（船舶与海洋工程专业论文）辽东湾新旅大油田原油柔性靠泊外输系统研究.pdf

中文摘要 由于建造安装长距离海上油气输送管道投资大、费时长，很多时 候海上油田的开发都需要利用穿梭油轮外输油气，为满足装、卸作业 的需要，油轮系靠泊终端设施是海上油田生产系统中的一个重要组成 部分。 本文为旅大油田储油平台原油外输系统设计了一套柔性系靠泊 平台。平台主要由两个柔性靠泊平台和两个刚性系泊平台两部分组 成。靠泊系统由靠泊平台和基础结构两部分组成，它们通过四根锚链 连接。靠泊浮筒采用的是适合于浅海水域的张力腿型系泊。柔性靠泊 浮筒整体刚度小，船舶撞击反力小，吸收能量大。不仅如此，柔性靠 泊方式在各个方向均可抗冰，且抗冰能力强。本文还对设计平台进行 了在位系泊分析、柔性靠泊分析及运输稳性分析；通过静力分析，证 实设计满足强度要求；对靠泊平台的局部有限元分析，校核了靠泊平 台局部节点的强度及浮筒在水压作用下的强度，从而证实了设计的有 效性。 关键词：油轮系靠泊终端；柔性靠泊：张力腿；靠泊平台 a b s t i 认c t c o n s i d e r i n gt h ep o s s i b l yb i g g e re c o n o m i ca n dt i m i n gc o s tf o rl o n g d i s t a n c ep i p e l i n ec o n s t r u c t i o n s ，q u i t eo f t e ni tm a ya l s ob en e c e s s a r yt o a c c o m m o d a t ei m p o r t i n gt a n k e r sc o m i n gf r o mt h eb a s ep o r to rn e i g h b o r f i e l d sf o ro i l g a st r a n s m i s s i o n s t h et a n k e rm o o r i n g b e r t h i n gt e r m i n a l s a r eu s u a l l yw o r k i n ga sa ni m p o r t a n tp o r t i o no ft h ep r o d u c t i o ns y s t e m so f o f f s h o r eo i l g a sf i e l d si ne x p o r t i n gt h e i rp r o d u c t st oi n l a n dr e f i n e r i e s af l e x i b l em o o r i n ga n db e r t h i n gs c h e m ew a sd e s i g n e di nt h i sp a p e r f o rt h eo i le x p o r ts y s t e mo fl do i ls t o r a g ep l a t f o r m i tw a sc o m p o s e do f t w of l e x i b l e b e r t h i n gp l a t f o r m sa n dt w oi n f l e x i b l em o o r i n gp l a t f o r m s w h i c ha r ec o n n e c t e dw i t hf o u ra n c h o rc h a i n t h eb e r t h i n gs y s t e mw a s o n et y p eo ft e s i o nl e gp l a t f o r mw h i c hc o u l db eu s e di ns h a l l o wm a r i n e a st h el o ws t i f f n e s so ft h eb e r t h i n gb u o ys y s t e m ，t h es h i pi m p a c tf o r c e c o u l db er e d u c e ds i g n i f i c a n t l y ；a n dm o r ee n e r g yc o u l d b ea b s o r b e d f u t h e rm o r e ，t h ep l a t f o r mw i t hi n f l e x i b l eb e r t h i n gm e t h o dh a ss t r o n g a b i l i t yt or e s i s ti c ei na n yd i r e c t i o n t h i sp a p e rc o n s i s t so fi n - p l a c e m o o r i n ga n a l y s i s ，i n f l e x i b l eb e r t h i n ga n a l y s i sa n dt r a n s p o r t a t i o ns t a b i l i t y a n a l y s i s a sw e l l ，t h es t a t i ca n a l y s i sa n df e aa n a l y s i sh a db e e nc a r r i e d o u tt ov e r i f yt h es t r u c t u r es t r e n g t h k e yw o r d s ：o i lt a n k e rm o o r i n g b e r t h i n gs y s t e m ；f l e x i b l e b e r t h i n g ；t l p ；b e r t h i n gp l a t f o r m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞苤堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：_ 娄垮岳套陟签字日期：冲p 月户日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨洼盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文储虢搿辄 签字日期：年2 月匆日签字日期：卅年2 月匆日 导师签名： 签字日期抄年舻月7 6 日 天津大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 随着全球人口的增加与科学技术的发展，人类生存空间逐步向海洋与空中拓 展。海洋占地球面积的7 0 8 ，蕴藏着丰富的资源，包括石油资源、动力资源、 矿产资源等，已成为人类最重要的能源基础之一。随着科学技术的飞速发展，人 类对海洋的开发和利用水平越来越高。 传统意义上的海洋资源，包括“航行、捕鱼、制盐”；现在认为海洋资源则 包括旅游、可再生能源、油气、渔业、港口和海水六大类。在人类对石油、天然 气等不可再生资源的需求越来越大的情况下，海底石油、天然气成了海洋资源争 夺的重点i lj 。 1 1我国海上油气资源和开发 我国海域辽阔，海岸线长达1 8 万多公里，海域面积4 7 2 7 万平方公里，大 陆架面积为1 3 0 多平方公里。多年的勘探已经证明，我国沿海大陆架石油地址条 件优越，含油气潜力很大。我国近海石油资源量约为2 4 0 亿吨，海洋可再生能源 理论蕴藏6 3 亿千瓦【2 1 。海洋石油资源占我国石油总量的2 2 9 ，天然气为2 9 0 。 我国石油资源的平均探明率为3 9 9 ，海洋石油仅为1 2 3 ，远远低于世界 平均7 3 的探明率和美国7 5 的探明率：我国天然气的平均探明率为2 3 o ， 海洋为1 0 9 ，而世界平均探明率在6 0 5 左右。因此，我国油气资源的探明率， 尤其是海洋资源的探明率很低，整体上处于勘探的中早期阶段。 我国海洋油气储量分布具有区域不均衡的特点。海洋资源主要集中在渤海、 黄海、东海以及南海北部大陆架。勘探预计石油资源为2 7 5 3 亿吨，天然气资源 为1 0 6 亿m 3 。目前发现率仅为1 8 5 和9 2 ，尚具有很大潜力。随着国际石油 价格高居不下，我国对国外石油资源的依赖度已达4 0 ，并在进一步增长【3 】。海 洋油气资源的开发利用，将能部分解决我国油气资源进1 2 1 数量【4 】。 我国海洋石油工业起步于1 9 6 5 年，1 9 7 9 年以前以自力更生为主。由于受历 史条件的限制，进展缓慢。截至1 9 7 8 年底，年产量仅1 0 万吨。1 9 7 9 年，为加 天津大学硕士论文第一章绪论 速我国海洋油气的开发利用，党中央、国务院决定对我国海洋石油资源的勘探、 开发实行对外开发。1 9 8 2 年1 月，国务院专门制定了中华人民共和国对外合 作开采海洋石油资源条例，开创了中国海洋石油工业的新局面p j 。 自改革开放以来，我国采取中外合作的方式进行海洋油气的勘探与开采，大 大加快了我国海上油气事业的发展，海洋油气开发呈逐年递增之势i6 | 。海洋原油 产量占全国原油产量的比重，从1 9 9 0 年仅占1 0 5 提高到2 0 0 3 年的1 4 4 ，天 然气的这一比例则从1 9 9 5 年的2 1 提高到1 2 8 。2 0 0 5 年海洋石油产量突破 3 6 0 0 万吨，较1 9 9 5 年9 2 7 5 万吨，增长了2 倍多，占原油总产量的比重也由1 9 9 5 年的6 2 提高到1 6 5 。预计到2 0 1 0 年我国的原油产量将达到1 9 3 亿吨，其中 海洋原油产量将在2 0 0 3 年的基础上增长1 倍，突破5 0 0 0 万吨，占比将提高到 2 5 左右。 然而，我国海洋油气勘探开发程度也存在严重的“重北轻南”现象。具体来 说，目前海洋油气开发力量主要集中在北部的渤海地区，而占中国领海面积3 4 的广阔南海地区，由于缺乏深海勘探的技术和资金，油气开发比较欠缺，主要的 油井都集中在离陆地和海南岛不远的区圳1 | 。 在世界范围内，深海油气勘探的步伐非常迅速【7 j 。世界海洋石油资源量。占 全球石油资源总量的3 4 ，b p 、埃克森美孚、壳牌、巴西国家石油公司等1 0 个 大公司拥有7 3 的深水储量。在我国的深水水域中，南海是我国海洋石油可持 续发展的最有前景的区域，被称为世界四大油气聚集地之一。石油地质储量约占 我国油气资源总量的1 3 ，其中7 0 蕴藏于深水。越南、菲律宾、马来西亚、 新加坡等周边国家都在南海开采石油，钻井1 0 0 0 多口，发现含油气构造2 0 0 多 个和油气田1 8 0 个，年采石油量超过5 0 0 0 万吨，早已形成了事实上的“开发热”。 而我国在南沙海域的开发基本是一片空白。 海上石油工业的特点是技术、瓷金双密集的高风险产业。海上油气资源的勘 探开发投资非常大，往往是陆上油田投资的数倍【8 - 9 。陆上每钻井一米耗资约1 万元人民币，而海上钢结构平台，每平方米造价就高达两万美元。建设一个中型 的海上油田，投资将在3 亿到6 亿美元，一个大型油田总投资将高达2 0 亿至3 0 亿美元。此外，技术也是目前国内的石油公司最缺乏的。目前我国海洋石油的开 发水平仅仅在3 0 0 米水深范围，而国外已达万米。按照国家石油发展规划，2 0 0 4 年2 0 1 0 年间，我国海洋石油开发将迎来一个高速发展期，国内海洋原油产量 将在2 0 0 3 年的基础上增长一倍。我国石油企业也将积极开展海上特别是深海油 气的开发利用，为我国的深海油气开发提供了新的发展机遇。 2 天津大学硕士论文第一章绪论 1 2 海洋平台结构 海洋平台是海洋石油天然气资源开发的基础性设施，是海上生产作业和生活 的基地，它为开发和利用海洋资源提供了海上作业与生活的场所。海洋平台的设 计和建造水平，在一定程度上标志着海上石油的开发水平。 世界上第一座近海石油平台于1 9 4 7 年建在墨西哥c o u i s s a n a 海域，平台高 出水平面6 m 。从此以后，各类海上建筑物陆续出现。目前世界不同海域已建成 不同形式的海洋石油平台6 0 0 0 余座。海洋平台的发展经历了由简单到复杂的过 程。平台的建筑材料从木材到钢材，到钢筋混凝土；结构形式从固定式到移动式 等多种结构形式：作业水深从2 3 米，发展到几百米，甚至上千米。海洋平台结 构复杂、体积庞大、造价昂贵，特别是与陆地结构相比，它所处的海洋环境十分 复杂和恶劣，风、海浪、海流、海冰和潮汐时时作用于结构，同时还受到地震作 用的威胁。历史上曾发生过多次海洋平台事故，造成了重大的经济损失和人员伤 亡【1 0 1 。 1 2 1 海洋平台结构的种类 海洋平台结构的种类可以按照能否移动、主要用途( 功能) 或者建造平台所 采用的主要材料等进行划分【l l 】。 按其在海上安装的方式可分为固定式和移动式两大类。具体分类如下： 海洋平台 移动式 固定式 浮式 攀萎式 蛛式1 愀 鬻式 顺应式 蓁雾盖妻 l 群柱式 j 桩式t 惹差萋 l 重力式 图1 1 给出了五种海洋平台示意图。其中，两种自升导管架式平台和重力式 平台穿入海底。目前已建成的固定式结构物可达水深3 0 0 m 左右。半潜式平台和 天津大学硕士论文 第一章绪论 浮式生产船是自由漂浮的。张力腿平台通过系泊链约束垂向振荡，系链的拉力源 于平台的自身浮力大于平台的重量。浮式生产船和半潜式平台用散开的系泊系统 定位，另选择推力器或动力定位系统。立管用以连接海底和平台上的设备。 图1 1 五种海洋平台。从左到右为导管架式平台、重力式平台、半潜式平台 浮式生产船和张力腿平台( t l p ) 海洋平台结构按主要用途( 功能) 可以划分为： 海洋平台 按照采用的主要材料，划分如下 海洋平台 钻井采油平台 储油平台 油气处理平台 生活平台 术质平台 钢质平台 混凝土平台 混合平台 1 2 2 国内外海洋平台的发展概况 海洋平台的建造历史可以追溯到1 8 8 7 年在美国加利福尼距所建造的第一座 用于钻探海底石油的术质平台。第一座钢质导管架平台于1 9 4 7 年在墨西哥湾6 米水深的海域建成。此后，海洋平台得到了迅速发展。 第座坐底式平台是1 9 4 9 年在墨西哥湾钻井的“环球4 0 号”平台。2 0 世 。，0”h嘤要，00山攀且努。盟 霉嫂妙建妒 天津大学硕士论文第一章绪论 纪5 0 年代共建造了近3 0 座坐底式平台。此后的十多年中，坐底式平台没什么发 展。直到1 9 7 3 1 9 7 4 年间，由于原油价格暴涨，人们对适合水深小于3 0 米的浅 水区工作的坐底式平台的需求再一次表现出来，于是在7 0 年代后半期又建造了 一些坐底式平台，此后又趋于冷落。为适应在不同水深范围内的钻井，1 9 5 4 年 出现了第一座自升式钻井平台“加利福尼亚1 号”。到1 9 6 0 年，大约有3 0 座自升式平台在使用中，最大工作水深约5 0 - - 一6 0 米。到7 0 年代，为了满足全世 界勘探的需要，自升式钻井平台的数量迅速增加，到7 0 年代末，自升式钻井平 台占移动式钻井装置的总数的一半。而到了1 9 8 5 年，此比例已达到6 0 ，自升 式钻井平台的最大工作水深已达1 3 7 1 6 米。 世界上第一座混凝土平台是1 9 7 3 年在北海7 0 米水深海域建成的e k o f i s k 海 上储油平台，这是一座直径9 2 米，高约1 0 0 米，贮油能力为1 0 0 万桶的海上巨 型混凝土平台l l 引。它的成功建造为世界上其它海域广泛地采用这种结构型式的 平台提供了成功经验。由于混凝土平台具有海上作业时间短和费用低等优于钢质 导管架平台的多种优点，因此从1 9 7 3 年至1 9 7 8 年短短的五年时间内，在北海和 巴西近海及墨西哥湾近海就建成了17 座混凝土平台。这是混凝土平台发展史上 发展速度最快的一个时期l l6 。但是，从1 9 7 9 年至1 9 8 3 年的一段时间内，由于 混凝土平台本身存在的一些缺点和使用初期遇到的一些问题，如材料消耗大、运 输量大、结构对地基的要求高、需要较大较深的施工水域和深水航道等，使其迅 速推广至世界其它海域带来了一定的困难和限制，这一时期混凝土平台的发展速 度放慢，进入了低潮。从1 9 8 4 年以后，一些石油公司开始重新认识到混凝土平 台的优点，定货量开始增加，到1 9 9 7 年底，世界上建成的混凝土平台又增加了 3 0 多座。这一时期混凝土平台开始从中等水深区向浅海区发展，并且开始建造 了很多小型混凝土平台。而且还出现了混凝土半潜式浮式平台和张力腿混凝土平 台。目前，凭借得天独厚的自然环境条件，欧洲北海仍然是研究和发展混凝土平 台最为活跃的地区，挪威、英国、德国、法国等国都在参加混凝土平台的研究和 进一步开发、推广。近年来，除了北海以外，在其它海域如巴西、印度尼西亚及 日本等国也对混凝土平台发生了很大兴趣，并已建成了几座浅水混凝土平台。 我国从1 9 6 6 年1 2 月底在渤海湾建成第一座固定式导管架平台起，已有 3 0 多年的历史。在这3 0 多年的时间里，中国海洋石油总公司下属的四大公司： 渤海公司、南海东部、西部公司和东海公司已建成使用的海洋平台有几十座。平 台结构型式主要是钢质导管架平台，此外还有锥体沉箱式和浮式生产储油系统。 由于我国有大片的浅水及海滩地区需要勘探开发，在所采用的钻井装备中，坐底 式平台占有重要的地位。1 9 7 9 年建成并投入使用的“胜利一号”坐底式平台是 我国设计、制造的第一座坐底式平台，作业水深范围为2 5 米，此后于1 9 8 8 5 天津大学硕士论文 第一章绪论 年又建成了胜利二号和胜利三号坐底式石油钻井平台。目前我国已探明的油气储 量主要在浅海海域，储量约1 3 亿吨，其中一半近5 亿吨属于边际油田。边际油 田的定义是：石油公司只有在选用改进的技术和( 或) 资金方案的条件下才能获得 经济效益1 1 7 j 。如何有效地开发这部分资源，对推动我国经济的发展具有十分重 要的意义。 关于混凝土平台在我国海上油气田的开发应用，早在1 9 6 5 年就开始了研究 论证工作。七十年代末开始的十几年时间里，对混凝土平台进行了大量的方案设 计和试验研究，取得了许多宝贵的技术成果。针对渤海的环境条件和边际油田的 特点，中国海洋石油总公司组织国内有关单位提出了介于重力式平台浅基础和导 管架桩基础之间的一种平台新型基础结构型式，并开展了采用这种新型基础的平 台的试验和理论研究。2 0 世纪9 0 年代初期出现的桶式负压桩基础平台，以其特 有的优点在很短的时间内受到了广泛的关注。 由于本文设计研究的属于张力腿系泊系统，张力腿平台的发展和研究将在下 节进行详细的介绍。 1 - 2 3 张力腿平台的研究 随着海洋开发愈来愈向深海推进，油气资源的开发也不断进军深海。深水作 业的不断增加，各种传统的移动式平台( 如半潜式平台和钻井船等) ，其运动性 能和定位难以满足深水作业的要求，而各类固定式平台( 如重力式平台和导管架 平台等) ，因自重和工程造价随水深变化而大幅度地增加，也已不能适应深海环 境，所以必须发展新型的平台。从2 0 世纪5 0 年代以来，一些国家不断进行这方 面的研究探索，并设计出顺应式平台( c o m p l i a n tp l a t f o r m ) 。在近2 0 年，顺应式 平台已得到广泛的发展和应用。其显著特点是具有特殊的结构形式，从而使工程 造价较低，结构安全性良好。张力腿平台( t e n s i o nl e gp l a t f o r m ，简称为n j ) 就 是深海顺应式平台的一种典型形式。 张力腿平台包括四大部分：1 ) 平台，提供结构预张力并支撑上部甲板和设 备载荷，其中平台部分由船体和上部甲板结构组成，船体又由立柱和浮箱组成； 2 ) 系泊系统( 张力腿) ，将平台本体与海底地基连接起来，从而将结构相对固定 入位。系缆所需张力由船体结构的浮力提供；3 ) 基础，提供张力腿强大的抗拔 力并为整体结构提供良好稳定性、安全性；4 ) 立管系统1 1 8 】。 张力腿平台是利用多余的浮力来支撑甲板上的有效载荷并给柔性结构( 系 泊、张力腿、立管) 提供张力。1 9 5 4 年，美国的r 0 m a r s h 率先提出了采用倾 斜系泊索群固定的海洋平台方案，被公认为张力腿平台的鼻祖，之后3 0 年是张 力腿平台的理论研究探索和工程酝酿阶段，各国学者对张力腿平台进行了艰难而 6 天津大学硕士论文 第一章绪论 又富有成效的研究。7 0 年代末期以后，各国研究人员才真正开始工程性的研究 和实施1 1 9 - 2 0 。 1 9 7 4 年，美国深海石油技术公司在加利福尼亚附近海域6 0 m 水深处安装了 一座6 5 0 t 的张力腿试验平台“d e e p o i l x 1 ”，并进行了长达5 年的试验研究和理 论分析对比，在波浪中运动性能、张力腿内张力变化规律和海底锚固基础等方面 得出了大量有益结论和数据。同一时期，日本、挪威、荷兰、意大利等国的相关 海洋工程科研机构也投入了大量人力、物力进行理论和实验研究，提出了种类繁 多的张力腿平台方案。其后，在张力腿平台总体性能、主尺度优化、张力腿内张 力变化特性和旌工安装等各个具体环节进行了全面深入的研究分析。我国相关科 研机构亦密切注视张力腿平台技术的发展。2 0 世纪8 0 年代，中国船舶研究中心 进行了将近1 0 年的张力腿平台模型实验研究，为发展我国的张力腿平台技术做 出了开拓性工作。 自从1 9 8 4 年世界上第一座由c o n o c o 公司建造的张力腿平台正式安装在欧 洲北海的h u r o n 油田以来，张力腿平台的工作水深已达12 5 0 m 2 1 j 。与导管架平 台相比，导管架平台的造价与水深关系大致成指数关系增加，而张力腿平台的造 价则随水深的增加变化较小。张力腿平台由于其突出的优点【2 2 1 ，成功的迎接了 深水石油开发的挑战，在今后相当长的时间内将得到广发的应用和重大的发展， 是6 0 0 0 米水深范围内的最理想的选择。 张力腿平台的家族的飞速发展，将人类开发海洋的脚步不断向前推进。目前 世界上在役和在建的张力腿平台共有2 1 座，平台的生产区域从北海和墨西哥湾 到西非沿海，再到东南亚海域，已逐步扩展到全球各大海上石油产区，形成了人 类深海采油领域不容小视的力量。 关于张力腿平台的研究内容一般集中于以下几个方面：结构优化设计； 结构动力分析；结构的施工与安装方法：整体平台的系统管理( 包括结构的 现场监测) 。其中，平台结构的动力分析研究是整个张力腿平台设计的核心部分， 它决定了最终结构的设计方案，以及结构的构造和施工、安装的方法。长期的生 产实践证明，张力腿平台在深海作业中具有运动性能好、抗恶劣环境作用能力强、 造价相对于固定式平台较低等优点。因此张力腿平台作为优秀的深海平台，自其 诞生之日起一直蓬勃发展，是今后一段时期内深水石油平台的主要形式之一。 近2 0 多年来，我国在近海石油勘探和开发技术的合作上，取得了可喜的飞 跃，但深水勘探钻井和开采技术，还远远没有得到突破。因此张力腿平台的发展 和研究对我国未来深海资源开发有着十分重要的意义。 天津大学硕士论文第一章绪论 1 3 本文的工作 本文对浅海油轮系、靠泊终端技术进行了探讨研究，为旅大油田储油平台原 油外输系统设计了一套柔性系靠泊平台，并使用水动力软件m o s e s 对其进行了在 位系泊、柔性靠泊分析及稳性分析，采用s a c s 计算程序进行了静力分析。对靠 泊平台的局部有限元分析表明其满足强度要求，证实了设计的有效性。 旅大2 7 2 3 2 2 油田位于渤海东部海域，西北距河北省秦皇岛市约1 0 4 公里， 东南距辽宁省旅顺口约8 5 公里。油田范围内水深2 2 米2 7 米，两个油田相距 约1 1 8 公里。依据该油田的建设规划和可行性研究，拟在原平台附近新建一座 储油能力约为1 2 ，0 0 0 吨的储油平台，穿梭油轮的装油能力约为1 0 ，0 0 0 吨。为 更合理有效地外输原油，本文根据环境条件、土质条件和船舶信息，设计了可行 的原油外输方案柔性系靠泊方案。图1 2 给出了油田及系靠泊平台安装地点 示意图。 l d 3 2 - 2 嗍p x ( e ) 5 2 8 3 6 5 7 y ( n ) 4 3 3 5 7 5 9 5 8 l d 2 7 - 2w h p x ( e ) 5 2 6 3 2 5 7 y ( n ) 4 3 4 4 4 5 4 6 图1 2 旅大2 7 2 3 2 2 油田及系靠泊平台安装地点示意图 天津大学硕士论文第二章系靠泊系统方案 第二章系靠泊系统方案 本章通过对各系靠泊方案的介绍和比较，找到适合本项目的靠泊系统柔 性靠泊系统。 海上装卸石油的码头按其结构形式可分为固定式和浮动式两种类型。浮动式 主要有多点系泊和单点系泊码头。 2 1固定式码头 岸 囊岸 图2 1 固定式码头示意图 9 码头 泊愆 蠢袖簟 天津大学硕士论文第二章系靠泊系统方案 图2 1 给出了两种形式的固定码头，其结构基础均牢固坐落在海床上，故适 用于较浅水域，如我国的渤海埕北油田和大连新港输油码头。固定码头操作条件 好，维修费用低，但建造周期长，投资费用高，适应性较差。 2 2 单点系泊码头 单点系泊码头属于浮动式码头。 _ 摩 簟点荐_ 图2 2 单点系泊示意图 单点系泊，又称单浮系泊，顾名思义就是通过单点浮筒这种“浮动的码头”， 就可以供大型油轮系泊和装卸原油，它改变了港口码头的概念，摆脱了地理环境 的束缚，无需深水岸线和航道，充分发挥了大型传播运输的优点。卸油作业时， 油轮通过系泊缆系泊在单点浮筒上，漂浮软管与油轮上管汇相接，油轮带动浮筒 上的三臂旋转系统一起围着浮筒外壳3 6 0 度旋转，使船首总是迎着风流，始终处 于最小的受力状态。图2 2 给出了单点系泊的示意图。 用于试采工程的工程设施布置除了单点系泊装置和储油轮外，还有自升式钻 井船，其布置如图2 3 所示。 1 0 天津大学硬士论文第二章系靠泊系统方案 澎 篷生塾笪 图2 - 3 单点系泊方案示意图 单点系泊装置作为海上输油终端有诸多优点，如适应性强，系泊弹性好：与 固定码头相比，投资少，建设周期短，机动性好等。目前，尽管有许多单点设施 在国内油田、油码头中使用，但此类工程基本由国外公司垄断，其对此类工程的 报价均较高。国内企业对单点设旄的设计、建造经验还较少，如利用国内产品， 存在一定风险性，故经综合考虑后，不适用干本工程。 2 3 多点系泊码头 图2 - 4 多点系泊码头示意图 无津大学两士论立第二章系靠泊系统方案 多点系泊系统是一种比较简易且经济的海上系泊设施，它一般采用4 8 个 幕泊浮筒，借助于一个多点系泊的浮船作为一个浮动式装卸油平台进行装卸油 作业，如图2 - 4 所示。例如。1 9 7 4 年我国在青岛建设的黄岛临时原油码头，是用 一条旧油轮做浮动码头用四个浮简系泊，胜利油田的原油从陆地输至黄岛，通 过5 0 0 m 的海底管线送至浮码头，它是胜利油田原油外输的临时码头。 多点系泊具有结构简单，建造费片j 低等优点但其结构特点决定了这种系泊 码头抗风浪能力差，船头必须迎着强风方向停泊。这对于风浪多变的海区使用 受到很大辗制。此外它的系缓复杂，油轮停靠作业所需时问较长。 常见的系泊方案有两点系泊、刚性系泊方案、柔性系泊方案等。 2 3 1 两点系泊方案 两点系泊属于浮动式系泊装油系统是一种简易而经济的海上系泊设蓝。采 用2 个系泊浮筒将储油轮系泊在海上作为浮动式装油作q k 平台，进行装卸油作 业。由于其他多点系泊( 如三点或四点系泊等) 方式中，储油轮不便于穿梭油轮 的旁靠所以在试采工程中两点系泊足一种较适合的系泊方式其布置如图 2 - 5 所示。 目艄 力 主鐾 嚣浮轼臂 厂 储袖轮 t 环疆吁再鬈酮瓣 | 呈i2 - 5 两点系泊方案示意图 两点系泊方式布置简单，对于较短的使用周期( 一般试采的作业周期为3 - 6 天雄大学硕士论文 第二章系靠泊系统方案 个月) ，并且波浪条件不十分严重的情况。采用这一系统可以使施工及使用方便 快捷并且不失其安全性。两点系泊系统的“系泊”( 由首尾备一个吸力锚和锚 索系统组成) 及“输油”两项功能相对较为独立，而且所系泊油轮基本上始终 保持在一定方向，无需设置旋转接头这就在一定程度上造成它的简易性；两点 系泊系统劣势在于其抗风浪能力差，在承受横向风、浪作用时储油轮系泊缆的系 泊力大，对于风浪方向多变的海区，使用受到一定限制。 23 2 刚性靠泊方案 刚性靠泊方案既是在试采作业的钻井平台附近修建离岸式固定码头以供储 油轮靠泊。刚性靠泊方案的工程设施包括两座分离布置的靠泊小平台，由浮简、 吸力锚等组成的系泊系统、连接钻井平台与储油轮的栈桥等。其布置如图2 - 6 所 示。 两座靠泊平台相距一定距离并顺流方向布置，两套由浮筒，吸力锚组成的系 泊系统分置在两座靠泊平台连线方向的两端。油轮靠在靠泊l 台的靠船件上，井 系泊在浮筒上；吸力锚是系泊浮筒的海底锚固基础。其中一座靠泊平台与钻井平 台之日j 通过栈桥连接，栈桥既是储油轮与钻井平台输油管路的铺设通道。又是二 者之间人员走动的通道。 图2 - 6 剐性( 固定码头式) 靠泊方察总体布置示意图 刚性靠泊平台的基础坐落在海床上，故适用于较浅的海域，其操作条件较好， 维修费用较低：在钻井船与储油轮之间搭设的栈桥，可以为输油软管的铺设提供 天津大学砚士论文第二章幕靠泊系统方案 通道，输油软管经栈桥和靠泊平台延伸至储油轮长度较短，且无需输油旋转接 头，输油安全可靠。刚性靠泊提供的靠泊力较大为了满足系泊安全性，刚性靠 泊结构及基础较庞大投资费用高，建设周期长：刚性靠泊的结构特点决定了其 在重复使用时对水渫的适应性较差。为了克服这固有的缺点，搿对其进行改型 设计，以在保留其靠泊力较大的优点基础上降低其费用和建设周期提高对不同 水深的适应性。 2 3 3 柔性靠泊方案 与单点、两点和刚性系泊方案相比。柔性靠泊浮筒整体刚度小，船舶撞击反 力小，吸收能量大，靠泊时两个浮筒受力均匀，避免了两点刚性靠泊时单点受力。 柔性靠泊方式在各个方向均可抗冰，且抗冰能力强。同时，该方案具有安装方便， 安装费用较低的优势。可实现自浮拖航、自安装，不动用大型施工设备。 浮式码头多采用的是多点悬链腿系泊的方式，由于悬链腿系泊只有在较深海 域才能有效的发挥出其功效故不适合于浅海区域。本方案的靠泊浮筒采用的是 张力腿型系泊，能够适用于浅海水域。靠泊基本形式示意圈见图2 - 7 。图2 - g 给 出了输油平台、靠泊平台、油轮位茕示意图。 蓬 图2 7 柔性系靠泊基本形式示意图 天漳大学硕士论文 第二章系靠泊系统方案 图2 - 8 输油平台、靠泊平台、油轮位置示意图 2 4 本章小结 本章对常见的油轮系靠泊终端形式进行了介绍，包括固定码头及多点系泊、 单点系泊等，详细介绍了各种不同终端的结构特点、使用条件及经济性等。与其 他系泊方案相比，柔性靠泊方案安装方便，安装费用较低。并且，其靠泊时两个 浮筒受力均匀，避免了两点刚性靠泊时单点受力，各个方向均可抗冰，抗冰能力 强。 综合比较，本文设计的方案选择的是柔性靠泊方案。 i 罗。 天津大学硕士论文第三章本文的设计方案 第三章本文的设计方案 3 1 柔性靠泊方案的设计原理 柔性靠泊设计由靠泊浮筒、锚链和基础组成，与系泊不同，在船舶靠泊时靠 泊系统需要吸收巨大的初始船舶动能，从能量的角度看船舶动能会转化为浮筒的 势能。 图3 1 靠泊设计原理图 卜靠泊浮筒；2 一锚碇结构；3 一钢索或锚链； 4 立柱：5 水面；6 泥面；7 船舶。 张力腿浮筒在船舶撞击之前处于自由牵拉状态，此时靠泊浮筒净浮力b 与张 力腿拉力厂数值相等、方向相反，并处于同一垂线状态。船舶以一定的速度撞击 靠泊浮筒上的立柱时，靠泊浮筒顺船舶撞击方向发生水平位移a 6 ，张力腿偏移 一个角度秒，由于其长度不变，靠泊浮筒发生水平位移的同时发生垂向位移 a h 。根据能量守恒定律，得出： 1一 e o = i ll 胂，行y | 2 = b a h ( 3 1 ) z 其中& 为船舶撞击有效能量，聊为船舶质量，为船舶靠泊时法向速度， 1 6 天津大学硕士论文第三章本文的设计方案 巳为附加水系数。 由靠泊浮筒位移的几何关系得出 万：归1 i 研 将式( 3 - 1 ) 代入式( 3 2 ) 得 万= l ( 3 2 ) ( 3 3 ) 式( 3 3 ) 表示靠泊浮筒水平位移与张力腿浮筒系统吸收能量的关系，随靠泊浮 筒水平位移的增大，张力腿浮筒系统所吸收能量也增大。张力腿浮筒系统在靠泊 浮筒发生位移后产生水平恢复力f ： ，：b t a n0 ：b 竽( 3 - 4 ) 三 式( 3 4 ) 反映了浮筒水平位移与水平恢复力关系。 根据以上原理，设计靠泊系统尺寸为： b = 3 0 m l = 1 0 m 假设8 0 0 0 d w t 油轮排水量5 0 0 0 t ，靠泊速度0 5 m s 靠泊平台，根据d n v 规范，靠船能量为8 7 5 k j ，若采用沈阳普利司通d a a 8 0 0 h 型护舷，反力约为 2 6 0 t ；若采用上面柔性靠泊系统，浮筒最大水平位移2 4 2 m ，最大水平恢复力7 2 6 t 。 假设8 0 0 0 d w t 油轮排水量8 0 0 0 t ，靠泊速度0 5 m s 靠泊平台，靠船能量为 1 4 0 0 1 0 ，已超过沈阳普利司通d a a s 0 0 h 型橡胶护舷的最大吸能量。若采用柔 性靠泊系统，浮筒最大水平位移3 0 m ，最大水平恢复力9 1 4 t 。 3 2 设计方案 本文设计的油轮系靠泊平台主要由两个柔性靠泊平台和两个刚性系泊平台 两部分组成。靠泊系统由靠泊平台和基础结构两部分组成，它们通过四根直径为 9 0 m m 的锚链连接，如图3 2 所示。靠泊平台结构由两根尺寸为西1 3 9 7 x 4 8 m m 的 圆钢管和侧面的四个直径为6 5 m 的浮筒框架组成。基础结构由四个直径为6 5 m 、 高8 m 的吸力桩和其上面的立柱框架组成。 靠泊浮简由系泊链系于钢架上，钢架由吸力锚锚固于海底，提供抗拔力。靠 泊浮筒浮在水面并保持一定的剩余浮力，使系泊链始终处于张紧状态。储油轮靠 泊在两个靠泊浮筒上，其艏艉通过系泊缆栓在系泊平台上。系泊平台通过栈桥与 输油平台连接，靠泊平台通过软梯与输油平台连接。系靠泊平台平面布置图和立 天津大学硕士论文第三章本文的设计方案 面布置图分别见图3 - 2 和3 - 3 。 图3 2 系靠泊平台平面布置图 f - j ( + ) 75 n nt ? 冀? e 【( ) 0 0 0 0 y n捌 e 塑垒 i厂夕。 纨 i 卜、柔性靠泊平台 e l ( 一) 2 70 c 0 弧，。 e(一)ll 3 5 0 0j 3 0 0 0 1 3 图3 - 3 系靠泊平台立面布置图 1 8 垂竖盔芏塑主堡圣 茎三至查奎盟墨生立塞 3 2 1 靠泊系统 靠泊系统由靠泊平台和基础结构两部分组成，结构示意图如图3 - 4 所示。图 3 - 5 和3 - 6 分别给出了靠泊平台结构图和下部基础结构图。 图3 - 4 靠泊系统结构示意图 筒 力桩 天津大学硕士论文第蔓章本文的设计方案 图3 5 靠泊平台结构图 靠泊平台尺寸：浮筒尺寸为0 6 5 m 4 m ；浮筒间距为1 2 mx1 2 m ；靠泊平台 高约2 2 m ，总重量约3 5 5 t 。 下部基础结构尺寸：吸力桩尺寸为0 6 5 m 8 m ，吸力桩基础间距为1 6 6m 1 2 m 。基础结构高约1 6 m ，重约1 7 0 t 。 靠泊平台与下部基础之间连接锚链直径9 0 m m ，重约1 4 t ，破断力为4 5 3 1 吨。 天津大学硕士论文第j 章本文的设计方案 o 3 2 。2 系缆平台 l 鳋 图3 - 6 下部基础结构图 系缆平台为单柱、3 筒吸力桩基础结构。结构总高约4 2 m ，系缆平台顶端高 出水面约7 5 m ，两系缆平台间距约ll o m 。见图3 7 。 2 1 固 a 图3 7 系缆平台 天津大学硕士论文第三章本文的设计方案 图3 - 8 系缆平台结构图 系缆平台的结构图见图3 8 。吸力桩尺寸为0 6 5 m 7 5 m ，三个吸力桩基础 间距为1 6 m 。工作平台尺寸为3 8 m 4 9 m ，结构高4 2 m ，系缆平台重量1 7 5 t 。 3 3 参数选取 3 3 1 油轮技术参数 1 0 0 0 0 d w t 油轮基本资料如下表3 1 所示。 表3 110 0 0 0 d w t 油轮基本资料 船长型宽型深满载空载 ( m )( m )( m )吃水( m )排水量( t o n )吃水( m )排水量( t o n ) 1 2 6 4 81 81 0 781 4 0 0 02 54 0 0 0 3 3 2 环境条件 海水深约为2 7 m 。常风向：s s w ；常浪向：s s w ：常流向：n e s w 。风、 浪、流参数表3 2 。表3 - 3 和表3 4 分别给出了工程水位和海冰参数的选取。 天津大学硕士论文第三章本文的设计方案 表3 - 2 风、浪、流的计算参数 重现期 ( 年) 要素单位 151 02 55 0 1 0 0 3 秒钟阵风风速 m s2 3 22 8 13 0 73 3 13 5 83 7 8 1 分钟平均风速m s2 0 62 4 92 7 32 9 43 1 73 3 5 1 0 分钟平均风速m s1 8 52 2 42 4 52 6 42 8 53 0 1 1 小时平均风速m s1 7 52 1 12 3 12 4 92 6 92 8 4 有效波高h 1 3 m3 03 43 74 14 5 4 8 有效波周期t 1 3 s6 5 6 8 7 17 47 8 8 0 最大波高l - l m a x m4 95 76 26 8 7 58 0 波谱峰值周期t p s7 17 5 7 88 28 58 8 表层流速c m s 1 3 l1 4 01 4 81 5 51 6 41 7 1 中层流速 c m s 9 51 0 11 0 71 1 31 1 91 2 4 底层流速c m s 6 06 36 77 07 4 7 7 表3 3 工程水位 重现期( 年) 要素 151 02 5 5 01 0 0 极端高水位( c m )2 3 32 4 32 4 62 4 92 5 22 5 5 极端低水位( c m ) - 5 7- 7 3- 7 8- 8 3- 8 89 2 表3 - 4 海冰参数 重现期( 年) 5 0 1 0 0 设计参数 冰厚抗压强度冰厚 抗压强度 ( c m )( m p a )( c m )( m p a ) 平整冰 3 02 1 23 52 1 3 重叠冰 4 52 1 2 5 2 2 1 3 天津大学硕士论文第三章本文的设计方案 3 4 本章小结 本章对设计采用的柔性靠泊方案进行了详细的阐述。首先给出了柔性靠泊方 案的设计原理。从能量的角度得到了浮筒水平位移与水平恢复力关系。其次，给 出了详细的设计方案。设计的平台主要由两个柔性靠泊平台和两个刚性系泊平台 两部分组成。靠泊系统由靠泊平台和基础结构两部分组成，它们通过四根锚链连 接。系泊平台通过栈桥与输油平台连接，靠泊平台通过软梯与输油平台连接。并 且给出了设计参数，可以用来进行计算和分析。最后，给出了油轮参数和环境条 件。 天津大学硕士论文第四章计算结果和分析 4 1 在位系泊分析 第四章计算结果和分析 分析采用美国u l t r a m a r i n e 公司的m o s e s 。在位系泊分析包括校核系泊缆力、 锚缆力和护舷碰撞力是否能满足设计要求。还包括靠泊平台和油轮的位移是否能 够满足设计要求。分析参照规范 2 3 】或手册【2 4 】进行。系泊布置图如图4 1 所示。 图4 1 中所示的八根系泊缆r o p e l 和r o p e 4 为直径1 2 0 m m 的尼龙缆，破 断力为2 3 4 8 6 t ；w i i 也1 和w i r e 2 为直径1 | 0 r a m 的尼龙缆，破断力为1 9 7 3 5 ： r o p e 2 和r o p e 3 为直径6 0 m m 的尼龙缆，破断力为5 8 7 2 t ；s t e e l i 和s t e e l 2 为直径为6 0 r a m 的钢缆，破断力为1 8 0 t 。f e i f e 4 为防碰球，刚度为1 6 0 0 t m 。 浮筒静浮力为3 0 0 t 。 在位系泊的设计水位采用一年一遇工况条件。具体参数见第三章表3 - 2 表 3 3 。 4 1 1 工况组合 计算中考虑风波流同向，对0 0 、4 5 0 、9 0 。、1 3 5 0 、1 8 0 0 、2 2 5 0 、2 7 0 0 、3 1 5 0 八个方向进行计算。环境方向示意图如图4 - 2 所示。工况组合如表4 - l 所示。计 算模型见图4 3 和图4 4 。 天津大学硕士论文第四章计算结果和分析 图4 1 系泊布置图 2 7 奎堡查堂墅主堡兰墨翌量生基堕墨翌坌堑 1 2 7 f 】 图4 2 环境方向 表4 - 1 环境荷载工况 风( 。)波( 。)流( 。)潮位 船况 c a s e l 0 0 0低潮 空载 c a s e24 54 54 5 低潮空载 c a s e39 09 09 0 低潮空载 c a s e4 1 3 5 1 3 5 1 3 5低潮 空载 c a s e5