（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）fpso悬式锚腿系泊系统的锚系设计研究.pdf

武汉理工大学硕十学位论文 摘要 f p s o ( f l o a t i n gp r o d u c t i o ns t o r a g ea n do f f l o a d i n gs y s t e m ) 系统正如它的 缩写名称那样，有着浮式生产、储备和卸载的功能，包括上部处理设施、船 舶系统和系泊系统。f p s o 因为具有适应水深范围广、抗风浪能力强、投资省、 见效快、可重复使用、风险小等特点而广泛应用于海洋石油的开发，成为目 前海洋石油开发三大件之一，为世界石油工业的发展做出了巨大的贡献。 f p s o 通常需要长期系泊于一个固定的海域工作，对其系泊系统有较高的 要求，因此其系泊系统的设计一直是一项关键技术。目前f p s o 的系泊方式以 单点系泊为主。本文首先分析了单点系泊系统的特点，总结了其区别于其他 系泊方式的优势。然后重点研究了目前占到单点系泊总数的一半以上的悬式 锚腿系泊( c a l m ) 系统的锚泊线的初步设计。在一定假设的基础上依据悬链 线理论对单一成分锚泊线和两成分锚泊线组成的c a l m 系统分别进行了静力 分析。对于单一成分锚泊线构成的锚泊系统，本文将常用的几种材料进行了 系列计算，得出与具体的系泊浮体及海区海况无关的、具有通用性的图谱， 可供设计人员初选锚泊线材料和锚泊设备之用。而对于两成分锚泊线构成的 锚泊系统，各成分的断裂强度、材料价格、长度等有多种组合方式，这就带 来各成分的组合优化问题，本文在前人工作的启发下，分别采用了单目标和 双目标的优化，并对优化结果进行了分析比较，得出相关结论。 通过本文的工作，作者获得了对单点系泊系统的认识，特别是对其初步 设计阶段的准静力分析方法和浮筒锚链系统的物理模型有了较深的理解，对 于锚泊线的各成分之间的组合优化问题有了初步的了解。 本论文的方法和结论对于悬式锚腿系泊系统的初步设计和研究具有一定 的工程现实意义和参考价值。 关键词：系泊系统，单点系泊，悬式锚腿系泊，优化，f p s o 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ea b b r e v i a t i o ns h o w s ，t h ef p s o ( f l o a t i n gp r o d u c t i o ns t o r a g ea n d o f f l o a d i n gs y s t e m ) s y s t e m h a st h ef u n c t i o n so ff l o a t i n gp r o d u c t i o n ，s t o r a g e ，a n d o f f l o a d i n g a n di t i n c l u d e sp r o c e s se q u i p m e n t ，s h i ps y s t e ma n dm o o r i n gs y s t e m b e c a u s ef p s os y s t e mh a sm a n yf e a t u r e s ，s u c ha sa d a p t a b i l i t yf o rw a t e rd e p t h ， p o w e r f u lr e s i s t a n c et ow i n d ，w a v ea n dc u r r e n t ，l i t t l ei n v e s t m e n ta n df a s tr e t u m ， m o v a b l ea n dr e l o c a t a b l e ，a n dl o w e rr i s k y , i t sw i d e l ya p p l i e dt oo f f s h o r eo i l f l e l d d e v e l o p m e n t s i t b e c o m e soneo ft h e t h r e em a i n e q u i p m e n t s o fo c e a no i l d e v e l o p m e n t ，a n dh a v em a k eag r e a tc o n t r i b u t i o nt ot h ew o r l d o i li n d u s t r y f p s os y s t e mo f t e nw o r k si naf i x e dr e g i o n ，s oi tc a l l sh i g h e rr e q u i r e m e n t sf o r i t sm o o r i n gs y s t e m b e c a u s eo ft h i s ，t h em o o r i n gs y s t e md e s i g nh a sb e e na l w a y sa k e yt e c h n o l o g y c u r r e n t l yf p s o sm o o r i n gs y s t e ma r em a i n l yt h es p m ( s i n g l e p o i n tm o o r i n 曲s y s t e m t h i sp a p e rh a ss u m m e du pt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es p m s y s t e ma n d i t sa d v a n t a g e sc o m p a r e dw i t ho t h e rm o o r i n gs y s t e m s t h e nf o c u s e so n t h ep r e l i m i n a r yd e s i g no ft h ec a l m ( c a t e n a r ya n c h o rl e gm o o r i n g ) s y s t e m ， w h i c ha c c o u n t sf o ro v e rh a l fo ft h et o t a ln u m b e ro ft h es p ms y s t e m o nt h eb a s i s o fc e r t a i na s s u m p t i o n sa n dt h ec a t e n a r yt h e o r y ，t h es i n g l ec o m p o n e n tm o o r i n g s y s t e ma n dt h et w oc o m p o n e n t sm o o r i n gs y s t e mh a v eb e e nc o n d u c t e das t a t i c a n a l y s i sr e s p e c t i v e l y f o rt h es i n g l ec o m p o n e n tm o o r i n gs y s t e m ，t h ep a p e rh a s c o n d u c t e das e r i e so fc o m p u t a t i o n sw i t hs e v e r a lf r e q u e n t l y u s e dm a t e r i a l s t h e n w ec a ng a i nac o l l e c t i o no fg r a p h s ，w h i c ha r eu n r e l a t e dt ot h ec o n c r e t em o o r i n g f l o a t ，t h ea r e aa n dt h ee n v i r o n m e n tc o n d i t i o n s ，a n di t st os a yt h a tt h e yh a v e u n i v e r s a lp r o p e r t y t h e s eg r a p h sc a nh e l pd e s i g n e r sc h o o s et h ep r o p e rm a t e r i a lo f m o o r i n gl i n ea n dm o o r i n ge q u i p m e n t s f o rt w oc o m p o n e n tm o o r i n gs y s t e m ，t h e r e a r ec o m b i n a t i o n so ft h eb r e a k i n gl o a d ，m a t e r i a l sp r i c e sa n dt h el e n g t ho fe a c h c o m p o n e n t s t h i sr a i s e st h ec o m b i n a t o r i a lo p t i m i z a t i o np r o b l e m o fa l lc o n s t i t u e n t s i n s p i r e db y t h ew o r ko fp r e d e c e s s o r s ，t h ea u t h o ru s e ss i n g l ea n do b j e c t i v e s o p t i m i z a t i o nm e t h o d sr e s p e c t i v e l y , a n a l y z e sa n dc o m p a r e dw i t ht h et w or e s u l t s ， i i 武汉理工大学硕士学位论文 a n dd r a w sr e l e v a n tc o n c l u s i o n s t h r o u g ht h i sw o r k ，t h ea u t h o r sh a v eam o r ep r o f o u n du n d e r s t a n d i n go ft h e c o n c e p to fas i n g l e - p o i n tm o o r i n gs y s t e m ，e s p e c i a l l yt h eq u a s i s t a t i ca n a l y s i s m e t h o d so ft h ep r e l i m i n a r yd e s i g np h a s ea n dt h ep h y s i c a lm o d e lo ff l o a t s 。 m o o r i n gl i n es y s t e m ，a n dh a v e a ni n i t i a lu n d e r s t a n d i n go ft h ec o m b i n a t o r i a l o p t i m i z a t i o np r o b l e m so ft h em u l t i - c o m p o n e n t sm o o r i n g l i n e s t h em e t h o d sa n dt h ec o n c l u s i o n so ft h i sp a p e rh a v es o m er e f e r e n c ev a l u ea n d e n g i n e e r i n gp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et ot h es t u d ya n dt h ep r e l i m i n a r yd e s i g no ft h e c a l m s y s t e m k e yw o r d s ：m o o r i n gs y s t e m ，s p m ，c a l m ，o p t i m i z a t i o n ，f p s o i l i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的意义和目的 在全球经济一体化的时代，海洋除了作为世界物流运输业的主要通途外， 更是人类社会可持续发展所需要的工业资源、高效能源、绿色食品和空间资 源的广阔疆域。随着陆地资源的日趋减少和枯竭，各国都把开发的目光投向 了海洋。海洋油气的开发也越来越受到世界各国的重视，其占世界能源总产 量的比重也在逐年提高，在近十年发现的大型油气田中，海洋领域约占6 0 ， 海洋石油勘探开发已被纳入世界各大石油公司的重要发展战略。 我国有漫长的海岸线、众多的岛屿、广阔的海域，海洋开发对我国的现 代化建设有着十分重要的意义。上海交通大学海洋工程国家重点实验室主任 李润培教授说：“从浅海走向深海是世界海洋油气开发的总趋势，也是我国的 战略目标。我国南海深水海域有着丰富的油气资源，属于世界四大海洋油气 聚集中心之一，有“第二个波斯湾”之称。但目前我国深水油田开发技术与 世界先进水平相比有着相当大的差距：世界海上油田生产作业最大水深已达 1 8 5 3 m ，我国仅为3 3 0 m ，世界钻探作业最大水深超过3 0 0 0 m ，而我国仅5 0 3 m ， 世界铺管作业的最大水深达2 1 5 0 m ，我国最大能力为1 5 0 m 。我国石油进口量 逐年大幅度增加，深海油气资源开发利用，急需装备与技术的支撑，这就需 要加强基础研究和前沿技术研究。” 但是，海上油气田开发具有高投入、高风险、高科技、高收益等特点， 因此，合适的生产设施和生产技术是减少海上油气生产投入的重要部分。为 此，世界各大石油公司研制开发了适合不同海域、不同海况和不同产量的海 上生产系统。尤其是近年来，在固定式导管架生产系统占主导地位的基础上， 研制开发了具有广阔前景的浮式生产系统( f p s 0 ) ，不仅能适应深水、超深水 油气生产，同时也能适应浅水生产的需要。f p s o ( 英文全称f l o a t i n gp r o d u c t i o n s t o r a g ea n do f f l o a d i n gs y s t e m ) 是海洋油气开发中极具竞争力的海工设备，被 形象地称做“油田的心脏”。f p s o 系统主要由系泊系统、载体系统、生产工艺 系统及外输系统组成，涵盖了数十个子系统，集生产处理、储存外输及生活、 动力供应于一体，俨然一座“海上油气加工厂”。它把来自油井的油气水等混 武汉理工大学硕士学位论文 合液经过加工处理成合格的原油或天然气，成品原油储存在货油舱，到一定 储量时经过外输系统输送到穿梭油轮。f p s 0 与其他海洋钻井平台相比，优势 明显，主要表现在以下四个方面： ( 1 ) 生产系统投产快、投资低，若采用油船改装成f p s o ，优势更为显著。 而且目前很容易找到船龄不高，工况适宜的大型油船。 ( 2 ) 甲板面积宽阔，承重能力与抗风浪环境能力强，便于生产设备布置； ( 3 ) 储油能力大，船上原油可定期、安全、快速地通过卸油装置卸入穿 梭油船中运输到岸上，穿梭油船不仅可与f p s o 串联，也可傍靠f p s o 系泊。最 新f p s o 还具备了海上天然气分离压缩罐装能力，提高了油田作业的经济性； ( 4 ) 应用灵活，移动方便，其海上自航能力是其它海洋平台系统所不具 备的，因此，f p s 0 可根据作业需要和实际情况迅速转换工作海域和回场检修。 适用于远离海岸的深海、浅海及边际油田开发。 正因为这样，f p s o 需长时间地定位于作业海域，因而定位技术是f p s o 的 关键技术之一，定位系统的设计是f p s 0 总体设计的重要组成部分。围绕着定 位问题，我国的许多专家学者已经进行了许多有意义的工作。但是，这些工 作从总体上来讲，一是理论研究多，实际设计少；二是研究单元技术多，进 行系统分析少。实际上，要开展f p s o 的设计工作，必须解决上述几“少”的 问题。必须使现有的理论研究成果更加实用化、系统化。而本课题的研究可 以提高设计人员在对锚泊系统初步设计阶段的工作效率，同时对已有的方案 进行校核分析，故有很好的工程现实意义和应用前景。 随着海洋开发的进程，f p s o 的工作水深在不断增加，要求其锚泊系统在 满足定位要求的同时尽可能的减轻重量降低成本，尤其是c a l m 系统，它的成 本随水深增加而增加的很快。为满足经济性的要求，锚泊线的组成成分也从 单一的锚链、锚索，发展到锚链、锚索、纤维绳乃至电力机械缆等多种成分 合成锚泊线。因此研究多成分合成锚泊线的最优设计是目前研究锚泊系统的 一个热点问题。从整个单点系泊系统的应用情况来看，在目前世界上的超过 4 0 0 座的各类单点中悬链式系统( c a l m 系统) 的数量超过一半，因此研究本 课题有良好的工程意义和应用前景。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 与本课题相关的国内外研究现状 悬式锚腿系泊系统( c a u m ) ，即传统展开式锚泊系统，具有悠久的使 用历史，能适应较恶劣的海洋环境，在当前的深水海洋油气浮式生产结构定 位技术中仍然占有重要的地位。2 0 0 2 年超过约1 0 6 7 m 水深的8 9 座半潜和浮式钻 井平台中，采用链索结合的悬链线锚泊的有3 6 座。2 0 0 3 年超过同样水深的8 0 座半潜和浮式钻井平台中，悬链线锚泊定位的有3 1 座。 上世纪7 0 年代以来，悬式锚腿系泊系统的研究主要可分为以下两个方 面：1 ) i 程设计方面一锚泊系统的展开回收、锚泊线的组成成分、锚泊系 统的布置、锚的发展。2 ) 理论研究方面环境载荷、锚泊线的静力分析、 锚泊系统与系泊浮体之间的动力响应。本课题主要研究锚泊线的静力分析和 组成成分的优化设计。 1 2 1 锚泊线的组成成分及其研究现状 在离岸定位锚泊系统中，用于悬链锚泊线的部件，一般有锚链、钢丝绳、 合成纤维绳以及各种样式的块重和浮力器件。链与缆绳是组成锚泊线的主要 部分，块重与浮力器件是为了改善锚泊线的某种性能而增设的部件【7 】。 1 ) 锚链 锚链由许多链环连接而成。链环分有档链环与无挡链环两种。有档链环 的强度比无档者高，同样链径的有档链环强度约比无档者高2 0 。在离岸作 业锚泊系统中，大都采用3 2 至4 英寸( 6 4 至1 0 2 毫米) 直径的有档锚链。 由于使用和运输上的原因，锚链在制造上常要分段，为构成整根锚泊线 就要使用连接件。锚链连接件的型式有多种，如k e n t e r 型连接环、b a l d t 型连 接环及d 型卸扣。前两者的结构对称光滑，经过导向装置和链轮的顺滑性比后 者好，但由于其结构上的原因其耐疲劳的性能比后者差。由于永久性锚泊系 统会长时间遭受周期性载荷的作用，其锚泊线的耐疲劳性能就特别重要。因 此在使用中应尽可能少用连接环，现今，制造所需要长度的连续链段已不困 难。为提高普通链环的疲劳寿命，有文献还建议可取消对链档的焊接，因在 链档焊趾处容易出现疲劳裂缝。 2 ) 钢丝绳 钢丝绳是由钢丝组成。它先由若干根钢丝捻成股，再由若干股捻成绳。 3 武汉理工大学硕士学位论文 捻的方向可以向左或向右，股与绳皆如此。股与绳的捻向相同叫同向捻，捻 向相反叫交叉捻。每股可以由直径相同的钢丝捻成，也可由直径不同的钢丝 捻成，因此股的组成有多种。钢丝绳的中心构件叫做芯，它可以是一股钢丝 芯或一股纤维芯。芯是钢丝绳的基础，当钢丝绳承受负荷时，芯的作用是支 持其他的股，并使其保持在原位上。纤维芯通常渗透润滑剂，使钢丝绳工作 时能得到内部润滑，从而减小钢丝间的摩擦。钢丝绳可为裸钢丝绳或蒙皮钢 丝绳。蒙皮多为塑性材料( 聚氨基甲酸酯、聚乙烯) ，可挤压在已造好的钢丝 绳上。这样形成的蒙皮可提高钢丝绳的耐磨性和抗腐蚀性。钢丝多用碳素钢 制成，海洋工程中通常选用高强度钢制造，犁钢的破断应力可达2 5 00 0 0 2 7 5 0 0 0 磅英寸2 ( 1 7 5 8 1 9 3 3 千克毫米2 ) ，强度特别高的钢其破断应力则超过 2 7 5 0 0 0 磅英寸2 ( 1 9 3 3 千克毫米2 ) 。钢丝绳也有用不锈钢和各种合金制造的， 其耐腐蚀性比碳素钢好，但其强度与耐久性都不及犁钢高，造价也贵。 3 ) 合成纤维绳 合成纤维绳的材料通常有：尼龙( 聚酰胶) 、的确良( 聚酯) 、聚丙烯和 聚乙烯。用这些材料制造的合成纤维绳比重轻，耐磨性好，对周期性负荷的 耐久性来说，前三种材料都好，后者一般。但强度都比同等直径的钢丝绳小 得多。预计高性能的纤维绳将在离岸工程中不断被采用。 合成纤维绳的结构型式有：股绞式、打辫式、编织式和平行纱式。有时 也将上述几种基本型式结合起来制造合成纤维绳。 4 ) 块重 在锚泊线中设置块重的作用主要在于控制锚泊系统的响应。块重的单位 长度重量对锚泊系统的静力响应有主要影响，其重量分布则对动力响应有很 大影响。一般说，锚泊系统的刚度随块重的单位长度重量而增加，而锚泊线 的最大张力则随块重的总重两增加。块重的形式可以是一个集中重置( 一块 重物) ，也可是一段分布重量。前者的静力响应较好，后者的动力响应较好。 由于在锚泊系统中对动力响应的要求是主要的，故宜采用一段分布重量的形 式，其结构形式应使其具有一定柔性。 5 ) 浮力器件 锚泊线( 系留索) 上设置的浮力器件，有浮筒、浮球和浮箱等多种。在 海洋浮标的系留索上，设置浮力器件( 多为浮球) 的做法较普遍，其作用主 要是提供浮力以支持系留索及接于其上的仪器装置的重量。在离岸采油设备 4 武汉理工大学硕士学位论文 中，一种用于极深水中的单锚腿系泊( s a u s i n 2 l e a n c h o r l e g m o o r i n g ) 系统将立管分成许多组件( 以便使用钻井设备进行安装) 、并使其完全成为张 力部件，除于立管上部设置提供张力的浮筒外，还在每一段上设置浮筒以提 供支持力。在悬链锚泊线上设置浮筒，可以有效地减小锚泊线的动力张力， 但位移较大。 多成分合成锚泊线的最优设计在工程上常采用的分析方法为准静定方 法：即在每一个时刻根据计算系泊结构的位置确定锚泊线的形状，用静平衡 的方法计算系泊线的受力。对刚性锚泊线即在线张力作用下可近似认为无弹 的多成分锚泊线的线张力分析研究已有一些成果。t m s m i t h 1 3 1 比较了分别 由全链、全索及链索结合锚泊线组成的锚泊系统，结果是链索结合的两成分 锚泊线组成的系统不仅能提供足够的回复力而且重量轻。有关多成分锚泊线 的各成分参数优化选择问题的研究由于其多参变量的复杂性，国内外目前还 不多见。上海交通大学博士生余龙 2 4 1 1 2 5 根据深水多成分锚泊线悬链线方程， 结合设计中需要考虑各种材料的特征，提出多目标函数的多成分锚泊线优化 模型，通过遗传算法求解确定模型的最佳形式，并结合图谱设计方法将模型 引入了锚泊系统设计实例。 1 2 2 锚泊系统的静力分析 在每个时刻系泊浮体有一个静力平衡的位置，可以用静平衡的方法计算 系泊线的受力。假设锚泊线共面和锚索或锚链无弹，因为锚泊线属于柔性体， 可将其分割成一系列的微段，再对这些微段建立力的平衡方程，这一过程即 为准静定分析。结合准静定分析，对锚泊系统布置形式、锚泊线材料和成分 等特征参数的优化选择，这一研究对初步设计意义重大。 t m s m i t hc ta l 1 3 讨论了初步设计阶段锚泊系统的布置形式和锚泊线组 成的选择。对9 1 m 至l j 9 1 4 m 的水深提供四种不同组成成分的锚泊系统布置方式 的比较，结果不受船体形状、特征和环境力的影响。rjs m i t he ta l l l 4 研究了 三成分( 两段链加浮筒或者重块的情况) 锚泊线的静力计算，仍然基于悬链 线理论，采用拉格朗日迭代求解悬链线方程。将锚泊线的弹性认为是单位质 量的不确定性，因此单位质量具有最大值和最小值范围。并介绍了四种求解 的方法。y t c h a ie ta l 1 5 1 研究了基于悬链线公式半解析准静定方法能解决三 维部分着底和完全悬垂的多条锚泊线问题。所提出的方法能处理任意倾斜的 5 武汉理工大学硕士学位论文 海床交互影响，结果具有一般性，能对于不同形式的多点锚泊系统参数以及 不同形式的柔性立管系统进行快速的参数分析。 1 3 本文的主要工作 本文首先概述了单点系泊系统的特点，然后基于拟静力分析方法，计算 单一成分、各种布置形式和海洋工程常用的结构尺寸的c a l m 系统的位移一一 回复力曲线，并整理成一套可供工程设计人员进行初步设计的图谱；最后对 两成分合成的锚泊线进行了初步设计阶段的优化设计。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章单点系泊系统的特点 2 1 单点系泊系统的概况 单点系泊源于英文“s i n g l e p o i n tm o o r i n g ”，简称s p m 。与固定码头相比， 它的最大特点即系泊方式是“点”，也就是大型油轮或超大型油轮可以系泊于近 海海面上的一个深水“点”，然后进行装卸货操作。单点系泊系统的两大用途分 别是：进行f p s o 海上定位，并输送井流和电力；替代固定码头，作装卸终端 用。 单点系泊码头通常由一个能够漂浮在海面上的浮筒和铺设在海底与陆地 贮藏系统连接的管道组成。浮筒漂浮在海面上，油轮上的原油通过漂浮软管 进入浮筒后，从水下软管进入海底管线，输到岸上的原油储罐。为防止浮筒 随海浪远距离漂移，用数根巨大的锚链将其与海床相连，这样浮筒既可在一 定范围内随风浪流漂浮移动，增加缓冲作用，减少与油轮间发生碰撞的危险， 又不至于被海浪漂走。 1 9 5 8 年世界第一套单点系泊系统在瑞典作为“海上加油站”成功投产，揭开 了单点系泊技术在海洋石油开采和海上原油中转等领域上的应用的序幕。4 0 多年来，随着近海石油勘探开发和海上运输业的发展，单点系泊技术的发展 十分迅速。现在以美国为例说明单点系泊的重要性。据网上资料显示【3 】，美 国每年的原油处理量超过1 0 亿吨，2 0 0 2 年美国每天从国外进口原油9 1 4 万桶， 其中超过3 0 ，也就是说，平均每天约有超过2 7 4 万桶进口原油，是通过位于 路易斯安那海岸线约3 0 k m 新奥尔良市( n e wo r l e a n s ) 的乐普公司( l o o pi n c ) 的三个单点系泊进行卸载的。该公司的单点系泊位于3 5 米水深处，设计可靠 泊世界最大的7 0 万载重吨的油轮。如果没有这三个单点系泊，对于进口原油 的运输和过驳费用，炼油企业根本无法承受。目前，这种技术己作为一种成 熟的海上中转、仓储、过驳技术被世界各国竞相采用。 在中国，单点系泊最早于1 9 6 7 年应用于台湾，比大陆要早近3 0 年。当时 在台中市为美国空军安装了一座5 万吨的c a l m 型单点系泊，而后分别在高雄、 桃园等地为中华石油公司( c p c ) 属下的各炼油厂先后安装了总共8 座单点系泊 7 武汉理工大学硕士学位论文 输油系统，在面积只有3 6 万平方公里的我国台湾省累计安装了1 0 座单点系泊 系统，水深条件从7 6 英尺( 约2 3 m ) 至l j l 3 0 英尺( 约4 0 r e ) 不等。其中的c a l m 系统 约占7 0 以上，仅有的一个s a l m 系统( 建于1 9 7 6 年) 在使用3 年后也被c a u 系统取代。这些单点多作为炼厂原油进口中转终端，也有少数作为成品油或 其它液体产品的输出终端。大陆的第一套c a l m 单点系统于1 9 9 4 年1 0 月建成， 作为茂名石油化工公司海上原油中转终端。该系统由美国i m o d c o 公司设计 制造，浮筒直径1 1 5 m ，型高3 6 5 m ，吃水2 0 m ，海底管线长度约为1 5 3 k m ， 这套系统设计靠泊2 5 万吨级油轮，可接卸1 0 2 8 万吨的油轮，设计中转能力 为1 1 0 0 万吨年。到目前为止，该系统已安全运行十多年，为中国南部最大的 石油化工基地一一中国石化股份茂名分公司提供了足够的进口原油，同时也 节省了一笔极大的原油运输费用，为茂名炼油厂原油处理能力的不断提高作 出了巨大的贡献。 随着海上石油勘探开发事业和石油化工工业的蓬勃发展，单点系泊技术 在世界范围内得到了不断的推广和应用。已由最初简单的系泊技术发展到了 目前结构、工艺技术都相当复杂的f p s o 系统：水深也从十多米发展到了9 8 0 米以上；靠泊油轮从最早的2 0 0 0 余吨到目前的几十万吨。总之，单点技术正 朝着结构更先进合理，适应环境范围更广，维修周期更长的方向不断前进着。 2 2 单点系泊系统的特点 下面先从单点系泊系统的结构形式的发展过程具体谈谈各种结构形式的 特点 1 0 】。 首先出现的单点形式是固定式塔架( t o w e rs o f ty o k e ，见图2 1 ) 和刚性 立管( s a l s ，s a l r a m ，见图2 2 ) 系泊。前者的塔架刚性固定在海底，而后 者的刚性立管则与海床铰接。在固定式塔架或刚性立管的上端，有一万向接 头，f p s o 通过刚臂( y o k e ) 与万向接头相连。刚臂与船铰接，因而不限制f p s o 的纵摇运动。f p s o 可通过刚臂绕固定式塔架或刚性立管旋转，因而具有风标 效应，可保证船首总是对准外载荷的合力方向，从而使船上所受到的外力比 较小。这种系统的优点是不需要柔性立管，液流阀的构造也比较简单。缺点 是随着水深增加，立管的长度也增加，导致系统造价大幅上升。因而从经济 性的角度出发，这种系统只适用于浅水区域。世界上最早出现的f p s o - - 一西 8 武汉理工大学硕士学位论文 班牙的c a s t e l l o n 油田的f p s o ( 1 9 7 7 ) 就采用的刚性立管这种定位方式。 在上世纪7 0 年代末n 8 0 年代初期间开发的海上油田韵水深多在1 5 0 米以内，所 以当时的单点以这种结构形式为主。例如我国的“渤海友谊号”、“渤海常青 号”等等。根据实际需要采用这种方式定位的船舶是可以解脱的。 9 以 j 历一 图2 1 固定式塔架系泊图2 2 刚性立管系泊 紧接着出现的是悬链锚腿系泊( c a l m ，c a t e n a r y a n c h o rl e gm o o t i n g ， 见图2 3 ) ，即传统展开式系泊系统，它比传统的固定式码头有投资省，见效快 的特点，于2 0 世纪6 0 年代开始广泛应用于原油的装卸，截止目前其数量已占 据了世界单点总数的一大半。这种单点形式由一个浮筒用多根锚链锚泊于海 底。f p s o 通过系泊缆系泊于浮筒上面的转台上。转台可使船绕浮筒作3 6 0 度旋 转，类似上面的结构形式它也有良好的风标效应。c a l m 分为最早的b o g e y w h e e lc a l m 、目前应用较多的t u r n t a b l ec a l m 和后来开发的t u r r e t c a l m 2 9 1 。t u r n t a b l ec a l m 较之b o g e yw h e e lc a l m ，用位于浮筒中心的大 直径滚动轴承代替b o g e yw h e e l ，传递系泊力，这样液体旋转接头完全独立于 转盘和轴承结构，不再作为受力构件。该种形式的单点系泊装置由下列部分 组成：1 ) 浮筒壳体：2 ) 旋转转盘装置3 ) 输油管系和液体旋转接头；4 ) 锚 泊系统；5 ) 管汇基盘：6 ) 水下软管和飘浮软管；7 ) 系泊索装置；8 ) 辅助 设备。至于第三代t u r r e tc a l m ，其结构有如下特点：1 ) 浮筒绕转盘转动而 转盘相对海底不转动；2 ) 甲板上无转盘，增加甲板室；3 ) 转盘连同止链器 成一焊接结构，锚链系泊在止链器上成为不动部分，这种改进减轻了单点被 船舶碰撞所造成的损害。因为浮筒绕转盘转动，碰撞力被浮筒周围水体吸收 一部分后再传到轴承。而t u r n t a b l ec a l m ，碰撞力是直接作用在轴承上再传 递到浮筒。悬链锚腿系泊系统适用的水深范围比较大，象菲律宾w e s t l i n a p a c a n 油田的f p s o ，采用c a l m 定位技术，作业水深达3 5 0 米1 1 0 1 ，但 浮筒与f p s o 的连接机械和结构比较复杂，安装与维修时海上作业的工作量很 大，且系泊首缆的承载能力也很有限。 9 武汉理工大学硕士学位论文 严商 广1一 图2 - 3 悬链锚腿系泊 随后，为克服悬式锚腿系泊系统的以上缺点，人们开始研制转塔( t u r r e t ) 锚泊技术，将浮筒结构与船体合为一体，实践证明了其结构的优越性。第一 个采用这种转塔技术的是意大利的r o s p o ma r e 油田的1 4 万吨的f s o ( f l o a t i n gs t o r a g eo f f l o a d i n g ) 【1 0 ，安装于1 9 8 7 年3 月，运行状况良好。其转 塔设在从船的尾部伸出的钢制箱型悬臂结构上。整个定位系统包括6 根锚桩、 6 根5 7 5 英寸直径的锚链和直径为5 5 米，高为5 米的转塔，转塔内设三辊4 道的 轴承装置，支持着链台。锚链和柔性立管固定于链台上。整个转塔结构位于 水线以上。 几乎同时，另一种类型的转塔技术也出现了，就是可解脱的立管转塔锚 泊系统( r t m ) ，见图2 - 4 。与前述s a l s 系统不同的是，r t m 系统中的立管 的下部是通过锚链和锚与海床固定的。锚链的长度随水深的增加而增加，而 刚性立管的长度不变，因而整个系统的造价随水深变化不大，经济性较好。 此系统主要由系泊链、系泊立管、机械连接器、万向接头、系泊旋转接头及 电液旋转接头所组成。系统所采用的机械连接器为快速解脱和回接提供了便 利，当船解脱后，系泊立管可代替浮筒支撑着固定于其上的锚链和生产立管。 f p s o 通过刚臂与r t m 系统连接，其刚臂的承载能力，较c a l m 系统中的系泊 首缆要强得多。因此，r t m 系统组合了c a l m 与s a l s 系统的优点，适用于受 台风影响比较频繁的海域。但它对回接海况的要求比较严格，因而不利于f p s o 作业率的提高。 图2 - 4 立管转塔锚泊系统图2 5 浮筒转塔锚泊系统 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 从回接性能的改进出发，人们又开发了浮筒转塔锚泊系统( b t m ) ，见图 2 - 5 。【l o b r r 系统有一个“蜘蛛”型的浮筒。在系泊状态，它与转塔系统相 连。当系泊船解脱时，由于锚链的重量，浮筒沉至海面以下，由一个拾起浮 标标出所处位置。在回接时，抬起该浮标，从船底通过绞车经转塔通道将浮 筒拉起，使其与转塔系统回接。由于浮筒与转塔的连接是在船底下进行的， 因而受风浪影响小，回接操作比较容易。所以b t m 系统的回接海况可以比 r t m 系统高一些。另外，其转塔一般被安置在船体内部的转塔舱内，在恶劣 的天气条件下，操作者也能靠近管汇、旋转接头和其它关键部件进行维护保 养，还可在现场更换轴承，从而可避免维修时长时间的停产。转塔系统也可 以在船体建造或改装时安装好，从而减少海上现场安装的工作量，降低成本。 可见，b t m 系统较之r t m 系统的优势明显。我国南海的惠州2 1 1 油田、西江 2 4 3 油田和陆丰1 3 1 油田的f p s o 均采用了这种定位方式，作业水深在1 5 0 米以 下。 然而，当水更深时，高海况要求更长的锚链和更大尺寸的浮筒，以满足 浮力的要求，导致建造成本的陡然上升，同时也使裸露于船体外表面的浮筒 的受力加剧，从而使b t m 系统不再适用。于是出现了可解脱的单点系泊系 统一一沉没式转塔系统( s t p ) 。s t p 主要在结构形式上进行了改进，其浮简 体不再是蜘蛛型浮筒，而是一个圆锥体。当f p s o 系泊于浮简体上时，其圆锥 体嵌入船体内使受力状况有所改善。于1 9 9 7 年1 2 月投产的我国南海的陆丰2 2 1 油田的f p s o 采用的定位系统就是s t p 1 7 1 。 与以上几种可解脱式转塔系泊系统并行发展的还有永久式转塔，分为内 转塔与外转塔两种形式。外转塔是指安装在船酋或船尾以外的悬臂结构上的 转塔，见图2 - 6 。r o s p o m a r e 油田的f s o ，采用的就是尾部外转塔。外转塔 比较适用于旧油轮改造，因为在船的外部设置转塔可使结构改造的工作量大 大减少。这种形式的缺点是，在同等海况下，由于转塔所在位置运动剧烈， 锚链中的动张力较大。另外，也不易于对转塔上的设备进行维修保养。外转 塔的直径一般不会很大，所以能够支持的生产立管的数量也比较少。 内转塔是指安装在船体以内的转塔见图2 7 。可分为大直径和小直径两种。 小直径内转塔一般设在船的艏柱后，具有良好的风标效应，但能够支持的生 产立管的数量不多。小直径内转塔可以用于旧油船改造。大直径内转塔一般 位于船肿附近，因而其风标效应往往不能满足要求，需用推力器辅助定位。 武汉理工大学硕士学位论文 大直径转塔的优点是具有较大的月池，可以进行钻井和修井作业，可以支持 较多立管。目前采用大直径内转塔定位技术的f p s o 基本作业于北海。 图2 6 外转塔锚泊系统图2 7 内转塔锚泊系统 单点系泊作为一种技术革命，经过近半个世纪的发展，表现出了以下几 方面的优势： 首先，单点系泊的最大优势是将码头由岸边移至海上，解决了世界上绝 大部分港口航道较窄、较浅、规模较小，不能与大型油轮和超大型油轮发展 相匹配的矛盾。这在中国的原油接卸中具有重要的现实意义，因为中国上百 个炼油厂中，具备接卸2 5 万吨位以上油轮能力的原油码头不过两三个。 其次，单点系泊有良好的风标效应，即具有漂浮式和旋转式的特征，使 系泊于其上的f p s o 的船首始终向着外载荷的合力方向，减小了系统所需的总 系泊力，可以在7 级大风中，有效浪商3 5 米的情况下进行原油接卸，而且可以 3 6 0 度不受限制地自由转动，不需要考虑风、浪、流转变引起的影响，因此受 气候影响较小：而一般靠岸式码头、岛式码头、栈桥式码头仅能在2 米以下的 风浪中进行接卸，受环境条件( 风、浪、流) 的影响非常大。但同时单点系 泊在风、浪、流作用下的运动响应又是极为复杂的。环境条件的动力因素直 接影响到单点系泊系统的运动响应。单点系泊是一个复杂的非线性系统，所 系的油船除了在水平面内的三个自由度运动外( 纵荡、横荡及艏摇) ，整个系 统将有1 2 个自由度的运动响应。单点系泊的油船在不规则波浪中的响应是由 波浪在不同时间的能量变化而引起的，而文献 3 0 1 研究发现，单点系泊在仅有 风、流作用时也会产生较大的运动响应。文献还指出在模型试验中发现，单 点系泊在定常的风、流与波浪同向的作用下，有时风、流会抵消一些单点系 泊系统在波浪中的响应，所测量得到的锚泊线的载荷的峰值小于只有波浪作 用时的峰值。但在另外一些试验中又发现有时锚泊线的载荷大于只有波浪作 用时的峰值，且高得很多以至于大于双倍的风、流和波浪峰值的载荷。锚泊 武汉理工大学硕士学位论文 系统设计的好坏直接影响到锚泊系统的载荷。在设计中最重要的是锚泊系统 刚度的选择。锚泊系统的刚度越大，锚泊线上的载荷也越大，但是系统的位 移小。各种单点系泊的模型试验表明，设计较优的锚泊系统的刚度应满足在 风、浪、流的作用下既能有效吸收外载荷的能量，又使单点系泊在水平面的 运动不至于太大。 第三是节约投资。以茂名2 5 万吨级单点系泊原油码头为例，全部建设投 资约为2 3 亿元人民币。而一般情况下，建设同样等级的固定码头则至少需 要1 0 亿元以上，其费用约是建设单点系泊的3 4 倍。集中优势，发挥辐射 作用，充分利用单点系泊的特性，这是一种十分明智的选择和决策，可避免 重复建设引起资源的极大浪费。就拿路易斯安那州和德克萨斯州的十一个炼 油厂来说，它们都位于墨西哥湾，如果它们各自建设自己的码头也不是不可 能的，但投资要大十倍。 2 3 本章小结 本章回顾了单点系泊的发展历史，从时间顺序上一一介绍了各种单点系 泊的形式，并结合实例分析了每一种形式的结构特点及适用范围，最后概括 了单点系泊系统的相比其他系泊形式的优势。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章悬式锚腿系泊系统的单一成分锚系初步设计 图谱 3 1 悬式锚腿系泊系统 在第二章中已经详细介绍了悬链锚腿系泊系统( c a l m ) 这种单点的结构 形式和特点，这里不再重复，其结构简图表示如下： 图3 - 1 悬式锚腿系泊系统简图 3 2 锚系静力分析的基本理论 系泊链索系统的力学分析总起来说大致可分成静力分析和动力分析两大 部分。静力分析研究在稳态条件下链索的载荷和系统的平衡状态，预估链索 的几何形状及应力分布。动力分析则研究在不定常外界环境诱导载荷作用下 链索的动力响应，以判断设计的系统是否稳定，链索的应力是否在许用应力 范围之内，系泊系统是否能满足特定的系泊要求等。静力分析方便、快捷， 多在初步设计中采用。 就锚泊线的作用而言，链索可以被看作是非线性弹簧，整个锚泊系统的 计算模型可看作由若干按一定方向布置的非线性弹簧支持的刚体平面运动体 系。悬链线是指一种具有均质、完全柔性而无延伸的链或索自由悬挂于两点 上时所形成的曲线。一般活动式平台的锚链，由于本身有拉伸和受到海流力 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 的作用，与理论上的悬链线并不完全吻合，但使用上仍常用悬链线来描述锚 索链的特性，而忽略环境动力( 浪和流) 、缆索的弹性伸长以及本身的动力效 应( 振动) 的影响。设定海底是水平的、锚固点处链索与海底相切、链索位 于垂直平面内、不考虑链索的三维变形、海水为不可压缩流体、海流没有垂 向分量、水平流速亦位于( 或平行于) 链索所在的平面内、流速的大小恒定 且不随水深变化。 3 2 1 无弹性悬垂线方程 t e 图3 2 无弹性缆索元静力图 图3 2 所示为无弹性悬垂线上任意一缆索元的静力图，其中w 是缆索的 单位长度重量，d l 为缆索元长度，t 为缆索元下瑞张力，d t 为张力在d l 上的 增量，0 为t 的方向( 缆索元下端切