船舶與海洋工程前沿技術(shù)-2011

主要內(nèi)容一常用系泊類型介紹二系泊方式與系泊材料(cáiliào)三錨的選擇與設(shè)計四錨泊系統(tǒng)設(shè)計過程五系泊分析規(guī)范共五十六頁共五十六頁一常用系泊類型1多點系泊對于(duìyú)半潛平臺和Spar，常用多點系泊。半潛共五十六頁Spar共五十六頁張力腿平臺(píngtái)（TLP）也屬于多點系泊。只是用張力腱（Tendon）代替了系泊線.共五十六頁多點系泊也可以應(yīng)用于船體，如FPSO。系泊線固定于船頭、船尾，呈發(fā)散型向外展開，能夠阻止FPSO的橫向位移，固定FPSO的方向。優(yōu)點：簡單，經(jīng)濟，可以安裝較多的立管及臍帶系統(tǒng)，適合于改造的舊油輪。缺點：FPSO方向固定，橫向受風(fēng)浪流力巨大(jùdà)，系泊線的尺度會相應(yīng)增大。FPSO多點系泊系統(tǒng)多適用于設(shè)計海況較低的區(qū)域，如西非，或風(fēng)浪流方向單一的區(qū)域。共五十六頁共五十六頁2．單點系泊(dāndiǎnxìbó)共五十六頁大部分FPSO的系泊系統(tǒng)屬于單點系泊。特點：容許FPSO繞單點自由轉(zhuǎn)動，有效地減少(jiǎnshǎo)風(fēng)浪流的作用力，系泊線的尺度也相應(yīng)地減小。優(yōu)點：操作方便、安全、可操作率高。缺點：制造成本高，技術(shù)復(fù)雜。功能：定位系泊功能；液體輸送及電力、光控傳輸功能；在特定的條件下可以實施現(xiàn)場解脫，以保證FPSO及人命財產(chǎn)的安全。共五十六頁2.1內(nèi)轉(zhuǎn)塔式系泊(xìbó)系統(tǒng)常用于中等水深及深水海域的平臺(píngtái)，如北海海域；主要組成部分：轉(zhuǎn)塔及其套筒;液體傳輸系統(tǒng);轉(zhuǎn)盤;海底錨；內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊裝置一般設(shè)在船艏；優(yōu)點：轉(zhuǎn)塔直徑可以設(shè)計得很大，為布置設(shè)備和管匯提供足夠的空間；內(nèi)轉(zhuǎn)塔嵌入船體之中后可以得到很好的保護。缺點：轉(zhuǎn)塔的存在對船體結(jié)構(gòu)造成了影響，也減少了艙容；系泊船的“風(fēng)標(biāo)效應(yīng)”效果受轉(zhuǎn)塔位置的制約。一般可分為永久式和可解脫式內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)。共五十六頁共五十六頁永久式內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)能夠保證采油的連續(xù)性，使F(P)SO在作業(yè)年限內(nèi)的任何工況下都能正常工作，絕大多數(shù)工況下具有最大的系泊和油氣傳輸能力?？山饷撌絻?nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)具有快速的解脫和回接功能，在極端惡劣條件下可以迅速解脫以規(guī)避各種危險海況，更適合(shìhé)于惡劣環(huán)境、季節(jié)性颶風(fēng)區(qū)和冰區(qū)。共五十六頁可解脫(jiětuō)式內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)共五十六頁2.2外轉(zhuǎn)塔式系泊(xìbó)系統(tǒng)轉(zhuǎn)塔位于船體(chuántǐ)的外部，減少了對船體(chuántǐ)的必需的維修；允許在碼頭沿岸安裝轉(zhuǎn)塔，而內(nèi)轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)只能在干塢中安裝；外轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)限制了立管的數(shù)量；多用于淺水海域。共五十六頁2.3塔架式單點系泊(dāndiǎnxìbó)油輪與塔之間通過一個永久性的叉型結(jié)構(gòu)或系船索布置連接。其主要組成部分為：塔：與海底相連的靜態(tài)部分，其上部是與船體相連的轉(zhuǎn)盤；系泊部分：叉型結(jié)構(gòu)或系船索；生產(chǎn)傳輸系統(tǒng)：液體通過海底終端系統(tǒng)傳輸于立管（連接于塔），然后通過轉(zhuǎn)臺傳給軟管，最后到達FPSO。塔上有足夠的甲板空間以提供管匯系統(tǒng)，輔助(fǔzhù)設(shè)備等。適用于中淺水域，可以布置較多的立管系統(tǒng)，施工安裝容易，成本較低，適合于改裝的油輪。共五十六頁2.4懸鏈?zhǔn)礁⊥?fútǒng)系泊（CALM）通常應(yīng)用于穿梭油輪或FSOs，是系泊和裝卸油輪的最經(jīng)濟有效的方法。主要部件：短期系泊部分，用來與油輪之間輸入輸出液體；永久系泊部分，用來生產(chǎn)和儲存液體；非永久性系泊部分，永久系泊部分在惡劣環(huán)境下具有易于解脫的能力(nénglì)，以疏散設(shè)施。CALM可以適應(yīng)于各種天氣條件，適應(yīng)于很大范圍的水深，可以安裝少量的立管系統(tǒng)，施工與安裝快捷而經(jīng)濟，而且適于改裝的油輪。實踐證明CALM的可靠性較高。共五十六頁共五十六頁共五十六頁共五十六頁2.5單錨腿系泊(xìbó)系統(tǒng)（SALM）是較早使用的一種系泊(xìbó)方式。浮筒只由一根系泊線系于海底基礎(chǔ)，浮筒與油輪之間通過鋼性臂連接。組成：浮筒，存儲系統(tǒng)，系泊鏈（剛性鏈或管狀柱體），柔性管，基礎(chǔ)部分（壓載艙或堆積物）?？梢赃m應(yīng)于各種天氣條件和很大范圍內(nèi)的水深，施工與安裝快捷而經(jīng)濟，適于改裝的油輪。只能安裝1根立管，實踐證明SALM的可靠性也較高。共五十六頁共五十六頁3動力(dònglì)定位系統(tǒng)動力定位系統(tǒng)是借助于推進器來保持船舶或浮式結(jié)構(gòu)的位置的技術(shù)。使用精密儀器來測定船舶因風(fēng)、浪、流而發(fā)生的位移(wèiyí)和方位變化；通過自動控制系統(tǒng)對位置反饋信息進行處理與計算；控制若干個推進器發(fā)生推力和力矩，使船或浮式結(jié)構(gòu)回復(fù)到初始位置和最有利的方向。共五十六頁動力定位系統(tǒng)的主要組成部分：動力操縱系統(tǒng)：提供定位所需要的所有動力；推進器系統(tǒng)：通過控制浮體在水平、縱向及扭轉(zhuǎn)的力，使浮體保持在指定的位置。位置測量系統(tǒng)：隨時將浮體的具體位置提供給控制系統(tǒng)；動態(tài)定位控制系統(tǒng)：控制浮體在具體的位置和方向，以抵抗外界環(huán)境荷載(hèzài)。優(yōu)點：適于惡劣海況的區(qū)域，淺水和深水系統(tǒng)都能適用，運行成本不由水深決定，定位的相對精度隨水深而提高，能夠快速系泊與解脫?？梢园惭b較多的立管系統(tǒng)。缺點：資金和燃料的耗費都很高，系統(tǒng)復(fù)雜，比錨鏈或鋼纜系泊更易于出現(xiàn)失敗。共五十六頁二系泊方式(fāngshì)與系泊材料1.懸鏈線式系泊方式系泊線的外形是彎曲的懸鏈線，一般由錨鏈和鋼纜多個部分組成，錨鏈與海底水平相接，系錨點只受水平方向的力。系泊線的回復(fù)力由其自身(zìshēn)的重力而產(chǎn)生。常用于相對較淺的海域。共五十六頁2張緊式系泊方式系泊線與海底以一定的角度相交，系錨點處要同時受水平和鉛直方向的力；系泊線的回復(fù)力主要由其自身的彈性而產(chǎn)生；張緊式系泊系統(tǒng)在海底占據(jù)范圍比懸鏈線系泊系統(tǒng)的小很多；為了降低系泊線的重量，系泊線通常采用(cǎiyòng)較輕的合成材料；適應(yīng)于深水和超深水水域。共五十六頁3系泊鏈材料常用的系泊鏈材料有鏈條，鋼纜(ɡānɡlǎn)和合成纖維材料。1）鏈條（Chain）有橫檔鏈（stud）：橫檔可能導(dǎo)致局部疲勞，如失去一個橫檔將會在鏈接處產(chǎn)生較高的彎曲力矩。無橫檔鏈（studless）：使用較多。鏈的等級很多，屈服強度不同，等級不同。鏈比其它材料的疲勞壽命要短。鏈的破壞形式(xíngshì)：塑性破斷，脆性斷裂，疲勞斷裂，應(yīng)力腐蝕。脆性斷裂是破壞的主要形式。共五十六頁2）鋼纜（WireRope）常見的鋼纜結(jié)構(gòu)形式：六股式（sixstrand），螺旋股式（spiralstrand），多股式（multistrand）。螺旋股式結(jié)構(gòu)具有較強的縱向剛度和扭轉(zhuǎn)平衡(pínghéng)，旋轉(zhuǎn)損耗低，對于深水系泊系統(tǒng)，常采用此種結(jié)構(gòu)。鋼纜破壞的主要原因是腐蝕，常采用鍍鋅和潤滑并配合陽極保護的方法來防止腐蝕的發(fā)生。對于螺旋股式鋼纜，還通常采用高密度的聚乙烯外殼來防止海水腐蝕鋼纜。共五十六頁3）合成材料（SyntheticWireRope）有較大的水平回復(fù)力，減小了平臺的水平位移；具有較小的剛度，降低(jiàngdī)了纜繩的拉伸程度。纜繩的軸向剛度隨軸向張力及力的作用時間而變化，容易偏移，分析起來比較復(fù)雜；纜繩容易打滑而產(chǎn)生蠕變，因此每隔幾年需要重新張緊。纜繩不能接觸海底，只能作為懸浮部分，也不能預(yù)放于海底，安裝起來也很復(fù)雜。常用的合成材料有聚酯材料（polyester），聚酰胺材料（aramid），高模數(shù)聚乙烯材料（highmoduluspolyethylene,HMPE）三種。纜繩可以是螺旋狀，平行股式和六股式。共五十六頁Fiberropeconstruction共五十六頁4系泊鏈連接部件(bùjiàn)簡介

1）插孔(chākǒnɡ)(Socket)共五十六頁2）浮筒(fútǒng)共五十六頁3）其它(qítā)連接件共五十六頁4）絞盤(jiǎopán)

WINDLASS共五十六頁CHAINJACK共五十六頁DRUM-TYPEWINCH共五十六頁LINEARWINCH共五十六頁FAIRLEADANDSTOPPER共五十六頁三錨根據(jù)承受荷載的機理不同，錨的分類如下：1.重力錨：主要靠材料本身重量來抵抗外力，部分靠錨與土壤之間的摩擦力來抵抗。材料為鋼和混凝土。2.拖曳嵌入式錨：目前最受歡迎使用最多，部分或全部深入海底，主要靠錨前部與土壤的摩擦力來抵抗外力。能承受較大的水平力，但承受垂向力的能力不強。3.樁錨：中空的鋼管通過(tōngguò)打樁安于海底，靠管側(cè)與土壤的摩擦力來抵抗外力。通常需要將錨埋入較深的海底，以抵抗外力。能承受水平力和垂向力。共五十六頁4.吸力錨：類似于樁錨，但中空的鋼管直徑要大的多。通過安于鋼管頂部(dǐnɡbù)的人工泵使館內(nèi)外出現(xiàn)壓力差，當(dāng)館內(nèi)壓力小于管外，鋼管即被吸入海底，然后將泵撤走。吸力錨主要靠管側(cè)與土壤的摩擦力來抵抗外力，能承受水平力和垂向力。5.垂向荷載錨：是最新發(fā)展的一種錨。與傳統(tǒng)的嵌入式錨一樣，而且深入的更深?？梢猿惺芩搅痛瓜蛄?。共五十六頁共五十六頁錨系統(tǒng)的設(shè)計主要應(yīng)考慮以下因素：1.海底地形地質(zhì)條件；2.海底平面布置；3.對錨的要求，包括承受垂向和水平向荷載的能力，周期性和極限條件；4.安裝方法；5.設(shè)計使用壽命；6.錨的穩(wěn)性—極限載荷作用下的允許極限位移，或拖曳作用下的旋轉(zhuǎn)(xuánzhuǎn)穩(wěn)性；7.系統(tǒng)檢查，可繼續(xù)應(yīng)用或停用的要求；8.資金成本限制。共五十六頁四錨泊系統(tǒng)設(shè)計(shèjì)過程1基本(jīběn)設(shè)計流程圖圖1設(shè)計流程總圖共五十六頁圖2基本資料(zīliào)輸入圖共五十六頁圖3計算(jìsuàn)分析比較圖共五十六頁圖4分析(fēnxī)與設(shè)計詳圖共五十六頁2設(shè)計規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)2.1常用的設(shè)計規(guī)范1.APIRP2SK—浮式結(jié)構(gòu)定位系統(tǒng)的設(shè)計與分析規(guī)范；2.APIRP2SM—系泊鏈為合成纖維材料時的設(shè)計、制造、安裝(ānzhuāng)與維修規(guī)范；3.DNVOffshoreStandardE301—系泊定位規(guī)范；4.ABS浮式生產(chǎn)與安裝規(guī)范。共五十六頁2.2環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)對于永久性的系泊系統(tǒng)，應(yīng)考慮(kǎolǜ)百年一遇的環(huán)境條件。系泊系統(tǒng)設(shè)計時風(fēng)、浪、流的荷載組合方式有多種，有多套設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。比如對于百年一遇的設(shè)計條件時，可有以下三套標(biāo)準(zhǔn)供選擇：a.百年一遇的浪和與之相關(guān)的風(fēng)和流；b.百年一遇的風(fēng)和與之相關(guān)的浪和流；c.百年一遇的流和與之相關(guān)的風(fēng)和浪。當(dāng)缺少以上荷載組合的資料時，也可以采用以下組合方式：a.百年一遇的風(fēng)和浪加上十年一遇的流；b.百年一遇的風(fēng)和流加上十年一遇的浪。對于臨時性的系泊系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)具體情況來確定。共五十六頁2.3系泊設(shè)計極限狀態(tài)系泊線設(shè)計時必須根據(jù)以上所述規(guī)范針對以下三個極限狀態(tài)進行校核：1）最大極限狀態(tài)：保證每根系泊線都能有足夠的強度抵抗極限環(huán)境條件下的外部荷載。主要包括：校核系泊線的張力；校核系統(tǒng)的位移；校核系泊系統(tǒng)的完整性。2）偶然極限狀態(tài)：保證在有一根系泊線破壞的情況下，其它系泊線仍有足夠的強度抵抗外部荷載。如果所有系泊線是等同的，任意取掉一條系泊線，分析其它系泊線可能達到(dádào)的最大張力；如果所有系泊線不是等同的，則需要有代表性的選擇分別去掉某根系泊線，然后分析其它系泊線可能達到(dádào)的最大張力，最后進行比較分析。3）疲勞極限狀態(tài)：保證每根系泊線有足夠的能力來抵抗周期性荷載。主要包括：檢查系泊線張力；進行短期疲勞海況分析；計算疲勞壽命。共五十六頁3.總體(zǒngtǐ)運動方程

共五十六頁4計算分析方法4.1頻域分析與時域分析頻域分析中，系統(tǒng)運動方程被分解，分別求得靜態(tài)力、低頻力、波頻力響應(yīng)。靜態(tài)力響應(yīng)通過求解包含靜態(tài)環(huán)境力和系泊系統(tǒng)回復(fù)力的靜態(tài)方程而得。波頻和低頻響應(yīng)通過頻域分析而得。根據(jù)一定的峰值響應(yīng)分布情況統(tǒng)計最大響應(yīng)。最后將波頻和低頻響應(yīng)組合。時域分析中，系統(tǒng)在靜態(tài)力、低頻力、波頻力下的運動響應(yīng)方程直接在時域內(nèi)求解。描述船體、系泊線、立管、推進力等都同時在一個時域內(nèi)進行模擬。模擬的所有系統(tǒng)參數(shù)（船體位移，系泊線張力，錨的載荷，等等）的歷史記錄都是有效的，其結(jié)果可以用來(yònɡlái)做統(tǒng)計分析，得到極限值。共五十六頁4.2擬靜態(tài)分析與動態(tài)分析擬靜態(tài)分析方法中，忽略由系泊線的質(zhì)量(zhìliàng)、阻尼和流體加速度引起的垂向運動和動態(tài)影響。預(yù)報精度與船體形式、水深、系泊線外形等直接相關(guān)。在頻域分析中都是線性的，采用線性疊加方法，對于非線性的影響，應(yīng)采取一定的處理辦法。動態(tài)分析方法中，考慮系泊線的質(zhì)量、阻尼和流體加速度等隨時間變化的影響。通過船體的在六個自由度方向的運動來計算平臺隨時間變化的運動，預(yù)報系泊系統(tǒng)的響應(yīng)。在時域分析方法中，所有的非線性效應(yīng)都予以模擬，如系泊線的拉伸，系泊線的體積、流體力，海底的影響，等等。對于系泊系統(tǒng)，主要有四種非線性影響：系泊線的非線性拉伸，系泊線體積和外形的變化，流體作用力，系泊線與海底接觸部分的摩擦力。共五十六頁4.3非耦合分析與耦合分析

對于平臺、系泊線、立管的運動影響船體的響應(yīng)，此影響必須予以考慮。主要分析方法如下：非耦合分析：此方法是傳統(tǒng)的方法。將平臺與系泊線/立管的響應(yīng)分別分析。從而解得平臺響應(yīng)，預(yù)報系泊線/立管的響應(yīng)。半耦合分析：對系泊線和立管進行耦合動態(tài)(dòngtài)模擬。然后利用風(fēng)、流、波浪漂移力系數(shù)和平臺水動力系數(shù)，考慮系泊線/立管的響應(yīng)，對平臺響應(yīng)進行時域分析。假設(shè)平臺的波頻運動不受系泊線/立管的影響，因為平臺的慣性項的階數(shù)比系泊線/立管的高。全耦合分析：系