梅華東 尹漢軍 蔡元浪 張益公 周 燕

（海洋石油工程股份有限公司）

兩點系泊系統(tǒng)系泊力影響因素分析

梅華東 尹漢軍 蔡元浪 張益公 周 燕

（海洋石油工程股份有限公司）

以渤海某海域油田開發(fā)工程為例，對兩點系泊系統(tǒng)的浮筒凈浮力、纜繩預張力、纜繩長度和環(huán)境條件對系泊力的影響進行了研究，并在此基礎上對系泊系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計。應用實踐表明，基于兩點系泊系統(tǒng)系泊力主要影響因素分析對系泊系統(tǒng)進行優(yōu)化設計是必要的，可使整個系統(tǒng)達到安全可靠的要求，對今后我國海上其他油田開發(fā)工程中兩點系泊系統(tǒng)的設計有借鑒意義。

兩點系泊系統(tǒng) 系泊力 影響因素 優(yōu)化設計

從上世紀90年代后期開始，吳思、范模等提出了一種新的系泊系統(tǒng)——兩點系泊系統(tǒng)[1－2]，為油輪外輸原油作業(yè)提出了一種簡易的系泊方式，并對邊際油田原油外輸方式做出了有益的嘗試。為了使兩點系泊系統(tǒng)成功應用于邊際油田開發(fā)原油外輸作業(yè)，達到節(jié)約油田開發(fā)成本的目標，筆者在文獻[1、2]的基礎上，以渤海某油田開發(fā)工程為例，利用MOSES軟件對兩點系泊系統(tǒng)系泊力影響因素進行了模擬分析，并在此基礎上對系泊系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計。應用實踐表明，基于兩點系泊系統(tǒng)系泊力主要影響因素分析對系泊系統(tǒng)進行優(yōu)化設計是必要的，整個系泊系統(tǒng)達到了安全可靠的要求，對今后我國海上其他油田開發(fā)工程中兩點系泊系統(tǒng)的設計有借鑒意義。

1 兩點系泊系統(tǒng)構(gòu)成

兩點系泊系統(tǒng)主要由系泊纜、水下錨鏈、浮筒、樁錨構(gòu)成。水下浮筒提供浮力，當浮筒與其他系泊構(gòu)件連接好后，浮筒浸沒于水下，它除了克服自身重力和水下系泊鏈及摩擦鏈重力外，還具有剩余浮力（即凈浮力），以拉緊水下錨鏈。浮筒與油輪之間的系泊纜由油輪的絞車提供一定的預張力。水下浮筒、錨鏈和系泊纜組成彈性回復力系統(tǒng)，浮筒是整個系統(tǒng)彈性回復力的主要貢獻者。當油輪偏離平衡位置時，系泊系統(tǒng)提供柔性回復力，最大限度地減少穿梭油輪的受力情況，滿足外輸條件。

圖1為本次研究的兩點系泊系統(tǒng)布置圖，中間為5000噸級穿梭油輪，兩端為浮筒、系泊纜、水下錨鏈和樁錨，構(gòu)件包括快速脫勾裝置、尼龍纜環(huán)、摩擦鏈、卸扣等。

圖1 兩點系泊系統(tǒng)布置圖

2 系泊力主要影響因素分析

受兩點系泊系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的影響，系統(tǒng)中各個構(gòu)件的承載能力并不一致，因此找到系統(tǒng)中的薄弱點，并以此優(yōu)化系泊系統(tǒng)設計是非常必要的。在兩點系泊系統(tǒng)實際設計過程中，系泊力的準確計算是各個構(gòu)件選取的基礎，最大限度地減小系泊力是兩點系泊系統(tǒng)設計的關鍵。為準確模擬系泊系統(tǒng)中各個構(gòu)件的水動力性能，使用MOSES軟件進行模擬，建立油輪及錨鏈模型，對波浪與油輪的水動力相互作用進行頻域分析，并對系泊系統(tǒng)在全方向的環(huán)境荷載下進行時域分析，計算出不同條件下的最大系泊力及船體運動。在水動力各種試算中，我們發(fā)現(xiàn)系泊力對浮筒凈浮力、纜繩預張力、系泊纜長度和環(huán)境條件非常敏感。對系泊系統(tǒng)的設計有著關鍵性的影響。

本文研究的目標海域位于渤海中部海域西北部，海圖水深為24～25 m；海域的浪情與氣候、季節(jié)風密切相關，大浪主要出現(xiàn)在NNE—ENE方向；海域的潮汐性質(zhì)為不規(guī)則半日潮型海區(qū)，漲、落潮最大海流流速為50～60 cm/s，具有較為明顯的主流方向。

2.1 浮筒凈浮力對系泊力的影響

浮筒由鋼板焊接而成，內(nèi)有加強筋，其凈浮力由排開海水的重量減去自重及錨鏈重得到。由于浮筒凈浮力豎直向上，在船舶移位時可以提供系泊過程中回復力分量，對系泊力有較大的影響。浮筒的模擬分2步：①浮筒在水動力整體分析中模擬為一個質(zhì)點并施加浮力；②單獨對浮筒的水動力響應進行分析，準確地計算出系泊纜對油輪的拖拉力。

考慮到盡量增大系統(tǒng)的可操作概率，選取的基本參數(shù)為纜繩預張力20 k N、纜繩長65 m、水深25 m、風速15 m/s、流速1.0 m/s、浪高2.1 m，當浮筒凈浮力分別為150、250、350、450 k N時系泊力隨來浪角度變化曲線見圖2。從圖2可以看出，由于在來浪角度為75°左右時系泊力最大，僅分析系泊力的最大值，因此對凈浮力250、350、450 k N只做來浪角度75°附近的系泊力計算。

圖2 兩點系泊系統(tǒng)不同浮筒凈浮力下系泊力隨來浪角度的變化曲線（纜繩預張力20 k N，纜繩長65 m、水深25 m、風速15 m/s、流速1.0 m/s和浪高2.1 m條件下）

由圖2的計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著浮筒凈浮力的增加，最大系泊力有減小的趨勢，從最高近1600 k N減小為1200 k N，因此在系泊力的設計中可以適當利用這一規(guī)律。需要指出的是，浮筒凈浮力并不是越大越好，凈浮力增大，浮筒的體積也隨之增大，浮筒在水下晃動時引起的動力響應也將增大，這個響應將增加油輪的系泊力；另外，浮筒凈浮力增大后對浮筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)設計和安裝就位增加了難度，因此，在確定浮筒凈浮力時應綜合考慮各個因素的影響，對于5000噸級油輪，浮筒凈浮力取150 k N比較適宜。

2.2 纜繩預張力對系泊力的影響

纜繩預張力是指在油輪處于平衡位置時，由船艏或船艉絞車固定系泊纜時提供的拉力。油輪系泊完成后，浮筒被拖離平衡位置，同時錨鏈和纜繩的自重會在系泊纜中形成拉力。若需控制船舶位移，可以讓絞車繼續(xù)絞纜增加系泊纜中的拉力，這個拉力可以通過串聯(lián)在系泊纜中的拉力計讀出。如何確定油輪處于平衡位置時纜繩預張力，使得油輪在允許的位移下系泊力最小，這在系泊系統(tǒng)設計中需要慎重選取。

在浮筒凈浮力為150 k N、纜繩長65 m、風速15 m/s、流速1.0 m/s、浪高1.7 m、水深25 m時，預張力分別取5、20、50 k N時系泊力隨來浪角度變化曲線見圖3。

圖3 兩點系泊系統(tǒng)不同纜繩預張力下系泊力隨來浪角度的變化曲線（浮筒凈浮力150 k N、纜繩長65 m、風速15 m/s、流速1.0 m/s、浪高1.7 m和水深25 m條件下）

由于船艏錨鏈和纜繩的自重作用，預張力不可能為零。由圖3可看出，全方向來浪下5 k N預張力時的系泊力大都在20 k N預張力時系泊力的曲線下，20 k N預張力的系泊力也大都小于50 k N預張力時的系泊力，也就是說，隨著預張力的減小，最大系泊力有逐漸變小的趨勢。因此，在系泊系統(tǒng)設計中，可以在條件允許時控制纜繩的預張力，達到減小系泊力的效果。

預張力的減小也會帶來其他問題，如橫蕩位移加大。在上述計算中，50 k N預張力的最大橫蕩位移為53.9 m，而5 k N預張力下最大橫蕩位移達65.7 m，橫蕩偏移增加了11.8 m，這不僅進一步增加了操船和輸油難度，而且與附近結(jié)構(gòu)物的安全距離也會減小，因此在系泊系統(tǒng)設計中應引起注意，在系泊力的設計中可選纜繩自重作為預張力，達到減小系泊力的目的。

2.3 纜繩長度對系泊力的影響

在兩點系泊系統(tǒng)設計中，可以調(diào)整兩個錨點的間距，并調(diào)整系泊纜長度來改變系泊力的大小，進而改善系泊系統(tǒng)的性能。圖4是兩點系泊系統(tǒng)最大系泊力隨纜繩長度的變化曲線。

圖4 兩點系泊系統(tǒng)最大系泊力隨纜繩長度變化曲線（纜繩預張力20 k N，纜繩長65 m、水深25 m、風速15 m/s、流速1.0 m/s和浪高2.1 m條件下）

從圖4可以看出，隨著纜繩長度的增加，最大系泊力逐漸減小，尤其是纜繩長度從50 m增加到65 m，艏纜最大系泊力減小了近200 k N，而纜繩長度大于65 m后，最大系泊力變化趨勢變緩，因此兩點系泊系統(tǒng)纜繩長度取65～80 m較合適。同樣，纜繩長度增加也會使橫蕩位移增加，并帶來一系列系泊操作和原油外輸問題（輸油軟管長度增加）。因此，在系泊系統(tǒng)的總體布置中，應合理考慮這個因素，以控制系泊力的大小。

2.4 環(huán)境條件對系泊力的影響

對系泊系統(tǒng)設計來說，環(huán)境條件是不確定因素，只有通過合理限定系泊系統(tǒng)的工作條件，并形成操作手冊，才能使系泊系統(tǒng)具有一定的可行性。

根據(jù)渤海海域的環(huán)境特點，對風、浪、流的統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)，風速15 m/s、流速1.0 m/s、浪高2.1 m能覆蓋該海域80%以上的海況，再結(jié)合油田的輸油頻率，可以使系泊系統(tǒng)具有足夠的天氣窗口進行作業(yè)。表1是浮筒凈浮力為150 k N、纜繩長65 m、系泊纜預張力5 k N、風速15 m/s、水深25 m時，各種流速、浪高H s、來浪角度對應下的系泊力計算結(jié)果。

從表1計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，最大系泊力出現(xiàn)在75°來浪時1450 k N；來浪75°、浪高1.7 m條件下流速從0.5 m/s增大到1.0 m/s時，系泊力僅增加75 k N，流速對系泊力的影響并不顯著；在來浪角度為75°，流速為1.0 m/s條件下浪高從1.3 m 增大到2.1 m時，系泊力由778 k N增加到1450 k N，增加了近700 k N，幾乎翻了一倍，可見系泊力對來浪角度為75°的來浪非常敏感，對此來浪的浪高選擇應格外慎重；而在油輪受0～45°和135～180°來浪時，系泊力在這2個區(qū)域都較小，因此可以適當提高油輪外輸工況下的設計環(huán)境標準。經(jīng)過后續(xù)的計算分析，在0～45°和135～180°范圍內(nèi)最大浪高可以提高到2.5 m，在60～120°范圍內(nèi)最大浪高為1.3 m，適當放寬了系泊系統(tǒng)的作業(yè)限定條件。

表1 兩點系泊系統(tǒng)各種流速、浪高H s、來浪角度對應下的系泊力計算結(jié)果（浮筒凈浮力150 k N、纜繩長65 m、系泊纜預張力5 k N、風速15 m/s、水深25 m和浪高2.1 m條件下） （k N）

3 設計應用

目前兩點系泊系統(tǒng)已成功應用于渤海BZ3－2油田的輸油作業(yè)。在該油田的系泊系統(tǒng)設計中，由于井口平臺與油氣處理平臺方位的特殊性，總體布置既要考慮環(huán)境條件、水動力計算結(jié)果和生產(chǎn)作業(yè)空間的要求，也要滿足各作業(yè)船生產(chǎn)設施就位的要求等，是一個權衡各個方面制約因素的一個過程。設計過程中，經(jīng)過多個作業(yè)方討論，形成了一個近錨點距井口37.5 m、兩錨點沿主流向方位布置的格局，首尾錨點間距為245 m，油輪運動軌跡盡量遠離已有結(jié)構(gòu)物。

前期的調(diào)研結(jié)果表明，油輪的艏艉錨固裝置能力不足，需要進行加強處理，但由于油輪艏艉主甲板多為未生根的懸空甲板層，加強潛力有限。在對加強錨固裝置進行強度核算后，結(jié)合優(yōu)化設計結(jié)論，選取最大系泊力設計值800 kN作為各個構(gòu)件的選型基礎。在浮筒的選型上，既要考慮提供足夠的凈浮力以產(chǎn)生有效的回復力，也應考慮浮筒尺寸變大后動力響應也將增大這一不利影響，最終浮筒尺寸確定為高3.7 m、直徑為3.5 m的圓筒，圓筒內(nèi)設加強筋。預張力的選擇主要與系泊力的限定有關，設計中由于受到系泊系統(tǒng)中最大系泊力的限制，應盡量減小預張力，主要由船艏端錨鏈自重提供，理論計算時取5 k N的預張力。系泊系統(tǒng)總體布置確定后，纜繩的長度也基本確定，但還需要根據(jù)輸油條件及油輪最大橫蕩位移進行調(diào)整，最后確定纜繩長度為65 m。

此外，由于海況條件的復雜性，原油外輸程序的編制是一項重要內(nèi)容，包括操作條件的限定、作業(yè)船舶的配備和操作流程的規(guī)定等，需要在設計文件中詳細說明，以指導海上的輸油作業(yè)，其中作業(yè)環(huán)境條件的選取尤為重要，海況條件高于操作條件的應嚴禁作業(yè)。另外，油輪試靠試驗表明流向選擇不對將使靠泊過程變得困難，因此，應合理選擇靠泊時機，在海流與主流向接近時迎流掛艏纜。

4 結(jié)束語

對兩點系泊系統(tǒng)系泊力影響因素進行分析，可以準確確定系泊力，并以此為基礎對系統(tǒng)中各個構(gòu)件進行選型和設計。一般來說，浮筒凈浮力增大可以減小系泊力，設計時應合理選擇浮筒凈浮力；纜繩預張力對系泊力與船舶位移具有顯著影響，在確定預張力時應考慮對這2個方面的影響；纜繩長度的選擇應根據(jù)系泊力的控制目標值、總體布置情況及輸油軟管的承受能力綜合選取；合理選擇設計條件，合理制定操作條件，對原油外輸作業(yè)率提高具有重大意義，在作業(yè)條件選擇時，應盡量運用有利的環(huán)境條件。目前兩點系泊系統(tǒng)在實際應用中也出現(xiàn)了一些問題，今后有待進一步改善，如系泊系統(tǒng)承受橫向荷載的能力較弱，油輪系泊過程比較復雜，需要有輔助支持船配合，且對環(huán)境要求也有諸多限制。

總的來說，兩點系泊系統(tǒng)對于邊際油田具有投資小、建設周期短的優(yōu)點，是對邊際油田開發(fā)技術的有利補充。

[1] 吳思，郭寶忠，張玉雙.兩點水下浮筒系泊系統(tǒng)設計[J].中國海上油氣（工程），1999，11（4）：1－3.

[2] 范模.兩點系泊系統(tǒng)的研究[J].中國海上油氣（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

梅華東，男，2006年畢業(yè)于武漢理工大學，獲碩士學位，現(xiàn)主要從事海洋平臺設計工作。地址：天津市塘沽區(qū)丹江路1078號616信箱（郵編：300451）。E－mail：meihd＠m(xù)ail.cooec.com.cn。

2010－12－29改回日期：2011－02－25

（編輯：葉秋敏 ）