在海洋工程中,单点系泊系统主要有两种作用:一是被用于定位系泊浮式生产储油装置 FPSO(Floating Production Storage and Offloading System),二是被用于外输原油终端。与固定码头相比,单点系泊的最大特点即系泊方式是“点”,也就是大型油轮或超大型油轮可以系泊于近海海面上的一个深水“点”,然后进行装卸货操作。单点系泊系统基本上可分为悬链浮筒式系泊系统(CALM,catenary anchor leg mooring)、单锚腿式系泊(SALM)、软刚臂式系泊系统(SYS)、内转塔式系泊系统(IT)和外转塔式系泊系统(ET)五大类。本文主要介绍CALM单点系泊系统。
国际上第一个悬CALM单点系泊系统,是1958年由美国IMODCO公司为瑞典皇家海军在瑞典达拉罗港设计和建造的。这是一个具有特别用途、能够系泊3000吨船舶的系统。40多年来,随着近海石油勘探开发和海上运输业的发展, CALM单点系泊技术的发展十分迅速。目前,这种技术已作为一种成熟的海上中转、仓储、过驳技术被世界各国竞相采用。
CALM单点系泊系统通常由一个能够漂浮在海面上的浮筒和铺设在海底的管道组成。浮筒漂浮在海面上,油轮上的原油通过漂浮软管进入浮筒后,从水下软管进入海底管线,输到岸上的原油储罐。为防止浮筒随海浪远距离漂移,用数根锚链将其与海床相连,这样浮筒既可在一定范围内随风浪流漂浮移动,增加缓冲作用,减少与巨轮间发生碰撞的危险,又不至于随海浪漂走。
CALM系统分为Bogey Wheel CALM、Turntable CALM及Turret CALM三种类型。Bogey Wheel CALM包括浮筒及转盘结构等,浮筒中部为月池;浮筒上方的滚轮轨道上安装有可旋转的转盘,使油轮可以绕浮筒旋转,这种型式的CALM只有一个轴承,并且轴承同时作为受力构件,容易损坏因而需要经常更换。
Turret CALM包括两个主要部分:固定不动的转塔及可旋转的浮筒。转塔位于浮筒中部的月池内,并形成一个封闭的舱室,内部可以放置海底管汇的阀门遥控装置等。油轮上的系泊缆与浮筒下方的锚泊支架相连,因此系泊缆荷载可以直接传递到浮筒上。由于Turret CALM是BLUEWATER公司开发的专利产品,因此限制了它的应用范围。
目前应用较多的是Turntable CALM,其基本型式与Bogey Wheel CALM相似,但它用滚动轴承代替轨道;同时,转盘可以将系泊缆上的荷载传到浮筒结构, 最终传到锚链腿上,从而延长了轴承的寿命。
Turntable CALM系统的结构组成主要包括:浮筒、转盘、锚泊系统、输油管线系统、系泊缆及海底管汇等几大部分。
浮筒为圆柱形结构,其尺寸根据系统所需要的浮力、干舷规定和水密性要求而定。直径一般为10.0m -13.0m,型深为3.0 m -6.0m,吃水为2.0 m -4.0 m。浮筒一般被分隔为几个水密舱,舱室的设计应满足现有规范对稳性的要求;浮筒还应能承受最大系泊荷载和外界环境荷载的作用。
转盘为钢质焊接板架结构,包括中部的箱形结构、平衡臂、系泊臂及输油臂。其中,系泊臂将系泊缆上的荷载直接传到转盘结构上, 通过滚动轴承将力传到浮筒结构, 再传到锚链腿上。输油臂上设有索缆导向装置、导向滑轮等用以安装漂浮软管。平衡臂一般位于输油臂的反方向,如泥浆泵及泥浆池等可支撑足够的压载用以抵消输油臂的重量,从而平衡作用在转盘上的竖向载荷。不输油时浮筒倾斜,输油时浮筒便保持水平。转盘上安装有系泊柱、旋转接头输出管道、阀门、航行设备等。
锚泊系统将浮筒固定在安装位置,包括锚链和锚或锚桩,布置成6根或8根呈辐射状的锚链并通过锚桩固定于海床。锚链需要保持一定的张力,它一端固定在浮筒的止链器上,另一端根据具体的工程地质条件选择锚或锚桩与海底固定。锚链直径和长度应保证在受到最大水平位移负荷的情况下,锚链末端仍有一定的余量留在海底。
CALM与系泊油轮及陆岸终端的流体传输是通过输油管线系统实现的。旋转接头将流体从固定不动的中心井管系输送至旋转的输油臂管系上,其固定部分与浮筒相连,旋转部分与转盘相连。旋转接头是整个单点系泊系统的核心技术,它既是输送流体的通道,又是所系船舶在环境荷载作用下可绕系泊点转动的关键设备。它可以分为单通道和多通道两种形式,以允许一种或多种流体同时传输。
水下软管连接在中心井管系下端,将流体介质输送至海底管汇。水下软管的直径一般为0.5 m -0.6m,长度需要由水深及环境荷载产生的浮筒最大响应而定。其布置有三种型式:懒S型、小角度S型及中国灯笼型。水下软管由于更换比较困难,施工费用较大,因此要求强度要高,寿命要长。
漂浮软管一端连接在转盘的输油臂上;另一端平时漂浮在水面上,输油时则连接在油轮舯部的管汇上。漂浮软管直径一般为0.5 m -0.6m,长度由浮筒直径、系泊缆长度及油轮主尺度而定,一般在300m左右。水下软管和漂浮软管的材质为特质橡胶,能够承受一定的压力。
系泊缆一般用尼龙、合成材料编织而成,其数量要根据油轮吨位而定,当油轮吨位超过150,000t时,需要设置而且最多只能设置两根系泊缆。系泊缆的周径在450mm左右,为避免油轮过大的偏移,系泊缆不能太长,一般为45m-60m。系泊缆上装有一定数量的浮子,浮子是被套上去或者被系上去的,可以起到保护作用以免损坏伤系泊缆。
海底管汇(PLEM)是输送流体的管线末端管汇,从单点水下软管或从陆岸海底管线来的流体在此处分别输送到海底管线或水下软管;根据它在海底的固定方式可以分为重力式和桩基式两种。在恶劣天气如台风或漏油等紧急情况发生时,有两套球阀系统可以控制/遥控流体的输送,进行紧急关断。
除上述主要结构外,CALM系统上还配有其他附属设备,如:绞车(为锚链提供预张力及进行水下软管的安装),锚链张紧设备(如起重滑车);另外还有水下软管吊装框架,旋转接头吊臂,消防设备,导航设备如航海灯、雾号、太阳电池板、雷达等。