船舶与海洋工程前沿技术-2011

1、 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 主 要 内 容 一一 常用系泊类型介绍常用系泊类型介绍 二二 系泊方式与系泊材料系泊方式与系泊材料 三三 锚的选择与设计锚的选择与设计 四四 锚泊系统设计过程锚泊系统设计过程 五五 系泊分析规范系泊分析规范 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 一一 常用系泊类型常用系泊类型 1 多点系泊 对于半潜平台和Spar，常用多点系泊。 半潜半潜 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 Spar 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 张力腿平台（TLP）也属

2、于多点系泊。只是用张力腱（Tendon） 代替了系泊线. 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 多点系泊也可以应用于船体，如FPSO。 系泊线固定于船头、船尾，呈发散型向外展开，能够阻止 FPSO的横向位移，固定FPSO的方向。 优点：简单，经济，可以安装较多的立管及脐带系统，适合于 改造的旧油轮。 缺点：FPSO方向固定，横向受风浪流力巨大，系泊线的尺度 会相应增大。 FPSO多点系泊系统多适用于设计海况较低的区域，如西非， 或风浪流方向单一的区域。 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 2单点系泊单点系泊 锚泊

3、系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 大部分FPSO的系泊系统属于单点系泊。 特点：容许FPSO绕单点自由转动，有效地减少风浪流的 作用力，系泊线的尺度也相应地减小。 优点：操作方便、安全、可操作率高。 缺点：制造成本高，技术复杂。 功能：定位系泊功能；液体输送及电力、光控传输功能； 在特定的条件下可以实施现场解脱，以保证FPSO及 人命财产的安全。 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 2.1 内转塔式系泊系统内转塔式系泊系统 常用于中等水深及深水海域中等水深及深水海域的平台，如北海海域； 主要组成部分： 转塔及其套筒; 液体传输系统; 转盘; 海底锚； 内转塔系泊装

4、置一般设在船艏； 优点：转塔直径可以设计得很大，为布置设备和管汇提供足够 的空间；内转塔嵌入船体之中后可以得到很好的保护。 缺点：转塔的存在对船体结构造成了影响，也减少了舱容；系 泊船的“风标效应”效果受转塔位置的制约。 一般可分为永久式和可解脱式内转塔系泊系统。 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 永久式内转塔系泊系统永久式内转塔系泊系统能够保证采油的连续性，使F(P)SO在作业年限内的任 何工况下都能正常工作，绝大多数工况下具有最大的系泊和油气传输能力。 可解脱式内转塔系泊系统可解脱式内转塔系泊系统具有快速的解脱和回接功能

5、，在极端恶劣条件下可 以迅速解脱以规避各种危险海况，更适合于恶劣环境、季节性飓风区和冰区。 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 可解脱式内转塔系泊系统可解脱式内转塔系泊系统 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 2.2 外转塔式系泊系统外转塔式系泊系统 转塔位于船体的外部，减少了对船体的必需的维修； 允许在码头沿岸安装转塔，而内转塔式系泊系统只能在干坞中安装； 外转塔式系泊系统限制了立管的数量； 多用于浅水海域浅水海域。 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 2.3 塔架式单点系泊塔架式单点系泊 油轮与塔之间通过一个永 久性的叉型结构或系船索 布置连

6、接。 其主要组成部分为： 塔塔：与海底相连的静态部 分，其上部是与船体相连的转盘； 系泊部分系泊部分：叉型结构或系船索； 生产传输系统生产传输系统：液体通过海底终端系统传输于立管（连接于塔），然后通过转 台传给软管，最后到达FPSO。塔上有足够的甲板空间以提供管汇系统，辅助 设备等。 适用于适用于中浅水域，可以布置较多的立管系统，施工安装容易，成本较低，适合 于改装的油轮。 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 2.4 悬链式浮筒系泊悬链式浮筒系泊 （CALM） 通常应用于穿梭油轮或FSOs，是系泊和装卸油轮的最经济有 效的方法。主要部件主要部件： 短期系泊部分短期系泊部分，用来

7、与油轮之间输入输出液体； 永久系泊部分永久系泊部分，用来生产和储存液体； 非永久性系泊部分非永久性系泊部分，永久系泊部分在恶劣环境下具有易于解 脱的能力，以疏散设施。 CALM可以适应于各种天气条件，适应于很大范围的水深适应于各种天气条件，适应于很大范围的水深， 可以安装少量的立管系统，施工与安装快捷而经济，而且适于 改装的油轮。实践证明CALM的可靠性较高。 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 2.5 单锚腿系泊系统单锚腿

8、系泊系统（SALM） 是较早使用的一种系泊方式。 浮筒只由一根系泊线系于海底基础，浮筒与油轮之间通过钢性臂连接。 组成：浮筒，存储系统，系泊链（刚性链或管状柱体），柔性管，基础部分 （压载舱或堆积物）。 可以适应于各种天气条件和很大范围内的水深，施工与安装快捷而经济，适 于改装的油轮。 只能安装1根立管，实践证明SALM的可靠性也较高。 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 3 动力定位系统动力定位系统 动力定位系统是借助于推进器来保持船舶或浮式结构的位置的技术。 使用精密仪器来测定船舶因风、浪、流而发生的位移和方位变化； 通过

9、自动控制系统对位置反馈信息进行处理与计算； 控制若干个推进器发生推力和力矩，使船或浮式结构回复到初始位置和 最有利的方向。 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 动力定位系统的主要组成部分主要组成部分： 动力操纵系统动力操纵系统：提供定位所需要的所有动力； 推进器系统推进器系统：通过控制浮体在水平、纵向及扭转的力，使浮体保持 在指定的位置。 位置测量系统位置测量系统：随时将浮体的具体位置提供给控制系统； 动态定位控制系统动态定位控制系统：控制浮体在具体的位置和方向，以抵抗外界环 境荷载。 优点优点：适于恶劣海况的区域，浅水和深水系统都能适用，运行成本 不由水深决定，定位的相对精度

10、随水深而提高，能够快速系 泊与解脱。可以安装较多的立管系统。 缺点缺点：资金和燃料的耗费都很高，系统复杂，比锚链或钢缆系泊更 易于出现失败。 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 二二 系泊方式与系泊材料系泊方式与系泊材料 1. 悬链线式系泊方式悬链线式系泊方式 系泊线的外形是弯曲的悬链线，一般由锚链和钢缆多个部分组成， 锚链与海底水平相接， 系锚点只受水平方向的力。 系泊线的回复力由其自身的重力而产生。 常用于相对较浅的海域。 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 2 张紧式系泊方式张紧式系泊方式 系泊线与海底以一定的角度相交，系锚点处要同时受水平和铅 直方向的力

11、； 系泊线的回复力主要由其自身的弹性而产生； 张紧式系泊系统在海底占据范围比悬链线系泊系统的小很多； 为了降低系泊线的重量，系泊线通常采用较轻的合成材料； 适应于深水和超深水水域。 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 3 系泊链材料系泊链材料 常用的系泊链材料有链条，钢缆和合成纤维材料。 1）链条（链条（Chain） 有横档链（stud）：横档可能导致局部疲劳，如失去一个横档将会在链接处 产生较高的弯曲力矩。 无横档链（studless）：使用较多。 链的等级很多，屈服强度不同，等级不同。链比其它材料的疲劳寿命要短。 链的破坏形式：塑性破断，脆性断裂，疲劳断裂，应力腐蚀。脆性断

12、裂是破 坏的主要形式。 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 2）钢缆（）钢缆（Wire Rope） 常见的钢缆结构形式：六股式（six strand），螺旋股式（spiral strand）， 多股式（multi strand）。螺旋股式结构具有较强的纵向刚度和扭转平衡，旋 转损耗低，对于深水系泊系统，常采用此种结构。 钢缆破坏的主要原因是腐蚀，常采用镀锌和润滑并配合阳极保护的方法来 防止腐蚀的发生。对于螺旋股式钢缆，还通常采用高密度的聚乙烯外壳来防 止海水腐蚀钢缆。 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 3）合成材料（）合成材料（Synthetic Wire R

13、ope） 有较大的水平回复力，减小了平台的水平位移； 具有较小的刚度，降低了缆绳的拉伸程度。 缆绳的轴向刚度随轴向张力及力的作用时间而变化，容易偏移，分析起来 比较复杂； 缆绳容易打滑而产生蠕变，因此每隔几年需要重新张紧。 缆绳不能接触海底，只能作为悬浮部分，也不能预放于海底，安装起来也 很复杂。 常用的合成材料有聚酯材料（polyester），聚酰胺材料（aramid），高模 数聚乙烯材料（high modulus polyethylene, HMPE）三种。缆绳可以是 螺旋状，平行股式和六股式。 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 Fiber rope constructi

14、on 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 4 系泊链连接部件简介系泊链连接部件简介 1）插孔）插孔(Socket) 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 2） 浮筒浮筒 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 3）其它连接件）其它连接件 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 4） 绞盘绞盘 WINDLASS 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 CHAIN JACK 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 DRUM-TYPE WINCH 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 LINEAR WINCH

15、 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 FAIRLEAD AND STOPPER 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 三三 锚锚 根据承受荷载的机理不同，锚的分类如下： 1.重力锚重力锚：主要靠材料本身重量来抵抗外力，部分靠锚与土壤之间的摩擦力 来抵抗。材料为钢和混凝土。 2.拖曳嵌入式锚拖曳嵌入式锚：目前最受欢迎使用最多，部分或全部深入海底，主要靠锚 前部与土壤的摩擦力来抵抗外力。能承受较大的水平力， 但承受垂向力的能力 不强。 3.桩锚：桩锚：中空的钢管通过打桩安于海底，靠管侧与土壤的摩擦力来抵抗外力。 通常需要将锚埋入较深的海底，以抵抗外力。能承受水平力和垂

16、向力。 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 4.吸力锚：吸力锚：类似于桩锚，但中空的钢管直径要大的多。通过安于钢管顶部 的人工泵使馆内外出现压力差，当馆内压力小于管外，钢管即被吸入海 底，然后将泵撤走。吸力锚主要靠管侧与土壤的摩擦力来抵抗外力，能 承受水平力和垂向力。 5.垂向荷载锚：垂向荷载锚：是最新发展的一种锚。与传统的嵌入式锚一样，而且深入 的更深。可以承受水平力和垂向力。 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 锚系统的设计主要应考虑以下因素考虑以下因素： 1.海底地形地质条件； 2.海底平面布置； 3.对

17、锚的要求，包括承受垂向和水平 向荷载的能力，周期性和极限条件； 4.安装方法； 5.设计使用寿命； 6.锚的稳性极限载荷作用下的允许 极限位移，或拖曳作用下的旋转稳性； 7.系统检查，可继续应用或停用的要求； 8.资金成本限制。 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 四四 锚泊系统设计过程锚泊系统设计过程 1 基本设计流程图基本设计流程图 图1 设计流程总图 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 图2 基本资料输入图 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 图3 计算分析比较图 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 图4 分析与设计详图 锚

18、泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 2 设计规范与标准设计规范与标准 2.1 常用的设计规范常用的设计规范 1. API RP 2SK浮式结构定位系统的设计与分析规范； 2. API RP 2SM系泊链为合成纤维材料时的设计、制造、安装与 维修规范； 3. DNV Offshore Standard E301系泊定位规范； 4. ABS浮式生产与安装规范。 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 2.2 环境标准环境标准 对于永久性的系泊系统，应考虑百年一遇的环境条件。系泊系统设计时风、 浪、流的荷载组合方式有多种，有多套设计标准。比如对于百年一遇的设 计条件时，可有

19、以下三套标准供选择： a.百年一遇的浪和与之相关的风和流； b.百年一遇的风和与之相关的浪和流； c.百年一遇的流和与之相关的风和浪。 当缺少以上荷载组合的资料时，也可以采用以下组合方式： a.百年一遇的风和浪加上十年一遇的流； b.百年一遇的风和流加上十年一遇的浪。 对于临时性的系泊系统，应根据具体情况来确定。 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 2.3 系泊设计极限状态系泊设计极限状态 系泊线设计时必须根据以上所述规范针对以下三个极限状态进行校核： 1）最大最大极限状态极限状态：保证每根系泊线都能有足够的强度抵抗极限环境条件下的 外部荷载。主要包括：校核系泊线的张力；校核系

20、统的位移；校核系泊系统的 完整性。 2）偶然极限状态偶然极限状态：保证在有一根系泊线破坏的情况下，其它系泊线仍有足够 的强度抵抗外部荷载。如果所有系泊线是等同的，任意取掉一条系泊线，分析 其它系泊线可能达到的最大张力；如果所有系泊线不是等同的，则需要有代表 性的选择分别去掉某根系泊线，然后分析其它系泊线可能达到的最大张力，最 后进行比较分析。 3）疲劳极限状态疲劳极限状态：保证每根系泊线有足够的能力来抵抗周期性荷载。主要包 括：检查系泊线张力；进行短期疲劳海况分析；计算疲劳寿命。 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 3. 总体运动方程总体运动方程 risermooringcur

21、rentwindsdwswf FFFFFFFkx dt dx c dt xd M 2 2 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 4 计算分析方法计算分析方法 4.1 频域分析与时域分析频域分析与时域分析 频域分析中，系统运动方程被分解，分别求得静态力、低频力、波频力 响应。静态力响应通过求解包含静态环境力和系泊系统回复力的静态方程 而得。波频和低频响应通过频域分析而得。根据一定的峰值响应分布情况 统计最大响应。最后将波频和低频响应组合。 时域分析中，系统在静态力、低频力、波频力下的运动响应方程直接在 时域内求解。描述船体、系泊线、立管、推进力等都同时在一个时域内进 行模拟。模拟的

22、所有系统参数（船体位移，系泊线张力，锚的载荷，等等） 的历史记录都是有效的，其结果可以用来做统计分析，得到极限值。 锚泊系统设计与分析锚泊系统设计与分析 王宏伟王宏伟 4.2 拟静态分析与动态分析拟静态分析与动态分析 拟静态分析方法中，忽略由系泊线的质量、阻尼和流体加速度引起的垂向运 动和动态影响。预报精度与船体形式、水深、系泊线外形等直接相关。在频 域分析中都是线性的，采用线性叠加方法，对于非线性的影响，应采取一定 的处理办法。 动态分析方法中，考虑系泊线的质量、阻尼和流体加速度等随时间变化的影 响。通过船体的在六个自由度方向的运动来计算平台随时间变化的运动，预 报系泊系统的响应。在时域分析方法中，所有的非线性效应都予以模拟，如 系泊线的拉伸，系泊线的体积、流体力，海底的影响，等等。 对于系泊系统，主要有四种非线性影响：系泊线的非线性拉伸，系泊线体积 和外形的变化，流体作用力，系泊线与海底接触部分的摩擦力。 锚泊系统设计与分析锚泊系