两点系泊系统系泊力影响因素分析

梅华东 尹汉军 蔡元浪 张益公 周 燕

（海洋石油工程股份有限公司）

两点系泊系统系泊力影响因素分析

梅华东 尹汉军 蔡元浪 张益公 周 燕

（海洋石油工程股份有限公司）

以渤海某海域油田开发工程为例，对两点系泊系统的浮筒净浮力、缆绳预张力、缆绳长度和环境条件对系泊力的影响进行了研究，并在此基础上对系泊系统进行了优化设计。应用实践表明，基于两点系泊系统系泊力主要影响因素分析对系泊系统进行优化设计是必要的，可使整个系统达到安全可靠的要求，对今后我国海上其他油田开发工程中两点系泊系统的设计有借鉴意义。

两点系泊系统 系泊力 影响因素 优化设计

从上世纪90年代后期开始，吴思、范模等提出了一种新的系泊系统——两点系泊系统[1－2]，为油轮外输原油作业提出了一种简易的系泊方式，并对边际油田原油外输方式做出了有益的尝试。为了使两点系泊系统成功应用于边际油田开发原油外输作业，达到节约油田开发成本的目标，笔者在文献[1、2]的基础上，以渤海某油田开发工程为例，利用MOSES软件对两点系泊系统系泊力影响因素进行了模拟分析，并在此基础上对系泊系统进行了优化设计。应用实践表明，基于两点系泊系统系泊力主要影响因素分析对系泊系统进行优化设计是必要的，整个系泊系统达到了安全可靠的要求，对今后我国海上其他油田开发工程中两点系泊系统的设计有借鉴意义。

1 两点系泊系统构成

两点系泊系统主要由系泊缆、水下锚链、浮筒、桩锚构成。水下浮筒提供浮力，当浮筒与其他系泊构件连接好后，浮筒浸没于水下，它除了克服自身重力和水下系泊链及摩擦链重力外，还具有剩余浮力（即净浮力），以拉紧水下锚链。浮筒与油轮之间的系泊缆由油轮的绞车提供一定的预张力。水下浮筒、锚链和系泊缆组成弹性回复力系统，浮筒是整个系统弹性回复力的主要贡献者。当油轮偏离平衡位置时，系泊系统提供柔性回复力，最大限度地减少穿梭油轮的受力情况，满足外输条件。

图1为本次研究的两点系泊系统布置图，中间为5000吨级穿梭油轮，两端为浮筒、系泊缆、水下锚链和桩锚，构件包括快速脱勾装置、尼龙缆环、摩擦链、卸扣等。

图1 两点系泊系统布置图

2 系泊力主要影响因素分析

受两点系泊系统各个环节的影响，系统中各个构件的承载能力并不一致，因此找到系统中的薄弱点，并以此优化系泊系统设计是非常必要的。在两点系泊系统实际设计过程中，系泊力的准确计算是各个构件选取的基础，最大限度地减小系泊力是两点系泊系统设计的关键。为准确模拟系泊系统中各个构件的水动力性能，使用MOSES软件进行模拟，建立油轮及锚链模型，对波浪与油轮的水动力相互作用进行频域分析，并对系泊系统在全方向的环境荷载下进行时域分析，计算出不同条件下的最大系泊力及船体运动。在水动力各种试算中，我们发现系泊力对浮筒净浮力、缆绳预张力、系泊缆长度和环境条件非常敏感。对系泊系统的设计有着关键性的影响。

本文研究的目标海域位于渤海中部海域西北部，海图水深为24～25 m；海域的浪情与气候、季节风密切相关，大浪主要出现在NNE—ENE方向；海域的潮汐性质为不规则半日潮型海区，涨、落潮最大海流流速为50～60 cm/s，具有较为明显的主流方向。

2.1 浮筒净浮力对系泊力的影响

浮筒由钢板焊接而成，内有加强筋，其净浮力由排开海水的重量减去自重及锚链重得到。由于浮筒净浮力竖直向上，在船舶移位时可以提供系泊过程中回复力分量，对系泊力有较大的影响。浮筒的模拟分2步：①浮筒在水动力整体分析中模拟为一个质点并施加浮力；②单独对浮筒的水动力响应进行分析，准确地计算出系泊缆对油轮的拖拉力。

考虑到尽量增大系统的可操作概率，选取的基本参数为缆绳预张力20 k N、缆绳长65 m、水深25 m、风速15 m/s、流速1.0 m/s、浪高2.1 m，当浮筒净浮力分别为150、250、350、450 k N时系泊力随来浪角度变化曲线见图2。从图2可以看出，由于在来浪角度为75°左右时系泊力最大，仅分析系泊力的最大值，因此对净浮力250、350、450 k N只做来浪角度75°附近的系泊力计算。

图2 两点系泊系统不同浮筒净浮力下系泊力随来浪角度的变化曲线（缆绳预张力20 k N，缆绳长65 m、水深25 m、风速15 m/s、流速1.0 m/s和浪高2.1 m条件下）

由图2的计算结果可以发现，随着浮筒净浮力的增加，最大系泊力有减小的趋势，从最高近1600 k N减小为1200 k N，因此在系泊力的设计中可以适当利用这一规律。需要指出的是，浮筒净浮力并不是越大越好，净浮力增大，浮筒的体积也随之增大，浮筒在水下晃动时引起的动力响应也将增大，这个响应将增加油轮的系泊力；另外，浮筒净浮力增大后对浮筒内部结构设计和安装就位增加了难度，因此，在确定浮筒净浮力时应综合考虑各个因素的影响，对于5000吨级油轮，浮筒净浮力取150 k N比较适宜。

2.2 缆绳预张力对系泊力的影响

缆绳预张力是指在油轮处于平衡位置时，由船艏或船艉绞车固定系泊缆时提供的拉力。油轮系泊完成后，浮筒被拖离平衡位置，同时锚链和缆绳的自重会在系泊缆中形成拉力。若需控制船舶位移，可以让绞车继续绞缆增加系泊缆中的拉力，这个拉力可以通过串联在系泊缆中的拉力计读出。如何确定油轮处于平衡位置时缆绳预张力，使得油轮在允许的位移下系泊力最小，这在系泊系统设计中需要慎重选取。

在浮筒净浮力为150 k N、缆绳长65 m、风速15 m/s、流速1.0 m/s、浪高1.7 m、水深25 m时，预张力分别取5、20、50 k N时系泊力随来浪角度变化曲线见图3。

图3 两点系泊系统不同缆绳预张力下系泊力随来浪角度的变化曲线（浮筒净浮力150 k N、缆绳长65 m、风速15 m/s、流速1.0 m/s、浪高1.7 m和水深25 m条件下）

由于船艏锚链和缆绳的自重作用，预张力不可能为零。由图3可看出，全方向来浪下5 k N预张力时的系泊力大都在20 k N预张力时系泊力的曲线下，20 k N预张力的系泊力也大都小于50 k N预张力时的系泊力，也就是说，随着预张力的减小，最大系泊力有逐渐变小的趋势。因此，在系泊系统设计中，可以在条件允许时控制缆绳的预张力，达到减小系泊力的效果。

预张力的减小也会带来其他问题，如横荡位移加大。在上述计算中，50 k N预张力的最大横荡位移为53.9 m，而5 k N预张力下最大横荡位移达65.7 m，横荡偏移增加了11.8 m，这不仅进一步增加了操船和输油难度，而且与附近结构物的安全距离也会减小，因此在系泊系统设计中应引起注意，在系泊力的设计中可选缆绳自重作为预张力，达到减小系泊力的目的。

2.3 缆绳长度对系泊力的影响

在两点系泊系统设计中，可以调整两个锚点的间距，并调整系泊缆长度来改变系泊力的大小，进而改善系泊系统的性能。图4是两点系泊系统最大系泊力随缆绳长度的变化曲线。

图4 两点系泊系统最大系泊力随缆绳长度变化曲线（缆绳预张力20 k N，缆绳长65 m、水深25 m、风速15 m/s、流速1.0 m/s和浪高2.1 m条件下）

从图4可以看出，随着缆绳长度的增加，最大系泊力逐渐减小，尤其是缆绳长度从50 m增加到65 m，艏缆最大系泊力减小了近200 k N，而缆绳长度大于65 m后，最大系泊力变化趋势变缓，因此两点系泊系统缆绳长度取65～80 m较合适。同样，缆绳长度增加也会使横荡位移增加，并带来一系列系泊操作和原油外输问题（输油软管长度增加）。因此，在系泊系统的总体布置中，应合理考虑这个因素，以控制系泊力的大小。

2.4 环境条件对系泊力的影响

对系泊系统设计来说，环境条件是不确定因素，只有通过合理限定系泊系统的工作条件，并形成操作手册，才能使系泊系统具有一定的可行性。

根据渤海海域的环境特点，对风、浪、流的统计数据分析后发现，风速15 m/s、流速1.0 m/s、浪高2.1 m能覆盖该海域80%以上的海况，再结合油田的输油频率，可以使系泊系统具有足够的天气窗口进行作业。表1是浮筒净浮力为150 k N、缆绳长65 m、系泊缆预张力5 k N、风速15 m/s、水深25 m时，各种流速、浪高H s、来浪角度对应下的系泊力计算结果。

从表1计算结果可以发现，最大系泊力出现在75°来浪时1450 k N；来浪75°、浪高1.7 m条件下流速从0.5 m/s增大到1.0 m/s时，系泊力仅增加75 k N，流速对系泊力的影响并不显著；在来浪角度为75°，流速为1.0 m/s条件下浪高从1.3 m 增大到2.1 m时，系泊力由778 k N增加到1450 k N，增加了近700 k N，几乎翻了一倍，可见系泊力对来浪角度为75°的来浪非常敏感，对此来浪的浪高选择应格外慎重；而在油轮受0～45°和135～180°来浪时，系泊力在这2个区域都较小，因此可以适当提高油轮外输工况下的设计环境标准。经过后续的计算分析，在0～45°和135～180°范围内最大浪高可以提高到2.5 m，在60～120°范围内最大浪高为1.3 m，适当放宽了系泊系统的作业限定条件。

表1 两点系泊系统各种流速、浪高H s、来浪角度对应下的系泊力计算结果（浮筒净浮力150 k N、缆绳长65 m、系泊缆预张力5 k N、风速15 m/s、水深25 m和浪高2.1 m条件下） （k N）

3 设计应用

目前两点系泊系统已成功应用于渤海BZ3－2油田的输油作业。在该油田的系泊系统设计中，由于井口平台与油气处理平台方位的特殊性，总体布置既要考虑环境条件、水动力计算结果和生产作业空间的要求，也要满足各作业船生产设施就位的要求等，是一个权衡各个方面制约因素的一个过程。设计过程中，经过多个作业方讨论，形成了一个近锚点距井口37.5 m、两锚点沿主流向方位布置的格局，首尾锚点间距为245 m，油轮运动轨迹尽量远离已有结构物。

前期的调研结果表明，油轮的艏艉锚固装置能力不足，需要进行加强处理，但由于油轮艏艉主甲板多为未生根的悬空甲板层，加强潜力有限。在对加强锚固装置进行强度核算后，结合优化设计结论，选取最大系泊力设计值800 kN作为各个构件的选型基础。在浮筒的选型上，既要考虑提供足够的净浮力以产生有效的回复力，也应考虑浮筒尺寸变大后动力响应也将增大这一不利影响，最终浮筒尺寸确定为高3.7 m、直径为3.5 m的圆筒，圆筒内设加强筋。预张力的选择主要与系泊力的限定有关，设计中由于受到系泊系统中最大系泊力的限制，应尽量减小预张力，主要由船艏端锚链自重提供，理论计算时取5 k N的预张力。系泊系统总体布置确定后，缆绳的长度也基本确定，但还需要根据输油条件及油轮最大横荡位移进行调整，最后确定缆绳长度为65 m。

此外，由于海况条件的复杂性，原油外输程序的编制是一项重要内容，包括操作条件的限定、作业船舶的配备和操作流程的规定等，需要在设计文件中详细说明，以指导海上的输油作业，其中作业环境条件的选取尤为重要，海况条件高于操作条件的应严禁作业。另外，油轮试靠试验表明流向选择不对将使靠泊过程变得困难，因此，应合理选择靠泊时机，在海流与主流向接近时迎流挂艏缆。

4 结束语

对两点系泊系统系泊力影响因素进行分析，可以准确确定系泊力，并以此为基础对系统中各个构件进行选型和设计。一般来说，浮筒净浮力增大可以减小系泊力，设计时应合理选择浮筒净浮力；缆绳预张力对系泊力与船舶位移具有显著影响，在确定预张力时应考虑对这2个方面的影响；缆绳长度的选择应根据系泊力的控制目标值、总体布置情况及输油软管的承受能力综合选取；合理选择设计条件，合理制定操作条件，对原油外输作业率提高具有重大意义，在作业条件选择时，应尽量运用有利的环境条件。目前两点系泊系统在实际应用中也出现了一些问题，今后有待进一步改善，如系泊系统承受横向荷载的能力较弱，油轮系泊过程比较复杂，需要有辅助支持船配合，且对环境要求也有诸多限制。

总的来说，两点系泊系统对于边际油田具有投资小、建设周期短的优点，是对边际油田开发技术的有利补充。

[1] 吴思，郭宝忠，张玉双.两点水下浮筒系泊系统设计[J].中国海上油气（工程），1999，11（4）：1－3.

[2] 范模.两点系泊系统的研究[J].中国海上油气（工程），2003，15（6）：13－15.

Analysis on affecting factors to mooring force of two points mooring system

Mei Huadong Yin Hanjun Cai Yuanlang Zhang Yigong Zhou Yan
（Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，CNOOC，Tianjin，300452）

According to an oil field development project in Bohai Bay，the study has been carried out on the influence of buoy size，mooring rope pre－tension，rope length and environmental conditions to the mooring force of two points mooring system and then the optimization design has been performed for the mooring system.The application of two points mooring system indicates that it is necessary to conduct optimization design of the mooring system based on the analysis of main affecting factors to mooring force，so as to make the whole mooring system reach the requirements of safety and reliability and provide a solution for future design of two points mooring system in other oilfield development projects offshore China.

two points mooring system；mooring force；affecting factor；optimization design

梅华东，男，2006年毕业于武汉理工大学，获硕士学位，现主要从事海洋平台设计工作。地址：天津市塘沽区丹江路1078号616信箱（邮编：300451）。E－mail：meihd＠mail.cooec.com.cn。

2010－12－29改回日期：2011－02－25

（编辑：叶秋敏 ）