基于不同規范的CALM 單點系泊系統錨鏈直徑選型對比研究

梁 凱，王亞瓊，徐萬海，周大可

（1.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊065000；2. 天津大學建筑工程學院，天津300072）

懸鏈式系泊系統（Catenary Anchor Leg Mooring，CALM）是一種廣泛應用于原油裝卸的單點系泊系統。CALM 系統主要由浮筒、系泊纜、漂浮軟管、水下軟管、水下管匯、系泊錨鏈和輔助設備組成。油輪通過系泊纜連接浮筒，CALM 系統通過懸鏈式的多根錨鏈固定在海底，錨鏈為整個系統提供約束，限制浮筒在一定的范圍內運動，使油輪能夠進行輸油作業。CALM 系統可使大型油輪不受港口和航道水深的限制進行油品傳輸，且具有投資低和受氣候影響小等優點，在世界原油和天然氣的進出口中發揮著重要作用。隨著世界主要港口碼頭擁擠程度日漸加劇以及碼頭投資成本不斷提高，利用懸鏈式單點系泊系統配合海上油輪過駁油品至陸上煉化終端將成為未來的主要選擇。因此，對安全且更加經濟的CALM 系統的需求將變得愈加旺盛[1]。而系泊錨鏈作為CALM 系統的關鍵組成部分，其完整性對整個作業系統安全至關重要，其造價影響整個CALM 系統的經濟性，是單點系統系泊設計關鍵內容，多種規范都對系泊錨鏈的結構強度校核和疲勞校核方法做了明確規定[2]。

工程界和學術界對單點系泊系統的錨鏈張力分析和強度校核開展了較多研究工作。冷述棟[2]采用耦合時域動態分析方法，對單點系泊系統進行了動力響應分析，基于挪威船級社規范對錨鏈強度及疲勞進行了校核；羅慧明等[3]基于中國船級社規范分析了CALM 系統的系泊鏈疲勞強度；秦川[4]分析了不同浮力材起始位置、間隔等參數對錨鏈最大張力的影響，并以張力最小為目標對CALM 系統錨鏈進行了優化設計；來俊[5]通過對錨索進行靜力分析，依據中國船級社規范完成了錨鏈材質的選型，并分別基于準靜力和動力方法完成了極端海況下的系泊分析；Browna A 等[6]研究了在颶風情況下CALM 系統的動力響應，并確定了極端載荷情況下的設計參數。在規范對比研究方面，馬邦勇[7]對各大船級社對單點系泊系統浮筒主軸承安全系數的要求進行了對比分析；周楠等[8]簡單列舉了幾種不同規范的系泊錨鏈強度設計標準。此外，易叢等[9]探討了設計工況和設計規范選取的不同對單點系泊系統方案的影響。

綜上所述，國內外學者對CALM 系泊系統的研究主要集中在計算方法和優化設計方面，對于不同規范的對比研究較少，主要原因在于CALM系統的工程設計通常采用入級船級社標準，而船級社常由業主指定，缺乏橫向對比優化過程。對于錨鏈強度設計安全系數，國際上幾大船級社的規范都給出了明確的要求。然而，各規范規定的計算工況及對應的安全系數并不完全一致，是否需要考慮結果風險等級也存在差異，因此在相同錨鏈張力條件下，選取的錨鏈直徑也不完全相同。此外，各規范對于不同的錨鏈等級規定了同樣的安全系數，只考慮了錨鏈安全屬性，未考慮不同等級對錨鏈造價影響。上述問題的存在直接導致參照不同規范進行系泊設計，得到的錨鏈直徑變化較大，影響工程項目造價。本文對比分析了中國船級社（China Classification Society，CCS）、挪威—勞氏船級社（DetNorskeVeritas-Germanischer Lloyd，DNVGL）、 美 國 船 級 社（American Bureau of Shipping，ABS）和美國石油協會（American Petroleum Institute，API）的相關規范的CALM 系統系泊錨鏈強度衡準，給出了不同錨鏈張力下各規范要求的最小錨鏈直徑，分析了不同規范的選取對錨鏈選型的影響。研究成果可為海洋工程錨鏈選型及優化提供支撐，為設計出更加安全、經濟的CALM 系泊系統提供了依據。

1 各規范錨鏈強度要求

1.1 DNVGL 規范

挪威—勞氏船級社（DNVGL）規范[10]規定要按照公式（1）對系泊錨鏈的強度進行校核。

式中：Tpret為錨鏈預張力，kN；TC-env為特征環境力，kN；SC為錨鏈特征強度，kN；γpret為預張力安全系數；γenv為特征環境力安全系數。DNVGL 錨鏈設計安全系數如表1 所示，偶然極限狀態是指一根錨鏈破斷的系泊狀態，最大極限狀態是指系泊系統錨鏈完整且承受最大操作環境載荷的系泊狀態。

表1 DNVGL 錨鏈強度分項安全系數表

1.2 ABS 規范

美國船級社（ABS）規范[11]要求，錨鏈設計應滿足表2 中指定的最低安全系數。安全系數定義如下：

式中：FOS為強度安全系數；MBS為錨鏈最小破斷強度；Tmax為最大錨鏈張力。表2 中的設計環境條件為油輪與浮筒連接斷開，浮筒自存工況；設計操作條件為油輪連接浮筒進行裝卸油作業的工況。

表2 ABS 錨鏈設計安全系數表

1.3 API 規范

根據美國石油協會（API）規范[12]要求，張力極限可以表示為系泊件的最小破斷強度（MBS）的百分比：

API 規范要求，對于不同設計工況，采用動態分析方法的錨鏈的張力極值和安全系數如表3所示。

表3 API 錨鏈張力范圍及安全系數表

1.4 CCS 規范

根據中國船級社（CCS）規范[13]，錨索張力安全系數取決于設計工況以及所采用的錨泊分析方法。采用動態分析法的錨鏈或鋼纜的安全系數應符合表4 的規定。錨鏈安全系數F定義如下：

式中：PB為錨索的最小拉斷強度，kN。

表4 CCS 錨鏈安全系數表

2 規范對比分析

分析以上四種規范對錨鏈強度安全系數的要求可以發現，所有規范均規定了錨鏈完整和一根錨鏈破斷工況下安全系數的取值。其主要的區別在于：

（1）DNVGL 采用分項安全系數法，規定了錨鏈預張力和特征環境力的分項安全系數，ABS、API 和CCS 的方法一致，均采用統一安全系數法。

（2）DNVGL 設置了不同的結果等級，對錨鏈損傷后造成嚴重后果的情況規定了更嚴格的安全系數，ABS、API 和CCS 沒有考慮失效后果影響。

（3）ABS 和CCS 對作業工況（設計操作條件）和自存工況（設計環境條件）的安全系數做了區分，DNVGL 和API 對兩種環境工況取相同的安全系數。

（4）CCS 自存工況和API 的安全系數要求一致。

為了進一步明確不同規范要求對CALM 系泊系統錨鏈設計的影響，本文選取3 種錨鏈等級，對不同錨鏈載荷條件下各規范要求的最小錨鏈直徑進行了核算及對比，計算基于以下假定：不考慮錨鏈的腐蝕、磨損余量；采用同樣的環境條件組合；采用時域動態的分析方法。

根據工程經驗，CALM 系泊系統錨鏈的預張力范圍一般為60 ～140 kN，錨鏈最大張力處于1 400 ～3 400 kN 之間，常用的錨鏈等級為R3、R4 及R4S。因此，本文設置錨鏈完整和錨鏈破斷兩種計算工況，設置錨鏈預張力為100 kN，錨鏈最大張力（不含預張力）取1 400 ～3 400 kN，步長200 kN，共11 個最大錨鏈張力等級，在此基礎上，分別選取R3、R4 及R4S 等級錨鏈，計算不同錨鏈張力下的各規范要求的最小錨鏈直徑。

圖1 為錨鏈完整工況下不同規范要求的R3、R4、R4S 級錨鏈最小直徑，從圖中可以看出：（1）對錨鏈直徑的要求，ABS 計算直徑最大，其次分別為CCS 作業工況，DNV 等級2，API&CCS 自存工況和DNV等級1。（2）錨鏈張力為1 400 kN時，對于R3、R4 和R4S 級錨鏈，ABS 規范和DNV規范等級1 計算錨鏈直徑相差分別為16 mm、14 mm 和14 mm，ABS 規范和DNV 規范等級2計算錨鏈直徑相差分別為8 mm、8 mm 和8 mm；錨鏈張力為3 400 kN 時，差值分別為27 mm、25 mm 和24 mm，15 mm、14 mm 和14 mm?？梢钥闯?，分別依照ABS 規范與DNV 規范選取錨鏈，隨著錨鏈張力增大，兩個規范選取的最小錨鏈直徑差值呈現出增大的趨勢。（3）當錨鏈張力為1 400 ～3 400 kN 時，分別按照ABS、CCS 作業工況、DNV 等級2、API&CCS 自存工況以及DNV 等級1 要求選取錨鏈，R4 級錨鏈比R3 級錨鏈直徑最大減小分別為12.3%, 12.5%,12.9%, 13.1%和12.1%，R4S 級錨鏈直徑比R4 級錨鏈直徑最大減小分別為7.1%, 7.9%, 7.7%, 7.1%和8.7%。

圖1 完整工況R3、R4 和R4S 級錨鏈規范計算直徑

圖2 為單根錨鏈破斷工況下不同規范要求的R3、R4、R4S 級錨鏈最小直徑，從圖中可以看出：（1）對錨鏈直徑的要求，不同規范的嚴格程度與完整工況一致，但ABS 的要求與其它規范要求差距進一步增大。（2）分別依照ABS 規范與DNV規范選取錨鏈，同等級錨鏈，隨著錨鏈張力增大，兩個規范選取的最小錨鏈直徑差值呈現出增大的趨勢。（3）當錨鏈張力為1 400 ～3 400kN時，分別按照ABS、CCS 作業工況、DNV 等級2、API&CCS 自存工況以及DNV 等級1 要求選取錨鏈，R4 級錨鏈直徑比R3 級錨鏈直徑最大減小分別為13.2%, 13.2%, 12.1%, 12.5%和12.1%，R4S 級錨鏈直徑比R4 級錨鏈直徑最大減小分別為7.4%, 8.3%, 7.4%, 8.3%和7.7%。

圖2 破斷工況R3、 R4 和R4S 級錨鏈規范計算直徑

3 結 論

本文通過對中國船級社（CCS）、挪威—勞氏船級社（DNVGL）、美國船級社（ABS）和美國石油協會（API）的4 種規范對CALM 型系泊系統錨鏈強度校核要求的對比分析，主要得到以下結論：（1）任何工況下，在同等錨鏈張力及錨鏈等級條件下，按照不同規范選取錨鏈直徑，對錨鏈直徑要求從大到小的規范（工況）依次為：ABS、CCS 作業工況，DNV 等級2，API&CCS 自存工況和DNV 等級1。（2）分別依照ABS 規范與DNV 規范選取最小錨鏈直徑，同等級錨鏈，隨著錨鏈張力增大，依照兩個規范選取的最小錨鏈直徑相差也呈現出增大的趨勢。ABS 規范與DNV等級1 要求的值最大相差40%，與DNV 等級2 要求的值最大相差22.7%。（3）錨鏈最大可能張力在1 400 ～3 400 kN 范圍時，按照同一規范計算得到的最小錨鏈直徑，R4 級錨鏈直徑比R3 級錨鏈直徑減小在12%～14%之間，R4S 級錨鏈直徑比R4 級錨鏈直徑減小在7%～10%之間。本文的研究基于不考慮錨鏈的腐蝕和磨損余量的假定條件，因此實際工程中的錨鏈直徑應為本文計算直徑加錨鏈的腐蝕余量，不同規范腐蝕余量取值要求對錨鏈直徑選取的影響有待進一步研究。