单点系泊系统基本设计方法概述

    单点系泊系统是海上油气集输的重要设施之一。在海上油气开发过程中，单点系泊系统将油轮通过单一固定点的型式系泊在固定结构上，并使船舶能够随着风、海浪和海流的变化围绕固定结构进行360°回转，最终停留在环境力最小的方位上。油轮至单点至地面的油气集输过程见图1。

图1 油轮-单点-地面油气集输过程

本文以转台式悬链锚腿系泊系统为例，总结单点系泊系统中的主要部件，对设计过程中需要考虑的重要因素进行说明。

2.1 规范和入级

（1）规范

目前，单点系泊系统水域布置设计主要依据《海港总体设计规范》。DNV，ABS和BV等船级社都具有相关的通用设计和安装规范。其他有关防腐、焊接和维护作业遵循的规范通常由设计方根据具体情况给出。

（2）入级

单点系泊系统可通过相应的船级社检验发证并入级。

2.2 设计工况

（1）浮筒结构设计工况

浮筒结构设计过程中需要考虑的工况主要包括三类：

• 正常运行和作业期工况

• 出现异常和意外状态下的工况，例如密封舱进水和船舶撞击

• 系泊、托航和吊装等特殊作业条件下的工况

（2）系泊和锚泊系统设计工况

• 连接油轮的一般操作工况

• 没有连接油轮的极端自存工况

2.3 设计方法

（1）浮筒结构

浮筒通常采用全封闭式圆筒结构，如图2所示。圆筒中心处称为中心井，其中布置滚动轴承、旋转接头和输油立管。周围布置6 ~ 9个密封舱，提供整个系统作业和自存条件下的浮力。

图2 浮筒结构示意图

浮筒结构设计过程中主要考虑以下内容：

• 浮筒容积能够满足整个系统所需的浮力，通常根据作业海域的环境数据和系泊能力确定

• 转台、上部设备及各种工况中外部荷载条件下，板壳结构、柱壳结构和梁部件的屈曲、断裂和屈服强度校核，通常采用有限元方法进行分析，常用软件包括ANSYS，ABAQUS和ADINA等

（2）转台及上部设备

转台通过滚动轴承与浮筒相连，作业过程中可以随作业船舶360°旋转。单点系泊系统的绝大多数设备都布置在转台上部，主要包括：

• 绞车：额定载荷满足漂浮软管和系泊缆接入作业需求

• 导航设备：布置雾笛、导航灯和雷达反射器

• 输油管路：根据流体输送能力要求进行设计

• 系泊器和系缆桩：进行托航和系泊作业条件下的强度校核

• 电力系统：包括太阳能板和蓄电池箱，为绞车和导航设备提供电力

转台上部安装有保护框架，用于设备的保护。转台两侧分别布置潜水员平台和登船平台。潜水员平台布置在输油管路一侧，用于输油管端与漂浮软管连接。登船平台布置在相反方向，用于日常作业船舶的停靠。

图3 转台结构示意图

（3）系泊缆及锚链

    系泊系统包括系泊器和系泊缆两部分。系泊器固定在转台边缘，与系泊缆通过单向接头相连，系泊缆另一端固定在船上。

图4 系泊系统示意图

锚泊系统包括止链器、锚链、锚桩。通常浮体结构通过均匀布置的6 ~ 8根锚链固定。

系泊缆及锚链设计过程中主要考虑以下内容：

• 布置与选型，通常根据水深选择锚链形式，根据油轮吨级设计系泊缆参数

• 采用耦合分析方法（考虑锚链、浮筒和船舶的相互作用）对强度及疲劳进行校核，目前常用的系泊分析软件包括Araine，Aqwa，Moses，Orcaflex和Sesam等

（4）防腐

    防腐设计主要包括涂装和阴极保护：

• 根据不同结构的腐蚀程度划分区域进行涂装工艺设计

• 在水面以下的浮筒结构上通过栓接型式安装牺牲阳极，以便于保护水下结构和定期更换

• 腐蚀裕量的计算通常依照ABS相关规范

（1）建造周期短，投资成本低

    长距离海上油气集输作业以油轮运输为主，建造用于油轮装卸的深水固定式码头通常需要较高的投资成本和长建造周期。而单点系泊系统的投资费用相对较低，通常为同等作业能力固定设施的30% ~ 50%。

    同时，单点系泊系统建造周期短，一般为6 ~ 12个月，安装时间也小于固定平台和海底管道等设施。

（2）作业范围广，机动性能强

    大型和超大型油轮具有较高的油气输送能力，但对港口航道的规模要求较高。目前绝大多数的港口航道较窄，水深较浅，配套设施规模较小，无法靠泊大型和超大型油轮。

单点系泊系统成功实现了油轮的海上系泊，适用水深范围较广，适应海上极端作业条件。目前现有的大部分单点系泊系统可以在7级大风及浪高3 ~ 5米的情况下进行原油装卸，年平均工作日达到330个。

    同时，单点系泊系统也具有重复使用性，主要部件进行调整后能够实现相似环境和作业条件下的重复使用。

（3）减小环境力，消耗冲击能

大部分单点系泊系统采用锚链固定方式，在外力作用下能够产生位移并吸收部分能量。这种型式一方面有效避免了船舶停靠过程中对固定结构的碰撞损伤，另一方面能够缓冲有效位移反应和峰值系缆负荷。

    单点系泊系统包含有允许360°回转的转动结构，作业船舶系泊在转动结构上，能够随着风、海浪和海流的变化而围绕固定结构转动，最终停留在所受环境力最小的位置。在该位置上能够有效减小系泊力和作业载荷，保证高效安全的油气输送作业。

    目前国际上具备单点系泊设计能力的公司主要包括Blue Water和IMODCO等，具备比较丰富的单点系泊设计相关技术和经验。国内涉及相关领域的设计单位较少，部分船舶及海工公司从事过单点系泊的建造和安装，包括蓬莱巨涛、大连船舶重工和中远船务等。

    未来随着海洋石油勘探开发投资的增长，以及FPSO和FSRU等浮式装置的大量应用，我国单点系泊系统的市场前景依然广阔。因此有必要通过调研学习、课题研究和项目实战等手段提高设计能力，掌握关键技术，实现单点系泊系统设计国产化，助力我国海洋工程装备领域的进一步发展。

本文来自：蓝海号角