CALM單點(diǎn)系泊設(shè)施設(shè)計(jì)要點(diǎn)

周 楠，董寶輝，李俊汲，劉旭平，張廣磊

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)(single point mooring system，SPMS)?？梢詫⒏∈缴a(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置(FPSO)或油輪系泊在預(yù)定海域。單點(diǎn)系泊系統(tǒng)可在水平面內(nèi)做360°的自由轉(zhuǎn)動(dòng)，能使浮式生產(chǎn)裝置或油輪始終處于海浪、海流和風(fēng)合力最小的方向，發(fā)揮其“風(fēng)向標(biāo)”的作用，從而保證FPSO或油輪能在海上長(zhǎng)期連續(xù)工作。

在海洋石油開發(fā)中，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)主要被應(yīng)用于以下兩個(gè)方面： 一是系泊FPSO，具體形式包括軟剛臂式系泊系統(tǒng)(SYS)、內(nèi)轉(zhuǎn)塔式系泊(IT)系統(tǒng)和外轉(zhuǎn)塔式系泊(ET)系統(tǒng)；二是外輸原油終端，如單錨腿式系泊(SALM)系統(tǒng)和懸鏈浮筒式系泊(CALM)系統(tǒng)。

懸鏈?zhǔn)藉^腿單點(diǎn)系泊(catenary anchor leg mooring，CALM)是接卸原油終端領(lǐng)域主要作業(yè)設(shè)施。通常布置在離岸一定距離的海域，可以解決大型油輪因吃水過深而無(wú)法進(jìn)港的問題。與建造深水港口相比，該系統(tǒng)具有經(jīng)濟(jì)投資少、建造周期短和環(huán)境污染小等優(yōu)勢(shì)。我國(guó)是原油進(jìn)口大國(guó)，CALM單點(diǎn)系統(tǒng)有助于擺脫對(duì)深水港的依賴，拓寬進(jìn)口原油輸送通道，大幅降低輸送費(fèi)用，帶動(dòng)原油物流和煉化行業(yè)發(fā)展，也有助于國(guó)家和商業(yè)石油儲(chǔ)備。

CALM系統(tǒng)主要由浮筒、系泊纜、系泊錨鏈、漂浮軟管、水下軟管、水下管匯和海底管道等組成，如圖1所示。浮筒一般通過6～8根系泊錨鏈與海底錨樁固定，油輪通過1～2根系泊纜與浮筒相連。在風(fēng)浪流的環(huán)境條件作用下，油輪可以繞著CALM單點(diǎn)浮筒旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成了CALM單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的傳力通道。油輪通過漂浮軟管經(jīng)由浮筒的流體分配單元(PDU)，再通過水下軟管經(jīng)由水下管匯(PLEM)和海底管道與陸地終端相連，構(gòu)成了CALM單點(diǎn)的物流通道。

作為保障CALM單點(diǎn)安全定位的系泊系統(tǒng)和CALM單點(diǎn)浮筒，其結(jié)構(gòu)重量?jī)H1 000多噸，卻可以系泊30萬(wàn)噸級(jí)的油輪，這是通過系泊系統(tǒng)“四兩撥千斤”的巧妙設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。油輪系泊載荷通過系泊纜、系泊籠耳、轉(zhuǎn)臺(tái)、主軸承、浮筒結(jié)構(gòu)、止鏈器、錨鏈，錨樁依次傳遞，最終傳遞到海床上。在風(fēng)浪流的作用下，系泊系統(tǒng)“以柔克剛”，通過系統(tǒng)剛度提供恢復(fù)力來控制油輪的漂移，傳力路徑上環(huán)環(huán)相扣，任何一個(gè)設(shè)備失效都將導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)事故。

圖1 CALM單點(diǎn)系泊系統(tǒng)組成

CALM系統(tǒng)的系泊設(shè)備和系泊產(chǎn)品主要包括系泊錨鏈、系泊纜、止鏈器和系泊籠耳。錨鏈和系泊纜為選型設(shè)計(jì)，根據(jù)系泊方案和系泊分析得到的載荷等確定選型依據(jù)。止鏈器和系泊籠耳為產(chǎn)品設(shè)計(jì)，止鏈器是連接系泊錨鏈和單點(diǎn)浮筒的關(guān)鍵設(shè)備，而系泊籠耳是連接系泊纜和系泊浮筒的關(guān)鍵設(shè)備，兩者分別需要根據(jù)錨鏈和系泊纜的選型參數(shù)并結(jié)合浮筒結(jié)構(gòu)等進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)工況

在設(shè)計(jì)系泊系統(tǒng)時(shí)，主要考慮操作工況和生存工況。操作工況是油輪系泊到浮筒上的工況，通常取一年一遇環(huán)境條件或給定限制的環(huán)境條件。生存工況通常為百年一遇的臺(tái)風(fēng)工況，此時(shí)單點(diǎn)浮筒和油輪不連接。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，操作工況通常為系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的控制工況。在設(shè)置分析工況時(shí)，需要考慮以下因素：

(1) 水深： 最大水深、最小水深。

(2) 油輪： 滿載、壓載。

(3) 環(huán)境主方向： 波浪方向與一根錨鏈同向、波浪方向位于兩根錨鏈之間。

(4) 環(huán)境夾角： 風(fēng)浪流同向，不同向。

(5) 錨鏈完整、單纜破斷。

備注： 本文主要論述設(shè)計(jì)考慮錨鏈完整和單纜破斷的情形，沒有考慮對(duì)于錨鏈破斷后達(dá)到新的平衡位置的瞬態(tài)過程。

采用商業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí)，對(duì)于每個(gè)工況，采用系泊系統(tǒng)和船體全耦合的分析方法，時(shí)域計(jì)算3小時(shí)，分析篩選出系泊力和浮體位移等最危險(xiǎn)工況，同時(shí)還要考慮波浪周期等敏感性分析。

2 設(shè)計(jì)衡準(zhǔn)

CALM系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常需要滿足強(qiáng)度衡準(zhǔn)和位移衡準(zhǔn)。強(qiáng)度衡準(zhǔn)是指系泊錨鏈和系泊纜的強(qiáng)度必須滿足相關(guān)規(guī)范安全系數(shù)的要求，屬于強(qiáng)制衡準(zhǔn)。位移衡準(zhǔn)主要由水下軟管等的位移需求決定，如軟管的最大偏移不能超過水深的某個(gè)比例等，在CALM系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，有些軟管廠家會(huì)對(duì)軟管偏移量提出要求，也有些廠家會(huì)根據(jù)給定的浮筒偏移量來設(shè)計(jì)軟管，因此偏移量的具體要求視情況而定，不屬于強(qiáng)制衡準(zhǔn)。

下面給出ABS的rules for building and classing single point moorings、 DNVGL-OS-E403的offshore loading buoys和CCS的《海上單點(diǎn)系泊裝置入級(jí)與建造規(guī)范》對(duì)于CALM單點(diǎn)系泊錨鏈和系泊纜的安全系數(shù)要求，以及API中對(duì)于錨樁的相關(guān)要求。

1) ABS規(guī)范要求

ABS對(duì)系泊錨鏈和系泊纜的安全系數(shù)要求如表1和表2所示。

表1 錨鏈安全系數(shù)

表2 系泊纜安全系數(shù)

2) DNV規(guī)范要求

DNV對(duì)錨鏈和系泊纜的強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)與ABS有所不同，對(duì)于錨鏈，系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要遵循以下方程，同時(shí)采用表3中所列的安全系數(shù)。

式中：Sc表示錨鏈最小破斷強(qiáng)度的95%；Tc，meanγmean是由預(yù)張力和平均環(huán)境載荷造成的平均張力；Tc，dyn是由于船體低頻和波頻運(yùn)動(dòng)造成的動(dòng)態(tài)張力；γmean為平均張力安全系數(shù)；γdyn為動(dòng)態(tài)張力安全系數(shù)。

表3 部分安全系數(shù)

系泊纜參數(shù)要符合OCIMF相關(guān)要求，通過系泊分析得到系泊纜上的最大載荷，并根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行評(píng)估，用于評(píng)估的安全系數(shù)如表4所示。

表4 系泊纜安全系數(shù)

需要指出的是，在系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，按照DNV的規(guī)范要求，錨鏈直徑還需要考慮每年至少0.4 mm的腐蝕余量和海生物的影響，同時(shí)還應(yīng)做疲勞分析。而ABS的安全系數(shù)較大，并不考慮腐蝕余量和海生物的影響，也不需要做疲勞分析。

3) CCS規(guī)范要求

CCS對(duì)于系泊錨鏈等安全系數(shù)要求如表5所示。對(duì)于系泊纜的安全系數(shù)要求與ABS的要求相同。

表5 錨鏈安全系數(shù)

船級(jí)社對(duì)于錨樁的安全系數(shù)要求，通常指向API-RP-2SK。具體要求如表6所示。

表6 錨樁安全系數(shù)

3 錨 鏈

確定系泊方案需要進(jìn)行大量工況的系泊分析計(jì)算，最終確定系泊載荷的水平。系泊方案包括錨鏈根數(shù)、布置角度、系泊半徑、錨鏈直徑、等級(jí)、預(yù)張力等。方案的制訂需要考慮諸多因素，比如錨鏈的根數(shù)，一般為6～8根，因?yàn)橛糜谶B接錨鏈的止鏈器需要布置在艙壁上，所以錨鏈的根數(shù)一般與艙室數(shù)目一致。系泊半徑需要考慮在極端位移情況下，海底的錨鏈仍然保留一段躺地段而不被完全拉起，同時(shí)要結(jié)合單點(diǎn)周邊海域海底的管線、航道、生態(tài)保護(hù)區(qū)等因素。系泊方案的制訂還要根據(jù)CALM單點(diǎn)所在海域的環(huán)境條件、接卸油輪的噸位等，同時(shí)還要考慮水下軟管對(duì)浮筒的限位要求以及土壤對(duì)樁基礎(chǔ)的限制因素等。圖2為錨鏈生產(chǎn)過程示意圖。

圖2 錨鏈生產(chǎn)過程

錨鏈選型是一個(gè)迭代的過程，首先需要確定一個(gè)直徑、預(yù)張力，試算系泊力的水平，然后根據(jù)系泊力和安全系數(shù)確定錨鏈破斷力的需求，再選擇錨鏈的直徑和等級(jí)。CALM單點(diǎn)的錨鏈通常為一根完整的鏈條，錨鏈的末端需要與加大環(huán)、末端環(huán)、卸扣和底部樁基相連。加大鏈環(huán)的直徑為普通鏈環(huán)直徑的1.1倍，末端鏈環(huán)的直徑為普通鏈環(huán)直徑的1.2倍，卸扣有末端卸扣、末端連接卸扣等幾種形式，需要根據(jù)樁的吊耳強(qiáng)度確定卸扣的口寬和弓高。

系泊分析還需要提供錨端的系泊載荷供樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，提供浮筒位移供軟管系統(tǒng)設(shè)計(jì)，而系泊載荷和浮筒位移恰好是一對(duì)矛盾體，想要較小的浮筒位移，就要有大的預(yù)張力，從而導(dǎo)致系泊力變大；想要較小的系泊力，就要放松錨鏈，但是浮筒位移會(huì)隨之增大。所以，必須要在系泊、樁基和軟管等專業(yè)界面之間找到平衡點(diǎn)。這就需要在錨鏈直徑、等級(jí)、長(zhǎng)度、系泊纜直徑和長(zhǎng)度等參數(shù)上做文章，進(jìn)行綜合選型設(shè)計(jì)，確定經(jīng)濟(jì)合理的系泊方案。

4 系泊纜

系泊纜用于連接油輪和單點(diǎn)浮筒，通常由重型卸扣、纜繩、摩擦鏈、摩擦鏈支撐浮筒、拾取纜、拾取浮筒等組成。沒有油輪外輸作業(yè)時(shí)，系泊纜自由漂浮在海面；當(dāng)油輪靠近單點(diǎn)，準(zhǔn)備外輸時(shí)，需要將系泊纜的摩擦鏈從海面撈起，和油輪首部的止鏈器相連。根據(jù)油輪噸位的不同，系泊纜的配置有1根和2根的選擇，對(duì)于15萬(wàn)噸級(jí)以上的油輪，規(guī)范要求必須由2根系泊纜相連，這也要求15萬(wàn)噸級(jí)以上的油輪配備2個(gè)首部止鏈器。而15萬(wàn)噸級(jí)以下的油輪可以連接1根或2根系泊纜。圖3為油輪連接CALM系統(tǒng)的圖片。

圖3 油輪通過系泊纜與CALM單點(diǎn)連接

系泊纜的類型有單根(single)和環(huán)型(grommet)兩種，相同直徑下，環(huán)型的強(qiáng)度大約為單根型的1.7倍。纜繩的強(qiáng)度受干濕狀態(tài)以及新舊狀態(tài)影響很大，通常濕、舊的系泊纜強(qiáng)度是其干、新時(shí)強(qiáng)度的80%左右。纜繩的非線性剛度也是值得特別關(guān)注的一點(diǎn)，通常纜繩的伸長(zhǎng)率(破斷力)能達(dá)到20%～25%，因此對(duì)于50～70 m長(zhǎng)的系泊纜來說，極端系泊時(shí)的伸長(zhǎng)量能達(dá)到10 m以上，在進(jìn)行系泊分析時(shí)，應(yīng)充分考慮系泊纜非線性剛度的準(zhǔn)確模擬，而不是只考慮一個(gè)固定剛度，這對(duì)系泊力的影響很大，從能量守恒的角度來分析，考慮了非線性剛度的系泊纜在伸長(zhǎng)過程中吸收了一部分能量，起到了“緩沖”的作用，進(jìn)而降低了系泊纜的受力水平。圖4為系泊纜組成示意圖。

圖4 系泊纜組成示意圖

5 止鏈器

止鏈器是用于連接錨鏈和浮筒的系泊設(shè)備，通常均勻分布在浮筒裙板一周，和艙壁位置對(duì)應(yīng)。止鏈器主體結(jié)構(gòu)為鑄件，下部喇叭口和中間的圓管起導(dǎo)向作用，上部的塊狀結(jié)構(gòu)為主要受力結(jié)構(gòu)，其兩側(cè)有兩個(gè)耳軸。安裝時(shí)，首先用軸套和耳軸過盈配合，起耐磨和保護(hù)作用，然后套上墊圈，滑動(dòng)軸承套在軸套上，外面用軸承座通過螺栓螺母和支撐結(jié)構(gòu)裝配鎖緊。

止鏈器上部有個(gè)棘齒蓋，錨鏈從下部主體穿過時(shí)，蓋子可以自動(dòng)打開，當(dāng)錨鏈安裝到位后，將錨鏈下放，棘齒蓋也會(huì)隨之落下，并將錨鏈卡住鎖死，起到固定限位的作用。值得關(guān)注的是，止鏈器導(dǎo)鏈孔和棘齒蓋的設(shè)計(jì)應(yīng)該和錨鏈的直徑等尺寸相配套，并按照錨鏈的破斷載荷進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圖5為止鏈器示意圖。

圖5 止鏈器示意圖

止鏈器的設(shè)計(jì)屬于產(chǎn)品設(shè)計(jì)，應(yīng)對(duì)止鏈器設(shè)計(jì)采用的規(guī)范、材質(zhì)要求、化學(xué)成分、熱處理、測(cè)試、無(wú)損檢驗(yàn)、工廠測(cè)試等進(jìn)行詳盡的規(guī)定。設(shè)計(jì)圖紙要對(duì)止鏈器的具體結(jié)構(gòu)組成、尺寸參數(shù)、制造公差、機(jī)加工、精度要求、裝配要求等有詳盡的表達(dá)。同時(shí)要對(duì)止鏈器進(jìn)行整體建模(下部導(dǎo)向管受力較小，可以不模擬)，采用錨鏈破斷載荷加載進(jìn)行有限元分析。止鏈器還應(yīng)該采用3D設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中便于發(fā)現(xiàn)不合理的地方，以及時(shí)加以調(diào)整和改進(jìn)。

6 系泊籠耳

系泊籠耳是連接浮筒和系泊纜的設(shè)備，布置在浮筒轉(zhuǎn)臺(tái)的系泊臂上，通過兩個(gè)padeye連接固定。每個(gè)padeye依次相連一個(gè)末端連接卸扣、一個(gè)末端鏈環(huán)和兩個(gè)加大鏈環(huán)，一個(gè)末端鏈環(huán)和一個(gè)末端連接卸扣，然后連接到一個(gè)小三角板，再通過銷軸連接到兩個(gè)大三角板，大三角板再通過兩個(gè)測(cè)力銷軸分別連接一個(gè)加大鏈環(huán)和一個(gè)末端鏈環(huán)。每根系泊纜通過卸扣與末端鏈環(huán)相連。圖6為系泊籠耳示意圖。

圖6 系泊籠耳示意圖

需要指出的是，采用大、小三角板的設(shè)計(jì)理念可以滿足不同噸位油輪采用1根系泊纜和2根系泊纜的功能需求，對(duì)于15萬(wàn)噸級(jí)以下的單系泊纜油輪，系泊纜連接大三角板的任一鏈環(huán)，大三角板可以繞中間銷軸旋轉(zhuǎn)，從而保證系泊纜和系泊籠耳的受力在一條直線上。系泊籠耳和止鏈器一樣，都屬于產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

7 結(jié) 語(yǔ)

(1) 本文總結(jié)了主流船級(jí)社對(duì)于CALM單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)衡準(zhǔn)要求，分析了系泊系統(tǒng)的受力機(jī)制和特點(diǎn)，介紹了設(shè)計(jì)中需要考慮的因素和方法，闡述了系泊設(shè)備和系泊產(chǎn)品的功能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等。

(2) 系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括選型設(shè)計(jì)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)。錨鏈和系泊纜為選型設(shè)計(jì)，需要開展大量的分析比選，以確定合理的系泊方案。止鏈器和系泊籠耳為產(chǎn)品設(shè)計(jì)，需要根據(jù)確定的系泊載荷有針對(duì)性地開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等工作。

(3) 目前，全球已經(jīng)建成原油輸送終端約700座，其中CALM型單點(diǎn)有600多座，我國(guó)僅有兩座，分別為中石化茂名單點(diǎn)和中海油潿洲單點(diǎn)。茂名單點(diǎn)已經(jīng)安全運(yùn)營(yíng)超過20年，累計(jì)節(jié)省輸送費(fèi)用超過40億元人民幣。

(4) 由于與傳統(tǒng)的固定碼頭接卸原油存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，CALM型單點(diǎn)并沒有在國(guó)內(nèi)全面推廣，不過隨著國(guó)內(nèi)原油進(jìn)口資質(zhì)的放開，CALM型單點(diǎn)建設(shè)會(huì)迎來爆發(fā)式的增長(zhǎng)。掌握CALM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念和方法，對(duì)于開拓國(guó)內(nèi)外浮體市場(chǎng)具有重要意義。