CALM单点系泊系统设计综述

周 楠， 刘旭平， 李俊汲

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

CALM单点系泊系统设计综述

周 楠， 刘旭平， 李俊汲

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

介绍了悬链锚腿系泊(CALM)单点系泊系统设计中需要考虑的重要因素，如船型和货运量核算、单点选址原则、工况设定、设计衡准、鱼尾运动解决方案等。归纳了整个设计流程中的关键点，讨论了如何确保单点系泊设计的安全性。

悬链锚腿系泊(CALM)；单点系泊；选址；鱼尾运动

0 引 言

系泊系统是保证浮体在作业和生存等工况下安全在位的关键系统，一般可分为多点系泊和单点系泊。多点系泊通常用于半潜式平台或浮式生产储卸装置(FPSO)，位于环境条件较为温和或环境方向相对单一的海域；单点系泊系统则用于环境条件恶劣且方向多变的海域，发挥其风向标的作用，使FPSO或油轮绕其360°自由旋转到受力最小的方向，如内转塔、外转塔、塔架软刚臂、单锚腿系泊(SALM)和悬链锚腿系泊(CALM)。

CALM通常应用于接卸油轮的终端，建设于离岸一定距离的海域，解决了大型油轮因吃水深而进不了港口的问题。与建造深水港口相比，具有投资小、建造周期短、环境污染小等独特优势。CALM浮筒通过锚链系统和海底连接，当油轮靠泊单点后，通过系船缆与浮筒连接，从而形成了系泊油轮的物理连接。油轮上的原油通过漂浮软管经过浮筒上的流体分配单元转到水下软管到达水下管汇，再通过海底管道将原油输送到岸上炼厂，这是原油的物流通道[1]。

CALM单点系泊系统设计涉及诸多因素。本文归纳了整个设计流程中的关键点，以期确保单点系泊设计的安全性。

1 船型和货运量

图1 CALM单点系泊系统的总体示意图Fig.1 General layout of CALM single point mooring

图1为CALM单点系泊系统的总体示意图。CALM单点系泊系统设计涉及船型和货运量核算、单点选址原则、工况设定、设计衡准、鱼尾运动解决方案等多方面因素。

陆地炼厂会有年炼油能力的规划，同时CALM单点接卸油轮也有吨位的限制，通常会是一个范围，如5～30万吨级。油轮吨位越大，产生的系泊力越大，因此系泊系统按照最大吨位油轮进行设计。那么这些船型能否满足年货运量的需求是一个非常重要的问题。需要根据油轮靠泊，系泊外输和离泊的环境条件，结合当地环境条件数据核算操作概率，即可操作天数。同时要结合不同吨位油轮的卸油速度、靠离泊时间和不同吨位油轮的船次配比来综合判断能否满足年货运量的需求。

2 单点选址

确定单点浮筒的位置需考虑设计船型、操作半径、最小水深和水深图选址等几个方面。

2.1 设计船型

通常根据接卸油轮的最大吨位作为设计船型，单点选址的相关参数根据设计船型的主尺度和运动来确定。

2.2 操作半径

规范要求单点系泊设施操作水域的尺度应考虑所有系泊船型从任意方向靠近和离开单点所需要的安全范围，通常为以单点浮筒为圆心、R为半径的圆形区域，R应为至少3倍的设计船长再加上系船缆的长度和浮筒的偏移量。

2.3 最小水深

此类单点卸油码头水域的水深确定应考虑所有靠泊船型在工作期间的安全，避免触底的风险。单点操作水域内任何位置的水深应满足油轮在任何工况下不会触底和触及任何海底突出物。设计者在确定水深时应考虑如下因素： 设计船型主尺度，主要是满载吃水；主控风及潮汐；油船的升沉、横摇、纵摇运动及最小1m的底部间隙；考虑水深测量数据的准确度；海底凸出物的影响；海底地形的改变以及沙坡沙堤的移动[2]。

2.4 水深图选址

上述参数确定后，可以根据水深图进行选址，确保以单点浮筒为圆心、R为操作半径的圆形水域内的最小水深满足设计要求。在确保安全工作的前提下，应尽可能降低水深要求，以缩短海管的长度，降低工程投资。

3 设计工况

系泊系统的设计主要考虑以下两种工况，即操作工况和生存工况。操作工况是指油轮系泊到浮筒上进行输油作业的工况，根据作业海域的不同，通常取一年一遇环境条件或限制环境条件，一般有义波高在2.5～3m。生存工况为百年一遇台风工况，此时浮筒不系泊油轮。根据设计经验，系泊油轮的操作工况为系泊系统设计控制工况，且系泊最大吨位油轮的系统响应最大。在具体的工况定义时，应考虑以下因素： (1)水深的影响(考虑高低天文潮位)；(2)油轮吃水的影响(满载压载)；(3)环境主方向(波浪方向正对一根/组锚链和介于两根/组之间)；(4)风浪流方向组合(同向或不同向等多种组合)。

4 设计衡准

系泊系统的设计通常有两个衡准，一是强度衡准，这是硬性规定，锚链的强度安全系数必须满足相关规范的要求，如美国石油学会(API)、法国船级社(BV)等对完整工况和单缆破断工况的安全系数(破断强度和张力的比值)要求分别为1.67和1.25(动力分析法)。挪威船级社(DNV)采用部分安全系数法，对锚链的平均张力和动态张力分别取系数，得到的计算张力需小于破断强度。二是位移衡准，该衡准主要看水下软管等需求，如软管的偏移不能超过水深的某个百分比等，这样就需要根据偏移量的限制来调整系泊系统的设计。在CALM系泊系统设计中，有的软管厂家会提出偏移量限制，也有的会根据偏移量去设计软管，需要根据情况判断，所以这不是一个强制的衡准。

5 系船缆设计

系船缆通常为双缆结构，但部分15万吨级以下的油轮只配备单导缆孔，所以只能连接一根系船缆，设计时需要对这种情况进行校核。此外，系船缆上的附件众多，可达十几个，如系泊龙耳、摩擦链、拾取缆等，需要根据石油公司国际海事论坛(OCIMF)相关规范，确保部件之间配合良好。系船缆的材质通常为尼龙绳，轴向刚度具有强非线性，因此缆长对系泊性能的影响较大。一般选取50～70m即可，过长的系船缆会导致油轮的“鱼尾运动”过大[3]。

6 “鱼尾运动”解决方案

不同于内转塔等单点系泊系统，CALM系统的最大特点为双浮体系泊，即油轮通过系船缆连接到浮筒，浮筒再通过锚链连接到海底。可以简化为双质量-双弹簧的物理模型，即整个系统有两个浮体和两个弹性源。当浮筒和油轮不共线时，系统就会产生一个扭矩，促使油轮发生首摇运动，称为“鱼尾运动”。解决方法有如下几种。

(1) 在尾部施加拖轮力来修正首摇的趋势，但该拖轮力会传递到系船缆和系泊锚链里，造成响应高估等问题。

(2) 增加首摇阻尼，把首摇控制在合理的范围内(工程经验在20°以内)。

(3) 模拟动力定位(DP)功能，在油轮上施加首摇回复刚度，达到与方法(2)同样的效果，把首摇控制合理的范围内[4]。

7 结 语

本文介绍了CALM单点系泊系统设计中需要考虑的重要因素，归纳了整个设计流程中的关键点，如船型和货运量核算，单点选址原则，工况设定，设计衡准，鱼尾运动解决方案等。对于指导CALM单点系泊系统的设计，保证CALM单点系泊系统设计的安全性，具有一定的现实意义。

[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] 黄国樑,藤野正隆.关于风和潮流作用下单点系泊船体的鱼尾状摆动的研究[J].海洋工程,1987(3)： 4.

[4] 王会丽.单点系泊下船舶动力定位控制方法研究[D].哈尔滨： 哈尔滨工程大学,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，硕士，工程师，主要从事海洋工程结构设计工作以及浮体性能研究。