CALM單點系泊設施設計要點

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

單點系泊系統(single point mooring system，SPMS)。可以將浮式生產儲卸油裝置(FPSO)或油輪系泊在預定海域。單點系泊系統可在水平面內做360°的自由轉動，能使浮式生產裝置或油輪始終處于海浪、海流和風合力最小的方向，發揮其“風向標”的作用，從而保證FPSO或油輪能在海上長期連續工作。

在海洋石油開發中，單點系泊系統主要被應用于以下兩個方面： 一是系泊FPSO，具體形式包括軟剛臂式系泊系統(SYS)、內轉塔式系泊(IT)系統和外轉塔式系泊(ET)系統；二是外輸原油終端，如單錨腿式系泊(SALM)系統和懸鏈浮筒式系泊(CALM)系統。

懸鏈式錨腿單點系泊(catenary anchor leg mooring，CALM)是接卸原油終端領域主要作業設施。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法進港的問題。與建造深水港口相比，該系統具有經濟投資少、建造周期短和環境污染小等優勢。我國是原油進口大國，CALM單點系統有助于擺脫對深水港的依賴，拓寬進口原油輸送通道，大幅降低輸送費用，帶動原油物流和煉化行業發展，也有助于國家和商業石油儲備。

CALM系統主要由浮筒、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。在風浪流的環境條件作用下，油輪可以繞著CALM單點浮筒旋轉，構成了CALM單點系泊系統的傳力通道。油輪通過漂浮軟管經由浮筒的流體分配單元(PDU)，再通過水下軟管經由水下管匯(PLEM)和海底管道與陸地終端相連，構成了CALM單點的物流通道。

作為保障CALM單點安全定位的系泊系統和CALM單點浮筒，其結構重量僅1 000多噸，卻可以系泊30萬噸級的油輪，這是通過系泊系統“四兩撥千斤”的巧妙設計實現的。油輪系泊載荷通過系泊纜、系泊籠耳、轉臺、主軸承、浮筒結構、止鏈器、錨鏈，錨樁依次傳遞，最終傳遞到海床上。在風浪流的作用下，系泊系統“以柔克剛”，通過系統剛度提供恢復力來控制油輪的漂移，傳力路徑上環環相扣，任何一個設備失效都將導致系統出現事故。

圖1 CALM單點系泊系統組成

CALM系統的系泊設備和系泊產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計，根據系泊方案和系泊分析得到的載荷等確定選型依據。止鏈器和系泊籠耳為產品設計，止鏈器是連接系泊錨鏈和單點浮筒的關鍵設備，而系泊籠耳是連接系泊纜和系泊浮筒的關鍵設備，兩者分別需要根據錨鏈和系泊纜的選型參數并結合浮筒結構等進行產品設計。

1 設計工況

在設計系泊系統時，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，通常取一年一遇環境條件或給定限制的環境條件。生存工況通常為百年一遇的臺風工況，此時單點浮筒和油輪不連接。根據經驗，操作工況通常為系泊系統設計時的控制工況。在設置分析工況時，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) 環境夾角： 風浪流同向，不同向。

(5) 錨鏈完整、單纜破斷。

備注： 本文主要論述設計考慮錨鏈完整和單纜破斷的情形，沒有考慮對于錨鏈破斷后達到新的平衡位置的瞬態過程。

采用商業軟件進行數值模擬分析時，對于每個工況，采用系泊系統和船體全耦合的分析方法，時域計算3小時，分析篩選出系泊力和浮體位移等最危險工況，同時還要考慮波浪周期等敏感性分析。

2 設計衡準

CALM系統設計通常需要滿足強度衡準和位移衡準。強度衡準是指系泊錨鏈和系泊纜的強度必須滿足相關規范安全系數的要求，屬于強制衡準。位移衡準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比例等，在CALM系統設計中，有些軟管廠家會對軟管偏移量提出要求，也有些廠家會根據給定的浮筒偏移量來設計軟管，因此偏移量的具體要求視情況而定，不屬于強制衡準。

下面給出ABS的rules for building and classing single point moorings、 DNVGL-OS-E403的offshore loading buoys和CCS的《海上單點系泊裝置入級與建造規范》對于CALM單點系泊錨鏈和系泊纜的安全系數要求，以及API中對于錨樁的相關要求。

1) ABS規范要求

ABS對系泊錨鏈和系泊纜的安全系數要求如表1和表2所示。

表1 錨鏈安全系數

表2 系泊纜安全系數

2) DNV規范要求

DNV對錨鏈和系泊纜的強度進行評價與ABS有所不同，對于錨鏈，系泊系統的設計要遵循以下方程，同時采用表3中所列的安全系數。

式中：Sc表示錨鏈最小破斷強度的95%；Tc，meanγmean是由預張力和平均環境載荷造成的平均張力；Tc，dyn是由于船體低頻和波頻運動造成的動態張力；γmean為平均張力安全系數；γdyn為動態張力安全系數。

表3 部分安全系數

系泊纜參數要符合OCIMF相關要求，通過系泊分析得到系泊纜上的最大載荷，并根據規范要求進行評估，用于評估的安全系數如表4所示。

表4 系泊纜安全系數

需要指出的是，在系泊系統設計中，按照DNV的規范要求，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，同時還應做疲勞分析。而ABS的安全系數較大，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規范要求

CCS對于系泊錨鏈等安全系數要求如表5所示。對于系泊纜的安全系數要求與ABS的要求相同。

表5 錨鏈安全系數

船級社對于錨樁的安全系數要求，通常指向API-RP-2SK。具體要求如表6所示。

表6 錨樁安全系數

3 錨 鏈

確定系泊方案需要進行大量工況的系泊分析計算，最終確定系泊載荷的水平。系泊方案包括錨鏈根數、布置角度、系泊半徑、錨鏈直徑、等級、預張力等。方案的制訂需要考慮諸多因素，比如錨鏈的根數，一般為6～8根，因為用于連接錨鏈的止鏈器需要布置在艙壁上，所以錨鏈的根數一般與艙室數目一致。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，同時要結合單點周邊海域海底的管線、航道、生態保護區等因素。系泊方案的制訂還要根據CALM單點所在海域的環境條件、接卸油輪的噸位等，同時還要考慮水下軟管對浮筒的限位要求以及土壤對樁基礎的限制因素等。圖2為錨鏈生產過程示意圖。

圖2 錨鏈生產過程

錨鏈選型是一個迭代的過程，首先需要確定一個直徑、預張力，試算系泊力的水平，然后根據系泊力和安全系數確定錨鏈破斷力的需求，再選擇錨鏈的直徑和等級。CALM單點的錨鏈通常為一根完整的鏈條，錨鏈的末端需要與加大環、末端環、卸扣和底部樁基相連。加大鏈環的直徑為普通鏈環直徑的1.1倍，末端鏈環的直徑為普通鏈環直徑的1.2倍，卸扣有末端卸扣、末端連接卸扣等幾種形式，需要根據樁的吊耳強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設計，提供浮筒位移供軟管系統設計，而系泊載荷和浮筒位移恰好是一對矛盾體，想要較小的浮筒位移，就要有大的預張力，從而導致系泊力變大；想要較小的系泊力，就要放松錨鏈，但是浮筒位移會隨之增大。所以，必須要在系泊、樁基和軟管等專業界面之間找到平衡點。這就需要在錨鏈直徑、等級、長度、系泊纜直徑和長度等參數上做文章，進行綜合選型設計，確定經濟合理的系泊方案。

4 系泊纜

系泊纜用于連接油輪和單點浮筒，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。沒有油輪外輸作業時，系泊纜自由漂浮在海面；當油輪靠近單點，準備外輸時，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。根據油輪噸位的不同，系泊纜的配置有1根和2根的選擇，對于15萬噸級以上的油輪，規范要求必須由2根系泊纜相連，這也要求15萬噸級以上的油輪配備2個首部止鏈器。而15萬噸級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系統的圖片。

圖3 油輪通過系泊纜與CALM單點連接

系泊纜的類型有單根(single)和環型(grommet)兩種，相同直徑下，環型的強度大約為單根型的1.7倍。纜繩的強度受干濕狀態以及新舊狀態影響很大，通常濕、舊的系泊纜強度是其干、新時強度的80%左右。纜繩的非線性剛度也是值得特別關注的一點，通常纜繩的伸長率(破斷力)能達到20%～25%，因此對于50～70 m長的系泊纜來說，極端系泊時的伸長量能達到10 m以上，在進行系泊分析時，應充分考慮系泊纜非線性剛度的準確模擬，而不是只考慮一個固定剛度，這對系泊力的影響很大，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過程中吸收了一部分能量，起到了“緩沖”的作用，進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備，通常均勻分布在浮筒裙板一周，和艙壁位置對應。止鏈器主體結構為鑄件，下部喇叭口和中間的圓管起導向作用，上部的塊狀結構為主要受力結構，其兩側有兩個耳軸。安裝時，首先用軸套和耳軸過盈配合，起耐磨和保護作用，然后套上墊圈，滑動軸承套在軸套上，外面用軸承座通過螺栓螺母和支撐結構裝配鎖緊。

止鏈器上部有個棘齒蓋，錨鏈從下部主體穿過時，蓋子可以自動打開，當錨鏈安裝到位后，將錨鏈下放，棘齒蓋也會隨之落下，并將錨鏈卡住鎖死，起到固定限位的作用。值得關注的是，止鏈器導鏈孔和棘齒蓋的設計應該和錨鏈的直徑等尺寸相配套，并按照錨鏈的破斷載荷進行結構設計。圖5為止鏈器示意圖。

圖5 止鏈器示意圖

止鏈器的設計屬于產品設計，應對止鏈器設計采用的規范、材質要求、化學成分、熱處理、測試、無損檢驗、工廠測試等進行詳盡的規定。設計圖紙要對止鏈器的具體結構組成、尺寸參數、制造公差、機加工、精度要求、裝配要求等有詳盡的表達。同時要對止鏈器進行整體建模(下部導向管受力較小，可以不模擬)，采用錨鏈破斷載荷加載進行有限元分析。止鏈器還應該采用3D設計，在設計過程中便于發現不合理的地方，以及時加以調整和改進。

6 系泊籠耳

系泊籠耳是連接浮筒和系泊纜的設備，布置在浮筒轉臺的系泊臂上，通過兩個padeye連接固定。每個padeye依次相連一個末端連接卸扣、一個末端鏈環和兩個加大鏈環，一個末端鏈環和一個末端連接卸扣，然后連接到一個小三角板，再通過銷軸連接到兩個大三角板，大三角板再通過兩個測力銷軸分別連接一個加大鏈環和一個末端鏈環。每根系泊纜通過卸扣與末端鏈環相連。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、小三角板的設計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，對于15萬噸級以下的單系泊纜油輪，系泊纜連接大三角板的任一鏈環，大三角板可以繞中間銷軸旋轉，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，都屬于產品設計。

7 結 語

(1) 本文總結了主流船級社對于CALM單點系泊系統的設計衡準要求，分析了系泊系統的受力機制和特點，介紹了設計中需要考慮的因素和方法，闡述了系泊設備和系泊產品的功能特點和設計經驗等。

(2) 系泊系統設計包括選型設計和產品設計。錨鏈和系泊纜為選型設計，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品設計，需要根據確定的系泊載荷有針對性地開展結構設計等工作。

(3) 目前，全球已經建成原油輸送終端約700座，其中CALM型單點有600多座，我國僅有兩座，分別為中石化茂名單點和中海油潿洲單點。茂名單點已經安全運營超過20年，累計節省輸送費用超過40億元人民幣。

(4) 由于與傳統的固定碼頭接卸原油存在競爭關系，CALM型單點并沒有在國內全面推廣，不過隨著國內原油進口資質的放開，CALM型單點建設會迎來爆發式的增長。掌握CALM系統的設計理念和方法，對于開拓國內外浮體市場具有重要意義。