CALM型单点系泊系统动态响应规律研究_於增月.pdf

第49卷第3期海洋工程DOI：10.3969/j.issn.1001-2206.2023.03.004CALM型单点系泊系统动态响应规律研究於增月，黄水祥，杨泽亮中国石油工程项目管理公司天津设计院，天津 300457摘要：以孟加拉海域单点系泊工程为依托，采用OrcaFlex水动力模拟软件，对初选的CALM型单点系泊方案进行关键参数敏感性分析。考察无油轮靠泊状态下各方案的系泊锚链张力、浮筒位移等参数是否满足系统安全性要求；将无油轮靠泊状态下的较优方案进行3 h有油轮靠泊时域分析，考察系泊锚链和系泊缆张力、浮筒和油轮运动以及锚链躺地段长度及变化规律，并选定最优系泊方案。关键词：集中质量法；耦合计算；CALM型单点；敏感性分析Research on dynamic response rule of CALM-type single point mooring systemYU Zengyue,HUANG Shuixiang,YANG ZeliangCNPC Project Management Company TIANJIN Design Institute,Tianjin 300457,ChinaAbstract：This paper studies the single point mooring project in the Bengal sea area.Hydrodynamic simulation software,namelyOrcaflex is adopted for sensitivity analysis of key parameters of the selected CALM-type single point mooring system schemes.Firstly,itis investigated whether the mooring chain tension,buoy displacement,and other parameters of each scheme meet the system safetyrequirements when no tanker is berthed.Then the better schemes under the condition of no tanker berthing are processed with a 3-hourtime domain analysis in the case of tanker berthing,and the mooring chain and line tension,the movement of buoy and tanker,and thelength and variation law of anchor chain section lying in the ground are investigated,with the optimal mooring scheme selected.Keywords：lumped mass method;coupled analysis;CALM-type single point;sensitivity analysis1工程概况单点系泊系统是海上油品储运终端的重要组成部分，用于浮式生产储油船、油轮的不靠港作业，以及作为海上边际油田和油田早期开发的集输点1。其“风向标”作用使系泊的船体可以实现360回转，并始终处于风、浪、流合力最小的方向。其具有建造周期短、环境污染小、投资成本低等优势，被广泛应用于海上油品的储存和输转。单点系泊系统可分为内转塔式、外转塔式、固定塔架式、单锚腿式、悬链式等。其中，悬链式单点系泊（Catenary Anchor Leg Mooring，CALM）系统应用最多，由系泊浮筒、系泊锚链、系泊缆、水上漂浮软管、水下漂浮软管和海底管汇系统构成2，主要用于近海的原油装卸作业。装载原油的油轮靠泊后，通过系泊缆与浮筒连接，油轮上的原油经水上漂浮软管、浮筒分输单元、水下软管，输送至海底管汇，再通过海底管道运送到陆上油库或炼厂3。整个单点系统仅依靠锚链与海床连接，因此CALM型单点系泊系统的系泊方案是影响整个系统安全运行的关键，需要对设计系泊油轮的吨位、船型、单点位置、水深、风浪流情况、适应能力等方面进行考虑，以确保CALM型单点系泊系统的安全。本文以研究 CALM 型单点系泊系统在海浪、海流和风作用下的水动力响应为核心，基于孟加拉海域单点系泊项目工程的勘察测量数据，建立包含油轮、单点系泊浮筒、连接油轮与浮筒的漂浮软管/系泊缆、连接浮筒与海底管汇系统的水下软管以及连接16万吨级油轮的系泊锚链的单点系泊系统模型，进而考察系泊锚链和系泊缆张力、浮筒位移、水下软管的曲率半径以及油轮运动。2计算模型本文研究重点为系泊锚链、水下软管、系泊缆等细长挠性体结构的动态响应分析，采用的是基于集中质量法的时域水动力计算软件OrcaFlex。252023年6月海洋工程其将细长挠性体离散成一系列的集中质量点，并采用无质量的弹簧将这些节点进行连接，称为质量-弹簧-阻尼器系统模型。Mx?+Cx?+Kx=F（t）（1）式中：M为系统的质量，x?为加速度，C为系统的阻尼，x?为速度，K为系统的刚度，x为位移，F（t）为整个系统的外部载荷。单点系泊系统锚链、立管的水动力响应为多自由度系统运动，数学模型为4：|M11M1NMN1MNN|x?1x?N+|C11C1NCN1CNN|x?1x?N+|K11K1NKN1KNN|x1xN=|F1FNeit（2）CALM 型单点系泊系统中，浮筒及其系泊锚链、外输油轮及其系泊缆等构成了复杂的耦合系统，以相互作用力的形式来处理，即5：M+A x?()t+0tB(t-)x?()d+Kx()t=F()t+FM()t+FOL()t（3）式中：M 为浮体质量矩阵，A 为浮体附加质量矩阵，B为浮体阻尼矩阵，K为浮体刚度矩阵；F为作用在浮体上的外力，FM为浮体受到的系泊系统对其的作用力，FOL为输油管道对浮体的作用力。波浪力的计算采用工程上常用的莫里森经验公式，即：dF=CDDu|u|/2+CMVdu/dt（4）式中：CD为拖曳力系数，为海水密度，D为管道/缆绳的直径，u为流体流速，CM为惯性力系数，V为单位长度管道/缆绳的体积。从式（4）可以看出，结构所受波浪力由两部分组成：惯性力和拖曳力。其中，惯性力也可以视为由两部分构成：Froude-Krylov力和绕射力。Froude-Krylov 力 F1是由非扰动波形成的不稳定压力场所施加的力，即：dF1=4D2u?（5）绕射力F2是由于物体周围的流体加速绕流产生的力，即：dF2=CA4D2u?（6）式中：CA为附加质量系数，对于圆柱体，CA=1。对于附加质量的认识存在一种误区，即认为是附着在结构上流体的质量，其实应该理解为流体加速绕流通过物体引起的附加力。整合上述公式可得，结构所受惯性力为：dFi=(CA+1)4D2u?（7）CM=CA+1（8）管道/结构所受拖曳力为：dFD=CDDu|u|/2（9）对于运动物体，莫里森方程中速度项取物体与流体的相对速度。以上公式仅适用于细长物体的水动力计算，由于大型结构体的反射衍射现象明显，物体实际所受波浪力是来流与衍射波部分抵消后的作用力。OrcaFlex软件无法进行大型结构体的三维辐射-绕射水动力计算，需要将其他水动力计算软件的数据结果导入，进行后续的系泊分析。本文油轮系泊时的耦合计算油轮RAO采用MOSES软件的计算结果。3基础参数输入3.1环境参数对于单点系泊系统系泊方案的研究基于孟加拉单点系泊工程海域的环境数据（见表1）。表1环境参数工况操作工况环境工况水深/m32.6632.66波谱随机波随机波有义波高/m3.725.39谱峰周期/s7.899.66速度/（ms-1）海流0.590.85风19.828.3注：大潮位水深35.77 m，小潮位水深29.56 m。3.2浮体主要参数计算模型包含两个浮体：油轮和系泊浮体，主要参数见表2。表2浮体主要参数油轮吨级/t160 000型长/m274型宽/m48吃水/m17浮筒外径/m12浮筒高/m4.7浮筒质量/t2.543.3挠性体主要参数本研究计算模型包含3种挠性体：系泊锚链、系泊缆和水下软管，主要参数见表3。26第49卷第3期海洋工程表3挠性体主要参数锚链种类Studless锚链等级R3S夹角/()60破断负荷/kN8 180系泊缆长度/m60断裂强度/kN5 515水下软管直径D/mm5083.4设计准则本文系泊系统安全系数执行ABS的 Rules forBuilding and Classing Single Point Mooring的规定，见表4。表4设计安全系数参数锚链张力锚链张力锚链张力系泊缆张力水下软管曲率半径设计工况操作工况生存工况破损工况操作工况全工况安全系数3.02.52.01.67安全值2 727 kN3 272 kN4 090 kN3 303 kN4D环境条件一年一遇环境百年一遇环境一年一遇环境，一根锚链断裂一年一遇环境3.5坐标系及载荷方向OrcaFlex软件采用右手坐标系，为实现单点系泊系统的安全运行，系统动态响应分析均考虑最不利工况，即风、浪、流载荷共线同向，如图1所示。图1OrcaFlex计算软件坐标系及载荷方向锚固点锚固点锚固点锚固点油轮浮筒CHAIN3风、浪、流方向180系泊缆CHAIN2CHAIN1CHAIN1CHAIN6CHAIN5系泊缆锚固点锚固点YXCHAIN44系泊系统敏感性分析依据经验和初步试算，该单点系泊系统的初步计算方案为：锚泊半径380 m，锚链长度382 m，水下软管长度36.6 m。基于上述初步计算方案，通过改变锚泊半径、锚链长度和水下软管长度的方式进行系泊系统关键参数的敏感性分析。4.1锚泊半径与锚链长度敏感性分析系泊系统敏感性分析工况见图2。图2单点系泊系统敏感性分析方案锚泊半径/m372374376378380382384386388390395390385380375370锚链长度/m对图3所列的系泊方案分别进行一年一遇操作工况和百年一遇生存工况的水动力响应计算，见图3图6。锚链CHAIN1位于迎流侧，是6根锚链中的最危险单元，以下针对锚链危险性分析均指对CHAIN1的动态响应分析。图3锚链长度敏感性曲线4 0003 5003 0002 5002 0001 5001 0005000操作工况张力/kN锚泊半径374 m锚泊半径377 m锚泊半径380 m锚泊半径383 m锚泊半径386 m锚泊半径389 m4 0003 5003 0002 5002 0001 5001 0005000生存工况张力/kN370375380385390395锚链长度/m370375380385390395锚链长度/m图4不同锚链长度下操作工况锚链张力时域波动曲线时间/s05001 0001 5002 0002 5003 0003 5003 0002 5002 0001 5001 0005000锚链拉力/kN锚链长度376 m锚链长度382 m锚链长度391 m於增月等：CALM型单点系泊系统动态响应规律研究272023年6月海洋工程图6不同锚链长度下生存工况浮筒加速度时域波动曲线05001 0001 5002 0002 5003 0003 5006543210浮筒加速度/（ms-1）时间/s锚链长度376 m锚链长度382 m锚链长度391 m05001 0001 5002 0002 5003 0003 5006543210时间/s5001 0001 5002 0002 5003 0003 5006543210时间/s图5不同锚链长度下生存工况锚链张力时域波动曲线时间/s05001 0001 5002 0002 5003 0003 5003 5003 0002 5002 0001 5001 0005000锚链拉力/kN锚链长度376 m锚链长度382 m锚链长度391 m图3所示曲线中，左上侧区域为锚链过短区，锚链过短时，悬链线段较长，锚链拉力来源于悬链线段锚链的自重，该区域内的系泊系统表现为：系泊浮筒位移小，锚链张力大，预张紧角度大。处于该区域内的单点系泊系统环境适应性差，对风、浪、流载荷波动的响应迅速。相同锚泊半径情况下，较长的锚链张力小，波动频率低，幅度小，疲劳寿命更长。图3所不曲线中，右下侧区域为锚链过长区，锚链过长时，悬链线段较短，该区域内的系统表现为：系泊浮筒位移大，锚链预张紧角度小，但张力无明显减小。处于该区域内的系泊锚链对浮筒约束小，各部件自由度高，对风、浪、流载荷波动的响应迟缓。相同锚泊半径情况下，较长的锚链张力小，波动频率低，幅度小，疲劳寿命更长。然而，过长的锚链对浮筒约束过小，系泊于浮筒的油轮运动大，且存在系泊锚链与水下软管运动半径重合，存在发生碰撞的可能性。同时可观察到，锚链过长时，生存工况下的锚链最大张力激增，对应时刻的浮筒加速度达到峰值，且超过前两种系泊方案下的加速度，这对系泊于浮筒的油轮、与浮筒连接的水下软管、漂浮软管以及浮筒内置设备的安全性不利。因此，基于该系统所处的环境条件，图3所示曲线的中间区域，即锚链长度与锚泊半径接近的系泊方案较优。4.2水下软管长度敏感性分析在对单点系泊系统锚泊半径和锚链长度敏感性分析的基础上，对图3中间区域进行系泊系统关于水下软管长度的敏感性分析，方案如图7所示。图7水下软管长度敏感性分析方案锚泊半径/m372374376378380382384386388390锚链长度/m392390388386384382380378376374372考虑该单点系统位于平均水深 32.66 m 海域，大潮位 35.77 m，小潮位 29.56 m，选取 33.5 m、36.6 m和39.6 m三种水下软管长度进行分析。水下软管短节距浮筒距离见表5。操作工况与生存工况下，锚链CHAIN1张力关于水下软管长度敏感性曲线见图8，浮体X向和Z向最大位移关于水下软管长度敏感性曲线见图9。表5不同水下软管距浮筒距离浮体编号12345距浮筒距离/m33.5 m软管9.1 m+12.2 m+12.2 m6.1018.3025.5426.6928.9736.6 m软管12.2 m+12.2 m+12.2 m6.1018.3025.9227.4530.5039.6 m软管9.1 m+10.7 m+10.7 m+9.1 m4.5514.4525.1532.7835.05从图8和图9可看出，水下软管长度对单点系泊系统考察参数的影响不明显。结合单点所在区域水深情况，本文选择水下软管长度为36.6 m。28第49卷第3期海洋工程第三组第二组第一组374/373 m377/376 m380/379 m383/382 m386/385 m389/388 m374/376 m377/379 m380/382 m383/385 m386/388 m389/391 m377/382 m380/385 m383/388 m第一组第二组第三组第三组第二组第一组第三组第二组第一组3334353637383940333435363738394033343536373839403334353637383940-9-8-7-6-5-4-3-2-1-9-8-7-6-5-4-3-2-1第一组第二组第三组水下软管长度/m最大位移/m最大位移/m水下软管长度/m生存工况-Z方向生存工况-X方向-4.6-4.4-4.2-4.0-3.8-3.6-3.4-3.2-3.0-2.8-2.6操作工况-Z方向操作工况-X方向-4.6-4.4-4.2-4.0-3.8-3.6-3.4-3.2-3.0-2.8-2.6图9操作工况与生存工况下浮体-X和-Z方向最大位移关于水下软管长度敏感性曲线4.3油轮靠泊分析单点系泊系统为不靠港装卸油系统的重要组成部分，油轮靠港作业过程的水动力响应分析是单点系泊系统设计必不可少的环节。本文进行16万吨级油轮与单点系泊系统的全耦合动态响应分析。考察6种系泊方案（锚泊半径-锚链长度分别为：377/376 m、377/379 m、380/379 m、380/382 m、383/382 m、383/385 m）在施加 180方向风、浪、流载荷下的最危险锚链CHAIN1张力、水下软管弯曲半径、系泊缆张力、系泊浮筒和油轮的运动情况，如图10所示。由图10可知：锚链长度略大于锚泊半径的系泊方案更利于降低锚链和系泊缆的张力；浮筒-X向和-Z 向位移关于锚泊半径与锚链长度相对大小的结果是相反的，锚链长度略大于锚泊半径的系泊方案，X 向（即与风、浪、流载荷共线的方向）位移更大，而 Z 向的升沉运动更小；浮筒 Z向升沉运动幅度与水下软管最小弯曲半径正相关，水下软管长度/m33343536373839402 4002 2002 0001 8001 6001 4001 2001 000操作工况锚链张力/kN第二组第一组第三组生存工况锚链张力/kN33343536373839402 4002 2002 0001 8001 6001 4001 2001 000水下软管长度/m第二组第一组第三组第三组第二组第一组374/373 m377/376 m380/379 m383/382 m386/385 m389/388 m374/376 m377/379 m380/382 m383/385 m386/388 m389/391 m377/382 m380/385 m383/388 m图8操作工况与生存工况下锚链CHAIN1张力关于水下软管长度敏感性曲线於增月等：CALM型单点系泊系统动态响应规律研究292023年6月海洋工程图10油轮靠泊锚链与系泊缆张力377/376 m377/379 m380/379 m380/382 m383/382 m383/385 m系泊方案（锚泊半径/锚链长度）锚链最大张力/kN2 6002 4002 2002 0001 8001 600系泊缆最大张力/kN2 6002 4002 2002 0001 8001 6001 400浮筒-X向位移/m-2.5-3.0-3.5-4.0-4.5-5.0-5.5浮筒-Z向位移/m-2.5-2.6-2.7-2.8-2.9377/376 m377/379 m380/379 m380/382 m383/382 m383/385 m软管最小弯曲半径/m2.812.802.792.782.772.762.752.742.73油轮艏摇最大角度/（）21.020.520.019.519.018.518.017.5377/376 m377/379 m380/379 m380/382 m383/382 m383/385 m377/376 m377/379 m380/379 m380/382 m383/382 m383/385 m系泊方案（锚泊半径/锚链长度）系泊方案（锚泊半径/锚链长度）系泊方案（锚泊半径/锚链长度）浮筒的升沉运动有利于避免水下软管弯曲半径过小而发生局部屈曲的情况；锚链长度略小于锚泊半径的方案浮筒位移小，油轮艏摇运动幅度更大。依据工程经验，油轮艏摇应该控制在20内6。综合考虑锚链与系泊缆张力、浮筒与油轮的运动以及当地水深变化情况，选择锚泊半径383 m、锚链长度385 m、水下软管长度36.6 m为本文单点系泊系统的方案，见图11。图11单点系泊系统方案16万吨级油轮锚泊半径383 m系泊浮筒平均水深32.66 mzyxCHAIN1系泊锚链长385 mCHAIN4海底管汇水下软管长36.6 m12.2 m半加强级12.2 m主管段12.2 m半加强级锚链CHAIN4锚点30第49卷第3期海洋工程图14锚链、系泊缆受力与锚链躺地段长度时间/s锚链CHAIN1拉力/kN1 8001 6001 4001 2001 0008006004002000-20002 0006 0004 0008 000 10 00012 000时间/s时间/s系泊缆拉力/kN1 6001 4001 2001 0008006004002000-200躺地段长度/m3503002502001501005002 0006 0004 0008 000 10 00012 00002 0006 0004 0008 000 10 00012 000图13浮筒X、Y、Z方向位移响应时域曲线时间/s浮筒X方向坐标/m浮筒Y方向坐标/m浮筒Z方向坐标/m420-3-4-602 000 4 000 6 0004 0008 000 10 0003210-1-2-302 0006 0004 0008 000 10 00043210-1-2-3-402 0006 0004 0008 000 10 000时间/s时间/s5最优方案系统分析由于系泊油轮的存在，静态分析过程浮筒偏左，右侧锚链 CHAIN1 预张角最大，左侧锚链CHAIN4预张角最小，图12为浮筒发生较大位移时左右锚链形态与静态时的形态对比，可发现：锚链CHAIN1在浮筒向左运动时悬链线段长度最长，张力最大，为最危险单元。单点系泊系统浮筒的偏移（见图13）、锚链和系泊缆的受力（见图14）为重点考察参数；同时，还需要关注浮筒平面外运动（见图15）和油轮平面外运动（见图16）以及锚链躺地段长度7。图12浮筒最大偏移下的锚链形态沿锚链长度/m与海床距离/m403020100动态最大位移锚链初始形态-400-300-200-10010020030040003020100-400-300-200-1001002003004000於增月等：CALM型单点系泊系统动态响应规律研究图15浮筒平面外运动时间/s浮筒横摇/（）1086420-2-4-6-8-1002 0006 0004 0008 00010 00012 000时间/s浮筒纵摇/（）1050-5-10-15-20-25-3002 0006 0004 0008 00010 00012 000时间/s浮筒艏摇/（）3210-1-2-302 0006 0004 0008 00010 00012 000312023年6月海洋工程图16油轮平面外运动时间/s油轮横摇/（）0.40.30.20.10.0-0.1-0.2-0.2-0.402 0006 0004 0008 00010 00012 000时间/s油轮纵摇/（）1.00.50.0-0.5-1.002 0006 0004 0008 00010 00012 000时间/s油轮艏摇/（）20151050-5-10-1502 0006 0004 0008 00010 00012 000采用2.4节的设计准则对选定方案计算结果进行校核，该方案满足要求。6结论1）本文采用阵列式的系泊方案敏感性分析方法，针对依托的孟加拉海域工程环境，开展了水动力响应情况及变化规律参数敏感性分析，推荐最优方案为：锚泊半径 383 m，锚链长度 385 m，水下软管长度36.6 m。2）若油轮系泊过程中存在船舶艏摇角过大的“鱼尾效应”，可采用尾部施加拖轮牵引力的方式予以解决。3）本文分析中未考虑锚链、系泊缆和软管的疲劳情况，所以详细设计应通过雨流计数法对锚链、系泊缆和水下软管张力3 h时域响应曲线进行疲劳分析和疲劳寿命校核。4）详细设计阶段应考虑选定方案环境适应性分析，如：随即波谱峰周期变化、水下软管浮体脱落、风浪流载荷方向不共线、浮筒与管汇安装错位等。参考文献1 冷述栋.CALM系泊系统动力响应分析D.大连：大连理工大学，2013.2 周楠，董宝辉，李俊汲，等.CALM单点系泊设施设计要点J.海洋工程装备与技术，2020，7（6）：425-429.3 纪志远，程久欢，雷俊杰，等.CALM单点管道设计综述J.船舶工程，2018，40（S1）：317-320.4LOW Y M，LANGLEY R S.Time and frequency domaincoupled analysis of deepwater floating production systemsJ.Applied Ocean Research，2006，28（6）：371-385.5 RUEHL K，MICHELEN C，KANNER S，et al.Preliminaryverification and validation of WEC-Sim，an open-sourcewave energy converter design toolC/International confer-ence on offshore mechanics and arctic engineering.S L.：American Society of Mechanical Engineers，2014：45547.6 周楠，刘旭平，李俊汲.CALM单点系泊系统设计综述J.海洋工程装备与技术，2017，4（2）：102-104.7 孙强，彭贵胜，董庆辉.悬链式单点系泊系统设计与分析方法研究C/第十六届中国科协年会分8绿色造船与安全航运论坛论文集.昆明：中国科协，2014：126-131.作者简介：於增月（1998），女，安徽凤阳人，2021年毕业于新加坡国立大学近海技术专业，硕士，现从事油气管道工程、近海工程设计工作。Email：收稿日期：2023-02-2432