0 引　言

单点系泊外输浮筒+穿梭油轮的模式是海洋油田开发的关键技术之一，此开发模式已经在包括西非海域、坎帕斯湾和墨西哥湾在内的世界上数十个海上油气田开发中得到应用，未来市场潜力十分巨大^[1-2]。

单点系泊对海上油田的开发起着极为重要的作用。单点系泊的油轮像风向标一样随海流或风向的变化围绕着单点系泊装置自由转动，油轮总是保持在最佳的抗风浪位置，通过海底管道输送来原油经单点系泊立管和旋转接头后再经软管进入穿梭油轮或储油轮^[3]。单点系泊系统具有安全、可靠、经济等优点，对海上边际油田和前期开发起着重要作用，因此国内外对该系统研究较多。M.H.Kim等^[4]利用HARP软件计算油船、移动码头、SPM浮筒三者之间的耦合作用，对其运动进行了时域分析。康有为等^[5]基于S-N曲线和Miner线性准则对输油管进行疲劳损伤特性分析，发现输油管的顶部动态张力特性是导致输油管疲劳损伤的关键因素。袁洪涛等^[6]使用AQWA等软件对15万吨深水单点系泊系统FPSO的运动响应进行研究，发现波浪主控环境条件和风浪流成夹角对FPSO运动响应影响明显。王宏伟等^[7]在研究FPSO串靠外输系缆方案优化时发现缆绳的弹性并联效应会导致缆绳张力呈非线性减小，并改善系统的运动稳定性。朱言顺等^[8]基于数值模拟，研究了单点系泊系统中降低船体运动幅值及系泊缆绳拉力的方法。单点系泊系统技术尚在不断发展之中，研究该技术意义十分重大。

本文以某海域CALM系泊系统的工程基础设计数据为基础，建立浮筒、系泊系统、水下软管及系泊油轮等的多体耦合数值分析模型，在不同环境条件下针对无油轮连接和有油轮连接的情况进行耦合时域响应计算，对比分析CALM浮筒的运动特性以及系泊系统与水下软管的受力特征，对水下软管、系泊缆、锚链等关键部件进行安全性校核，为掌握单点系泊系统设计技术奠定基础。

1 CALM系统数值分析方法 1.1 浮体与柔性结构耦合分析方法

CALM型单点系泊系统中，浮筒和其系泊锚链、外输油轮和其系泊缆等构成了复杂的耦合系统。针对浮体与系泊缆索、输油管线等的相互耦合效应，可以以相互作用力的形式来处理，此时包含浮体与其系泊缆索的时域耦合运动方程为^[9]：

$ \begin{split} & \left[\boldsymbol{M}+\boldsymbol{A}\right]\ddot{x}\left(t\right)+\int_0^t\boldsymbol{B}(t-\tau)\dot{x}\left(\tau\right)\mathrm{d}\tau+\boldsymbol{K}x\left(t\right)= \\ & F\left(t\right)+F_M\left(t\right)+F_{OL}\left(t\right)。\end{split} $

(1)

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；F_M为浮体受到的系泊系统对其作用力；F_OL为浮体受到的输油管线对其作用力。

对于锚链、水下软管细长体结构，其波浪荷载在工程上使用修正的莫里森公式进行计算，如下^[10]：

$ F = \left( {\Delta \cdot {a_w} + {C_a} \cdot \Delta \cdot {a_r}} \right) + \frac{1}{2}\rho \cdot {V_r} \cdot \left| {{V_r}} \right| \cdot {C_D} \cdot A。$

(2)

式中：F为结构所受的波浪力；$ \Delta $为结构所占空间的流体质量；$ {a_w} $为流体的绝对加速度；$ {C_a} $为结构的附加质量系数；$ {a_r} $为流体相对结构物的相对加速度；$ \rho $为流体的密度；$ {V_r} $为流体相对结构物的速度；$ {C_D} $为结构的阻力系数；A为阻力面积。

1.2 数值模拟分析流程

本文利用OrcaFlex软件对CALM型单点系泊系统进行计算分析，并根据计算结果对单点系泊系统的关键参数进行分析校核，得出了使CALM型单点系泊系统满足相关规范的参数条件，计算流程如图1所示。

2 CALM系泊系统参数及环境参数 2.1 浮筒及油轮参数

浮筒是带有水平裙板的浮式柱体，浮筒外径为12 m，裙板外径为15.3 m，浮筒高度为4.7 m，吃水为2.39 m，重量为336 t，浮筒底部与水下软管相连。

外输油轮为阿芙拉型（Aframax）油轮，载重吨为12万吨，船长为330 m，船宽为41 m，设计吃水为15 m。油轮和单点系泊浮筒之间通过系泊缆连接，类似实例如图2所示。

2.2 系泊系统与水下软管参数

系泊锚链共6条，上端通过连接器与浮筒相连，下端与地面锚桩连接，对浮筒起固定作用。根据已有类似单点系泊项目设计情况，系泊锚链选为6×1的布置方式，考虑ABS规范推荐的安全系数后锚链安全张力值为3432 kN^[11]。系泊锚链具体结构参数如表1所示。

系泊缆连接油轮和浮筒，油轮通过系泊缆可随海流或风向的变化围绕着单点系泊装置自由转动。考虑现场水深和浮筒主尺度，系泊缆长度按约2倍水深进行选取，即60 m长度。系泊缆为双层尼龙材质，直径160 mm，考虑ABS规范推荐的安全系数后系泊缆安全张力值为3309 kN。

水下软管系统作用是传输原油，包括2条软管，软管上端与浮筒相连，下端与地面管汇连接。软管上设置有小型浮体，以减小软管受重力造成的弯曲。软管外径为0.811 m，最小弯曲半径为2.032 m，考虑ABS规范推荐的安全系数后软管安全张力值为290.4 kN。

2.3 环境参数

根据该CALM系统设计环境特征，在单点系泊系统计算中流主要采用表面流。环境条件分为一年一遇和百年一遇。考虑该系统的对称性，风、浪、流等环境条件主导方向相同，均为180°，即沿锚链1的方向。具体环境参数如表2所示。

该CALM型单点系泊系统所在位置平均水深为29.66 m，考虑到涨潮与落潮，本文共选取3种水深，分别为高潮32.77 m，平均29.66 m，低潮26.56 m。

3 计算模型与工况 3.1 计算模型

根据给定的结构参数和环境参数，使用Orcaflex软件建立浮筒、软管及锚泊系统的模型（见图3），坐标系中X、Y为水平方向，Z为竖直方向。根据现场水深和环境情况，锚链线长度为385 m，锚泊半径为380 m，软管长度为38 m，如图4所示。

锚泊线采用6×1方式布置，俯视图中6根锚泊线均布，每2根之间的夹角为60°，编号顺序为沿逆时针方向编为1−6。风、浪、流方向沿X轴负向，具体情况如图5所示。

3.2 计算工况

通过CALM型单点系泊系统可能遇到的各类环境条件和生产状况选取计算工况，进行CALM系统时域响应分析、CALM系统和油轮耦合时域响应分析，对浮筒、水下软管、锚链、系泊缆等关键部件进行计算校核。计算工况汇总如表3所示。

4 计算结果分析 4.1 无油轮计算结果

1）不同生产环境下计算对比分析

油田建成投产后，根据该CALM系统遭遇的环境条件不同，作业条件选取一年一遇环境条件，生存条件选取百年一遇环境条件。考虑可能存在受力最大锚链断裂的危险状况，因此又划分为锚链完好和一根锚链断裂2种情况。水深统一选为平均29.66 m水深，以上条件进行组合，共有LC01-1～LC01-4等4种计算工况，分别进行时域响应计算，对浮筒运动性能、锚链受力、软管弯曲半径和受力等关键参数进行分析汇总。

浮筒为对称结构且风、浪、流方向沿X轴负向，因此浮筒在Y向运动极小，只选取X、Z向进行分析。对于锚链张力结果如图6所示。选取受力最大的3根锚链结果分析。相关计算结果如表4～表5所示。

平均水深、作业工况、锚链完整工况下浮筒位移、受力最大的锚链张力、水下软管张力的时域分析结果图，如图7～图9所示。

通过计算结果可看出，4种计算工况的锚链最大张力、软管弯曲半径和软管最大张力都满足安全值要求，浮筒在锚链完整条件下的最大位移为6.43 m，小于DNVGL规范允许的15 m最大位移，该CALM系统的设计方案可行^[12]。

受力最大的一根锚链断裂后，浮筒在X负向即风、浪、流作用方向上的位移明显增大。主承力锚链由1根变成2根，在作业环境条件下，锚链张力变化不明显，但在生存环境条件下，2根主承力锚链张力值急剧增加，系统不稳定性增大，实际生产作业中必须保持6根锚链完整。

在风、浪、流下游方向的输油软管1受环境载荷冲击影响，弯曲程度较轻但张力大，最大张力比软管2大52.3%～70.9%。在生存、锚链断裂工况（LC01-4）下，软管2最小弯曲半径仅比安全值大2.7 cm，所以如果出现锚链断裂的情况，应停止作业，及时对其进行修复，保证单点系泊系统的安全性。

2）不同水深条件下浮筒的运动性能分析

在无油轮、锚链均完好的情况下，对浮筒的运动性能进行分析。针对3种设计水深，以风、浪、流为180°为例，在作业和生存条件下进行计算分析，分别对应LC02-1～LC02-6等6种计算工况，浮筒最大位移计算结果如图10所示。浮筒运动、锚链张力、软管弯曲半径和软管张力计算结果见表6、表7。

在3种水深共6种计算工况下，锚链最大张力、软管弯曲半径和软管最大张力都满足安全值要求，浮筒最大位移为7.03 m，该CALM系统的设计方案在此水深和环境条件下合理有效。

单独考虑水深因素，随着水深变浅，浮筒在X正、X负、Z正3个方向最大位移都增加，即成负相关关系；而水深对浮筒Z负向最大位移影响极小。

生存环境条件下，水深变浅会造成锚链最大张力、软管最大张力变大。作业环境条件下，水深与锚链最大张力、软管最大张力没有明显对应关系，且锚链和软管最大张力的变化趋势不一致，如平均水深的锚链最大张力小但软管最大张力大。

水深变浅后，软管的弯曲半径也减小，即软管完全程度加大，生存环境条件下软管2已接近最小弯曲半径安全值，在后续的研究中应重点针对软管弯曲进行参数优化。

4.2 有油轮计算结果

模拟CALM系泊系统生产运营状况，对单点系泊系统添加油轮，油轮与浮筒间的系泊缆长度根据类似水深和浮筒尺寸选为60 m，风、浪、流方向沿X轴负向。考虑实际油轮系泊外输原油一般选择相对较好的环境条件，因此计算时选择一年一遇的作业条件。水深考虑高潮、平均、低潮3种设计水深（32.77、29.66、26.56 m）。另外考虑突发锚链断裂进行应急情况分析，假设锚链1出现断裂，与3种水深进行工况组合，对应LC03-1～LC03-6共6种计算工况，进行CALM系统和油轮耦合时域响应分析。CALM系统和油轮耦合模型图如图11所示。

CALM系统和油轮耦合时域响应分析的相关计算结果如图12和表8～表10所示。

锚链完整、3种水深、作业环境条件的3种工况下，油轮系泊至该CALM系统，由于油轮的拖曳作用，浮筒最大位移、锚链最大张力、软管最大张力比无油轮时有所加大，但均满足安全要求。软管弯曲半径、系泊缆最大张力也都满足要求。该设计方案满足油轮系泊安全要求，可以应用于实际生产作业。锚链完整工况下，高潮时浮筒X负向位移相较于无油轮增加70.1%，低潮时仅增加25.3%至7.97 m。低潮时浮筒X负向最大位移、锚链最大张力、软管最大张力、系泊缆最大张力均比高潮和平均水深时小，因此油轮低潮时系泊该CALM系统进行作业，系统稳定性最佳。

锚链1断裂、3种水深、作业环境条件的3种工况下，浮筒在X负向最大位移相较于锚链完整工况明显增大，在高潮32.77 m水深时X负向位移达到−14.65 m，非常接近DNVGL规范允许的15 m最大位移；浮筒在X正向、Z负向、Z正向3个方向的最大位移增加幅度则相对较小。虽然锚链1断裂工况下，锚链最大张力、软管最大张力、软管弯曲半径、系泊缆最大张力也都满足要求，但综合考虑浮筒X负向最大位移接近安全极限，所以如果出现锚链断裂的应急情况，应停止作业，油轮立即解除系泊缆、离开CALM系统。

5 结　语

本文利用Orcaflex软件对输油终端单点系泊系统在不同环境条件下针对无油轮连接和有油轮连接的情况进行时域耦合计算，通过对结果进行分析，得出以下结论：

1）在锚链完整状态下，无论是有油轮还是无油轮的不同工况下，该单点系泊系统在浮筒的最大位移、锚链最大张力、软管弯曲半径、软管最大张力、系泊缆最大张力等方面都满足安全要求。

2）受力最大的一根锚链断裂后，剩余主承力锚链张力值急剧增加，软管弯曲半径的安全程度不高，浮筒最大位移明显增大，系统不稳定性增大，不能进行系泊及输油作业，应及时对断裂锚链进行修复，保证单点系泊系统的安全性。

3）浮筒在X正、X负、Z正这3个方向最大位移与水深成负相关关系，而水深对浮筒Z负向最大位移影响小。水深变浅导致软管弯曲程度加大，软管弯曲半径富余量较小，后续研究应重点针对软管弯曲对该单点系泊系统关键参数进行优化，以增大软管弯曲半径。

4）有油轮时，低潮时浮筒X负向最大位移、锚链最大张力、软管最大张力、系泊缆最大张力均较小，因此油轮选择低潮时系泊作业最佳。

总体来看，该单点系泊系统设计基本合理，今后的设计、研究中可以进一步对该单点系泊系统进行优化，增大软管弯曲半径，使其更好地满足实际生产作业的要求。