力的影響

纜繩預(yù)張力是指在油輪處于平衡位置時(shí)，由船艏或船艉絞車固定系泊纜時(shí)提供的拉力。油輪系泊完成后，浮筒被拖離平衡位置，同時(shí)錨鏈和纜繩的自重會(huì)在系泊纜中形成拉力。若需控制船舶位移，可以讓絞車?yán)^續(xù)絞纜增加系泊纜中的拉力，這個(gè)拉力可以通過串聯(lián)在系泊纜中的拉力計(jì)讀出。如何確定油輪處于平衡位置時(shí)纜繩預(yù)張力，使得油輪在允許的位移下系泊力最小，這在系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要慎重選取。

在浮筒凈浮力為150 k N、纜繩長65 m、風(fēng)速15 m/s、流速1.0 m/s、浪高1.7 m、水深25 m時(shí)，預(yù)張力分別取5、20、50 k N時(shí)系泊力隨來浪角度變化曲線見圖3。

圖3 兩點(diǎn)系泊系統(tǒng)不同纜繩預(yù)張力下系泊力隨來浪角度的變化曲線（浮筒凈浮力150 k N、纜繩長65 m、風(fēng)速15 m/s、流速1.0 m/s、浪高1.7 m和水深25 m條件下）

由于船艏錨鏈和纜繩的自重作用，預(yù)張力不可能為零。由圖3可看出，全方向來浪下5 k N預(yù)張力時(shí)的系泊力大都在20 k N預(yù)張力時(shí)系泊力的曲線下，20 k N預(yù)張力的系泊力也大都小于50 k N預(yù)張力時(shí)的系泊力，也就是說，隨著預(yù)張力的減小，最大系泊力有逐漸變小的趨勢。因此，在系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可以在條件允許時(shí)控制纜繩的預(yù)張力，達(dá)到減小系泊力的效果。

預(yù)張力的減小也會(huì)帶來其他問題，如橫蕩位移加大。在上述計(jì)算中，50 k N預(yù)張力的最大橫蕩位移為53.9 m，而5 k N預(yù)張力下最大橫蕩位移達(dá)65.7 m，橫蕩偏移增加了11.8 m，這不僅進(jìn)一步增加了操船和輸油難度，而且與附近結(jié)構(gòu)物的安全距離也會(huì)減小，因此在系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)引起注意，在系泊力的設(shè)計(jì)中可選纜繩自重作為預(yù)張力，達(dá)到減小系泊力的目的。

2.3 纜繩長度對系泊力的影響

在兩點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可以調(diào)整兩個(gè)錨點(diǎn)的間距，并調(diào)整系泊纜長度來改變系泊力的大小，進(jìn)而改善系泊系統(tǒng)的性能。圖4是兩點(diǎn)系泊系統(tǒng)最大系泊力隨纜繩長度的變化曲線。

圖4 兩點(diǎn)系泊系統(tǒng)最大系泊力隨纜繩長度變化曲線（纜繩預(yù)張力20 k N，纜繩長65 m、水深25 m、風(fēng)速15 m/s、流速1.0 m/s和浪高2.1 m條件下）

從圖4可以看出，隨著纜繩長度的增加，最大系泊力逐漸減小，尤其是纜繩長度從50 m增加到65 m，艏纜最大系泊力減小了近200 k N，而纜繩長度大于65 m后，最大系泊力變化趨勢變緩，因此兩點(diǎn)系泊系統(tǒng)纜繩長度取65～80 m較合適。同樣，纜繩長度增加也會(huì)使橫蕩位移增加，并帶來一系列系泊操作和原油外輸問題（輸油軟管長度增加）。因此，在系泊系統(tǒng)的總體布置中，應(yīng)合理考慮這個(gè)因素，以控制系泊力的大小。

2.4 環(huán)境條件對系泊力的影響

對系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說，環(huán)境條件是不確定因素，只有通過合理限定系泊系統(tǒng)的工作條件，并形成操作手冊，才能使系泊系統(tǒng)具有一定的可行性。

根據(jù)渤海海域的環(huán)境特點(diǎn)，對風(fēng)、浪、流的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速15 m/s、流速1.0 m/s、浪高2.1 m能覆蓋該海域80%以上的海況，再結(jié)合油田的輸油頻率，可以使系泊系統(tǒng)具有足夠的天氣窗口進(jìn)行作業(yè)。表1是浮筒凈浮力為150 k N、纜繩長65 m、系泊纜預(yù)張力5 k N、風(fēng)速15 m/s、水深25 m時(shí)，各種流速、浪高H s、來浪角度對應(yīng)下的系泊力計(jì)算結(jié)果。

從表1計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，最大系泊力出現(xiàn)在75°來浪時(shí)1450 k N；來浪75°、浪高1.7 m條件下流速從0.5 m/s增大到1.0 m/s時(shí)，系泊力僅增加75 k N，流速對系泊力的影響并不顯著；在來浪角度為75°，流速為1.0 m/s條件下浪高從1.3 m 增大到2.1 m時(shí)，系泊力由778 k N增加到1450 k N，增加了近700 k N，幾乎翻了一倍，可見系泊力對來浪角度為75°的來浪非常敏感，對此來浪的浪高選擇應(yīng)格外慎重；而在油輪受0～45°和135～180°來浪時(shí)，系泊力在這2個(gè)區(qū)域都較小，因此可以適當(dāng)提高油輪外輸工況下的設(shè)計(jì)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過后續(xù)的計(jì)算分析，在0～45°和135～180°范圍內(nèi)最大浪高可以提高到2.5 m，在60～120°范圍內(nèi)最大浪高為1.3 m，適當(dāng)放寬了系泊系統(tǒng)的作業(yè)限定條件。

表1 兩點(diǎn)系泊系統(tǒng)各種流速、浪高H s、來浪角度對應(yīng)下的系泊力計(jì)算結(jié)果（浮筒凈浮力150 k N、纜繩長65 m、系泊纜預(yù)張力5 k N、風(fēng)速15 m/s、水深25 m和浪高2.1 m條件下） （k N）

3 設(shè)計(jì)應(yīng)用

目前兩點(diǎn)系泊系統(tǒng)已成功應(yīng)用于渤海BZ3－2油田的輸油作業(yè)。在該油田的系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于井口平臺(tái)與油氣處理平臺(tái)方位的特殊性，總體布置既要考慮環(huán)境條件、水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果和生產(chǎn)作業(yè)空間的要求，也要滿足各作業(yè)船生產(chǎn)設(shè)施就位的要求等，是一個(gè)權(quán)衡各個(gè)方面制約因素的一個(gè)過程。設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)過多個(gè)作業(yè)方討論，形成了一個(gè)近錨點(diǎn)距井口37.5 m、兩錨點(diǎn)沿主流向方位布置的格局，首尾錨點(diǎn)間距為245 m，油輪運(yùn)動(dòng)軌跡盡量遠(yuǎn)離已有結(jié)構(gòu)物。

前期的調(diào)研結(jié)果表明，油輪的艏艉錨固裝置能力不足，需要進(jìn)行加強(qiáng)處理，但由于油輪艏艉主甲板多為未生根的懸空甲板層，加強(qiáng)潛力有限。在對加強(qiáng)錨固裝置進(jìn)行強(qiáng)度核算后，結(jié)合優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)論，選取最大系泊力設(shè)計(jì)值800 kN作為各個(gè)構(gòu)件的選型基礎(chǔ)。在浮筒的選型上，既要考慮提供足夠的凈浮力以產(chǎn)生有效的回復(fù)力，也應(yīng)考慮浮筒尺寸變大后動(dòng)力響應(yīng)也將增大這一不利影響，最終浮筒尺寸確定為高3.7 m、直徑為3.5 m的圓筒，圓筒內(nèi)設(shè)加強(qiáng)筋。預(yù)張力的選擇主要與系泊力的限定有關(guān)，設(shè)計(jì)中由于受到系泊系統(tǒng)中最大系泊力的限制，應(yīng)盡量減小預(yù)張力，主要由船艏端錨鏈自重提供，理論計(jì)算時(shí)取5 k N的預(yù)張力。系泊系統(tǒng)總體布置確定后，纜繩的長度也基本確定，但還需要根據(jù)輸油條件及油輪最大橫蕩位移進(jìn)行調(diào)整，最后確定纜繩長度為65 m。

此外，由于海況條件的復(fù)雜性，原油外輸程序的編制是一項(xiàng)重要內(nèi)容，包括操作條件的限定、作業(yè)船舶的配備和操作流程的規(guī)定等，需要在設(shè)計(jì)文件中詳細(xì)說明，以指導(dǎo)海上的輸油作業(yè)，其中作業(yè)環(huán)境條件的選取尤為重要，海況條件高于操作條件的應(yīng)嚴(yán)禁作業(yè)。另外，油輪試靠試驗(yàn)表明流向選擇不對將使靠泊過程變得困難，因此，應(yīng)合理選擇靠泊時(shí)機(jī)，在海流與主流向接近時(shí)迎流掛艏纜。

4 結(jié)束語

對兩點(diǎn)系泊系統(tǒng)系泊力影響因素進(jìn)行分析，可以準(zhǔn)確確定系泊力，并以此為基礎(chǔ)對系統(tǒng)中各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行選型和設(shè)計(jì)。一般來說，浮筒凈浮力增大可以減小系泊力，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理選擇浮筒凈浮力；纜繩預(yù)張力對系泊力與船舶位移具有顯著影響，在確定預(yù)張力時(shí)應(yīng)考慮對這2個(gè)方面的影響；纜繩長度的選擇應(yīng)根據(jù)系泊力的控制目標(biāo)值、總體布置情況及輸油軟管的承受能力綜合選取；合理選擇設(shè)計(jì)條件，合理制定操作條件，對原油外輸作業(yè)率提高具有重大意義，在作業(yè)條件選擇時(shí)，應(yīng)盡量運(yùn)用有利的環(huán)境條件。目前兩點(diǎn)系泊系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中也出現(xiàn)了一些問題，今后有待進(jìn)一步改善，如系泊系統(tǒng)承受橫向荷載的能力較弱，油輪系泊過程比較復(fù)雜，需要有輔助支持船配合，且對環(huán)境要求也有諸多限制。

總的來說，兩點(diǎn)系泊系統(tǒng)對于邊際油田具有投資小、建設(shè)周期短的優(yōu)點(diǎn)，是對邊際油田開發(fā)技術(shù)的有利補(bǔ)充。

[1] 吳思，郭寶忠，張玉雙.兩點(diǎn)水下浮筒系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國海上油氣（工程），1999，11（4）：1－3.

[2] 范模.兩點(diǎn)系泊系統(tǒng)的研究[J].中國海上油氣（工程），2003，15（6）：13－15.

Analysis on affecting factors to mooring force of two points mooring system

Mei Huadong Yin Hanjun Cai Yuanlang Zhang Yigong Zhou Yan
（Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，CNOOC，Tianjin，300452）

According to an oil field development project in Bohai Bay，the study has been carried out on the influence of buoy size，mooring rope pre－tension，rope length and environmental conditions to the mooring force of two points mooring system and then the optimization design has been performed for the mooring system.The application of two points mooring system indicates that it is necessary to conduct optimization design of the mooring system based on the analysis of main affecting factors to mooring force，so as to make the whole mooring system reach the requirements of safety and reliability and provide a solution for future design of two points mooring system in other oilfield development projects offshore China.

two points mooring system；mooring force；affecting factor；optimization design

梅華東，男，2006年畢業(yè)于武漢理工大學(xué)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)主要從事海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)工作。地址：天津市塘沽區(qū)丹江路1078號(hào)616信箱（郵編：300451）。E－mail：meihd＠m(xù)ail.cooec.com.cn。

2010－12－29改回日期：2011－02－25

（編輯：葉秋敏 ）