船舶与海洋工程前沿技术

锚泊系统设计与分析
2 张紧式系泊方式（Taut Mooring）
王宏伟
对于深水或超深水的平台，对系泊线的重量要有一定的限制，常采用张紧式系泊方式。系泊线与 海底以一定的角度相交，就是说系锚点处要同时受水平和铅直方向的力。系泊线的回复力主要由其 自身的弹性而产生。而且，张紧式系泊系统在海底占据范围（footprint）/系泊点的影响半径比悬链 线系泊系统的小很多，这也是张紧式系泊系统优于悬链线式系泊系统的地方。为了降低系泊线的重 量，系泊线还可以采用较轻的合成材料（synthetic ropes），如聚酯材料（Polyester），目前此种 材料越来越多的被使用。
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2）钢缆（Wire Rope） 系泊线可以完全由钢缆组成，也可以“锚链—钢缆”组合形式，即钢缆完全悬浮，不与海底接 触。 常见的钢缆结构形式有三种：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。
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二 系泊方式与系泊材料
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1. 悬链线式系泊方式（Catenary Mooring） 悬链线式系泊方式中，系泊线的外形是弯曲的悬链线，一般由锚链（chain）和钢缆（wire rope）两部分组成，锚链与海底水平相接，因此，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。通常，在系泊线上悬挂浮筒以提升地面部分的系泊线，从而使其免受 海底障碍物的影响。浮筒减小了链的重量，增加了系泊线的刚度，减小了平台在外荷载作用下 的位移，同时，浮筒还降低了平台的垂向荷载。悬链线式系泊方式常用于相对较浅的海域。
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可解脱式内转塔系泊系统
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2.2 外转塔式系泊系统（External Turret Mooring System）
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外转塔式系泊系统类似于内转塔式系泊系统，只是转塔位于船体的外部。外转塔式系泊系统减 少了对船体的必需的维修，并且允许在码头沿岸安装，而内转塔式系泊系统只能在干坞中安装。但 是，外转塔式系泊系统限制了立管的数量。外转塔式系泊系统多用于浅水海域。
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3）合成材料（Synthetic Wire Rope）
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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。合成材 料缆绳有较大的水平回复力，减小了平台的水平位移，同时具有较小的刚度，降低了缆绳的拉 伸程度。但是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。而且合成材料缆绳容易打滑而产生蠕变，因此每隔几年需要重新张紧。而且合成材料缆绳 不能接触海底，只能作为悬浮部分，也不能预放于海底，因此安装起来也很复杂。
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2.5 单锚腿系泊系统（Single Anchor Leg Mooring）
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单锚腿系泊系统（SALM）是较早开始使用的一种系泊方式。其原理与CALM类似，不同的 是，SALM的浮筒只由一根锚链线系泊于海底基础，浮筒与油轮之间通过钢性臂连接。其主要组 成部分包括：浮筒，存储系统（Single Anchor Leg Storage System, SALS）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）。SALM将转环（swivel）置于水下或油轮的 龙骨下方，能够防止转环的碰撞破坏，即使破坏也只是对浮筒表面的轻微破坏，易于维修。为了 避免柔性管与系泊链之间的碰撞，系泊链通常是垂直张紧的单锚链或管状柱体。SALM可以适应 于各种天气条件，适应于很大范围内的水深，施工与安装快捷而经济，而且适于改装的油轮。但 是SALM只能安装1根立管，实践证明SALM的可靠性也较高。
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2.1 内转塔式系泊系统（Internal Turret Mooring System）
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在FPSO所采用的系泊系统中，内转塔式系泊系统应用最广泛，常用于中等水深及 深水海域的平台，如北海海域的FPSOs和FSOs。内转塔式系泊系统的主要组成部分 包括： 转塔及其套筒（Turret and Turret Casing); 液体传输系统（Product Transfer System); 转盘（Turntable）； 锚布置（Anchor Arrangement)。 内转塔系泊系统的系泊装置一般设在船艏，其优点是：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。但 是转塔的存在对船体结构造成了影响，也减少了舱容；同时系泊船的“风标效应”效果 受转塔位置的制约。内转塔系泊系统一般可分为永久式内转塔系泊系统和可解脱式内 转塔系泊系统。
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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，并且在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具有快速的解脱和回接功能，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ooring System）
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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接。其主要组成部分为： 塔：是与海底相连的静态部分，其上部是与船体相连的转盘。两部分通过轴承连接，允许转盘转动 以使系泊油轮自由转到受力最小的位置； 系泊部分：叉型结构或系船索； 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（swivel）传给软 管（Jumper hoses），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。 塔式系泊系统适用于：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，很适合于 改装的油轮。
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Fiber rope construction
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4 系泊链连接部件简介 1）Socket （插孔）
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2） SPRING BUOY
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3）CONNECTING HARDWARE
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4） Winching Equipment
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动力定位系统的主要组成部分包括： 动力操纵系统：提供定位所需要的所有动力； 推进器系统：通过控制船在水平、纵向及扭转的力，使船保持在指定的位置。 位置测量系统：随时将船只的具体位置提供给控制系统； 动态定位控制系统：控制船只在具体的位置和方向，以抵抗外界环境荷载。 动力定位系统的优点是：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。 缺点是：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。
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3 系泊链材料 常用的系泊链材料有链（Chain），钢缆（Steel Wire Rope）和合成纤维材料（Synthetic Wire Rope） 1）链（Chain） 链可用于各种部位，易于操作，通常用于连接平台部分和海底锚部分。链分为有横档链 （stud）的和无横档链（studless）两种。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，因此通常采用无横档的链。可采用的链等级很多，屈服强度不同，采用的 等级也不同。链比其它材料的疲劳寿命要短。链的破坏形式主要有四种：塑性破断，脆性断裂， 疲劳断裂，应力腐蚀。其中脆性断裂是系泊链破坏的主要形式。
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2.4 悬链式浮筒系泊 （Catenary Anchor Leg Mooring）
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悬链式浮筒系泊系统（CALM），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。CALM可以设计成用来停泊任意尺寸的油轮，包括 超大型原油轮（Ultra Large Crude Carriers (ULCCs)）。其主要部件包括：短期系 泊部分，用来在海岸与离岸油轮之间输入输出液体；永久系泊部分，用来生产和储 存液体；非永久性系泊部分，即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，适应于很大范围内的水深，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。
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2．单点系泊 （Single Point Mooring）
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大部分FPSO的系泊系统属于单点系泊系统。单点系泊系统的特点是：容许FPSO绕 单点自由转动，从而有效地减少风浪流的作用力，这样锚链线的尺度也相应地减小。 单点系泊系统十分有利于输油轮卸油：输油轮可与FPSO首尾连接，输油轮、FPSO 同时绕单点自由转动，具有操作方便、安全、可操作率高等优点。单点型系泊系统的缺 点是制造成本高，技术复杂。 通常，FPSO单点系泊系统具有三个功能：一是定位系泊功能，通过单点提供的系泊 力将FPSO相对固定在海上油田作业现场，并作为成品原油外输的海上终端；二是液体 输送及电力、光控传输功能，通过特殊的液体旋转滑环、光、电滑环经海底管线、海底 电缆及/或光缆与海上平台或水下生产设施相连，接收来自油田的井口液，进行相应的工 艺处理以生产合格的成品原油；三是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。
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3 动力定位系统（Dynamic Positioning）
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除上述的各种系泊系统外，对某些特定的条件，全动力定位系统也是一种选择。 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。它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，通过自动控制系统对位置反馈信息进行处理与计算，并控制 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。
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主要内容
一 常用系泊类型介绍 二 系泊方式与系泊材料 三 锚的选择与设计 四 锚泊系统设计过程 五 系泊分析规范
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一 常用系泊类型
1 多点系泊（Spread Mooring）
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对于半潜平台（Semi-Submersible）和单浮筒平台（Spar），常用多点系泊。
WINDLASS
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CHAIN JACK
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DRUM-TYPE WINCH
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LINEAR WINCH
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FAIRLEAD AND STOPPER
Semi Mooring
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Spar-Mooring
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张力腿平台（TLP）也属于多点系泊。只是用张力腱（Tendon）代替了系泊线.
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多点系泊也可以应用于船体，如FPSO。FPSO的多点系泊系统，其系泊锚链线固定于船头、船 尾，呈发散型向外展开，该类系泊系统能够阻止FPSO的横向位移，同时也固定FPSO的方向。 其优点是：简单，经济，可以安装较多的立管及脐带系统，而且由于不需要转塔调整方向，立管 可以位于船体的中间位置，因此适合于改造的旧油轮。缺点是：由于FPSO方向固定，横向受风 浪流力巨大，锚链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。