渤海海域某悬链线式单点系泊系统动力分析

渤海海域某悬链线式单点系泊系统动力分析

剧鹏鹏,苟洪顺  龚坤明

中石化石油工程设计有限公司  山东东营  257000

摘要：本文以渤海海域某项目拟建的悬链线式单点系泊系统（CALM型）作为分析对象，根据三维势流理论求得油轮的水动力参数，通过采用时域耦合分析方法，对该系统在油轮满载、压载及浮筒自存等条件下的运动响应进行数值模拟分析，得到了系泊缆及系船缆内力。结果表明，系泊缆及系船缆强度满足规范要求。本文通过对冰载荷这工况的分析，探索了在给定渤海海域条件下，采用CALM系泊系统的可行性。通过对各工况下系泊缆及系船缆的荷载变化趋势分析，得出油轮就位方位对系泊缆内力影响规律，对CALM型系泊系统设计有一定的指导意义。

关键字：CALM;单点系泊;时域分析

0 引言

渤海为中国内海，位于中国大陆东北部,其三面环陆，自北向南依次与辽宁、天津、河北及山东毗邻。环渤海地区经济较发达，人口稠密，各类工业设施完善，对港口航运业务需求量大。其中，山东东营地区炼化企业分布密集，对进口原油需求量大，但限于东营港水深较浅、泥沙淤积严重，始终无法满足大型油轮（25万吨级及以上）的停泊要求，成为港口及腹地产业发展的制约因素。

单点系泊系统，Single Point Mooring（简称SPM）是于上世纪50年代兴起的一种新型海上石油运输终端，该系统具备风向标效应，允许系泊船舶随海洋环境变化而围绕系泊浮筒做环向旋转，使系泊系统始终处于承受最小环境力的状态。单点系泊系统主要分为转塔式系泊系统（Turret Mooring System）、单锚腿式系泊系统(Single Anchor Leg Mooring)和悬链锚腿式系泊系统(Catenary Anchor Leg Mooring,简称CALM)。其中CALM型系统因其结构型式简单、操作方便、造价低廉、对不同水深适应性高，已经在全世界广泛使用。目前，我国大陆地区仅有2座CALM单点系泊系统，分别位于广东茂名和广西涠洲。随着山东北部石化产业对进口原油需求量逐年加大，研究渤海海域采用单点系泊型式建设大型油轮靠泊码头的可行性具有现实意义。

本文结合渤海海域环境条件，基于时域耦合分析方法对CALM型系统系泊方案进行分析，从系泊系统强度角度对该海域建设单点系泊系统的可行性进行了分析并得出相应结论。

1 理论基础

大型浮体的水动力分析主要基于三维势流理论，该理论认为整个波动场内满足以下控制方程和边界条件：

边界条件：

,(自由表面运动学条件)

,(自由表面动力学条件)

,(海底边界条件)

,(物面条件)

,(辐射边界条件)

式中：为速度势，为自由表面方程，为浮体表面方程。

小尺度结构物上波浪力则采用莫里森方程进行模拟：

式中，为结构物波浪力，、分别为拖曳力系数和惯性力系数，为水质点速度。

单点系泊系统时域运动控制方程如下式所示：

式中，为基本质量矩阵，为附加质量矩阵，为阻尼矩阵，为回复力矩阵，分别为波浪激振力、系泊缆回复力、流荷载和风荷载。

2系泊系统布置及主尺度

2.1单点浮筒主尺度

单点浮筒采用转台式，是目前最常用的浮筒型式。转台式浮筒有两个轴承，一个主轴承，一个旋转轴承。转台和中心井自然通风，人工维护简单安全。管路路径暴露于空气中，没有产生爆炸物的密闭区域。止链器位于浮筒边缘，用于系泊设备的重新张紧，可以更加安全简单。主轴承仅在连接油轮后承担载荷，且不直接承受波浪荷载、工作船冲击。浮筒主要参数见表1。

图1 转台式浮筒

2.2系泊系统

系泊系统采用无档系泊缆式锚腿，为6根锚缆均布定位，即6根系泊缆呈60°夹角围绕浮筒呈辐射状均匀布置，基于对称性考虑，考虑油轮的两种就位状态，布置图见图2。系泊缆主要参数见表2。

图2 系泊方案

表2 系泊缆主要参数

2.3油轮及系船缆

单点系泊系统供25万吨级油轮靠泊卸油作业，两者通过一根尼龙材质的系船缆连接，主要参数见表3。

表3 油轮及系船缆主要参数

3时域耦合分析

3.1海域环境条件

单点系泊作业水域水深需综合考虑船舶主尺度、波高、风向及入射角、天文潮、海底突起物及淤积等因素影响，并考虑一定的富裕水深，本单点系泊系统选址处水深24.5m。波浪谱选JONSWAP谱。自存工况和作业工况分别选择100年一遇和1年一遇环境条件。渤海内冬季常现浮冰，根据《中国海海冰条件及应用规定(Q/HSn 3000)》选择冰参数。环境条件详细参数见下表。

表4 环境参数表

3.2设计衡准及工况

设计衡准主要依据《浮式结构物定位系统设计与分析（SYT 10040）》中关于系泊缆张力的限制条件。本分析考虑作业条件、极端风暴及极端冰三种情况，结合压载状态、系泊条件及就位状态共形成12个工况。其中，系泊破损条件指使完整条件下受力最大的系泊缆失效。

表5 设计衡准条件及工况设置

3.3数值计算

采用MOSES软件建立单点浮筒、油轮及系泊系统模型，采用该软件的三维势流分析模块进行水动力分析，采用时域分析模块对系统进行时域耦合分析，分析时长取3小时，步长取0.25s。分析模型见图4. 冰荷载对浮筒的作用采用定长力进行简化模拟，冰力计算参考《海上单点系泊装置入级与建造规范（CCS）》中固定式孤立桩柱在大面积冰原下的计算方法，以静荷载施加于浮筒。

              (就位状态1)                  (就位状态2)

图3 系统三维模型

分析得到各方案中，各系泊缆、系船缆及浮筒水平位移的时程曲线，并统计得到了各参数的最大值。图4、图5为LC1工况下各参数的时程曲线。

图4 4#系泊系泊缆拉力时程曲线          图5 系船缆拉力时程曲线

3.4结果及分析

通过数值模拟分析，得到了不同压载状态、不同系泊条件下各系泊缆和系船缆荷载数据，如表5所示。

表5 系泊缆及系船缆最大荷载

计算结果表明，系泊系统完整条件下，系泊缆的最大荷载出现在作业条件的油轮压载状态且油轮与系泊缆同向的情况，最大拉力为398.56t，安全系数为1.88，大于规范要求的1.67。系泊系统破损条件下，系泊缆的最大荷载出现在作业条件的油轮压载状态且油轮处于系泊缆夹角的情况，最大拉力为389.07t，安全系数为1.92，大于规范要求的1.25。系船缆最大拉力出现在作业条件的压载条件、系泊破损且油轮与系泊缆同向的条件下，为316.86t，安全系数为3.94，大于规范要求的2.5。可知，从系泊缆及系船缆强度角度看，该系泊系统满足规范要求。

图6 最大系泊缆荷载

为了分析系泊缆荷载变化趋势，绘制荷载直方图。可见，系泊缆的控制工况为油轮作业工况。无论油轮满载还是压载，系泊系统完整时，最大系泊力均出现在油轮沿系泊缆方向就位状态，在此状态下，系泊缆破断，系泊力由临近两根系泊缆分担，系泊缆最大拉力呈下降趋势。系泊系统完整时，当油轮沿系泊缆夹角方向就位时，系泊缆最大拉力低于油轮沿系泊缆方向就位，但一旦发生系泊缆破断，其系泊缆最大拉力将显著增大。

4结论

本文结合渤海海域环境条件，通过对CALM系统进行分析，可知CALM系统系泊系统强度满足规范要求，并得出以下结论：

1、该系统的控制工况为作业工况。

2、系泊缆受力与油轮就位方位密切相关，应根据场地常浪向、流向等合理布置锚点位置。

3、以上分析仅对系泊缆强度进行了分析，还应对其拖地长度、疲劳寿命等进行分析，并结合水下软管的技术要求，对浮筒水平向位移进行限制。

参考文献

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