非自航平臺臨時錨系設計

尤小健，吳晨暉，舒正誼，丁 巍

0 引言

受我國海洋開發戰略影響，海工市場活躍度較高，渤海區域相關平臺的需求量較大。而且近年來由于造船技術和海洋工程技術迅猛發展，新理論、新結構、新設備層出不窮[1-2]，加之以提高安全性為目的的各種要求出現，包括相關的國際公約、法規、船級社規范等，這一切在錨泊設計均有體現[3-4]。

目前渤海現有FPSO類基本均為非自航平臺，其錨系設計與普通船舶錨系設計有較多相似之處，因其特殊性，不能完全按照普通船舶的要求進行設計和建造。因此，非自航平臺的錨系設計是一個值得關注的問題。

本文以某非自航平臺項目為例，根據錨系設計流程，針對相關設計問題進行分析。

1 臨時錨系功能

非自航平臺與普通船用錨系功能基本相同，即供船舶在錨地、港內或開敞水域等待泊位或潮水時臨時停泊之用。具體用途有如下三點：

1）船舶在錨地裝卸貨物、添加油水、避風、等待碼頭泊位、檢疫和候潮等情況下，均需要在錨地拋錨停泊；

2）靠泊在碼頭一定距離拋錨，以便在靠、離碼頭的過程中輔助船舶操縱，例如控制沖程和靠攏速度，與車、舵配合控制船首方向和偏轉速度，拋錨倒航以從狹窄的港池內離泊等；

3）在船舶遇到大風浪，頂風滯航時，可以將錨和錨鏈松出適當長度來增加船舶飄移阻力并有利于控制船首向，以輔助船舶抵抗大風浪。

而非自航平臺除了有以上三點用途外，在平臺拖航時，臨時固定平臺，并在平臺拖航時進行拋起錨實驗。

本平臺主要在渤海水域活動，臨時錨系完全可以滿足上述用途。因此，可以確定本非自航平臺應配備錨泊系統的必要性。

同時，應相應配置錨機、錨、電焊錨鏈等設備，以確保實現錨泊功能。

2 舾裝數的計算

各船級社的規范統一采用IACS提出額定舾裝數計算方法及首錨和首錨鏈的配置要求，本文推薦非自航平臺采用相同方法進行錨系的配置。

需要特別指出的是，上述設計方法是基于假定水流速度為2.5 m/s、風速為25 m/s、出鏈長度在6節～10節之間條件下，能在良好的錨地底質上系留。

2.1 船舶舾裝數相關參數

本文錨系設計研究對象為非自航平臺，主要尺度見表1。

表1 非自航平臺主要尺度

根據 CCS《海上浮式裝置入級規范》（2014）第2篇12.2.1.3規定，舾裝數如公式[5]：

根據實際情況，由a= 3 m，∑hi= 20 m，得h=23 m。由Δ= 175 156 t，B= 50 m，h= 23 m，A= 2 500 m2，可得N= 5 681。

2.2 計算結果及對應規范要求的配置

根據CCS《海上浮式裝置入級規范》第2篇，表12.2.1.3查得，N= 5 681位于第52檔，錨及錨鏈應選：

1）首錨數量3只，每只重16 900 kg；

2）有檔錨鏈取AM3-100，總長度742.5 m。

2.3 錨系實際配置

規范對平臺錨及錨鏈的配置僅為指導性要求，應結合其使用工況及國內相關工程案例使用情況綜合考慮[6-7]。

由于本非自航平臺長期單點系泊于渤海，錨系主要在拖航時等低頻率工況下使用，且正常情況錨泊時只使用1只錨，因此應在滿足使用要求的基礎上，應盡量減少冗余設備數量，以達到控制項目成本及平臺重量的目的，優化設計方案。

同時調研渤海海域作業的“渤海長青”號、“渤海友誼”號、“渤海明珠”號等工程案例，上述FPSO按常規船舶規范采用雙首錨設計；而最近建造的“海洋石油112”號、“海洋石油113”號、“渤海世紀”號等均采用單首錨設計[5]，可見單首錨的配置已逐漸取代雙首錨配置。

本平臺推薦參考“渤海世紀”號等成熟 FPSO項目，在滿足平臺使用工況及主甲板布置要求的基礎上，采用單首錨方案。

3 錨及錨鏈的配置

通過收集近年來部分已有船舶使用錨的類型，由于斯貝克錨是霍爾錨的改良型，在商用常規的散貨船、多用途船、雜貨船的應用上較多。而海上平臺及工程作業船由于所工作海域海洋環境惡劣，往往選擇大抓力錨系，其中AC-14平衡錨的應用尤為頻繁。

近年來無桿大抓力錨的使用已成為一種新的趨勢，這種錨抓力大，自重輕，重量只有霍爾錨或斯貝克錨重量的75%，不僅減少船舶重量，而且可以降低成本。

錨的用途決定了基本要求。抓力大，適應不同底質，結構堅固，穩定性好，入土距離短，起錨力小，自潔性好，收藏方便等因素直接影響錨的選取。

本非自航平臺與“渤海友誼”號FPSO及海洋石油系類 FPSO，其主錨的選型原則與本平臺是一致的。通過調研“海洋石油113”號、“海洋石油115”號、“海洋石油 117”號等平臺，發現其主錨均為AC-14平衡錨。因此，推薦選取AC-14大抓力錨作為非自航平臺首錨。

實際選用如下：

1）首錨：選取AC-14大抓力錨1只，每只重16 900×0.75=13 350 kg；

2）錨鏈：選取直徑為100 mm的CCS AM3級有檔焊接錨鏈1根，長度為385 m，共14節。

4 錨機的選型

4.1 錨機種類

錨機按驅動方式可分為：蒸汽錨機、手動錨機、機動錨機、液壓錨機及電動錨機，目前最常用的是電動和液壓錨機。

電動錨機是使用最為廣泛的錨機。其傳動方式為電動機通過減速裝置驅動鏈輪軸，鏈輪與傳動軸之間設有離合器，拋錨時脫開離合器，用剎車控制鏈輪。采用速比為1∶2∶4的三速電機，以中速為額定級。起錨時，一開始使用高速檔，當負荷增加達到過載時，自動由高速檔轉換到中速檔，錨出土后可轉換到高速檔，錨離開水面收進錨鏈筒時，采用低速檔。電動錨機主要由電機、減速機、主軸、剎車裝置、離合器裝置、機架、錨鏈輪裝置、機旁控制臺、起動器柜等組成。

液壓錨機的傳動方式是液壓馬達采用開式齒輪驅動鏈輪軸，其中其他機械部件與電動錨機基本相同。但液壓錨機需設置液壓泵站。液壓錨機省去了電動機和減速箱，體積比電動錨機小，重量輕。通過控制閥直接操縱液壓馬達，啟動平穩，調速方便，可實現無機調速。液壓錨機主要由液壓泵站、馬達、操作閥、齒輪箱、剎車裝置、離合器裝置、機架、主軸、錨鏈輪裝置、起動器柜和遙控按鈕盒等組成。

目前國內FPSO上常用的方案是選用電動錨機并聯系泊絞車，或者設計與系泊絞車共用的液壓動力源，以降低建造成本。根據平臺布置情況，首部無獨立液壓站布置空間，因此本非自航平臺選取電動臥式錨機。

4.2 錨機操作

各種錨機除了動力部分不同外，其功能部分基本相同，即都包括錨鏈輪、離合器和剎車等。這些功能部件都布置在同一根由動力驅動的主軸上。主軸端部的絞纜滾筒隨主軸一起轉動，錨鏈輪由獨立離合器和剎車控制。

起錨和收錨時，合攏離合器，錨鏈輪和主軸咬合在一起，可隨主軸一起轉動，從而可以絞進和送出錨鏈。脫開離合器，錨鏈輪不隨主軸一起轉動，可進行拋錨操作。

剎車用于剎住錨鏈或控制松鏈速度。當剎車剎緊時，錨鏈輪被制牢在錨機本體上，不能轉動。

4.3 錨機持續工作拉力的計算

根據規范要求，錨機應至少能提供30 min持續拉力。本非自航平臺選擇錨鏈材料等級為AM3級，錨機持續拉力為PC= 0.047 5d2。

4.4 臨時超載能力

根據規范要求，錨機原動機在起錨時應有必要的臨時超載能力。臨時超載能力應不小于持續拉力PC的1.5倍，并持續至少2 min，此期間不要求提升速度。

4.5 起升速度

根據規范要求，起錨機應有能力以平均速度不小于9 m/min，將一只錨從水深82.5 m處拉起至深度27.5 m處。

4.6 錨機剎車力

錨機剎車裝置應能在拋錨時，足以使錨和錨鏈安全的停住。根據規范要求，起錨機的鏈輪或卷筒應裝有可靠的制動器，制動器剎緊后，應在分別承受如下負荷的情況下，其受力零件不應有永久變形，其制動裝置也不應有打滑現象。對裝有止鏈器的錨機裝置，應能承受錨鏈或鋼索破斷載荷45%的靜拉力，或能承受錨鏈上的最大靜負荷。

4.7 電控系統

一般在每臺錨機（不帶滾筒）機旁配置有一個機旁控制臺，如布置于露天區域，要求其防護等級為IP56，一般船用電動錨機機旁控制臺均為單手柄控制臺。可實現如下主要功能：轉速和方向控制，可自動復位；緊急停止功能；電源指示功能；綜合報警指示功能。

4.8 主要技術參數

根據上述要求，可得錨機主要技術參數如表2所示。

表2 錨機主要技術參數

主要技術參數是與錨機生產廠家開展技術交流的初始依據，廠家根據此要求深化方案，按平臺實際使用需求完成設備的技術設計。

5 錨系相關附件

錨系還應相關配置棄錨器、掣鏈器、掣錨器、錨鏈筒、錨鏈艙等裝置，確保錨系的安全使用。相關附件的設計與普通民船的流程一致，國內已有十分成熟的標準規范與配套廠商，下面對相應設備進行簡單的介紹。

5.1 棄錨器

棄錨器安裝在錨鏈艙壁上，與錨鏈末端連接。應急解脫時，在錨鏈艙外使用大錘敲擊棄錨器插栓，使錨鏈迅速解脫。其設計根據CB/T 3143-2013《插閂式棄錨器》選取。本平臺錨鏈公稱直徑為100 mm，選取適用于錨鏈直徑為100 mm的插閂式棄錨器。插閂式棄錨器的使用工況通常是惡劣海況，因此，布置高度還應考慮人因工程，方便船員操作大錘。

5.2 掣鏈器

掣鏈器安裝在錨鏈筒主甲板開口附近，作為錨鏈導向裝置使用，并在拖航或拋錨系留時閘住錨鏈，從而卸去電動錨機的負載。其設計根據 CB/T 3844-2000《滾輪閘刀掣鏈器》選取。本平臺選取試驗負荷為5 856 kN，公稱直徑為102 mm，適用錨鏈直徑為97 mm～102 mm的滾輪閘刀掣鏈器。

5.3 掣錨器

掣錨器是非自航平臺拖航或系留時緊固錨的裝置。掣鏈器安裝在錨鏈筒主甲板開口附近，使用時鋼絲繩穿過鏈環拴在系繩柱上，通過收緊螺旋扣將錨栓住。其設計根據CB/T 877-2011《掣錨器》選取。本平臺選取適用最大錨重為17 800 kg，適用錨鏈直徑為95 mm～102 mm的掣錨器。

5.4 錨鏈筒

錨鏈筒在非自航平臺起、拋錨時作為錨鏈的通道，在拖航或系留時用于收存錨。運行工況下，錨收存在首部錨鏈筒中，收存時應高出滿載水線2 m以上。

錨及錨鏈起錨出土時帶有泥砂等污物，在錨鏈筒周圍應設有同生活水系統連接的接口，用于起錨時清洗錨和錨鏈。

錨鏈筒軸線的垂直平面與平臺船體中心線之間的夾角為0°，與水平面夾角為55°。

根據CB/Z 280-2011《海船艏錨泊設備配置設計通則》的推薦公式，錨鏈筒相關參數計算如表3所示。

表3 錨鏈筒相關參數計算

5.5 錨鏈艙

錨鏈艙為存放錨鏈的艙室，為封閉式的水密結構。本非自航平臺在首部設置有矩形錨鏈艙。在錨鏈堆放高度以上加設帶鉸鏈水密蓋。在上部人孔蓋下面內壁上設有兩個眼環用以固定繩梯，通過人孔和繩梯可以進出錨鏈艙。

錨及錨鏈起錨出土時帶有泥砂等污物，在錨鏈艙周圍應設有同生活水系統連接的接口，用于起錨時清洗錨鏈。錨鏈艙底部設有漏孔網板，漏孔網板至錨鏈艙底的距離為0.8 m，供艙底水管抽污水用，在底部污水井區域開設水密人孔蓋，用于進入污水井清理固體污物。

根據CB/Z 280-2011《海船艏錨泊設備配置設計通則》的推薦公式，錨鏈艙的高度按相關要求進行計算，計算結果如表4所示。

表4 錨鏈艙的高度計算

6 錨泊系統驗證

平臺與錨的間隙若無特殊要求，應滿足平臺縱傾2%Lpp和橫傾1°時錨收放都不碰到船體，且在正態時船體與錨的間隙不小于300 mm，或僅正態時船體與錨的間隙不小于1 000 mm，取小者。

大多數情況下，還應通過制作模型及進行拉錨試驗以確定錨鏈筒的正確位置，并由此確定錨鏈筒上下出口部分的詳細結構尺寸。

7 錨泊系統布置

根據上述對錨機、錨、電焊錨鏈、棄錨器、掣鏈器、掣錨器、錨鏈筒、錨鏈艙主要技術規格的計算，通過廠家提供方案或者查找相關標準規范，得到各個設備的簡要外形尺寸。本非自航平臺根據主甲板布置，通過與相關專業協調，布置情況如圖 1所示。

圖1 錨泊設備布置圖

8 結論

通過對本非自航平臺的設計，梳理了錨系設計的思路，為設計類似海洋平臺錨系設計提供參考，希望能給同行在非自航平臺錨系設計方面提供一點幫助，并不斷優化非自航平臺的標準化設計。

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