懸鏈錨腿式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計水深估算

張 志，劉其民，孔友南，康有為

(1.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032；2.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000)

懸鏈錨腿式單點(diǎn)系泊(catenary anchor leg mooring，CALM)系統(tǒng)在選址及水域布置時首先應(yīng)考慮其最小水深的要求，在CALM的回轉(zhuǎn)水域及作業(yè)水域內(nèi)均須保證系泊船在擬定的作業(yè)環(huán)境條件下不出現(xiàn)觸底及碰觸任何海底突出物的風(fēng)險。單點(diǎn)系泊一般布置在外海水域，波浪等環(huán)境條件較差，系泊船在波浪、風(fēng)等環(huán)境條件下的運(yùn)動響應(yīng)十分復(fù)雜，系泊船運(yùn)動是確定CALM設(shè)計水深的關(guān)鍵因素。

CALM因建造周期短、建設(shè)成本低以及對環(huán)境條件的適應(yīng)性強(qiáng)在世界范圍內(nèi)有廣泛的應(yīng)用，但目前國內(nèi)大陸地區(qū)僅2處應(yīng)用案例，相關(guān)研究成果較少。羅曉鍵等[1]、周楠等[2]分別基于某設(shè)計案例對CALM的設(shè)計進(jìn)行綜述；許向東等[3]總結(jié)了單點(diǎn)系泊技術(shù)及操作維護(hù)管理的經(jīng)驗(yàn)；蔡世亮等[4]結(jié)合茂名石化單點(diǎn)的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)對CALM進(jìn)行綜述并對其國產(chǎn)化的可行性進(jìn)行探討；周楠[5]對CALM的魚尾效應(yīng)進(jìn)行研究；呂巖等[6]對單點(diǎn)系泊的建設(shè)條件及選址原則進(jìn)行了總結(jié)分析；馬巍巍等[7]研究在淺水條件下單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵要點(diǎn)。目前，針對單點(diǎn)系泊設(shè)計水深未見相關(guān)成體系的研究成果，確定單點(diǎn)系泊水深的關(guān)鍵在于確定系泊船在波浪、風(fēng)等環(huán)境條件下的運(yùn)動量。對于系泊浮體在波浪作用下的運(yùn)動響應(yīng)有較成熟的理論，但需要借助水動力學(xué)軟件進(jìn)行分析確定，計算耗時較多，同時對于系泊系統(tǒng)、船型和水文環(huán)境參數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠性有較高要求。目前，業(yè)界缺少在項(xiàng)目前期階段相對簡單可靠的估算CALM設(shè)計水深的方法。本文針對水運(yùn)規(guī)范統(tǒng)計的不同噸級設(shè)計船型，在不同的波浪要素組合下，利用數(shù)值分析軟件模擬相應(yīng)噸級船型升沉、縱搖及橫搖3個方向的運(yùn)動響應(yīng)，并適當(dāng)考慮脈動風(fēng)對系泊船運(yùn)動量的影響，給出采用設(shè)計水深系數(shù)估算的方法，可為單點(diǎn)系泊規(guī)劃選址及可行性研究階段確定設(shè)計水深提供參考。

1 系泊船型尺度

系泊船型的尺度是決定其運(yùn)動響應(yīng)幅值、進(jìn)而決定所需設(shè)計水深的主要因素。我國水運(yùn)工程一般采用相應(yīng)噸級的具有85%保證率的船型尺度作為設(shè)計船型，CALM適用于原油、成品油的接卸終端，本文CALM設(shè)計水深的估算基于JTS 165—2013《海港總體設(shè)計規(guī)范》統(tǒng)計的油船船型尺度[8]，見表1。

表1 規(guī)范統(tǒng)計設(shè)計船型

2 設(shè)計水深計算方法

根據(jù)美國船級社(ABS)的RulesForBuildingandClassingSinglePointMoorings，單點(diǎn)系泊作業(yè)水域及回旋水域內(nèi)應(yīng)有足夠的水深，任何作業(yè)工況下應(yīng)避免系泊船觸底及碰觸任何海底突出物的風(fēng)險，須考慮潮汐變化、龍骨下安全間隙、海底突出物高度、測量精度、海底地形變化等因素影響。按此原則，懸鏈錨腿式單點(diǎn)系泊的水深應(yīng)基于當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵?，可按?1)計算：

D=T+Z1+Z2+Z3+Z4+Z5

(1)

式中：D為CALM設(shè)計最小水深(m)；T為設(shè)計船型滿載吃水(m)；Z1為龍骨下最小富余深度(m)；Z2為波浪、風(fēng)等環(huán)境條件作用下船舶垂向運(yùn)動量最大值(m)；Z3為海底障礙物高度(m)；Z4為水下地形測量誤差(m)；Z5為備淤富余深度(m)，宜取設(shè)計使用年限內(nèi)的淤積量。

在單點(diǎn)系泊設(shè)計水深的影響因素中，海底障礙物的高度應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定，如錨樁設(shè)計是否會突出海底面、海管是否采用明敷、海底管匯與系泊浮筒的相對位置以及是否有系泊船碰觸海底管匯的風(fēng)險等。海底管匯的高度一般為2～4 m，當(dāng)水下軟管采用中國燈籠形構(gòu)型、海底管匯位于浮筒正下方且系泊船有拖尾輪輔助時，認(rèn)為系泊船碰觸海底管匯的風(fēng)險是較低的，可不考慮海底管匯高度的影響。當(dāng)水深小于30 m時水下軟管一般采用中國燈籠形構(gòu)型，因此本文海底障礙物高度僅考慮錨樁、海管等因素，按1 m考慮。

對于龍骨下最小富余深度，本文參考ABS規(guī)范要求取1 m。水深測量誤差應(yīng)滿足規(guī)范要求，根據(jù)JTS 131—2012《水運(yùn)工程測量規(guī)范》，水深測量誤差應(yīng)控制在±0.01倍水深值范圍，懸鏈錨腿式單點(diǎn)系泊的最小水深要求一般在30 m內(nèi)，故本文水下地形測量誤差統(tǒng)一按0.3 m考慮。懸鏈錨腿式單點(diǎn)系泊選址時應(yīng)選在泥沙活動強(qiáng)度較弱、海床相對穩(wěn)定的海域，本文備淤富余深度統(tǒng)一按0.4 m考慮。

3 系泊船垂向運(yùn)動量分析

系泊船在波浪、風(fēng)等環(huán)境因素作用下的運(yùn)動響應(yīng)是影響CALM設(shè)計水深的關(guān)鍵因素。影響系泊船運(yùn)動響應(yīng)的因素較多，包括設(shè)計作業(yè)波浪要素及相應(yīng)的波浪譜型、船浪夾角、系泊船體線型及主要尺度、設(shè)計作業(yè)風(fēng)速及風(fēng)速分布等。

系泊船的運(yùn)動可分解為6個自由度的運(yùn)動，對于設(shè)計水深來說，主要關(guān)注其升沉、縱搖及橫搖3個方向的運(yùn)動響應(yīng)，可采用水動力分析數(shù)值軟件確定模擬船型在給定波浪條件下3個方向的運(yùn)動響應(yīng)幅值。單點(diǎn)系泊具有風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)，且CALM一般均配置拖尾輪以抑制系泊船魚尾效應(yīng)，系泊船總處于環(huán)境荷載最小的位置，波浪以順浪作用于系泊船，本文假定船浪夾角在0°～30°范圍。

以30萬噸級典型油船為例，按規(guī)范船型尺度建立水動力分析模型，裝載度為滿載，波浪譜按P-M譜考慮，計算不同波高、波周期組合的波浪條件下系泊船的運(yùn)動量(表2)。以(h，α，β)序列表示在相應(yīng)波況下的升沉、橫搖、縱搖運(yùn)動量。以有效波高Hs=3.5、平均周期Tm=8 s工況為例，表示30萬噸級油船，當(dāng)船浪夾角為0°～30°時，模擬3h油船中心處的最大升沉運(yùn)動量峰值為0.36 m，最大橫搖運(yùn)動量峰值為0.70°，最大縱搖運(yùn)動量峰值為0.40°。

表2 波浪作用下船舶中心處運(yùn)動量峰值

系泊船可按剛體考慮，對于設(shè)計水深，應(yīng)關(guān)注最不利位置處船體的垂蕩運(yùn)動值η，在升沉、橫搖及縱搖幾個方向的運(yùn)動影響下，顯然船首(或船尾)的舷側(cè)為最不利位置，考慮船體尺度及船舶中心處的運(yùn)動量，偏保守η可按式(2)計算波浪作用下船體垂蕩峰值。對30萬噸級油船，波浪作用下垂蕩峰值計算結(jié)果見表3。

表3 波浪作用下船首舷側(cè)處垂蕩峰值

η=h+0.5Btanα+0.5LBPtanβ

(2)

式中，η為船首舷側(cè)垂蕩量峰值，h、α、β分別為系泊船升沉、橫搖及縱搖運(yùn)動量，B為船寬，LBP為船柱間距。

為驗(yàn)證上述計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，以我國北方地區(qū)某30萬噸級CALM工可階段物理模型試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，進(jìn)行船舶運(yùn)動量結(jié)果對比分析，該物模試驗(yàn)含2組單波浪作用的試驗(yàn)組次，對比結(jié)果見表4。從表4 可以看出，本文數(shù)模計算結(jié)果與物模試驗(yàn)結(jié)果吻合性較好，表明數(shù)模結(jié)果可以較好地反映系泊船在波浪作用下的運(yùn)動量情況。風(fēng)的脈動作用亦會對系泊船運(yùn)動產(chǎn)生影響，對比物理模型試驗(yàn)單波浪作用及波浪、風(fēng)聯(lián)合作用的試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)風(fēng)速17.5 m/s，風(fēng)作用引起的系泊船垂蕩量增加值在1.03～1.23。

表4 系泊船運(yùn)動量對比結(jié)果

對于CALM來說，油輪作業(yè)風(fēng)速的限制標(biāo)準(zhǔn)不會有過大的差別。本文在對CALM設(shè)計水深的估算中，統(tǒng)一按風(fēng)作用引起的油輪垂向運(yùn)動量為1.0～1.2 m考慮，并與波浪作用的運(yùn)動量線性疊加，則波浪、風(fēng)聯(lián)合作用下30萬噸級油輪的垂蕩運(yùn)動量峰值見表5。

表5 波浪、風(fēng)聯(lián)合作用下系泊30萬噸級船垂蕩峰值

4 設(shè)計水深系數(shù)

在單點(diǎn)系泊系統(tǒng)前期設(shè)計階段往往只有油輪噸位等初步參數(shù)，不具備進(jìn)行完整的風(fēng)浪流環(huán)境下船體運(yùn)動響應(yīng)幅值計算的條件。因此本文提出設(shè)計水深系數(shù)的概念，基于目標(biāo)系泊油輪的滿載吃水乘以設(shè)計水深系數(shù)，即可得到所需的最小設(shè)計水深：

D=KT

(3)

式中：D為單點(diǎn)系泊設(shè)計最小水深，K為設(shè)計水深系數(shù)，T為設(shè)計船型滿載吃水。

根據(jù)設(shè)計水深系數(shù)的定義，將表5不同波浪要素組次下的系泊船運(yùn)動量代入式(1)和(3)，可得30萬噸級CALM的設(shè)計最小水深要求及設(shè)計水深系數(shù)(表6)。

表6 30萬噸級油船設(shè)計最小水深D及設(shè)計水深系數(shù)K

采用上述相同的方法，再對規(guī)范給定的10萬～25萬噸級的油船尺度分別計算其設(shè)計水深系數(shù)(表7)，在CALM規(guī)劃選址及可行性研究階段，可根據(jù)擬定的設(shè)計船型以及作業(yè)環(huán)境條件按本文對應(yīng)噸級船型設(shè)計水深系數(shù)表初步確定水域的最小設(shè)計水深要求。

表7 油船設(shè)計水深系數(shù)K

5 工程案例分析

我國茂名、潿州及部分國外CALM工程案例設(shè)計水深情況如表8所示，工程案例設(shè)計水深系數(shù)與本文推薦設(shè)計水深系數(shù)基本吻合，我國近海地形一般相對平緩，國內(nèi)已建2處單點(diǎn)均按最小水深要求選址，以最大限度地減小海底管線的長度，節(jié)省建設(shè)投資。

表8 工程案例設(shè)計水深系數(shù)對比

當(dāng)水深較小時，系泊船在波浪作用下會產(chǎn)生淺水效應(yīng)，當(dāng)水深系數(shù)K小于1.3時會相對明顯，系泊船對系泊設(shè)施的水平作用力會有較大幅度的增加，將對系泊設(shè)施的強(qiáng)度有較高的要求，因此有條件時CALM選址應(yīng)盡可能選擇在水深充足海域。

對比各噸級船的設(shè)計水深系數(shù)得知：當(dāng)船型較小時，其設(shè)計水深系數(shù)較大；船型較大時，設(shè)計水深系數(shù)較小。而對于給定船型，當(dāng)擬定作業(yè)條件的波高、波周期增大時，其設(shè)計水深系數(shù)亦會相應(yīng)增大，特別是波周期，其設(shè)計水深系數(shù)增幅明顯，可見在中長周期波作用下，系泊船的運(yùn)動響應(yīng)更加劇烈，因此在CALM選址及水域布置時尤其應(yīng)關(guān)注所處海域是否受中長周期波浪的影響。我國大部分海域由平均波周期8 s內(nèi)的風(fēng)浪控制，其設(shè)計水深系數(shù)可取1.2～1.5，船型較小或環(huán)境條件較差時應(yīng)取大值，同時海底障礙物高度、備淤量應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況考慮，在確定設(shè)計水深時應(yīng)考慮其實(shí)際情況與本文假定值差異的影響。

本文設(shè)計水深系數(shù)的推求采用了某些基于一般情況的假定，實(shí)際工程中海域波浪譜、所模擬典型船型的線型等參數(shù)以及系泊船升沉、縱搖及橫搖運(yùn)動峰值的同步性等與本文所考慮的可能有差異，對設(shè)計水深系數(shù)有一定的影響，因此本文所述設(shè)計水深系數(shù)僅用于前期規(guī)劃選址及可行性研究階段，對于詳細(xì)設(shè)計階段，宜針對具體船型參數(shù)、環(huán)境要素等進(jìn)行分析確定設(shè)計水深要求。

6 結(jié)論

1)在規(guī)劃選址及工行性研究階段，CALM的設(shè)計水深可根據(jù)擬定的設(shè)計作業(yè)環(huán)境波要素參照本文給定的相應(yīng)噸級船型設(shè)計水深系數(shù)確定，以風(fēng)浪為主的海域CALM設(shè)計水深系數(shù)宜取1.2～1.5，船型較小或環(huán)境條件較差時應(yīng)取大值。

2)設(shè)計水深系數(shù)與設(shè)計作業(yè)環(huán)境波浪的波高及波周期有關(guān)，對給定船型當(dāng)波高或波周期增大時，其設(shè)計水深系數(shù)亦增大，設(shè)計水深系數(shù)對波周期的敏感性要大于波高。

3)中長周期涌浪作用下，系泊船的運(yùn)動響應(yīng)較劇烈，CALM的設(shè)計水深系數(shù)增幅十分明顯，在CALM選址及水域布置時應(yīng)充分考慮工程所處海域是否受中長周期波浪影響。