CALM单点系泊设施设计要点

周 楠，董宝辉，李俊汲，刘旭平，张广磊

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

单点系泊系统(single point mooring system，SPMS)。可以将浮式生产储卸油装置(FPSO)或油轮系泊在预定海域。单点系泊系统可在水平面内做360°的自由转动，能使浮式生产装置或油轮始终处于海浪、海流和风合力最小的方向，发挥其“风向标”的作用，从而保证FPSO或油轮能在海上长期连续工作。

在海洋石油开发中，单点系泊系统主要被应用于以下两个方面： 一是系泊FPSO，具体形式包括软刚臂式系泊系统(SYS)、内转塔式系泊(IT)系统和外转塔式系泊(ET)系统；二是外输原油终端，如单锚腿式系泊(SALM)系统和悬链浮筒式系泊(CALM)系统。

悬链式锚腿单点系泊(catenary anchor leg mooring，CALM)是接卸原油终端领域主要作业设施。通常布置在离岸一定距离的海域，可以解决大型油轮因吃水过深而无法进港的问题。与建造深水港口相比，该系统具有经济投资少、建造周期短和环境污染小等优势。我国是原油进口大国，CALM单点系统有助于摆脱对深水港的依赖，拓宽进口原油输送通道，大幅降低输送费用，带动原油物流和炼化行业发展，也有助于国家和商业石油储备。

CALM系统主要由浮筒、系泊缆、系泊锚链、漂浮软管、水下软管、水下管汇和海底管道等组成，如图1所示。浮筒一般通过6～8根系泊锚链与海底锚桩固定，油轮通过1～2根系泊缆与浮筒相连。在风浪流的环境条件作用下，油轮可以绕着CALM单点浮筒旋转，构成了CALM单点系泊系统的传力通道。油轮通过漂浮软管经由浮筒的流体分配单元(PDU)，再通过水下软管经由水下管汇(PLEM)和海底管道与陆地终端相连，构成了CALM单点的物流通道。

作为保障CALM单点安全定位的系泊系统和CALM单点浮筒，其结构重量仅1 000多吨，却可以系泊30万吨级的油轮，这是通过系泊系统“四两拨千斤”的巧妙设计实现的。油轮系泊载荷通过系泊缆、系泊笼耳、转台、主轴承、浮筒结构、止链器、锚链，锚桩依次传递，最终传递到海床上。在风浪流的作用下，系泊系统“以柔克刚”，通过系统刚度提供恢复力来控制油轮的漂移，传力路径上环环相扣，任何一个设备失效都将导致系统出现事故。

图1 CALM单点系泊系统组成

CALM系统的系泊设备和系泊产品主要包括系泊锚链、系泊缆、止链器和系泊笼耳。锚链和系泊缆为选型设计，根据系泊方案和系泊分析得到的载荷等确定选型依据。止链器和系泊笼耳为产品设计，止链器是连接系泊锚链和单点浮筒的关键设备，而系泊笼耳是连接系泊缆和系泊浮筒的关键设备，两者分别需要根据锚链和系泊缆的选型参数并结合浮筒结构等进行产品设计。

1 设计工况

在设计系泊系统时，主要考虑操作工况和生存工况。操作工况是油轮系泊到浮筒上的工况，通常取一年一遇环境条件或给定限制的环境条件。生存工况通常为百年一遇的台风工况，此时单点浮筒和油轮不连接。根据经验，操作工况通常为系泊系统设计时的控制工况。在设置分析工况时，需要考虑以下因素：

(1) 水深： 最大水深、最小水深。

(2) 油轮： 满载、压载。

(3) 环境主方向： 波浪方向与一根锚链同向、波浪方向位于两根锚链之间。

(4) 环境夹角： 风浪流同向，不同向。

(5) 锚链完整、单缆破断。

备注： 本文主要论述设计考虑锚链完整和单缆破断的情形，没有考虑对于锚链破断后达到新的平衡位置的瞬态过程。

采用商业软件进行数值模拟分析时，对于每个工况，采用系泊系统和船体全耦合的分析方法，时域计算3小时，分析筛选出系泊力和浮体位移等最危险工况，同时还要考虑波浪周期等敏感性分析。

2 设计衡准

CALM系统设计通常需要满足强度衡准和位移衡准。强度衡准是指系泊锚链和系泊缆的强度必须满足相关规范安全系数的要求，属于强制衡准。位移衡准主要由水下软管等的位移需求决定，如软管的最大偏移不能超过水深的某个比例等，在CALM系统设计中，有些软管厂家会对软管偏移量提出要求，也有些厂家会根据给定的浮筒偏移量来设计软管，因此偏移量的具体要求视情况而定，不属于强制衡准。

下面给出ABS的rules for building and classing single point moorings、 DNVGL-OS-E403的offshore loading buoys和CCS的《海上单点系泊装置入级与建造规范》对于CALM单点系泊锚链和系泊缆的安全系数要求，以及API中对于锚桩的相关要求。

1) ABS规范要求

ABS对系泊锚链和系泊缆的安全系数要求如表1和表2所示。

表1 锚链安全系数

表2 系泊缆安全系数

2) DNV规范要求

DNV对锚链和系泊缆的强度进行评价与ABS有所不同，对于锚链，系泊系统的设计要遵循以下方程，同时采用表3中所列的安全系数。

式中：Sc表示锚链最小破断强度的95%；Tc，meanγmean是由预张力和平均环境载荷造成的平均张力；Tc，dyn是由于船体低频和波频运动造成的动态张力；γmean为平均张力安全系数；γdyn为动态张力安全系数。

表3 部分安全系数

系泊缆参数要符合OCIMF相关要求，通过系泊分析得到系泊缆上的最大载荷，并根据规范要求进行评估，用于评估的安全系数如表4所示。

表4 系泊缆安全系数

需要指出的是，在系泊系统设计中，按照DNV的规范要求，锚链直径还需要考虑每年至少0.4 mm的腐蚀余量和海生物的影响，同时还应做疲劳分析。而ABS的安全系数较大，并不考虑腐蚀余量和海生物的影响，也不需要做疲劳分析。

3) CCS规范要求

CCS对于系泊锚链等安全系数要求如表5所示。对于系泊缆的安全系数要求与ABS的要求相同。

表5 锚链安全系数

船级社对于锚桩的安全系数要求，通常指向API-RP-2SK。具体要求如表6所示。

表6 锚桩安全系数

3 锚 链

确定系泊方案需要进行大量工况的系泊分析计算，最终确定系泊载荷的水平。系泊方案包括锚链根数、布置角度、系泊半径、锚链直径、等级、预张力等。方案的制订需要考虑诸多因素，比如锚链的根数，一般为6～8根，因为用于连接锚链的止链器需要布置在舱壁上，所以锚链的根数一般与舱室数目一致。系泊半径需要考虑在极端位移情况下，海底的锚链仍然保留一段躺地段而不被完全拉起，同时要结合单点周边海域海底的管线、航道、生态保护区等因素。系泊方案的制订还要根据CALM单点所在海域的环境条件、接卸油轮的吨位等，同时还要考虑水下软管对浮筒的限位要求以及土壤对桩基础的限制因素等。图2为锚链生产过程示意图。

图2 锚链生产过程

锚链选型是一个迭代的过程，首先需要确定一个直径、预张力，试算系泊力的水平，然后根据系泊力和安全系数确定锚链破断力的需求，再选择锚链的直径和等级。CALM单点的锚链通常为一根完整的链条，锚链的末端需要与加大环、末端环、卸扣和底部桩基相连。加大链环的直径为普通链环直径的1.1倍，末端链环的直径为普通链环直径的1.2倍，卸扣有末端卸扣、末端连接卸扣等几种形式，需要根据桩的吊耳强度确定卸扣的口宽和弓高。

系泊分析还需要提供锚端的系泊载荷供桩基础设计，提供浮筒位移供软管系统设计，而系泊载荷和浮筒位移恰好是一对矛盾体，想要较小的浮筒位移，就要有大的预张力，从而导致系泊力变大；想要较小的系泊力，就要放松锚链，但是浮筒位移会随之增大。所以，必须要在系泊、桩基和软管等专业界面之间找到平衡点。这就需要在锚链直径、等级、长度、系泊缆直径和长度等参数上做文章，进行综合选型设计，确定经济合理的系泊方案。

4 系泊缆

系泊缆用于连接油轮和单点浮筒，通常由重型卸扣、缆绳、摩擦链、摩擦链支撑浮筒、拾取缆、拾取浮筒等组成。没有油轮外输作业时，系泊缆自由漂浮在海面；当油轮靠近单点，准备外输时，需要将系泊缆的摩擦链从海面捞起，和油轮首部的止链器相连。根据油轮吨位的不同，系泊缆的配置有1根和2根的选择，对于15万吨级以上的油轮，规范要求必须由2根系泊缆相连，这也要求15万吨级以上的油轮配备2个首部止链器。而15万吨级以下的油轮可以连接1根或2根系泊缆。图3为油轮连接CALM系统的图片。

图3 油轮通过系泊缆与CALM单点连接

系泊缆的类型有单根(single)和环型(grommet)两种，相同直径下，环型的强度大约为单根型的1.7倍。缆绳的强度受干湿状态以及新旧状态影响很大，通常湿、旧的系泊缆强度是其干、新时强度的80%左右。缆绳的非线性刚度也是值得特别关注的一点，通常缆绳的伸长率(破断力)能达到20%～25%，因此对于50～70 m长的系泊缆来说，极端系泊时的伸长量能达到10 m以上，在进行系泊分析时，应充分考虑系泊缆非线性刚度的准确模拟，而不是只考虑一个固定刚度，这对系泊力的影响很大，从能量守恒的角度来分析，考虑了非线性刚度的系泊缆在伸长过程中吸收了一部分能量，起到了“缓冲”的作用，进而降低了系泊缆的受力水平。图4为系泊缆组成示意图。

图4 系泊缆组成示意图

5 止链器

止链器是用于连接锚链和浮筒的系泊设备，通常均匀分布在浮筒裙板一周，和舱壁位置对应。止链器主体结构为铸件，下部喇叭口和中间的圆管起导向作用，上部的块状结构为主要受力结构，其两侧有两个耳轴。安装时，首先用轴套和耳轴过盈配合，起耐磨和保护作用，然后套上垫圈，滑动轴承套在轴套上，外面用轴承座通过螺栓螺母和支撑结构装配锁紧。

止链器上部有个棘齿盖，锚链从下部主体穿过时，盖子可以自动打开，当锚链安装到位后，将锚链下放，棘齿盖也会随之落下，并将锚链卡住锁死，起到固定限位的作用。值得关注的是，止链器导链孔和棘齿盖的设计应该和锚链的直径等尺寸相配套，并按照锚链的破断载荷进行结构设计。图5为止链器示意图。

图5 止链器示意图

止链器的设计属于产品设计，应对止链器设计采用的规范、材质要求、化学成分、热处理、测试、无损检验、工厂测试等进行详尽的规定。设计图纸要对止链器的具体结构组成、尺寸参数、制造公差、机加工、精度要求、装配要求等有详尽的表达。同时要对止链器进行整体建模(下部导向管受力较小，可以不模拟)，采用锚链破断载荷加载进行有限元分析。止链器还应该采用3D设计，在设计过程中便于发现不合理的地方，以及时加以调整和改进。

6 系泊笼耳

系泊笼耳是连接浮筒和系泊缆的设备，布置在浮筒转台的系泊臂上，通过两个padeye连接固定。每个padeye依次相连一个末端连接卸扣、一个末端链环和两个加大链环，一个末端链环和一个末端连接卸扣，然后连接到一个小三角板，再通过销轴连接到两个大三角板，大三角板再通过两个测力销轴分别连接一个加大链环和一个末端链环。每根系泊缆通过卸扣与末端链环相连。图6为系泊笼耳示意图。

图6 系泊笼耳示意图

需要指出的是，采用大、小三角板的设计理念可以满足不同吨位油轮采用1根系泊缆和2根系泊缆的功能需求，对于15万吨级以下的单系泊缆油轮，系泊缆连接大三角板的任一链环，大三角板可以绕中间销轴旋转，从而保证系泊缆和系泊笼耳的受力在一条直线上。系泊笼耳和止链器一样，都属于产品设计。

7 结 语

(1) 本文总结了主流船级社对于CALM单点系泊系统的设计衡准要求，分析了系泊系统的受力机制和特点，介绍了设计中需要考虑的因素和方法，阐述了系泊设备和系泊产品的功能特点和设计经验等。

(2) 系泊系统设计包括选型设计和产品设计。锚链和系泊缆为选型设计，需要开展大量的分析比选，以确定合理的系泊方案。止链器和系泊笼耳为产品设计，需要根据确定的系泊载荷有针对性地开展结构设计等工作。

(3) 目前，全球已经建成原油输送终端约700座，其中CALM型单点有600多座，我国仅有两座，分别为中石化茂名单点和中海油涠洲单点。茂名单点已经安全运营超过20年，累计节省输送费用超过40亿元人民币。

(4) 由于与传统的固定码头接卸原油存在竞争关系，CALM型单点并没有在国内全面推广，不过随着国内原油进口资质的放开，CALM型单点建设会迎来爆发式的增长。掌握CALM系统的设计理念和方法，对于开拓国内外浮体市场具有重要意义。