1、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
2、；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
3、 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
4、 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 l
5、ying 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
6、，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
7、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
8、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
9、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-
10、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
11、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
12、.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 forBuild
13、ing 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
14、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
15、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/m37037538038
16、5390395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