[科普中國]-單點系泊

特點

與固定碼頭相比，它的最大特點即系泊方式是“點”，也就是大型油輪或超大型油輪可以系泊于近海海面上的一個深水“點”，然后進行裝卸貨操作。

結(jié)構(gòu)單點系泊碼頭通常由一個能夠漂浮在海面上的浮筒和鋪設在海底與陸地貯藏系統(tǒng)連接的管道組成。浮筒漂浮在海面上，油輪上的原油通過漂浮軟管進入浮筒后，從水下軟管進入海底管線，輸?shù)桨渡系脑蛢蕖榉乐垢⊥搽S海浪遠距離漂移，用數(shù)根巨大的錨鏈將其與海床相連，這樣浮筒既可在一定范圍內(nèi)隨風浪流漂浮移動，增加緩沖作用，減少與巨輪間發(fā)生碰撞的危險，又不至于被海浪漂走。

作用單點系泊系統(tǒng)SPM（Single point mooring system），它的主要作用是將FPSO定位于預定海域，起著輸送井流，電力、通信等功能。同時，使FPSO具有風向標的效應，在各種風浪流作用下FPSO的受力為最小，從而保證FPSO在海上能長期連續(xù)工作。

單點系泊系統(tǒng)的分類按單點系泊系統(tǒng)的功能分類為了實現(xiàn)單點系泊系統(tǒng)的功能，多年來已發(fā)展了多種類型的單點系泊系統(tǒng)，主要有懸鏈腿系泊系統(tǒng)（CALM），依靠懸鏈效應來產(chǎn)生恢復力；單錨腿系泊系統(tǒng)（SALM），依靠浮筒的凈浮力來產(chǎn)生恢復力；內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)(STP)，其實質(zhì)上是CALM系統(tǒng)的不同型式；固定塔式系泊系統(tǒng)（FTM），依靠纜索的彈性來產(chǎn)生恢復力；軟剛臂系泊系統(tǒng)(SYM)，依靠重力勢能來產(chǎn)生恢復力。

按單點系泊系統(tǒng)的應用分類從單點系泊系統(tǒng)的應用來講，通常有兩大類：海上“FPSO單點系泊系統(tǒng)”和離岸“單點系泊輸油終端系統(tǒng)”，前者應用于FPSO定位系泊與流體輸轉(zhuǎn)，而后者用于離岸油氣裝卸，可代替固定式碼頭。

FPSO單點系泊系統(tǒng)用于近海油田開發(fā)，是近海油田“井口平臺+生產(chǎn)儲油輪（FPSO）+單點系泊系統(tǒng)”采油方式中主要組成部分之一，其簡要描述為：井口平臺用于安裝采油設施，將地下油田的油、氣、水三相液體（稱為井流）采集上平臺，井流通過海底管線輸送到FPSO；經(jīng)過FPSO上配備的油、氣、水三相分離設施和其他生產(chǎn)設施對井流進行處理，處理后的原油儲存在FPSO油艙內(nèi)，待定期前來的穿梭油船將原油運輸?shù)接蛶?。單點系泊輸油終端系統(tǒng)通常用于外來原油的卸載。單點系泊輸油終端系統(tǒng)的組成可分為動和靜兩大部分，陸上管線、海底管線、筒下軟管等屬于靜的部分+作業(yè)時到港油船通過系泊纜與浮筒連接，浮簡在風、浪、流的作用下有一定的升沉和漂移運動，油船與浮筒的轉(zhuǎn)臺連接使它始終處于外界作用力合力最小的方向，環(huán)繞浮筒有360°的自由度，所以浮筒及漂浮軟管均屬動的部分。在靜與動之間，全靠安裝于浮筒上的輸油旋轉(zhuǎn)接頭溝通連接，使原油的輸送得以實現(xiàn)。

就單點系泊系統(tǒng)的組成而言，它主要包括流體輸轉(zhuǎn)系統(tǒng)（FTS，核心為旋轉(zhuǎn)接頭裝置）、轉(zhuǎn)臺或轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)（TTS）、主軸承（系泊軸承）、柔性立管、系泊浮筒以及其他附屬裝置。

單點系泊系統(tǒng)關(guān)鍵裝置流體旋轉(zhuǎn)接頭不管是什么類型的單點系泊系統(tǒng)，都涉及到一個關(guān)鍵裝置——流體旋轉(zhuǎn)接頭（如圖1～圖3所示）。可實現(xiàn)油、成品油、注水、注氣、遙控液壓信號、電信號/光信號、高壓電力輸送等名通道同時傳輸．成為海上油田現(xiàn)代化比聲的傳輸中心。

旋轉(zhuǎn)接頭裝置往往處于風、浪、流、潮水等交替作用之下，一旦發(fā)生事故，救援困難，所以旋轉(zhuǎn)接頭裝置必須具有更高的安全性；由于海上設施離岸維修條件差、檢修周期長，因此要求旋轉(zhuǎn)接頭裝置性能可靠、經(jīng)久耐用；旋轉(zhuǎn)接頭裝置常處于潮濕鹽霧環(huán)境中。海水和大氣腐蝕問題嚴重。旋轉(zhuǎn)接頭裝置應具有更高的耐腐蝕性；旋轉(zhuǎn)接頭裝置通過的是高壓、高溫且有腐蝕性的介質(zhì)，除了滿足介質(zhì)傳輸功能外，還要保證不能因旋轉(zhuǎn)接頭的動密封失效而導致泄漏，發(fā)生污染環(huán)境的事故，因此在整個采油系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)接頭裝置是一個要求極高的關(guān)鍵設備。1

單點系泊系統(tǒng)水動力分析技術(shù)水動力分析是單點系泊系統(tǒng)的另一個關(guān)鍵技術(shù)。系泊系統(tǒng)本身的主要作用是減小浮體的位移，但同時為保證系泊系統(tǒng)本身的強度，又不宜產(chǎn)生過大的約束力。最小運動與最小系泊力是矛盾的要求，因此系泊系統(tǒng)的設計在于選擇最適宜的系泊剛度。系泊系統(tǒng)的剛度（產(chǎn)生回復力）可由三種途徑得到：重力，如用錨鏈等；浮力，如系泊裝置本身或浮筒產(chǎn)生的浮力；材料彈性，如用尼龍纜、聚酯纜等。單點系泊是一個復雜的非線性系統(tǒng)，在風、浪、流環(huán)境條件下，作用在系泊系統(tǒng)上的載荷，按其隨時間變化的不同特點可劃分為：（1）數(shù)值恒定的平均載荷；（2）緩慢變化的低頻載荷；（3）以波浪頻率變化的高頻載荷（一階力）。平均載荷使海洋結(jié)構(gòu)物具有一個平衡位置，結(jié)構(gòu)物將圍繞這一平衡位置做振蕩運動。低頻載荷是不規(guī)則波引起的二階漂力，它與一階力相比，通常具有較小的數(shù)量級，但因其變化頻率接近系泊系統(tǒng)的固有頻率，容易使結(jié)構(gòu)物發(fā)生慢漂振蕩，這是系泊系統(tǒng)中的主要問題。

單點系泊系統(tǒng)的分岔特性研究方法單點系泊系統(tǒng)的靜態(tài)分岔特性研究在海洋工程中，單點系泊是一種常用的船舶系留方式，廣泛地應用于海洋生產(chǎn)、抵御臺風等需要海洋結(jié)構(gòu)物維持其位置相對固定的場合。系泊船只的運動可以用船舶非線性操縱運動方程來描述。

由于潮流的速度較低，與一般意義下的船舶操縱運動相比，系泊船只的運動響應具有自己的特征。兩者的不同主要在于：

（1）槳和舵對于系泊系統(tǒng)的影響較??；

（2）系泊船只可能產(chǎn)生較大的橫向運動（振轉(zhuǎn)運動）；

（3）作用于系泊船只的水動力具有強烈的非線性。

對于這一類多自由度非線性微分動力系統(tǒng),求解其解析解幾乎是不可能的事情。因此人們往往采用定性分析的方法來研究它們的動力學行為，如穩(wěn)態(tài)解的多值性、倍周期分岔和混沌現(xiàn)象等等。由于這些復雜的動力學響應都與平凡解的定性特征有關(guān)，故而對于靜態(tài)分岔特性的研究就是必要的了。靜態(tài)分岔特性的研究涉及到平凡解的數(shù)目及其穩(wěn)定性分析，在這方面奇異性理論是一種強有力的工具。2

單點系泊船舶的動態(tài)分岔特性研究動態(tài)分岔研究是系泊系統(tǒng)非線性動力學特性研究的主要組成部分，系泊纜繩所承受的極值系泊力水平主要取決于系泊船舶的動態(tài)分岔特性。但是，無論從設計還是使用的角度出發(fā)，研究環(huán)境條件，如風浪流參數(shù)的變化對于系泊船舶動力學特性的影響，都是十分必要的。3

歷史淵源1958年世界第一套單點系泊系統(tǒng)在瑞典作為“海上加油站”成功投產(chǎn)，揭開了單點系泊技術(shù)在海洋石油開采和海上原油中轉(zhuǎn)等領(lǐng)域上的應用的序幕。而中國大陸第一套單點系泊系統(tǒng)于1994年9月竣工，這套單點系統(tǒng)作為茂名石化進口原油的咽喉而存在。

40多年來，隨著近海石油勘探開發(fā)和海上運輸業(yè)的發(fā)展，單點系泊技術(shù)的發(fā)展十分迅速。這種技術(shù)已作為一種成熟的海上中轉(zhuǎn)、倉儲、過駁技術(shù)被世界各國競相采用。

首先，單點作為海上中轉(zhuǎn)終端，通過這種“浮動的碼頭”，就可以供大型船舶系泊和裝卸原油或礦砂，充分發(fā)揮了大型船舶運輸?shù)膬?yōu)越性。其次，單點作為海上油田采油終端，起到了“浮動油庫”的作用，是深海、遙遠油田上經(jīng)濟而且先進的儲輸手段?？梢赃@樣說，單點系泊技術(shù)為海洋石油開采和海上運輸中轉(zhuǎn)的歷史翻開了嶄新的一頁，極大地推動了海洋石油開采業(yè)和石油化工業(yè)的發(fā)展。 單點系泊技術(shù)的興起、發(fā)展和應用，對海洋石油開發(fā)和提高海上運輸效率起到了重要的作用。 單點系泊作為一種技術(shù)革命，其優(yōu)勢如何？實踐證明： 首先，單點系泊的最大優(yōu)勢是將碼頭由岸邊移至海上，解決了世界上絕大部分港口航道較窄、較淺、規(guī)模較小，不能與大型油輪和超大型油輪發(fā)展相匹配的矛盾。這在中國的原油接卸中具有重要的現(xiàn)實意義，因為中國上百個煉油廠中，具備接卸25萬噸位以上油輪能力的原油碼頭不過兩三個。在廣東茂名的茂名石化率先引進單點技術(shù)，這是中國大陸第一個移動碼頭。單點系泊技術(shù)大大增加了茂名石化原油接卸量，使茂名石化原油加工量突破了碼頭卸油量不足的制約，茂名石化通過建設單點系泊獲得發(fā)展的同時也開創(chuàng)了在中國建設具備超大接卸能力原油碼頭的新路子。其次，單點系泊具有漂浮式和旋轉(zhuǎn)式的特征：可以在7級大風中，有效浪高3.5米的情況下進行原油接卸，而且可以360度不受限制地自由轉(zhuǎn)動，不需要考慮風、浪、流轉(zhuǎn)變引起的影響，因此受氣候影響較??；而一般靠岸式碼頭、島式碼頭、棧橋式碼頭僅能在2米以下的風浪中進行接卸，受環(huán)境條件（風、浪、流）的影響非常大。 第三是節(jié)約投資。以茂名25萬噸級單點系泊原油碼頭為例，全部建設投資約為2～3億元人民幣。而一般情況下，建設同樣等級的固定碼頭則至少需要10億元以上，其費用約是建設單點系泊的3～4倍。 以美國為例說明單點系泊的重要性。眾所周知，美國每年的原油處理量超過10億噸，2002年美國每天從國外進口原油914萬桶，其中超過30%，也就是說，平均每天約有超過274萬桶進口原油，是通過位于路易斯安那海岸線約30km新奧爾良市(New Orleans)的樂普公司(LOOP INC) 的三個單點系泊進行卸載的。該公司的單點系泊位于35米水深處，設計可靠泊世界最大的70萬載重噸的油輪。樂普公司(LOOP INC)所接卸的原油通常來源于中東、西非、北海、哥倫比亞、墨西哥和阿拉斯加，其專用大型油輪(VLCC)和超大型油輪(ULCC)載貨量都是350萬桶（約50萬噸）。如果沒有這三個單點系泊，這些油輪就必須在加勒比海轉(zhuǎn)運設施過駁到可以靠岸的小船，這樣進口原油的運輸和過駁費用與使用單點系泊進行卸載比較相差甚遠，煉油企業(yè)根本無法承受。也正是基于此考慮，美國東部的33個煉廠共同出資，創(chuàng)立樂普公司，并通過上市融資建立了一個寵大的包括3個單點浮筒和管線、管匯結(jié)構(gòu)的單點系泊系統(tǒng)，通過相互連通的陸上管線分別向每個相關(guān)煉油廠供應原油。 集中優(yōu)勢，發(fā)揮輻射作用，充分利用單點系泊的特性，這是一種十分明智的選擇和決策，可避免重復建設引起資源的極大浪費。就拿路易斯安那州和德克薩斯州的十一個煉油廠來說，它們都位于墨西哥灣，如果它們各自建設自己的碼頭也不是不可能的,但投資要大十倍。 國際上第一個懸鏈錨腿系泊(CALM)型單點系泊，是1958年由美國IMODCO公司（后改稱SBM-IMODCO公司）為瑞典皇家海軍在瑞典達拉羅港(Dalar?)設計和建造的。這是一個具有特別用途、能夠系泊3000噸船舶的系統(tǒng)。自那時起，單點系泊在世界的應用一發(fā)而不可收，遍布各沿海地區(qū)，足見其旺盛的生命力。4