懸鏈錨腿式單點系泊系統(tǒng)設計水深估算

張 志，劉其民，孔友南，康有為

(1.中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032；2.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000)

懸鏈錨腿式單點系泊(catenary anchor leg mooring，CALM)系統(tǒng)在選址及水域布置時首先應考慮其最小水深的要求，在CALM的回轉(zhuǎn)水域及作業(yè)水域內(nèi)均須保證系泊船在擬定的作業(yè)環(huán)境條件下不出現(xiàn)觸底及碰觸任何海底突出物的風險。單點系泊一般布置在外海水域，波浪等環(huán)境條件較差，系泊船在波浪、風等環(huán)境條件下的運動響應十分復雜，系泊船運動是確定CALM設計水深的關鍵因素。

CALM因建造周期短、建設成本低以及對環(huán)境條件的適應性強在世界范圍內(nèi)有廣泛的應用，但目前國內(nèi)大陸地區(qū)僅2處應用案例，相關研究成果較少。羅曉鍵等[1]、周楠等[2]分別基于某設計案例對CALM的設計進行綜述；許向東等[3]總結了單點系泊技術及操作維護管理的經(jīng)驗；蔡世亮等[4]結合茂名石化單點的運營經(jīng)驗對CALM進行綜述并對其國產(chǎn)化的可行性進行探討；周楠[5]對CALM的魚尾效應進行研究；呂巖等[6]對單點系泊的建設條件及選址原則進行了總結分析；馬巍巍等[7]研究在淺水條件下單點系泊系統(tǒng)設計的關鍵要點。目前，針對單點系泊設計水深未見相關成體系的研究成果，確定單點系泊水深的關鍵在于確定系泊船在波浪、風等環(huán)境條件下的運動量。對于系泊浮體在波浪作用下的運動響應有較成熟的理論，但需要借助水動力學軟件進行分析確定，計算耗時較多，同時對于系泊系統(tǒng)、船型和水文環(huán)境參數(shù)等基礎數(shù)據(jù)的準確可靠性有較高要求。目前，業(yè)界缺少在項目前期階段相對簡單可靠的估算CALM設計水深的方法。本文針對水運規(guī)范統(tǒng)計的不同噸級設計船型，在不同的波浪要素組合下，利用數(shù)值分析軟件模擬相應噸級船型升沉、縱搖及橫搖3個方向的運動響應，并適當考慮脈動風對系泊船運動量的影響，給出采用設計水深系數(shù)估算的方法，可為單點系泊規(guī)劃選址及可行性研究階段確定設計水深提供參考。

1 系泊船型尺度

系泊船型的尺度是決定其運動響應幅值、進而決定所需設計水深的主要因素。我國水運工程一般采用相應噸級的具有85%保證率的船型尺度作為設計船型，CALM適用于原油、成品油的接卸終端，本文CALM設計水深的估算基于JTS 165—2013《海港總體設計規(guī)范》統(tǒng)計的油船船型尺度[8]，見表1。

表1 規(guī)范統(tǒng)計設計船型

2 設計水深計算方法

根據(jù)美國船級社(ABS)的RulesForBuildingandClassingSinglePointMoorings，單點系泊作業(yè)水域及回旋水域內(nèi)應有足夠的水深，任何作業(yè)工況下應避免系泊船觸底及碰觸任何海底突出物的風險，須考慮潮汐變化、龍骨下安全間隙、海底突出物高度、測量精度、海底地形變化等因素影響。按此原則，懸鏈錨腿式單點系泊的水深應基于當?shù)乩碚撟畹统泵妫砂词?1)計算：

D=T+Z1+Z2+Z3+Z4+Z5

(1)

式中：D為CALM設計最小水深(m)；T為設計船型滿載吃水(m)；Z1為龍骨下最小富余深度(m)；Z2為波浪、風等環(huán)境條件作用下船舶垂向運動量最大值(m)；Z3為海底障礙物高度(m)；Z4為水下地形測量誤差(m)；Z5為備淤富余深度(m)，宜取設計使用年限內(nèi)的淤積量。

在單點系泊設計水深的影響因素中，海底障礙物的高度應根據(jù)實際情況確定，如錨樁設計是否會突出海底面、海管是否采用明敷、海底管匯與系泊浮筒的相對位置以及是否有系泊船碰觸海底管匯的風險等。海底管匯的高度一般為2～4 m，當水下軟管采用中國燈籠形構型、海底管匯位于浮筒正下方且系泊船有拖尾輪輔助時，認為系泊船碰觸海底管匯的風險是較低的，可不考慮海底管匯高度的影響。當水深小于30 m時水下軟管一般采用中國燈籠形構型，因此本文海底障礙物高度僅考慮錨樁、海管等因素，按1 m考慮。

對于龍骨下最小富余深度，本文參考ABS規(guī)范要求取1 m。水深測量誤差應滿足規(guī)范要求，根據(jù)JTS 131—2012《水運工程測量規(guī)范》，水深測量誤差應控制在±0.01倍水深值范圍，懸鏈錨腿式單點系泊的最小水深要求一般在30 m內(nèi)，故本文水下地形測量誤差統(tǒng)一按0.3 m考慮。懸鏈錨腿式單點系泊選址時應選在泥沙活動強度較弱、海床相對穩(wěn)定的海域，本文備淤富余深度統(tǒng)一按0.4 m考慮。

3 系泊船垂向運動量分析

系泊船在波浪、風等環(huán)境因素作用下的運動響應是影響CALM設計水深的關鍵因素。影響系泊船運動響應的因素較多，包括設計作業(yè)波浪要素及相應的波浪譜型、船浪夾角、系泊船體線型及主要尺度、設計作業(yè)風速及風速分布等。

系泊船的運動可分解為6個自由度的運動，對于設計水深來說，主要關注其升沉、縱搖及橫搖3個方向的運動響應，可采用水動力分析數(shù)值軟件確定模擬船型在給定波浪條件下3個方向的運動響應幅值。單點系泊具有風向標效應，且CALM一般均配置拖尾輪以抑制系泊船魚尾效應，系泊船總處于環(huán)境荷載最小的位置，波浪以順浪作用于系泊船，本文假定船浪夾角在0°～30°范圍。

以30萬噸級典型油船為例，按規(guī)范船型尺度建立水動力分析模型，裝載度為滿載，波浪譜按P-M譜考慮，計算不同波高、波周期組合的波浪條件下系泊船的運動量(表2)。以(h，α，β)序列表示在相應波況下的升沉、橫搖、縱搖運動量。以有效波高Hs=3.5、平均周期Tm=8 s工況為例，表示30萬噸級油船，當船浪夾角為0°～30°時，模擬3h油船中心處的最大升沉運動量峰值為0.36 m，最大橫搖運動量峰值為0.70°，最大縱搖運動量峰值為0.40°。

表2 波浪作用下船舶中心處運動量峰值

系泊船可按剛體考慮，對于設計水深，應關注最不利位置處船體的垂蕩運動值η，在升沉、橫搖及縱搖幾個方向的運動影響下，顯然船首(或船尾)的舷側(cè)為最不利位置，考慮船體尺度及船舶中心處的運動量，偏保守η可按式(2)計算波浪作用下船體垂蕩峰值。對30萬噸級油船，波浪作用下垂蕩峰值計算結果見表3。

表3 波浪作用下船首舷側(cè)處垂蕩峰值

η=h+0.5Btanα+0.5LBPtanβ

(2)

式中，η為船首舷側(cè)垂蕩量峰值，h、α、β分別為系泊船升沉、橫搖及縱搖運動量，B為船寬，LBP為船柱間距。

為驗證上述計算結果的準確性，以我國北方地區(qū)某30萬噸級CALM工可階段物理模型試驗結果為基礎，進行船舶運動量結果對比分析，該物模試驗含2組單波浪作用的試驗組次，對比結果見表4。從表4 可以看出，本文數(shù)模計算結果與物模試驗結果吻合性較好，表明數(shù)模結果可以較好地反映系泊船在波浪作用下的運動量情況。風的脈動作用亦會對系泊船運動產(chǎn)生影響，對比物理模型試驗單波浪作用及波浪、風聯(lián)合作用的試驗結果，試驗風速17.5 m/s，風作用引起的系泊船垂蕩量增加值在1.03～1.23。

表4 系泊船運動量對比結果

對于CALM來說，油輪作業(yè)風速的限制標準不會有過大的差別。本文在對CALM設計水深的估算中，統(tǒng)一按風作用引起的油輪垂向運動量為1.0～1.2 m考慮，并與波浪作用的運動量線性疊加，則波浪、風聯(lián)合作用下30萬噸級油輪的垂蕩運動量峰值見表5。

表5 波浪、風聯(lián)合作用下系泊30萬噸級船垂蕩峰值

4 設計水深系數(shù)

在單點系泊系統(tǒng)前期設計階段往往只有油輪噸位等初步參數(shù)，不具備進行完整的風浪流環(huán)境下船體運動響應幅值計算的條件。因此本文提出設計水深系數(shù)的概念，基于目標系泊油輪的滿載吃水乘以設計水深系數(shù)，即可得到所需的最小設計水深：

D=KT

(3)

式中：D為單點系泊設計最小水深，K為設計水深系數(shù)，T為設計船型滿載吃水。

根據(jù)設計水深系數(shù)的定義，將表5不同波浪要素組次下的系泊船運動量代入式(1)和(3)，可得30萬噸級CALM的設計最小水深要求及設計水深系數(shù)(表6)。

表6 30萬噸級油船設計最小水深D及設計水深系數(shù)K

采用上述相同的方法，再對規(guī)范給定的10萬～25萬噸級的油船尺度分別計算其設計水深系數(shù)(表7)，在CALM規(guī)劃選址及可行性研究階段，可根據(jù)擬定的設計船型以及作業(yè)環(huán)境條件按本文對應噸級船型設計水深系數(shù)表初步確定水域的最小設計水深要求。

表7 油船設計水深系數(shù)K

5 工程案例分析

我國茂名、潿州及部分國外CALM工程案例設計水深情況如表8所示，工程案例設計水深系數(shù)與本文推薦設計水深系數(shù)基本吻合，我國近海地形一般相對平緩，國內(nèi)已建2處單點均按最小水深要求選址，以最大限度地減小海底管線的長度，節(jié)省建設投資。

表8 工程案例設計水深系數(shù)對比

當水深較小時，系泊船在波浪作用下會產(chǎn)生淺水效應，當水深系數(shù)K小于1.3時會相對明顯，系泊船對系泊設施的水平作用力會有較大幅度的增加，將對系泊設施的強度有較高的要求，因此有條件時CALM選址應盡可能選擇在水深充足海域。

對比各噸級船的設計水深系數(shù)得知：當船型較小時，其設計水深系數(shù)較大；船型較大時，設計水深系數(shù)較小。而對于給定船型，當擬定作業(yè)條件的波高、波周期增大時，其設計水深系數(shù)亦會相應增大，特別是波周期，其設計水深系數(shù)增幅明顯，可見在中長周期波作用下，系泊船的運動響應更加劇烈，因此在CALM選址及水域布置時尤其應關注所處海域是否受中長周期波浪的影響。我國大部分海域由平均波周期8 s內(nèi)的風浪控制，其設計水深系數(shù)可取1.2～1.5，船型較小或環(huán)境條件較差時應取大值，同時海底障礙物高度、備淤量應根據(jù)項目實際情況考慮，在確定設計水深時應考慮其實際情況與本文假定值差異的影響。

本文設計水深系數(shù)的推求采用了某些基于一般情況的假定，實際工程中海域波浪譜、所模擬典型船型的線型等參數(shù)以及系泊船升沉、縱搖及橫搖運動峰值的同步性等與本文所考慮的可能有差異，對設計水深系數(shù)有一定的影響，因此本文所述設計水深系數(shù)僅用于前期規(guī)劃選址及可行性研究階段，對于詳細設計階段，宜針對具體船型參數(shù)、環(huán)境要素等進行分析確定設計水深要求。

6 結論

1)在規(guī)劃選址及工行性研究階段，CALM的設計水深可根據(jù)擬定的設計作業(yè)環(huán)境波要素參照本文給定的相應噸級船型設計水深系數(shù)確定，以風浪為主的海域CALM設計水深系數(shù)宜取1.2～1.5，船型較小或環(huán)境條件較差時應取大值。

2)設計水深系數(shù)與設計作業(yè)環(huán)境波浪的波高及波周期有關，對給定船型當波高或波周期增大時，其設計水深系數(shù)亦增大，設計水深系數(shù)對波周期的敏感性要大于波高。

3)中長周期涌浪作用下，系泊船的運動響應較劇烈，CALM的設計水深系數(shù)增幅十分明顯，在CALM選址及水域布置時應充分考慮工程所處海域是否受中長周期波浪影響。