单点系泊是一种简单常用的系泊形式。由于单点系泊具有风标 效应，70年代后期作为一种海上生产装置被广泛地应用在海上油田的开发。单点系泊是指油 船通过一艏(艉)的系缆索或刚性摇臂与海上的系泊点相连接。系泊点可以是浮筒，浮筒与海 底用一条系泊链(称为单锚腿系泊)或多条系泊链(称为悬链式锚腿系泊)相连接；也可以是带 万向接头的桅式浮筒或固定的导管架。海底原油通过油管从海底的井口输到浮筒，然后通过 漂 浮软管输向储油船。单点系泊主要研究的问题是：(1) 在极限生存海况下，浮筒与水下油管 的运动，锚泊线上载荷；(2) 在作业海况的风浪流联合作用下油船的运动及系泊系统的载荷 。
1 单点系泊在风浪流中的响应 单点系泊在风浪流作用下的运动响应是复杂的。环境条件的动 力因素直接影响到单点系泊系统的运动响应。单点系泊是 一个复杂的非线性系统，所系的油船除了在水平面内的三 个自由度运动外(纵荡、横荡及艏摇)，整个系 统将有12个自由度的运 动响应。单点系泊的油船在不规则波浪中的响应是由波浪在不同时间的能量变化而引起的。 通常波浪所诱导的油船运动是比较好理解的。难以理解的是：单点系泊在仅有风、流作用时 也会产生较大的运动响应。通过研究发现，油船的较大响应可以理解为：单点系泊在稳定的 风、流作用下，由于油船艏向的变化使得作用在油船上的力和力矩发生了变化，从而导致了 油船在水平面内的较大的运动。
1.1 油船在风和流中的响应
人们通常认为：单点系泊在风、流的作用下产生一个定常的作用力，并且有一个风标的效应 ，艏摇和横荡被认为是波浪引起的。但在模型试验和实际使用中发现，在风或流的作用下， 单点系泊系统同样会产生艏摇和横荡。通过研究发现，在定常风或流的作用下，艏摇和横荡 运动是由风或流诱导的升力，作用在油船上与系泊系统的自然频率产生共振而引起的。这个 现象可以由图1来解释。
如图1所示，① 假定油船处于第1种状态，艏缆松弛，在风的作用下油船具有较小的艏摇。 在这种情况下，油船在风的作用下是不对称的。船体如同方向舵或机翼，在风的作用下产生 横荡，直到艏缆绷直；② 由于艏缆的拉直，将阻碍油船的艏部向左舷运动，船首开始转向 右舷，如图1第2种状态。艏缆张紧并释放张力使油船产生艏摇；③ 由于艏缆的回弹，将油 船向前拉动至系泊浮筒，艏缆放松，船首再次失去限制。船体与风场的角度发生改变，产生 一个向右舷的升力，如图1第3种状态；④ 此时，油船发生横荡并通过中心线至右舷边缘直 至艏缆再次拉直。如图1第4种状态所示。在这个位置上，油船再次受到限制。油船横荡的惯 性转化为艏摇，引起油船向左舷艏摇。一旦油船具有艏摇，风与船体的作用方向的角度改变 ， 引起升力的变化，油船将向左舷横荡。这样周而复始，在适当的风速(或流速)、油船的尺度 、质量、干舷、艏缆长度和锚泊系统的结合使得系泊油船处在某一个平衡位置。 图1 单点系泊在风、流作用下的运动特点
1.2 单点系泊在波浪中的响应
单点系泊的油船在艏对浪的规则波作用下主要考虑纵荡的运动响应。在外力作用下，油船产 生纵荡，其艏缆上的力基本上等于波浪力，除非波浪频率与系统的自然频率相吻合而产生共 振，或者具有不均匀的系泊力。通常系统的纵荡自然周期远大于波浪周期。艏缆上除了低频 载荷以外还有高频响应。高频响应主要是由垂荡、横摇及浮筒的运动引起的。
单点系泊的油船在不规则波浪中，平均波浪力随时间的变化而变化。油船除了受到与波幅成 正比的一阶波浪力作用外，还受到与波面高度的平方成正比的二阶漂移力的作用。处在不规 则波浪中的油船，由于垂荡、摇摆运动具有较大的恢复力，因此通常不考虑二阶波浪漂移力 。对于油船的质量而言。锚泊系统对纵荡的恢复力是很小的，因此油船的纵荡频率很低，锚 泊系统实际上是一个非线性的弹簧系统。锚泊系统的恢复力取决于油船的吨位、水深和锚泊 系统的本身等。如果系统的自振频率与二阶漂移力的频率范围非常接近的话，那么由于低频 的阻尼很小，二阶漂移力会激发油船的大振幅的慢荡运动。
1.3 单点系泊在风浪流联合作用下的响应
单点系泊在风浪流环境条件联合作用下的响应是非常复杂的，特别是风、浪、流作用方 向不同的时候。
在模型试验中发现，单点系泊在定常的风、流与波浪同向的作用下，有时风、流会抵消一些 单点系泊系统在波浪中的响应，所测量得到的锚泊线的载荷的峰值小于只有波浪作用时的峰 值。但在另外一些试验中又发现有时锚泊线的载荷大于只有波浪作用时的峰值，且高得很多 以至于大于双倍的风、流和波浪峰值的载荷。这是因为，油船在风和流所引起的力和力矩作 用下产生了如图1所示的艏摇和横荡运动。除此以外，波浪也会诱导艏摇和横荡运动，从而 对艏缆产生一个较大的力。
当风、浪、流不同向作用时，油船的运动姿态更难以描述和解释。图2示出了某35万吨油船 的艏缆在压载工况下典型的试验结果(波高为4.4 m，风速为23 m/s，与波浪作用方向成45° 夹角；流速为0.515 m/s与波浪作用方向成90°夹角)。图2中示出了高频和低频响应幅值的 时历曲线。高频振荡幅值与波浪引起的浮筒的运动和油船的纵横摇、垂荡有关。这些高频振 荡幅值是不能忽略的，它们将影响到锚泊线的载荷。但是由图2可见，大多数锚泊线的载荷 是由低频引起的。因此，单点系泊是一个具有高频响应及低频振荡的非线性系统。如果将高 频响应幅值进行滤波，则可得到完整的低频响应的时历曲线(图2的虚线所示)。由图2可见 ，单点系泊在状态下的运动是非常不规则的，也说明了油船在风浪流联合作用下的运动响应 是 非常复杂的。在试验中，尽管环境条件没有改变，但是系统的运动响应的变化是无穷的。
 图2 波频和低频载荷的时历曲线
2 油船的尺度对响应的影响
通常油船的尺度或形状的变化对系泊系统的响应有一定的影响， 但是其影响程度远不如环境参数的改变。然而，对于超级油船作为单点系泊时，就应该考虑 油船的尺度对系泊系统载荷的影响。同理，油船的载况也是影响油船响应及系泊系统载荷的 一个参数。因此，在单点系泊的设计中应考虑在不同环境条件下油船载况对系泊系统及响应 的影响。
2.1 油船尺度的影响
在考虑油船尺度对运动响应及锚泊系统影响时，以油船的载重吨作为主要参数。研究表明， 系缆索上的张力与油船的载重吨的开方根成正比，可表示为：  (1)
式中：k=单位换算系数；Hs=有义波高；Ts=有义周 期；Dwt=油船载重吨。
从式(1) 可见，系缆索上的张力除了与油船的载重吨的开方根成正比外，还与有义波高的平 方成正比。通常，利用式(1)计算所得值是偏于保守的。模型试验发现，对于50万吨或更大 的超级油船而言，所测得的数据均小于用式(1)估算的结果，甚至有些数据比20万～40万吨 油船还要小。这是因为，20万～40万吨油船的运动响应大于50万吨或更大的超级油船。尽管 油船的水平面内的响应周期大于波浪的自然周期，这种情况也类似于共振响应。因此，在设 计中如果发现慢荡运动的幅值过大，必须调整系泊系统的布置及锚泊系统的刚度，改变系统 的自振频率，避免与二阶漂移力发生共振。除此以外，还要考虑锚泊系统的强度。在单点系 泊的设计中，无论是超级油船还是其他，锚泊系统的强度是绝对不能忽视的。
2.2 油船载况对响应的影响
对于给定的油船尺度，满载和压载两种工况是必须考虑的。模型试验发现，在风浪流的作用 下，通常满载工况下油船的运动要小于压载工况。因此，满载工况所测得的艏缆的有义值有 时等于压载的艏缆的有义值。这是因为，压载情况下油船的运动幅值比较大。因此锚泊系统 载荷的峰值比较高。在设计中通常采用最大值比有义值的方法来分析锚泊系统的受力，即：
 (2)
通常压载时的R值大于满载。因此，在中等海况下压载时系缆索的载荷通 常大于满载工况。尽管如此，在设计中也不能就此认为只考虑压载工况。满载和压载那种工 况更为严酷取决于油船的尺度、锚泊系统的刚度以及环境条件。
2.3 油船其他参数的影响
与油船的尺度及载况相比，油船的其他参数，如船型和上层建筑对系泊系统的受力影响不大 。对系泊系统有影响的参数为长宽比及船艏的形式。典型的常规油船的长宽比约为6.5左 右 。当油船的排水量相同时，长宽比较小的油船在顶浪情况下的载荷大于长宽比大的油船。但 是其影响程度不是很大，特别是风、流与波浪成90°夹角的工况。在单点系泊的实际应用中 ，大多数油船为超级油船并具有球艏。虽然球艏的形式有多种多样，但其对系泊系统受力的 影响可以忽略。然而，对具有所谓圆柱形艏的超级油船则另当别论。常规艏与圆柱形艏的差 异如图3所示。试验研究表明，波浪对常规艏与圆柱形艏的影响可以忽略，但是流力对其影 响是很大的，特别是水深与油船吃水比较小时，其影响程度可以从图4的流力系数曲 线看出。
图3 两种艏形式 图4 两种艏形式的流力系数比较 3 锚泊系统的影响
锚泊系统设计的好坏直接影响到锚泊系统的载荷。在设计中最重 要的是锚泊系统刚度的选择。锚泊系统的刚度越大，锚泊线上的载荷也越大，但是系统的位 移小。各种单点系泊的模型试验表明，设计较优的锚泊系统的刚度应满足在风浪流的作用下 既能有效吸收外载荷的能量，又使单点系泊在水平面的运动不至于太大。通常使用的SALM(单锚腿系泊)和CALM(悬链腿锚泊)如图5所示。对SALM系统，在外力作用下被拉向 一边时，由于浮筒的浮力及锚泊线张力的变化，使系统的恢复力增加。如果忽略系缆索的弹 性特征和角度，水平力可以表示为
 (3)
式中：T为锚泊线上的水平载荷；D为浮筒的水平位移；B为浮筒的净浮力；L为浮筒重心至基 础系泊点的距离。在实际计算SALM系统时，计算并非如此简单。首先，浮筒由于系 泊油船会产生一个向上的拉力；其次系缆索及锚泊线的刚度都会使计算变为复杂，因此需要 用计算机进行分析。由式(3)可见，当浮筒的净浮力增加时，系泊系统的刚变随之而增加， 继而系统的恢复力提高。当外力作用在CALM系统上向右移时，左端锚链被提起，右端锚链的 张 力减小。影响CALM系统弹性的主要参数为：锚链的单位重量，锚链的根数，水深及预张力。 锚链的数量及预张力的增加均会提高系统的刚度。而水深的增加通常会使系统的弹性变软。 CALM系统中浮筒的尺度一般在10 m以上，因此其尺度对锚泊系统的刚度影响不大。
图5 两种单点系泊的受力 4 结语
影响单点系泊系统载荷的因素很多，波高是一个最重要的因素。 因为系统的载荷正 比于波高的平方及反比于周期的开方。风和流在某种程度上会产生动态载 荷，特别是在阵风和振荡流的作用下，动态载荷远大于静态载荷。此外，系缆索的长度等 也会影响锚泊线的载荷。
作者简介：季春群(1953-)，男，教授。
作者单位：季春群（上海交通大学 上海 200030） | 
发表于 2010-3-21 10:22
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