FWMCM與DICAS兩種系泊系統的比較及其設計技術關鍵

陳旻浩 陳杰誠

摘? ? 要：本文介紹了FWMCM與DICAS兩種系泊系統的提出、發展歷史及其應用情況，對兩種系泊系統的設計理念、布置形式、環境適應能力、極限系泊能力和經濟性作了對比，并對兩種系統的設計技術關鍵作了探討。

關鍵詞：FWMCM;DICAS;多點系泊;配重系泊

中圖分類號：U674.98 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： This paper introduces the concept， development history and application of FWMCM mooring and DICAS mooring， compares the design concept， layout， environmental adaptability， limit mooring ability and economy of the two mooring systems， and discusses the key design technologies of the two systems.

Key words： FWMCM; DICAS; Multipoint mooring; Counterweight mooring

1? ? 引言

DICAS 系泊系統[1]是20 世紀90 年代中期由卡斯特、巴里奧斯、法爾肯伯格、卡爾森等提出的半風標系泊系統。

FWMCM稱為扇形風標多點配重系泊，是本文作者2在20世紀90年初提出的一種多點系泊新概念，它是將單點系泊的風標特性引入到多點系泊中，既兼備多點系泊的穩定性，又兼備單點系泊的風標能力，從而使得占用水域、系統受力和工程投資均小于傳統的多點系泊。

FWMCM 系泊應用于深圳“明思克”航空母艦抗臺系泊，投入使用至今已有18年的安全記錄，且于2016年成功地整體搬遷到南通市蘇通大橋北側繼續經營;應用于香港水警兩座海上工作平臺抗臺系泊，至今也有15 年以上的安全記錄。

從應用情況來看：FWMCM 系泊側重應用于淺水（但不限于淺水）;而DICAS 系泊多應用于深水。“明思克”航空母艦系泊項目，港池水深僅有10 m且水域寬度受到嚴格限制，是在水深與水域寬度均受嚴格限制的條件下系泊大尺度浮體（Loa=274 m、Lbp=249.5 m、Boa=47.2 m、B=32.7 m、d=7 m）的典型成功案例。

FWMCM與DICAS兩種系泊系統有別于單點系泊和傳統的散射式多點系泊，提供了兩種可供選擇的新形式。從設計原理和工程實際對系泊系統的能力需求出發，對這兩種新型系泊系統進行剖析，以期對讀者了解這兩種新的系泊形式及其推廣應用將有所裨益。

2? ?FWMCM與DICAS的發展歷史

2.1? FWMCM的發展歷史

風標特性是單點系泊可以將系泊載荷減至最小的關鍵所在。在單點系泊的設計實踐中，通過對海洋環境的深入分析研究，我們發現絕大部分海域的風、浪、流都有相對集中的主載荷方向，單點系泊系統在大多數情況下是在一定的扇形范圍內作風標運動，于是一種具有扇形風標能力的系泊系統的雛形就此形成。

1991年，我們在為茂名石化做第一套250 000 t級單點系泊輸油終端的可行性研究期間，用戶提出要在水東港至外海的內港水域航道一側很窄的海溝上建設一套50 000 t級泊位的要求，該水域水深較淺，只有在乘潮時航道才可以滿足50 000 t級的油船通航。在這樣的水域完全無法滿足單點系泊回轉圈與多點系泊錨鏈的散射布置，單點系泊或散射式多點系泊兩種形式都不適用。為了充分利用海溝的自然水深（只有20 m），減小泊位的占用水域是實現該設計的關鍵所在，在解決該問題的過程中扇形風標系泊的概念得到進一步的完善。

1994年，某用戶要求在廣西欽州龍門港一塊東西岸線幅寬約 800? m、南北岸線相距約 700? m的一狹窄水域分別布置50 000 t級和20 000 t級兩個泊位。在該項目中，我們正式將扇形風標配重系泊技術應用于實際工程設計，并獲得國家專利授權，設計成果在美國西雅圖ISOPE2000會議上發表[2]。1999年將該專利技術應用于“明思克”航空母艦抗臺系泊工程，2001年又將該專利技術應用于香港政府水警兩套海上工作平臺的抗臺系泊工程。

2003年，將FWMCM用于渤海海域延長測試系泊工程研究，系泊油輪Crystal主尺度為：Loa=101 m、Lbp=94.8 m、B=21 m、H=11.6 m、D=14 477 t。

2006年，將FWMCM用于渤海小型可移動FPSO系泊系統工程方案研究，系泊油輪“Rich Sea Oil”主尺度為：Loa=159.58 m、Lbp=148 m、B=24.6 m、H=23.7 m、D=32 124 t。

2.2? DICAS的發展歷史

1993，巴西國家石油公司在圣卡塔琳娜的桑托斯盆地卡維拉油田安裝了第一套8根錨線的FSO散射系泊系統（水深195 m），這是一個運行期限不足2年的臨時系統，以一年重現期環境條件為解脫條件，即油輪允許一年一次解脫撤離。

起初，該系統采用對稱且首、尾系泊線重量和預緊無差異的布置，系泊系統非常緊且允許航向角的變化只有5o。最頻繁的天氣來自北東方向，最惡劣的環境來自南南西方向，因此油輪采取首向南西方向安裝，穿梭油輪卸載操作采用首對首或尾對首串聯靠泊。

在1994年，從東邊來的100年一遇的風暴作用于系泊船的位置，系統沒有出現問題，特別是沒有石油泄漏入水。從經驗中學習，DICAS想法就此問世[3]。經過大量的計算，將尾部的系泊線更加放松并與不同的方位角匹配，使油輪能更靈活的改變航向角，這種變化使油輪解脫撤離的概率降低到三年一次。因此，這次在卡維拉油田的28 000 t級油輪阿拉戈斯號FSO上安裝的FSO散射系泊系統，可以視為第一個DICAS原型。在此經驗的基礎上，巴西國家石油公司開始開發DICAS。

自1997年至2002年，經過不斷發展，幾個系泊系統的設計已經考慮了這個新的半風向標概念的應用。

第一個應用項目位于巴西近海150 m水深的海域，選用一個小型FSO，采用一根柔性立管;第二個應用項目位于巴西近海700 m水深的海域，選用一個中型的FPSO和37根柔性立管;第三個應用項目位于巴西近海800 m水深的海域，選用一個大型VLCC改裝成的FPSO，并配有107根自由懸掛配置的柔性立管[4]。

3? ?FWMCM與DICAS系泊的比較

3.1? 設計理念

FWMCM的含義為扇形風標多點配重系泊，DICAS的意義為分區滿足錨泊系統。兩者都不同于單點系泊（不能作360o的全風標運動，免除了機械旋轉頭和輸油旋轉接頭），同時又有別于散射式多點系泊（有一定的風標運動范圍）。

FWMCM的設計理念是將單點系泊的風標運動能力引入到多點系泊設計中來，使之具有扇形風標的能力，借此來達到減小系泊載荷的目的，使得其受力比傳統的散射式多點系泊要小，系泊鏈的數量大為簡化，通過減小受力來減小投資。其核心是扇形風標能力。

DICAS的設計理念是將傳統的散射均勻布置的系泊鏈改成分組非均勻布置，使得比傳統的多點系泊有更多的活動空間，特別是讓油船的方位角可以有更多的改變幅度。其核心是部分風標或半風標，以實現分區滿足系泊。

3.2? 布置形式

FWMCM的布置形式如圖1所示，DICAS的布置形式如圖2所示。兩者的共同點是：兩種系泊系統在油船的兩側均不布置系泊鏈，而僅在首、尾方向布置，并且采用首強尾弱的系泊布局;兩者不同之處在于：FWMCM為三點系泊（首部兩點、尾部一點），對原來傳統的多點系泊做了徹底的簡化;DICAS較多地保留了多點系泊的特征，改變在于將原來的散射均勻分布改為分組集中并側重布置于首、尾兩端，形成首強尾弱的系泊布局。

3.3? 環境適應能力

為了便于描述與區分，根據風、浪、流玫瑰圖，將環境力作用方向、作用頻率和作用強度沿周向各個方位分布的類形分作四類：（1）環境載荷作用方向明確、穩定且集中在一較窄的條形范圍內分布的水域（即載荷作用方向具有往復作用特性），稱為Ⅰ類水域;（2）環境載荷作用方向明確、穩定且集中在一較窄的扇形范圍內分布的水域，稱作Ⅱ類水域;（3）環境載荷作用方向絕大部分在一較窄的扇形范圍內分布，而在其它區域在載荷作用頻率與作用強度上明顯較弱的水域，稱作Ⅲ類水域;（4）環境載荷作用方向和載荷作用頻率與作用強度上都比較分散的水域，稱作Ⅳ類水域。

對于Ⅰ、Ⅱ兩類水域，采用FWMCM最為適當，DICAS稍顯富余（尾部）;對于Ⅲ類水域，DICAS最為適當，FWMCM稍顯不足;對于Ⅳ類水域，FWMCM與DICAS均難勝任，在此水域只能在很低的海況中使用，作業效率過低。

3.4? 極限系泊能力

對于I、Ⅱ兩類水域，兩種系泊系統的極限系泊能力相當，FWMCM系泊由于尾部有較強的靈活性，允許有較大幅度的扇形范圍風標運動，可以更好地釋放外載荷，在與此特性相適應的載荷組合中會稍占優勢;對于Ⅲ類水域，DICAS的極限系泊能力要優于FWMCM;對于Ⅳ類水域，FWMCM的作業效率要低于DICAS，亦即DICAS的極限系泊能力要強于FWMCM。

3.5? 經濟性

總體而言，由于FWMCM的布置與構成更簡單有效，經濟性要好于DICAS，特別是在Ⅰ、Ⅱ兩類水域的應用最為明顯。對于Ⅲ類水域的應用，則要在節省投資與系統安全兩者之間權衡得失作出選擇，在確保安全的前提下節省投資。

4? ?FWMCM與DICAS系泊鏈受力計算結果

4.1 船型參數見表1。

4.2? 系泊鏈受力計算結果的對比

4.2.1迎向環境載荷作用

在同樣的鏈長、鏈徑、裝載狀態下（滿載），環境條件采用BZ3-2油田百年一遇的環境數據，環境載荷作用方向為迎向，風速Vw=33.9 m/s、有效波高Hs=5.0 m、有效波周期Ts=9.4 s、流速Vc=1.73 m。計算結果對比見表2。

4.2.2? 橫向環境載荷作用

5? ?FWMCM與DICAS的設計關鍵技術

5.1 水域適用性評估

由于FWMCM與DICAS是一種扇形風標系泊及半風標系泊，不具備全風標能力，是一種對環境載荷方向較為敏感的系泊形式，因此會影響其對工程水域的適用性。FWMCM與DICAS與環境載荷作用方向的分散程度具有反相關的關系，即工程水域環境條件作用方向越分散，FWMCM與DICAS能夠適用的海況就越低，反之則越高。對于I、Ⅱ兩類水域，FWMCM與DICAS均適用，建議優先選用FWMCM;對于Ⅲ類水域，FWMCM與DICAS均同樣適用，優先考慮DICAS;對于Ⅳ類水域，FWCM與DICAS都是不適用的。

5.2 準確把握安裝水域的環境條件

由于FWMCM與DICAS具有載荷作用方向敏感的特性，準確把握水域的環境條件是保證設計質量的前提條件。工程水域風、浪、流的歷史記錄和現場實測數據，三者在各個方位的發生頻率、不同重現期預報值、風、浪、流玫瑰圖、流的垂向剖面分布等信息數據，對于實現良好的設計至關重要。

5.3合理布置系泊系統主軸線

系泊系統主軸線必須是系統主載荷方向作用線，只有滿足這一要求，系統才具備實現最優設計的條件必須全面、系統、深入地分析環境條件各種影響因素，精準把握風、浪、流合成之后的主載荷作用方向，選擇好系統布置的主軸線。FWMCM與DICAS都采用首強尾弱的系泊布局，系泊系統的首部必須與主載荷/強載荷方向相對應。

5.4? 選擇適用有效的分析方法

在系泊系統的設計中，常用的分析方法有多種：從受力分析的特性來說，有靜力分析與動力分析;從分析方法的數學、力學處理手法上來說，有頻域分析與時域分析;從系泊浮體與系泊線的相互作用關系的處理上來說，有耦合分析與非耦合分析。一般來說，靜力分析、頻域分析有計算簡單、效率高的優點，適用于方案篩選與優化，缺點是容易丟失強非線性的信息進而影響計算精度;動力分析、偶合分析計算繁復、計算工作量巨大，但可以較好地反映非線性因素的影響，計算精度較高，適用于設計的最后評估。特別是當系泊系統加有配重時，時域全耦合動力分析是至關重要的。準靜態與頻域分析僅能反映配重對系泊特性的影響，無法反映配重對線動力的動態作用的效應，使得兩種計算結果有時相差甚遠，由此可見時域全耦合動力分析是不可或缺的。

5.5? 關鍵工況的分析評估

FWMCM與DICAS都具有首強尾弱和載荷作用方向敏感的特點，使得系統在首向扇形范圍內具有較強的載荷承受能力、尾向次之、橫向與尾斜向最弱。因此，與此相對應的工況是FWMCM與DICAS設計中必須考慮的，橫向與尾斜向有可能是系統設計的控制工況，特別是對于環境分布在扇形范圍之外仍有一定強度分布的海域，尤其如此。

6? ?結論與建議

FWMCM與DICAS是兩種適合于環境條件較為溫和海域的新型系泊系統，設計理念和布置形式相近，適用海域相近，同時具有首強尾弱的系泊布局，具有載荷方向敏感的特征。FWMCM與DICAS不適用環境載荷作用方向與載荷作用頻率及作用強度上都比較分散的水域和海況惡劣的水域。

值得特別指出的是：深圳“明思克”航空母艦系泊工程的成功經驗證明，FWMCM完全可以勝任近岸水域大型設施的安全系泊，對于沿海、沿江、湖泊、河口港灣的浮式設施的系泊，以及輸油終端等工程，建議采用FWMCM，對用戶可以有足夠的安全保障和良好的經濟效益，對社會可以節省寶貴的不可再生的岸線資源，有利于社會的可持續發展。

參考文獻

[1] API RP 2SK，2005.

[2] Chen "A New Concept of Multipoint Mooring System： Fan Weathervane Multipoint?Counterweight Mooring" Tenth International Offshore and Polar Engineering?Conference， Seattle-2000.

[3] F. Kaster， M.Barros，R.Rossi，I.Masetti（Petrobras） and E. Falkenberg， S. Karlsen?（Marintek） and I. Waclawek （Brasflex）：”DICAS – A New Mooring Concept for?FPSO's”， OTC paper 8437-1997.

[4] Ricardo B. Portella， M.Sc./PROJEMAR S.A. ; Cristiance Mendes， B.Sc./PROJEMAR?S.A. “DICAS? ?Mooring System： Practical Design Experience to Dismystify the?Concept ”，OTC paper 14309 -2002.