CALM單點系泊系統設計綜述

周 楠， 劉旭平， 李俊汲

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

CALM單點系泊系統設計綜述

周 楠， 劉旭平， 李俊汲

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

介紹了懸鏈錨腿系泊(CALM)單點系泊系統設計中需要考慮的重要因素，如船型和貨運量核算、單點選址原則、工況設定、設計衡準、魚尾運動解決方案等。歸納了整個設計流程中的關鍵點，討論了如何確保單點系泊設計的安全性。

懸鏈錨腿系泊(CALM)；單點系泊；選址；魚尾運動

0 引 言

系泊系統是保證浮體在作業和生存等工況下安全在位的關鍵系統，一般可分為多點系泊和單點系泊。多點系泊通常用于半潛式平臺或浮式生產儲卸裝置(FPSO)，位于環境條件較為溫和或環境方向相對單一的海域；單點系泊系統則用于環境條件惡劣且方向多變的海域，發揮其風向標的作用，使FPSO或油輪繞其360°自由旋轉到受力最小的方向，如內轉塔、外轉塔、塔架軟剛臂、單錨腿系泊(SALM)和懸鏈錨腿系泊(CALM)。

CALM通常應用于接卸油輪的終端，建設于離岸一定距離的海域，解決了大型油輪因吃水深而進不了港口的問題。與建造深水港口相比，具有投資小、建造周期短、環境污染小等獨特優勢。CALM浮筒通過錨鏈系統和海底連接，當油輪靠泊單點后，通過系船纜與浮筒連接，從而形成了系泊油輪的物理連接。油輪上的原油通過漂浮軟管經過浮筒上的流體分配單元轉到水下軟管到達水下管匯，再通過海底管道將原油輸送到岸上煉廠，這是原油的物流通道[1]。

CALM單點系泊系統設計涉及諸多因素。本文歸納了整個設計流程中的關鍵點，以期確保單點系泊設計的安全性。

1 船型和貨運量

圖1 CALM單點系泊系統的總體示意圖Fig.1 General layout of CALM single point mooring

圖1為CALM單點系泊系統的總體示意圖。CALM單點系泊系統設計涉及船型和貨運量核算、單點選址原則、工況設定、設計衡準、魚尾運動解決方案等多方面因素。

陸地煉廠會有年煉油能力的規劃，同時CALM單點接卸油輪也有噸位的限制，通常會是一個范圍，如5～30萬噸級。油輪噸位越大，產生的系泊力越大，因此系泊系統按照最大噸位油輪進行設計。那么這些船型能否滿足年貨運量的需求是一個非常重要的問題。需要根據油輪靠泊，系泊外輸和離泊的環境條件，結合當地環境條件數據核算操作概率，即可操作天數。同時要結合不同噸位油輪的卸油速度、靠離泊時間和不同噸位油輪的船次配比來綜合判斷能否滿足年貨運量的需求。

2 單點選址

確定單點浮筒的位置需考慮設計船型、操作半徑、最小水深和水深圖選址等幾個方面。

2.1 設計船型

通常根據接卸油輪的最大噸位作為設計船型，單點選址的相關參數根據設計船型的主尺度和運動來確定。

2.2 操作半徑

規范要求單點系泊設施操作水域的尺度應考慮所有系泊船型從任意方向靠近和離開單點所需要的安全范圍，通常為以單點浮筒為圓心、R為半徑的圓形區域，R應為至少3倍的設計船長再加上系船纜的長度和浮筒的偏移量。

2.3 最小水深

此類單點卸油碼頭水域的水深確定應考慮所有靠泊船型在工作期間的安全，避免觸底的風險。單點操作水域內任何位置的水深應滿足油輪在任何工況下不會觸底和觸及任何海底突出物。設計者在確定水深時應考慮如下因素： 設計船型主尺度，主要是滿載吃水；主控風及潮汐；油船的升沉、橫搖、縱搖運動及最小1m的底部間隙；考慮水深測量數據的準確度；海底凸出物的影響；海底地形的改變以及沙坡沙堤的移動[2]。

2.4 水深圖選址

上述參數確定后，可以根據水深圖進行選址，確保以單點浮筒為圓心、R為操作半徑的圓形水域內的最小水深滿足設計要求。在確保安全工作的前提下，應盡可能降低水深要求，以縮短海管的長度，降低工程投資。

3 設計工況

系泊系統的設計主要考慮以下兩種工況，即操作工況和生存工況。操作工況是指油輪系泊到浮筒上進行輸油作業的工況，根據作業海域的不同，通常取一年一遇環境條件或限制環境條件，一般有義波高在2.5～3m。生存工況為百年一遇臺風工況，此時浮筒不系泊油輪。根據設計經驗，系泊油輪的操作工況為系泊系統設計控制工況，且系泊最大噸位油輪的系統響應最大。在具體的工況定義時，應考慮以下因素： (1)水深的影響(考慮高低天文潮位)；(2)油輪吃水的影響(滿載壓載)；(3)環境主方向(波浪方向正對一根/組錨鏈和介于兩根/組之間)；(4)風浪流方向組合(同向或不同向等多種組合)。

4 設計衡準

系泊系統的設計通常有兩個衡準，一是強度衡準，這是硬性規定，錨鏈的強度安全系數必須滿足相關規范的要求，如美國石油學會(API)、法國船級社(BV)等對完整工況和單纜破斷工況的安全系數(破斷強度和張力的比值)要求分別為1.67和1.25(動力分析法)。挪威船級社(DNV)采用部分安全系數法，對錨鏈的平均張力和動態張力分別取系數，得到的計算張力需小于破斷強度。二是位移衡準，該衡準主要看水下軟管等需求，如軟管的偏移不能超過水深的某個百分比等，這樣就需要根據偏移量的限制來調整系泊系統的設計。在CALM系泊系統設計中，有的軟管廠家會提出偏移量限制，也有的會根據偏移量去設計軟管，需要根據情況判斷，所以這不是一個強制的衡準。

5 系船纜設計

系船纜通常為雙纜結構，但部分15萬噸級以下的油輪只配備單導纜孔，所以只能連接一根系船纜，設計時需要對這種情況進行校核。此外，系船纜上的附件眾多，可達十幾個，如系泊龍耳、摩擦鏈、拾取纜等，需要根據石油公司國際海事論壇(OCIMF)相關規范，確保部件之間配合良好。系船纜的材質通常為尼龍繩，軸向剛度具有強非線性，因此纜長對系泊性能的影響較大。一般選取50～70m即可，過長的系船纜會導致油輪的“魚尾運動”過大[3]。

6 “魚尾運動”解決方案

不同于內轉塔等單點系泊系統，CALM系統的最大特點為雙浮體系泊，即油輪通過系船纜連接到浮筒，浮筒再通過錨鏈連接到海底?？梢院喕癁殡p質量-雙彈簧的物理模型，即整個系統有兩個浮體和兩個彈性源。當浮筒和油輪不共線時，系統就會產生一個扭矩，促使油輪發生首搖運動，稱為“魚尾運動”。解決方法有如下幾種。

(1) 在尾部施加拖輪力來修正首搖的趨勢，但該拖輪力會傳遞到系船纜和系泊錨鏈里，造成響應高估等問題。

(2) 增加首搖阻尼，把首搖控制在合理的范圍內(工程經驗在20°以內)。

(3) 模擬動力定位(DP)功能，在油輪上施加首搖回復剛度，達到與方法(2)同樣的效果，把首搖控制合理的范圍內[4]。

7 結 語

本文介紹了CALM單點系泊系統設計中需要考慮的重要因素，歸納了整個設計流程中的關鍵點，如船型和貨運量核算，單點選址原則，工況設定，設計衡準，魚尾運動解決方案等。對于指導CALM單點系泊系統的設計，保證CALM單點系泊系統設計的安全性，具有一定的現實意義。

[1] International Maritime Organization, Marine Environment Protection Committee. Manual on oil pollution[S]. 2008.

[2] Oil Companies International Marine Forum. Tandem single point mooring study[S]. 2007.

[3] 黃國樑,藤野正隆.關于風和潮流作用下單點系泊船體的魚尾狀擺動的研究[J].海洋工程,1987(3)： 4.

[4] 王會麗.單點系泊下船舶動力定位控制方法研究[D].哈爾濱： 哈爾濱工程大學,2013.

DesignMethodSummaryofCALMSinglePointMooring

ZHOU Nan， LIU Xu-ping, LI Jun-ji

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)

The important factors to be considered in the design of catenary anchor leg mooring (CALM) single point mooring system are presented, including vessel type and freight volume calculation, principle of site location, analysis condition, design criteria, fishtail motion solutions etc. The key points of the whole design phase are summarized to ensure the safety of single point mooring design.

catenary anchor leg mooring (CALM); single point mooring; site location; fishtail motion

U656.1+26

A

2095-7297(2017)02-0102-03

2017-02-24

周楠(1986—)，男，碩士，工程師，主要從事海洋工程結構設計工作以及浮體性能研究。