基于不同規(guī)范的CALM 單點(diǎn)系泊系統(tǒng)錨鏈直徑選型對(duì)比研究

梁 凱，王亞瓊，徐萬(wàn)海，周大可

（1.中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊065000；2. 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津300072）

懸鏈?zhǔn)较挡聪到y(tǒng)（Catenary Anchor Leg Mooring，CALM）是一種廣泛應(yīng)用于原油裝卸的單點(diǎn)系泊系統(tǒng)。CALM 系統(tǒng)主要由浮筒、系泊纜、漂浮軟管、水下軟管、水下管匯、系泊錨鏈和輔助設(shè)備組成。油輪通過(guò)系泊纜連接浮筒，CALM 系統(tǒng)通過(guò)懸鏈?zhǔn)降亩喔^鏈固定在海底，錨鏈為整個(gè)系統(tǒng)提供約束，限制浮筒在一定的范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，使油輪能夠進(jìn)行輸油作業(yè)。CALM 系統(tǒng)可使大型油輪不受港口和航道水深的限制進(jìn)行油品傳輸，且具有投資低和受氣候影響小等優(yōu)點(diǎn)，在世界原油和天然氣的進(jìn)出口中發(fā)揮著重要作用。隨著世界主要港口碼頭擁擠程度日漸加劇以及碼頭投資成本不斷提高，利用懸鏈?zhǔn)絾吸c(diǎn)系泊系統(tǒng)配合海上油輪過(guò)駁油品至陸上煉化終端將成為未來(lái)的主要選擇。因此，對(duì)安全且更加經(jīng)濟(jì)的CALM 系統(tǒng)的需求將變得愈加旺盛[1]。而系泊錨鏈作為CALM 系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其完整性對(duì)整個(gè)作業(yè)系統(tǒng)安全至關(guān)重要，其造價(jià)影響整個(gè)CALM 系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，是單點(diǎn)系統(tǒng)系泊設(shè)計(jì)關(guān)鍵內(nèi)容，多種規(guī)范都對(duì)系泊錨鏈的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核和疲勞校核方法做了明確規(guī)定[2]。

工程界和學(xué)術(shù)界對(duì)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的錨鏈張力分析和強(qiáng)度校核開(kāi)展了較多研究工作。冷述棟[2]采用耦合時(shí)域動(dòng)態(tài)分析方法，對(duì)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力響應(yīng)分析，基于挪威船級(jí)社規(guī)范對(duì)錨鏈強(qiáng)度及疲勞進(jìn)行了校核；羅慧明等[3]基于中國(guó)船級(jí)社規(guī)范分析了CALM 系統(tǒng)的系泊鏈疲勞強(qiáng)度；秦川[4]分析了不同浮力材起始位置、間隔等參數(shù)對(duì)錨鏈最大張力的影響，并以張力最小為目標(biāo)對(duì)CALM 系統(tǒng)錨鏈進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；來(lái)俊[5]通過(guò)對(duì)錨索進(jìn)行靜力分析，依據(jù)中國(guó)船級(jí)社規(guī)范完成了錨鏈材質(zhì)的選型，并分別基于準(zhǔn)靜力和動(dòng)力方法完成了極端海況下的系泊分析；Browna A 等[6]研究了在颶風(fēng)情況下CALM 系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)，并確定了極端載荷情況下的設(shè)計(jì)參數(shù)。在規(guī)范對(duì)比研究方面，馬邦勇[7]對(duì)各大船級(jí)社對(duì)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)浮筒主軸承安全系數(shù)的要求進(jìn)行了對(duì)比分析；周楠等[8]簡(jiǎn)單列舉了幾種不同規(guī)范的系泊錨鏈強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。此外，易叢等[9]探討了設(shè)計(jì)工況和設(shè)計(jì)規(guī)范選取的不同對(duì)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)方案的影響。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)CALM 系泊系統(tǒng)的研究主要集中在計(jì)算方法和優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，對(duì)于不同規(guī)范的對(duì)比研究較少，主要原因在于CALM系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)通常采用入級(jí)船級(jí)社標(biāo)準(zhǔn)，而船級(jí)社常由業(yè)主指定，缺乏橫向?qū)Ρ葍?yōu)化過(guò)程。對(duì)于錨鏈強(qiáng)度設(shè)計(jì)安全系數(shù)，國(guó)際上幾大船級(jí)社的規(guī)范都給出了明確的要求。然而，各規(guī)范規(guī)定的計(jì)算工況及對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)并不完全一致，是否需要考慮結(jié)果風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)也存在差異，因此在相同錨鏈張力條件下，選取的錨鏈直徑也不完全相同。此外，各規(guī)范對(duì)于不同的錨鏈等級(jí)規(guī)定了同樣的安全系數(shù)，只考慮了錨鏈安全屬性，未考慮不同等級(jí)對(duì)錨鏈造價(jià)影響。上述問(wèn)題的存在直接導(dǎo)致參照不同規(guī)范進(jìn)行系泊設(shè)計(jì)，得到的錨鏈直徑變化較大，影響工程項(xiàng)目造價(jià)。本文對(duì)比分析了中國(guó)船級(jí)社（China Classification Society，CCS）、挪威—?jiǎng)谑洗?jí)社（DetNorskeVeritas-Germanischer Lloyd，DNVGL）、 美 國(guó) 船 級(jí) 社（American Bureau of Shipping，ABS）和美國(guó)石油協(xié)會(huì)（American Petroleum Institute，API）的相關(guān)規(guī)范的CALM 系統(tǒng)系泊錨鏈強(qiáng)度衡準(zhǔn)，給出了不同錨鏈張力下各規(guī)范要求的最小錨鏈直徑，分析了不同規(guī)范的選取對(duì)錨鏈選型的影響。研究成果可為海洋工程錨鏈選型及優(yōu)化提供支撐，為設(shè)計(jì)出更加安全、經(jīng)濟(jì)的CALM 系泊系統(tǒng)提供了依據(jù)。

1 各規(guī)范錨鏈強(qiáng)度要求

1.1 DNVGL 規(guī)范

挪威—?jiǎng)谑洗?jí)社（DNVGL）規(guī)范[10]規(guī)定要按照公式（1）對(duì)系泊錨鏈的強(qiáng)度進(jìn)行校核。

式中：Tpret為錨鏈預(yù)張力，kN；TC-env為特征環(huán)境力，kN；SC為錨鏈特征強(qiáng)度，kN；γpret為預(yù)張力安全系數(shù)；γenv為特征環(huán)境力安全系數(shù)。DNVGL 錨鏈設(shè)計(jì)安全系數(shù)如表1 所示，偶然極限狀態(tài)是指一根錨鏈破斷的系泊狀態(tài)，最大極限狀態(tài)是指系泊系統(tǒng)錨鏈完整且承受最大操作環(huán)境載荷的系泊狀態(tài)。

表1 DNVGL 錨鏈強(qiáng)度分項(xiàng)安全系數(shù)表

1.2 ABS 規(guī)范

美國(guó)船級(jí)社（ABS）規(guī)范[11]要求，錨鏈設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足表2 中指定的最低安全系數(shù)。安全系數(shù)定義如下：

式中：FOS為強(qiáng)度安全系數(shù)；MBS為錨鏈最小破斷強(qiáng)度；Tmax為最大錨鏈張力。表2 中的設(shè)計(jì)環(huán)境條件為油輪與浮筒連接斷開(kāi)，浮筒自存工況；設(shè)計(jì)操作條件為油輪連接浮筒進(jìn)行裝卸油作業(yè)的工況。

表2 ABS 錨鏈設(shè)計(jì)安全系數(shù)表

1.3 API 規(guī)范

根據(jù)美國(guó)石油協(xié)會(huì)（API）規(guī)范[12]要求，張力極限可以表示為系泊件的最小破斷強(qiáng)度（MBS）的百分比：

API 規(guī)范要求，對(duì)于不同設(shè)計(jì)工況，采用動(dòng)態(tài)分析方法的錨鏈的張力極值和安全系數(shù)如表3所示。

表3 API 錨鏈張力范圍及安全系數(shù)表

1.4 CCS 規(guī)范

根據(jù)中國(guó)船級(jí)社（CCS）規(guī)范[13]，錨索張力安全系數(shù)取決于設(shè)計(jì)工況以及所采用的錨泊分析方法。采用動(dòng)態(tài)分析法的錨鏈或鋼纜的安全系數(shù)應(yīng)符合表4 的規(guī)定。錨鏈安全系數(shù)F定義如下：

式中：PB為錨索的最小拉斷強(qiáng)度，kN。

表4 CCS 錨鏈安全系數(shù)表

2 規(guī)范對(duì)比分析

分析以上四種規(guī)范對(duì)錨鏈強(qiáng)度安全系數(shù)的要求可以發(fā)現(xiàn)，所有規(guī)范均規(guī)定了錨鏈完整和一根錨鏈破斷工況下安全系數(shù)的取值。其主要的區(qū)別在于：

（1）DNVGL 采用分項(xiàng)安全系數(shù)法，規(guī)定了錨鏈預(yù)張力和特征環(huán)境力的分項(xiàng)安全系數(shù)，ABS、API 和CCS 的方法一致，均采用統(tǒng)一安全系數(shù)法。

（2）DNVGL 設(shè)置了不同的結(jié)果等級(jí)，對(duì)錨鏈損傷后造成嚴(yán)重后果的情況規(guī)定了更嚴(yán)格的安全系數(shù)，ABS、API 和CCS 沒(méi)有考慮失效后果影響。

（3）ABS 和CCS 對(duì)作業(yè)工況（設(shè)計(jì)操作條件）和自存工況（設(shè)計(jì)環(huán)境條件）的安全系數(shù)做了區(qū)分，DNVGL 和API 對(duì)兩種環(huán)境工況取相同的安全系數(shù)。

（4）CCS 自存工況和API 的安全系數(shù)要求一致。

為了進(jìn)一步明確不同規(guī)范要求對(duì)CALM 系泊系統(tǒng)錨鏈設(shè)計(jì)的影響，本文選取3 種錨鏈等級(jí)，對(duì)不同錨鏈載荷條件下各規(guī)范要求的最小錨鏈直徑進(jìn)行了核算及對(duì)比，計(jì)算基于以下假定：不考慮錨鏈的腐蝕、磨損余量；采用同樣的環(huán)境條件組合；采用時(shí)域動(dòng)態(tài)的分析方法。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，CALM 系泊系統(tǒng)錨鏈的預(yù)張力范圍一般為60 ～140 kN，錨鏈最大張力處于1 400 ～3 400 kN 之間，常用的錨鏈等級(jí)為R3、R4 及R4S。因此，本文設(shè)置錨鏈完整和錨鏈破斷兩種計(jì)算工況，設(shè)置錨鏈預(yù)張力為100 kN，錨鏈最大張力（不含預(yù)張力）取1 400 ～3 400 kN，步長(zhǎng)200 kN，共11 個(gè)最大錨鏈張力等級(jí)，在此基礎(chǔ)上，分別選取R3、R4 及R4S 等級(jí)錨鏈，計(jì)算不同錨鏈張力下的各規(guī)范要求的最小錨鏈直徑。

圖1 為錨鏈完整工況下不同規(guī)范要求的R3、R4、R4S 級(jí)錨鏈最小直徑，從圖中可以看出：（1）對(duì)錨鏈直徑的要求，ABS 計(jì)算直徑最大，其次分別為CCS 作業(yè)工況，DNV 等級(jí)2，API&CCS 自存工況和DNV等級(jí)1。（2）錨鏈張力為1 400 kN時(shí)，對(duì)于R3、R4 和R4S 級(jí)錨鏈，ABS 規(guī)范和DNV規(guī)范等級(jí)1 計(jì)算錨鏈直徑相差分別為16 mm、14 mm 和14 mm，ABS 規(guī)范和DNV 規(guī)范等級(jí)2計(jì)算錨鏈直徑相差分別為8 mm、8 mm 和8 mm；錨鏈張力為3 400 kN 時(shí)，差值分別為27 mm、25 mm 和24 mm，15 mm、14 mm 和14 mm?？梢钥闯?，分別依照ABS 規(guī)范與DNV 規(guī)范選取錨鏈，隨著錨鏈張力增大，兩個(gè)規(guī)范選取的最小錨鏈直徑差值呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。（3）當(dāng)錨鏈張力為1 400 ～3 400 kN 時(shí)，分別按照ABS、CCS 作業(yè)工況、DNV 等級(jí)2、API&CCS 自存工況以及DNV 等級(jí)1 要求選取錨鏈，R4 級(jí)錨鏈比R3 級(jí)錨鏈直徑最大減小分別為12.3%, 12.5%,12.9%, 13.1%和12.1%，R4S 級(jí)錨鏈直徑比R4 級(jí)錨鏈直徑最大減小分別為7.1%, 7.9%, 7.7%, 7.1%和8.7%。

圖1 完整工況R3、R4 和R4S 級(jí)錨鏈規(guī)范計(jì)算直徑

圖2 為單根錨鏈破斷工況下不同規(guī)范要求的R3、R4、R4S 級(jí)錨鏈最小直徑，從圖中可以看出：（1）對(duì)錨鏈直徑的要求，不同規(guī)范的嚴(yán)格程度與完整工況一致，但ABS 的要求與其它規(guī)范要求差距進(jìn)一步增大。（2）分別依照ABS 規(guī)范與DNV規(guī)范選取錨鏈，同等級(jí)錨鏈，隨著錨鏈張力增大，兩個(gè)規(guī)范選取的最小錨鏈直徑差值呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。（3）當(dāng)錨鏈張力為1 400 ～3 400kN時(shí)，分別按照ABS、CCS 作業(yè)工況、DNV 等級(jí)2、API&CCS 自存工況以及DNV 等級(jí)1 要求選取錨鏈，R4 級(jí)錨鏈直徑比R3 級(jí)錨鏈直徑最大減小分別為13.2%, 13.2%, 12.1%, 12.5%和12.1%，R4S 級(jí)錨鏈直徑比R4 級(jí)錨鏈直徑最大減小分別為7.4%, 8.3%, 7.4%, 8.3%和7.7%。

圖2 破斷工況R3、 R4 和R4S 級(jí)錨鏈規(guī)范計(jì)算直徑

3 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)中國(guó)船級(jí)社（CCS）、挪威—?jiǎng)谑洗?jí)社（DNVGL）、美國(guó)船級(jí)社（ABS）和美國(guó)石油協(xié)會(huì)（API）的4 種規(guī)范對(duì)CALM 型系泊系統(tǒng)錨鏈強(qiáng)度校核要求的對(duì)比分析，主要得到以下結(jié)論：（1）任何工況下，在同等錨鏈張力及錨鏈等級(jí)條件下，按照不同規(guī)范選取錨鏈直徑，對(duì)錨鏈直徑要求從大到小的規(guī)范（工況）依次為：ABS、CCS 作業(yè)工況，DNV 等級(jí)2，API&CCS 自存工況和DNV 等級(jí)1。（2）分別依照ABS 規(guī)范與DNV 規(guī)范選取最小錨鏈直徑，同等級(jí)錨鏈，隨著錨鏈張力增大，依照兩個(gè)規(guī)范選取的最小錨鏈直徑相差也呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。ABS 規(guī)范與DNV等級(jí)1 要求的值最大相差40%，與DNV 等級(jí)2 要求的值最大相差22.7%。（3）錨鏈最大可能張力在1 400 ～3 400 kN 范圍時(shí)，按照同一規(guī)范計(jì)算得到的最小錨鏈直徑，R4 級(jí)錨鏈直徑比R3 級(jí)錨鏈直徑減小在12%～14%之間，R4S 級(jí)錨鏈直徑比R4 級(jí)錨鏈直徑減小在7%～10%之間。本文的研究基于不考慮錨鏈的腐蝕和磨損余量的假定條件，因此實(shí)際工程中的錨鏈直徑應(yīng)為本文計(jì)算直徑加錨鏈的腐蝕余量，不同規(guī)范腐蝕余量取值要求對(duì)錨鏈直徑選取的影響有待進(jìn)一步研究。