悬链浮筒式多点系泊设计

王金城，陈 谦，张美林

(中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032)

我国的港口建设历经多年繁荣发展，传统的各类固定泊位码头的设计已十分成熟，优良的港口岸线资源越来越少。同时，为响应国家“一带一路”倡议，越来越多国内的港口工程建设者和设计者走出国门，参与全球码头建设行业的竞争。离岸式多点系泊系统作为国外油轮码头常用的一种近海离岸系泊的方案，开始逐渐进入中国建设者们的视野。

悬链浮筒式多点系泊(multi buoy moorings，MBM)是一种具有多组系泊腿的离岸系泊方式，其中系泊腿主要包含锚、锚链和系泊浮筒。悬链浮筒式多点系泊可以有效解决国内岸线资源枯竭的问题；同时，相比传统固定泊位码头，它具有疏浚少、结构简单、对自然条件适应性好、对拖船要求低、造价低等优势。

然而，国内对于MBM的设计研究几乎没有，传统固定码头的设计方法并不适用于MBM的设计。MBM泊位系泊的船舶运动与受力复杂，MBM泊位设计对船舶运动、外荷载作用等的计算更复杂。传统码头设计的静力分析难以满足MBM系缆力计算的要求，船舶系缆力的动态分析成为设计MBM的关键。

1 国内外相关规范

1.1 国内规范

国内并没有针对离岸系泊定位的相关规范，相近的规范有《斜坡码头及浮码头设计与施工规范》[1]和《浮式结构物定位系统设计与分析》[2]。前者针对浮式码头结构，简单描述了平底趸船锚链及锚的计算，后者是套用美国石油协会的API-RP-2SK[3]，侧重于石油平台或者浮式生产储油、卸油装置的单点系泊设计。

1.2 国外规范

国外的规范相对较多，如BS 6349-6[4]，对单点和双点系泊的基本布置形式、系泊船舶的环境荷载计算、结构设计方法进行了相关介绍；石油公司国际海事论坛(OCIMF)的《悬链浮筒式多点系泊的设计、操作和维护指南》[5]从多浮筒系泊的规划、设计、作业、保养、维修等方面给出详细的规定与指导；挪威船级社与德国劳氏船级社集团的DNVGL-OS-E301[6]，偏重于海上平台结构的系泊设计，属于长期系泊的类型，因而系泊环境标准很高，不完全适用于船舶的系泊；美国国防部的《系泊设计手册》[7]将舰队系泊系统分为单点系泊、两点系泊、多点系泊、多船系泊共4类，并给出具体的布置形式。此外，OCIMF的《系泊设备指南》[8]、美国石油协会的API-RP-2SK等也有离岸系泊的相关内容。

2 MBM平面布置

根据船舶自带锚链是否参与系泊，可以将MBM分为传统浮筒系泊(CBM)与全浮筒系泊(ABM)两类。

CBM是一种船首利用船舶自带船锚锚碇，船尾由多组系泊浮筒系泊的离岸系泊方式。由于依赖于船锚来锚碇船首，给船舶定位带来很大的不确定性；相比于永久的系泊腿，船锚所能提供的系缆力有限，因此CBM更适用于自然条件较温和的海域。

ABM是一种船首、船尾全部采用浮筒系泊的离岸系泊方式。ABM通常用于海底条件不利于船锚抛锚，或最不利环境条件下需要额外系泊约束力的情况。

OCIMF的《悬链浮筒式多点系泊的设计、操作和维护指南》给出了油轮MBM泊位常用的3种平面布置形式，见图1。

图1 OCIMF的MBM泊位平面布置形式

BS6349-6推荐采用3、5、6和8浮筒的布置形式，见图2。

对比OCIMF与BS6349-6，二者推荐的平面布局都是基于船舶的缆绳、船锚的布置来进行基本布局，在各系泊腿与船锚的角度、系泊腿到船舶距离等设计上也大致相同。OCIMF推荐缆绳最大角度为10°～15°，船到浮筒的最大距离不超过150 m。一个显著的区别在于，OCIMF推荐减少系泊腿的数量，并增大单个系泊腿的承载力，这主要是由于在满足船舶系缆力以及船舶作业位移要求的情况下，浮筒数量越少，系缆力的分布越合理，也更便于控制船舶的系泊状态。

图2 BS 6349-6的MBM泊位浮筒布置

3 设计荷载

对于作用在固定式系船、靠船结构上的船舶荷载，国内规范仅考虑由风和水流产生的系缆力，只有在大型码头中，才要求考虑波浪引起的船舶撞击力，而且并未给出计算方法。在MBM泊位的系缆设计中，波浪是船舶6个方向运动的重要环境荷载，对船舶位移有显著的影响，波浪对船舶作用是必须要考虑的一个因素。

风、水流荷载的计算，国标、OCIMF、BS6349-6以及API-2SK-2005均有各自成熟的计算体系。OPTIMOOR软件采用的是OCIMF基于试验推导的风、水流荷载的计算公式，静态计算模式下，假定设计风为恒风，其速度、方向都是恒定的，基于系泊系统对风速改变所需的响应时间，取30 s的平均风速作为设计风速；动态分析模式下，选择频域分析法的风谱计算船舶风荷载。

波浪对浮式结构物的作用由两部分构成：一阶的波浪振荡力与二阶的波浪漂移力。一阶波浪力频率与波浪自身频率一致，大小与波幅成正比。对于作用在小型船舶、细长形的结构物上时，结构物对于波浪影响较小，一阶波浪力可以使用莫里森公式计算；对于作用在大型船舶上的波浪，波浪撞击到结构物上反射较大，可以按照驻波来考虑一阶波浪力。一阶波浪力引起的船舶6个方向的运动，工程设计中，可以简化使用响应振幅算子(response amplitude operators，RAOs)来计算，RAOs是一组船舶运动振幅与波浪振幅的比值，其数据是利用水动力模型计算得到的数据，根据船舶6个方向自由度、波浪周期、波浪方向、船型、船舶吃水、水深，工程计算时选取相对应的比例值。二阶波浪漂移力，相比于一阶波浪力要小很多，同时二阶波浪漂移力频率小于波浪自身频率，变化比较缓慢，工程设计中，可以简单考虑为恒定力，称为平均漂移力。

4 系缆分析方法

4.1 准静力分析

对于施工图设计阶段的MBM泊位分析，OCIMF规范不推荐采用准静力计算方法。

准静力分析假定锚泊装置对波浪的一阶运动没有约束，计算出的船舶的一阶波浪运动，叠加在风、流、平均漂移力平衡方程，计算出船舶的运动与受力。

4.2 动态分析

4.2.1频域分析法

频域分析求解船舶运动方程时，按船舶的平均运动、低频运动以及波频运动3类分别求解，并相互不耦合。平均运动通过求解环境力与系泊反力的静态方程求得；低频运动以及波频运动通过频域的方法产生均方差运动求得。统计的峰值，例如有效值和最大值，根据特定的峰值分布来估计。最后，将低频运动以及波频运动组合来模拟特定的一次风、浪过程。

4.2.2时域分析法

这种方法中，运动方程为联合了平均运动、低频运动以及波频运动的一个通用方程，在时域内求解。这类方法目前尚未成熟且计算复杂，不利于工程设计的推广，因而运用不多。

5 OPTIMOOR系缆分析案例

5.1 工程概况

项目位于伊朗南部的格什姆岛，在外海指定锚泊区域内锚泊大型油船，然后通过输油管道从船体将燃油引至后方陆域炼油厂。泊位平均水深为-21.3 m，系泊停靠3万～12万DWT油船。设计船型及主尺度为：12万DWT油船，总长277 m，型宽、型深分别为44.7、23.9 m，满载、压载吃水分别为16.2、7.2 m。

MBM泊位采用浮筒联合船舶自带锚链的系泊方式，共6组系缆腿与1组船舶自带锚链锚碇，平面布置见图3。5个系缆腿(1～5)布置在船尾，系缆腿6布置在船首右侧，船首左侧自带1套锚泊装置。

图3 锚泊区域平面布置(单位：m)

5.2 OPTIMOOR系缆动态分析

在进行系泊安全分析时，应针对具体泊位的具体环境状况，选择可能的不利环境组合，分别验算各组合下的系泊腿、缆绳受力。本案例仅选择1种组合演示OPTIMOOR的计算结果，采用波浪、涌浪、流均从船艏30°方向作用在12万DWT油船上。

本次分析，时长选择2 h，显示步长选择30 s，计算步长为3 s。风选择Harris风谱，波浪选择Pierson-Moskowitz波谱，涌浪选择Longuet-Higgins谱。

动态模式下，由Harris风谱生成的阵风风速见图4a)，模拟的系缆力与船舶位移见图4b)、c)。系缆力与位移的最大值与允许值见表1。

图4 动态分析结果

表1 OPTIMOOR动态模拟的最大值与允许值

利用OPTIMOOR的动态分析功能，可以得到MBM泊位的系缆力的时域变化曲线，通过数学分析，可以得到各缆绳、系缆腿的最大受力。一方面可以验证结构的安全，另一方面可以根据结果，合理调整平面布局。

6 结论

1)各国主流规范,BS 6349和OCIMF的指导书对浮筒系泊的基本布局与设计计算的规定较为全面，可作为国内未来发展浮筒系泊的规范基础；挪威船级社与德国劳氏船级社集团的DNVGL-OS-E301侧重于长期的浮式系泊，不完全适用于船舶多浮筒系泊的情况；美国国防部的《系泊设计手册》则侧重于军舰的系泊。

2)BS 6349与OCIMF规范推荐的平面布局，在缆绳、船锚的布局方面基本相似，较大的不同点在于OCIMF推荐减少系泊腿的数量，而增大单个系泊腿的承载力，这主要是由于在满足船舶系缆力以及船舶作业位移要求的情况下，浮筒个数越少，系缆力的分布越合理。

3)MBM泊位设计中船舶波浪荷载有别于传统固定式码头系泊船舶荷载，本文计算浮式船舶波浪荷载为：浮式结构物所受波浪作用中的一阶波浪振荡力可由莫里森公式或驻波公式计算，一阶波浪力引起的船舶位移在工程设计中可简化通过响应振幅算子来求得；二阶波浪漂移力在工程设计中可以简化为一恒定力，叠加到船舶所受风、流力中计算。

4)MBM泊位系缆分析主要分为静态分析、频域分域与时域分析，工程设计中，频域分析可以作为动态分析MBM泊位的主要方法。

5)选择OPTIMOOR作为系泊分析软件，结合工程实例，对MBM进行动态分析，其计算结果验证了工程项目系缆腿结构的安全性与平面布局的合理性。