陳旻浩 陳杰誠

摘? ? 要：本文介紹了FWMCM與DICAS兩種系泊系統(tǒng)的提出、發(fā)展歷史及其應(yīng)用情況，對兩種系泊系統(tǒng)的設(shè)計理念、布置形式、環(huán)境適應(yīng)能力、極限系泊能力和經(jīng)濟(jì)性作了對比，并對兩種系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)關(guān)鍵作了探討。

關(guān)鍵詞：FWMCM;DICAS;多點(diǎn)系泊;配重系泊

中圖分類號：U674.98 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： This paper introduces the concept， development history and application of FWMCM mooring and DICAS mooring， compares the design concept， layout， environmental adaptability， limit mooring ability and economy of the two mooring systems， and discusses the key design technologies of the two systems.

Key words： FWMCM; DICAS; Multipoint mooring; Counterweight mooring

1? ? 引言

DICAS 系泊系統(tǒng)[1]是20 世紀(jì)90 年代中期由卡斯特、巴里奧斯、法爾肯伯格、卡爾森等提出的半風(fēng)標(biāo)系泊系統(tǒng)。

FWMCM稱為扇形風(fēng)標(biāo)多點(diǎn)配重系泊，是本文作者2在20世紀(jì)90年初提出的一種多點(diǎn)系泊新概念，它是將單點(diǎn)系泊的風(fēng)標(biāo)特性引入到多點(diǎn)系泊中，既兼?zhèn)涠帱c(diǎn)系泊的穩(wěn)定性，又兼?zhèn)鋯吸c(diǎn)系泊的風(fēng)標(biāo)能力，從而使得占用水域、系統(tǒng)受力和工程投資均小于傳統(tǒng)的多點(diǎn)系泊。

FWMCM 系泊應(yīng)用于深圳“明思克”航空母艦抗臺系泊，投入使用至今已有18年的安全記錄，且于2016年成功地整體搬遷到南通市蘇通大橋北側(cè)繼續(xù)經(jīng)營;應(yīng)用于香港水警兩座海上工作平臺抗臺系泊，至今也有15 年以上的安全記錄。

從應(yīng)用情況來看：FWMCM 系泊側(cè)重應(yīng)用于淺水（但不限于淺水）;而DICAS 系泊多應(yīng)用于深水?！懊魉伎恕焙娇漳概炏挡错椖?，港池水深僅有10 m且水域?qū)挾仁艿絿?yán)格限制，是在水深與水域?qū)挾染車?yán)格限制的條件下系泊大尺度浮體（Loa=274 m、Lbp=249.5 m、Boa=47.2 m、B=32.7 m、d=7 m）的典型成功案例。

FWMCM與DICAS兩種系泊系統(tǒng)有別于單點(diǎn)系泊和傳統(tǒng)的散射式多點(diǎn)系泊，提供了兩種可供選擇的新形式。從設(shè)計原理和工程實(shí)際對系泊系統(tǒng)的能力需求出發(fā)，對這兩種新型系泊系統(tǒng)進(jìn)行剖析，以期對讀者了解這兩種新的系泊形式及其推廣應(yīng)用將有所裨益。

2? ?FWMCM與DICAS的發(fā)展歷史

2.1? FWMCM的發(fā)展歷史

風(fēng)標(biāo)特性是單點(diǎn)系泊可以將系泊載荷減至最小的關(guān)鍵所在。在單點(diǎn)系泊的設(shè)計實(shí)踐中，通過對海洋環(huán)境的深入分析研究，我們發(fā)現(xiàn)絕大部分海域的風(fēng)、浪、流都有相對集中的主載荷方向，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)在大多數(shù)情況下是在一定的扇形范圍內(nèi)作風(fēng)標(biāo)運(yùn)動，于是一種具有扇形風(fēng)標(biāo)能力的系泊系統(tǒng)的雛形就此形成。

1991年，我們在為茂名石化做第一套250 000 t級單點(diǎn)系泊輸油終端的可行性研究期間，用戶提出要在水東港至外海的內(nèi)港水域航道一側(cè)很窄的海溝上建設(shè)一套50 000 t級泊位的要求，該水域水深較淺，只有在乘潮時航道才可以滿足50 000 t級的油船通航。在這樣的水域完全無法滿足單點(diǎn)系泊回轉(zhuǎn)圈與多點(diǎn)系泊錨鏈的散射布置，單點(diǎn)系泊或散射式多點(diǎn)系泊兩種形式都不適用。為了充分利用海溝的自然水深（只有20 m），減小泊位的占用水域是實(shí)現(xiàn)該設(shè)計的關(guān)鍵所在，在解決該問題的過程中扇形風(fēng)標(biāo)系泊的概念得到進(jìn)一步的完善。

1994年，某用戶要求在廣西欽州龍門港一塊東西岸線幅寬約 800? m、南北岸線相距約 700? m的一狹窄水域分別布置50 000 t級和20 000 t級兩個泊位。在該項目中，我們正式將扇形風(fēng)標(biāo)配重系泊技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際工程設(shè)計，并獲得國家專利授權(quán)，設(shè)計成果在美國西雅圖ISOPE2000會議上發(fā)表[2]。1999年將該專利技術(shù)應(yīng)用于“明思克”航空母艦抗臺系泊工程，2001年又將該專利技術(shù)應(yīng)用于香港政府水警兩套海上工作平臺的抗臺系泊工程。

2003年，將FWMCM用于渤海海域延長測試系泊工程研究，系泊油輪Crystal主尺度為：Loa=101 m、Lbp=94.8 m、B=21 m、H=11.6 m、D=14 477 t。

2006年，將FWMCM用于渤海小型可移動FPSO系泊系統(tǒng)工程方案研究，系泊油輪“Rich Sea Oil”主尺度為：Loa=159.58 m、Lbp=148 m、B=24.6 m、H=23.7 m、D=32 124 t。

2.2? DICAS的發(fā)展歷史

1993，巴西國家石油公司在圣卡塔琳娜的桑托斯盆地卡維拉油田安裝了第一套8根錨線的FSO散射系泊系統(tǒng)（水深195 m），這是一個運(yùn)行期限不足2年的臨時系統(tǒng)，以一年重現(xiàn)期環(huán)境條件為解脫條件，即油輪允許一年一次解脫撤離。

起初，該系統(tǒng)采用對稱且首、尾系泊線重量和預(yù)緊無差異的布置，系泊系統(tǒng)非常緊且允許航向角的變化只有5o。最頻繁的天氣來自北東方向，最惡劣的環(huán)境來自南南西方向，因此油輪采取首向南西方向安裝，穿梭油輪卸載操作采用首對首或尾對首串聯(lián)靠泊。

在1994年，從東邊來的100年一遇的風(fēng)暴作用于系泊船的位置，系統(tǒng)沒有出現(xiàn)問題，特別是沒有石油泄漏入水。從經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)，DICAS想法就此問世[3]。經(jīng)過大量的計算，將尾部的系泊線更加放松并與不同的方位角匹配，使油輪能更靈活的改變航向角，這種變化使油輪解脫撤離的概率降低到三年一次。因此，這次在卡維拉油田的28 000 t級油輪阿拉戈斯號FSO上安裝的FSO散射系泊系統(tǒng)，可以視為第一個DICAS原型。在此經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，巴西國家石油公司開始開發(fā)DICAS。

自1997年至2002年，經(jīng)過不斷發(fā)展，幾個系泊系統(tǒng)的設(shè)計已經(jīng)考慮了這個新的半風(fēng)向標(biāo)概念的應(yīng)用。

第一個應(yīng)用項目位于巴西近海150 m水深的海域，選用一個小型FSO，采用一根柔性立管;第二個應(yīng)用項目位于巴西近海700 m水深的海域，選用一個中型的FPSO和37根柔性立管;第三個應(yīng)用項目位于巴西近海800 m水深的海域，選用一個大型VLCC改裝成的FPSO，并配有107根自由懸掛配置的柔性立管[4]。

3? ?FWMCM與DICAS系泊的比較

3.1? 設(shè)計理念

FWMCM的含義為扇形風(fēng)標(biāo)多點(diǎn)配重系泊，DICAS的意義為分區(qū)滿足錨泊系統(tǒng)。兩者都不同于單點(diǎn)系泊（不能作360o的全風(fēng)標(biāo)運(yùn)動，免除了機(jī)械旋轉(zhuǎn)頭和輸油旋轉(zhuǎn)接頭），同時又有別于散射式多點(diǎn)系泊（有一定的風(fēng)標(biāo)運(yùn)動范圍）。

FWMCM的設(shè)計理念是將單點(diǎn)系泊的風(fēng)標(biāo)運(yùn)動能力引入到多點(diǎn)系泊設(shè)計中來，使之具有扇形風(fēng)標(biāo)的能力，借此來達(dá)到減小系泊載荷的目的，使得其受力比傳統(tǒng)的散射式多點(diǎn)系泊要小，系泊鏈的數(shù)量大為簡化，通過減小受力來減小投資。其核心是扇形風(fēng)標(biāo)能力。

DICAS的設(shè)計理念是將傳統(tǒng)的散射均勻布置的系泊鏈改成分組非均勻布置，使得比傳統(tǒng)的多點(diǎn)系泊有更多的活動空間，特別是讓油船的方位角可以有更多的改變幅度。其核心是部分風(fēng)標(biāo)或半風(fēng)標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)分區(qū)滿足系泊。

3.2? 布置形式

FWMCM的布置形式如圖1所示，DICAS的布置形式如圖2所示。兩者的共同點(diǎn)是：兩種系泊系統(tǒng)在油船的兩側(cè)均不布置系泊鏈，而僅在首、尾方向布置，并且采用首強(qiáng)尾弱的系泊布局;兩者不同之處在于：FWMCM為三點(diǎn)系泊（首部兩點(diǎn)、尾部一點(diǎn)），對原來傳統(tǒng)的多點(diǎn)系泊做了徹底的簡化;DICAS較多地保留了多點(diǎn)系泊的特征，改變在于將原來的散射均勻分布改為分組集中并側(cè)重布置于首、尾兩端，形成首強(qiáng)尾弱的系泊布局。

3.3? 環(huán)境適應(yīng)能力

為了便于描述與區(qū)分，根據(jù)風(fēng)、浪、流玫瑰圖，將環(huán)境力作用方向、作用頻率和作用強(qiáng)度沿周向各個方位分布的類形分作四類：（1）環(huán)境載荷作用方向明確、穩(wěn)定且集中在一較窄的條形范圍內(nèi)分布的水域（即載荷作用方向具有往復(fù)作用特性），稱為Ⅰ類水域;（2）環(huán)境載荷作用方向明確、穩(wěn)定且集中在一較窄的扇形范圍內(nèi)分布的水域，稱作Ⅱ類水域;（3）環(huán)境載荷作用方向絕大部分在一較窄的扇形范圍內(nèi)分布，而在其它區(qū)域在載荷作用頻率與作用強(qiáng)度上明顯較弱的水域，稱作Ⅲ類水域;（4）環(huán)境載荷作用方向和載荷作用頻率與作用強(qiáng)度上都比較分散的水域，稱作Ⅳ類水域。

對于Ⅰ、Ⅱ兩類水域，采用FWMCM最為適當(dāng)，DICAS稍顯富余（尾部）;對于Ⅲ類水域，DICAS最為適當(dāng)，F(xiàn)WMCM稍顯不足;對于Ⅳ類水域，F(xiàn)WMCM與DICAS均難勝任，在此水域只能在很低的海況中使用，作業(yè)效率過低。

3.4? 極限系泊能力

對于I、Ⅱ兩類水域，兩種系泊系統(tǒng)的極限系泊能力相當(dāng)，F(xiàn)WMCM系泊由于尾部有較強(qiáng)的靈活性，允許有較大幅度的扇形范圍風(fēng)標(biāo)運(yùn)動，可以更好地釋放外載荷，在與此特性相適應(yīng)的載荷組合中會稍占優(yōu)勢;對于Ⅲ類水域，DICAS的極限系泊能力要優(yōu)于FWMCM;對于Ⅳ類水域，F(xiàn)WMCM的作業(yè)效率要低于DICAS，亦即DICAS的極限系泊能力要強(qiáng)于FWMCM。

3.5? 經(jīng)濟(jì)性

總體而言，由于FWMCM的布置與構(gòu)成更簡單有效，經(jīng)濟(jì)性要好于DICAS，特別是在Ⅰ、Ⅱ兩類水域的應(yīng)用最為明顯。對于Ⅲ類水域的應(yīng)用，則要在節(jié)省投資與系統(tǒng)安全兩者之間權(quán)衡得失作出選擇，在確保安全的前提下節(jié)省投資。

4? ?FWMCM與DICAS系泊鏈?zhǔn)芰τ嬎憬Y(jié)果

4.1 船型參數(shù)見表1。

4.2? 系泊鏈?zhǔn)芰τ嬎憬Y(jié)果的對比

4.2.1迎向環(huán)境載荷作用

在同樣的鏈長、鏈徑、裝載狀態(tài)下（滿載），環(huán)境條件采用BZ3-2油田百年一遇的環(huán)境數(shù)據(jù)，環(huán)境載荷作用方向?yàn)橛颍L(fēng)速Vw=33.9 m/s、有效波高Hs=5.0 m、有效波周期Ts=9.4 s、流速Vc=1.73 m。計算結(jié)果對比見表2。

4.2.2? 橫向環(huán)境載荷作用

5? ?FWMCM與DICAS的設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

5.1 水域適用性評估

由于FWMCM與DICAS是一種扇形風(fēng)標(biāo)系泊及半風(fēng)標(biāo)系泊，不具備全風(fēng)標(biāo)能力，是一種對環(huán)境載荷方向較為敏感的系泊形式，因此會影響其對工程水域的適用性。FWMCM與DICAS與環(huán)境載荷作用方向的分散程度具有反相關(guān)的關(guān)系，即工程水域環(huán)境條件作用方向越分散，F(xiàn)WMCM與DICAS能夠適用的海況就越低，反之則越高。對于I、Ⅱ兩類水域，F(xiàn)WMCM與DICAS均適用，建議優(yōu)先選用FWMCM;對于Ⅲ類水域，F(xiàn)WMCM與DICAS均同樣適用，優(yōu)先考慮DICAS;對于Ⅳ類水域，F(xiàn)WCM與DICAS都是不適用的。

5.2 準(zhǔn)確把握安裝水域的環(huán)境條件

由于FWMCM與DICAS具有載荷作用方向敏感的特性，準(zhǔn)確把握水域的環(huán)境條件是保證設(shè)計質(zhì)量的前提條件。工程水域風(fēng)、浪、流的歷史記錄和現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，三者在各個方位的發(fā)生頻率、不同重現(xiàn)期預(yù)報值、風(fēng)、浪、流玫瑰圖、流的垂向剖面分布等信息數(shù)據(jù)，對于實(shí)現(xiàn)良好的設(shè)計至關(guān)重要。

5.3合理布置系泊系統(tǒng)主軸線

系泊系統(tǒng)主軸線必須是系統(tǒng)主載荷方向作用線，只有滿足這一要求，系統(tǒng)才具備實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計的條件必須全面、系統(tǒng)、深入地分析環(huán)境條件各種影響因素，精準(zhǔn)把握風(fēng)、浪、流合成之后的主載荷作用方向，選擇好系統(tǒng)布置的主軸線。FWMCM與DICAS都采用首強(qiáng)尾弱的系泊布局，系泊系統(tǒng)的首部必須與主載荷/強(qiáng)載荷方向相對應(yīng)。

5.4? 選擇適用有效的分析方法

在系泊系統(tǒng)的設(shè)計中，常用的分析方法有多種：從受力分析的特性來說，有靜力分析與動力分析;從分析方法的數(shù)學(xué)、力學(xué)處理手法上來說，有頻域分析與時域分析;從系泊浮體與系泊線的相互作用關(guān)系的處理上來說，有耦合分析與非耦合分析。一般來說，靜力分析、頻域分析有計算簡單、效率高的優(yōu)點(diǎn)，適用于方案篩選與優(yōu)化，缺點(diǎn)是容易丟失強(qiáng)非線性的信息進(jìn)而影響計算精度;動力分析、偶合分析計算繁復(fù)、計算工作量巨大，但可以較好地反映非線性因素的影響，計算精度較高，適用于設(shè)計的最后評估。特別是當(dāng)系泊系統(tǒng)加有配重時，時域全耦合動力分析是至關(guān)重要的。準(zhǔn)靜態(tài)與頻域分析僅能反映配重對系泊特性的影響，無法反映配重對線動力的動態(tài)作用的效應(yīng)，使得兩種計算結(jié)果有時相差甚遠(yuǎn)，由此可見時域全耦合動力分析是不可或缺的。

5.5? 關(guān)鍵工況的分析評估

FWMCM與DICAS都具有首強(qiáng)尾弱和載荷作用方向敏感的特點(diǎn)，使得系統(tǒng)在首向扇形范圍內(nèi)具有較強(qiáng)的載荷承受能力、尾向次之、橫向與尾斜向最弱。因此，與此相對應(yīng)的工況是FWMCM與DICAS設(shè)計中必須考慮的，橫向與尾斜向有可能是系統(tǒng)設(shè)計的控制工況，特別是對于環(huán)境分布在扇形范圍之外仍有一定強(qiáng)度分布的海域，尤其如此。

6? ?結(jié)論與建議

FWMCM與DICAS是兩種適合于環(huán)境條件較為溫和海域的新型系泊系統(tǒng)，設(shè)計理念和布置形式相近，適用海域相近，同時具有首強(qiáng)尾弱的系泊布局，具有載荷方向敏感的特征。FWMCM與DICAS不適用環(huán)境載荷作用方向與載荷作用頻率及作用強(qiáng)度上都比較分散的水域和海況惡劣的水域。

值得特別指出的是：深圳“明思克”航空母艦系泊工程的成功經(jīng)驗(yàn)證明，F(xiàn)WMCM完全可以勝任近岸水域大型設(shè)施的安全系泊，對于沿海、沿江、湖泊、河口港灣的浮式設(shè)施的系泊，以及輸油終端等工程，建議采用FWMCM，對用戶可以有足夠的安全保障和良好的經(jīng)濟(jì)效益，對社會可以節(jié)省寶貴的不可再生的岸線資源，有利于社會的可持續(xù)發(fā)展。

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