论文部分内容阅读
摘 要：单点系泊作为一种原油等接卸技术，解决了因港口条件限制而不能靠泊大型油船的难题。单点系泊技术应用在我国仍属起步阶段，缺乏相应的建设规范、标准。本文针对单点泊位组设计中的布置问题，分析了影响泊位间安全距离的因素及有关安全距离的要求，通过对泊位间安全距离进行模拟分析，提出了应用数值模拟确定泊位间安全距离的方法，供单点泊位工程设计及安全管理者参考。
关键词：单点系泊；油船；间距；漂移
0 引 言
单点系泊（Single Point Mooring，SPM）如图1所示，泛指所有允许浮式结构物随环境力方向变化绕单个系泊点自由回转的系泊系统。单点系泊已得到广泛应用，波罗的海、北海、挪威海等欧洲水域，北美和南美等地区都使用海上单点系泊（SPM）进行原油、天然气和化工产品装卸。在我国，茂名石化的单点系泊系统自1994年投产以来，已安全运转超22年，累计接卸原油1.9亿吨。
近年来，我国原油进口逐年增加，2017年全年原油进口量为41 957万吨，较2016年增长10.1%，创历史新高；进口成品油2 964万吨，较2016年增长6.4%。随着原油进口量的持续增长，原油码头泊位需求不断增大，由于受沿海岸线及水深条件制约，有关港口及企业纷纷寻求建设SPM泊位组，以满足进口原油和出口成品油对储运的需求，如山东民达物流有限公司拟在东营港建设25万吨原油卸SPM泊位组。
关于单点系泊工程设计，我国尚未有专用的设计规范。目前，单点系泊工程水域布置设计主要依据《海港总体设计规范》[1]，单点系统设计主要参照ABS 2014《Rules For Building and Classing Single Point Moorings》。上述规范中都没有涉及泊位组的布置要求。由于单点系泊通常位于外海，受大风浪等恶劣天气影响，易发生油船碰撞单点浮筒、水上软管断裂、锚链断裂、锚桩失效、油轮搁浅等风险[2]。多个单点系泊泊位间的安全距离及布置是必须考虑的因素之一。为此，需对单点系泊泊位间的安全距离进行科学探讨。
1 单点系泊工程水域规范性要求
对于单个单点系泊泊位水域设计，见图2，ABS《Rules For Building and Classing Single Point Moorings》、KR《Guidances for Single Point Mooring》等都给出了明确的要求。
系泊位置的平面布置，需考虑系泊位置、潜在的航行危险、现有的和计划的航标、底部等高线高程、操纵区域、回转区域等因素。其中，操纵区域（系泊作业区域）是船舶靠、离泊位操纵所需的水域。操纵水域的形状和尺度应根据当地条件确定。但系泊的操纵水域半径至少为系泊最大船长的3倍，加上缆索长度和最大浮筒位移。回转区域是从中心位置在操作系缆载荷和最小潮SPM的水平偏移和操作系缆载荷下的锚链长度的水平投影及SPM设计的最大船长加30m安全余量。
单点系泊作业区域半径R为：
R=3×Lv+Lh+L0
式中：Lv：系泊船舶最大长度；
Lh：系泊缆长度；
L0：操作条件下的浮筒最大位移。
回转区域半径r为：
r=Lv+Lp+L0+Ls
式中：Lv：系泊船舶最大长度；
Lp：系泊缆投影长度；
L0：操作条件下的浮筒最大位移；
Ls：安全裕量（一般取30m）。
2 有关安全距离规范、规章要求
关于单点系泊泊位间的安全距离，现有规范尚无明确的规定，相关规范对安全距离的要求主要有：
（1）《海港总平面设计规范》：装卸油品的专用码头与其他货种码头的安全距离不应小于表4.4.2的规定（甲、乙类要求150m，丙类50m）。
（2）《油气化工码头设计防火规范（送审稿）》：两相邻的油品或液体化学品泊位之间的船舶净间距不应小于表4.2.4规定的数值。
（3）石化集团公司《危险品码头安全管理规定》：对装卸石油及其制成品和化学危险品的专用码头的消防设施要求：企业专职消防队应设在接到报警后，消防车5分钟内能够到达危险品码头的火灾地点。有消拖两用船的企业，其水上消防站应设在报警后，消防船15分钟内（5万吨级以上码头），或在20分钟内（5万吨级以下码头）到达管辖区最远点的地点。
3 单点泊位组泊位安全距离影响因素
ABS《Rules For Building and Classing Single Point Moorings》等仅对单点系泊工程水域提出规范性要求，但对同一水域布置泊位组并没有相关要求。
单点泊位间距不仅影响船舶进出港与靠离泊，而且影响泊位运营安全。影响单点泊位间距离的主要因素包括：
（1）船舶尺度：船舶尺度越大，船舶进出港操纵及作业占用的水域就越大，单点泊位间的距离要求越大。
（2）风浪流环境条件：风浪流环境条件恶劣，油轮作业风险大，单点泊位间的距离要求越大。
（3）船舶作业辅助条件：船舶辅助作业条件是影响船舶进出港与靠离泊的重要因素，足够的拖轮配备，能有效减小船舶操纵水域。
（4）船舶事故应急响应时间：船舶在系泊及装卸作业过程中，在大风浪等恶劣天气影响下，易发生油轮碰撞单点浮筒、水上软管断裂、锚链断裂、锚桩失效等风险，危及其它单点系泊系统的作业安全。因此，事故应急响应时间越长，要求單点间距离就越大。
4 泊位间安全距离分析
4.1 工程布置
为了分析泊位间安全间距，以某拟建单点系泊工程为例进行分析。
（1）代表船型
根据工程设计，代表船型见表1。 （2）作业工况
根据工程当地观测资料，工程区域强风向为NW-NNW 和 NNE-ENE 两个方向范围；常风向为S、SSE和ENE向。累年>6 级风（V>10.8m/s）的平均日数为137天，其中11月份出现天数最多，为14.5天，7月份最少，为8天。累年>8 级风（V>17.2m/s）的平均日数为15.7天，其中10月份出现天数最多，为2.3 天，7月份最少，为0.7 天。
本海区以风浪为主，涌浪次之。浪间呈季节性变化，夏季盛行SE浪，秋季主要是NE浪，春季浪向紊乱。强浪向是NNE-ENE，其次是NW 向，常浪向为偏S向。
实测海流流向多分布在 ESE～SSE 和 WNW～NNW 两个区间内，实测平均流速涨潮0.55m/s，流向108°；落潮流速0.55m/s，流向295°；可能最大流速1.5m/s。
根据工程区域风浪流环境条件，设计部门对确定的单点系泊工程作业环境限制条件见表2。
（3）泊位布置
单点系泊泊位组布置，如图3所示。
4.2 泊位间安全间距分析
单点泊位间必须满足一定的安全距离要求，一是要保证船舶进出港与靠离泊操纵有足够的水域；二是在船舶装卸作业过程中，一旦系泊系统发生断缆、断链等事故，产生船舶失控漂移，为事故应急救助留有一定的时间与空间。按照《海港总体设计规范》，单点泊位间距一般能够满足船舶安全进出港与靠离泊要求。因此，单点泊位安全间距大小主要取决于对事故应急救助的要求。
（1）系泊断缆失控漂移模拟
根据当地的风浪流环境条件和作 业限制条件，对下列工况（见表3）进行了船舶失控漂移模拟计算。
（2）安全距离计算
按照表3失控漂移工况，应用船舶运动数学模型进行了船舶失控漂移计算，图4给出了不同风浪流条件下20分钟时间内的船舶漂移轨迹。船舶初始漂移点及船舶首向角通过水动力计算得到。
从图4中可以看出：在一定时间内，船舶的漂移距离随着风浪流的增大而增大，风浪流越大，漂移距离就越大。在7级大风、2.5m波高、流速0.55m/s时失控，船舶漂移距离约900～1 000m；在8级大风、3.0m波高、流速0.55m/s时失控，船舶漂移距离约1 200m；在8级大风、3.0m波高、流速1.5m/s时失控，船舶漂移距离达1 800m。为了避免大风浪时由于单点系泊船舶失控漂移危及其他单点系泊船舶作业安全，单点泊位间的安全距离必须综合考虑系泊船舶尺度、作业限制条件、船舶事故应急响应速度等因素。对于本文提及的单点泊位组设计，代表船型为25万吨油船，单点系泊船舶在正常作业时，船舶围绕单点中心在440m范围内运动，在8级大风、3.0m波高、流速1.5m/s的作业工况条件下，考虑救援船舶20分钟内抵达事故地点施救，单点泊位间的安全距离（两单点泊位中心间的距离）应不小于2 240m（在救援船舶抵达时，失控船舶不进入其他单点的回转区域内）。
5 结束语
单点系泊作为一种原油、天然气和化工产品等接卸技术，解决了因港口条件限制而不能靠泊大型油轮的难题。单点系泊技术的应用在我国仍然处于起步阶段，在目前尚没有单点建设相应的行业标准情况下，探讨单点布置设计的有关技术问题，对如何根据当地条件，合理布置水域，确保单点工程船舶作业安全，促进行业标准形成等都有重要意义。
参考文献
[1] 罗晓健，张爱霞，李绂.单点系泊系统设计思路及原则[J].中国海洋平台，2013.28（02）.
[2] Vytautas Paulauskas，The safety of tankers and single point mooring during loading operations，Transport， Volume 24， 2009
[3] 中華人民共和国行业标准，油气化工码头设计防火规范（送审稿）.
[4] 中华人民共和国行业标准，海港总体设计规范（JTS 165-2013）.
[5] ABS，Rules for Building and Classing Single Point Moorings，2014.
[6] KR，Guidances for Single Point Mooring，2017.
[7] 石油化工集团公司安全生产监督管理制度范本，危险品码头安全管理规定.
[8] 中华人民共和国行业标准，《油轮单点系泊作业安全要求》（征求意见稿）.
关键词：单点系泊；油船；间距；漂移
0 引 言
单点系泊（Single Point Mooring，SPM）如图1所示，泛指所有允许浮式结构物随环境力方向变化绕单个系泊点自由回转的系泊系统。单点系泊已得到广泛应用，波罗的海、北海、挪威海等欧洲水域，北美和南美等地区都使用海上单点系泊（SPM）进行原油、天然气和化工产品装卸。在我国，茂名石化的单点系泊系统自1994年投产以来，已安全运转超22年，累计接卸原油1.9亿吨。
近年来，我国原油进口逐年增加，2017年全年原油进口量为41 957万吨，较2016年增长10.1%，创历史新高；进口成品油2 964万吨，较2016年增长6.4%。随着原油进口量的持续增长，原油码头泊位需求不断增大，由于受沿海岸线及水深条件制约，有关港口及企业纷纷寻求建设SPM泊位组，以满足进口原油和出口成品油对储运的需求，如山东民达物流有限公司拟在东营港建设25万吨原油卸SPM泊位组。
关于单点系泊工程设计，我国尚未有专用的设计规范。目前，单点系泊工程水域布置设计主要依据《海港总体设计规范》[1]，单点系统设计主要参照ABS 2014《Rules For Building and Classing Single Point Moorings》。上述规范中都没有涉及泊位组的布置要求。由于单点系泊通常位于外海，受大风浪等恶劣天气影响，易发生油船碰撞单点浮筒、水上软管断裂、锚链断裂、锚桩失效、油轮搁浅等风险[2]。多个单点系泊泊位间的安全距离及布置是必须考虑的因素之一。为此，需对单点系泊泊位间的安全距离进行科学探讨。
1 单点系泊工程水域规范性要求
对于单个单点系泊泊位水域设计，见图2，ABS《Rules For Building and Classing Single Point Moorings》、KR《Guidances for Single Point Mooring》等都给出了明确的要求。
系泊位置的平面布置，需考虑系泊位置、潜在的航行危险、现有的和计划的航标、底部等高线高程、操纵区域、回转区域等因素。其中，操纵区域（系泊作业区域）是船舶靠、离泊位操纵所需的水域。操纵水域的形状和尺度应根据当地条件确定。但系泊的操纵水域半径至少为系泊最大船长的3倍，加上缆索长度和最大浮筒位移。回转区域是从中心位置在操作系缆载荷和最小潮SPM的水平偏移和操作系缆载荷下的锚链长度的水平投影及SPM设计的最大船长加30m安全余量。
单点系泊作业区域半径R为：
R=3×Lv+Lh+L0
式中：Lv：系泊船舶最大长度；
Lh：系泊缆长度；
L0：操作条件下的浮筒最大位移。
回转区域半径r为：
r=Lv+Lp+L0+Ls
式中：Lv：系泊船舶最大长度；
Lp：系泊缆投影长度；
L0：操作条件下的浮筒最大位移；
Ls：安全裕量（一般取30m）。
2 有关安全距离规范、规章要求
关于单点系泊泊位间的安全距离，现有规范尚无明确的规定，相关规范对安全距离的要求主要有：
（1）《海港总平面设计规范》：装卸油品的专用码头与其他货种码头的安全距离不应小于表4.4.2的规定（甲、乙类要求150m，丙类50m）。
（2）《油气化工码头设计防火规范（送审稿）》：两相邻的油品或液体化学品泊位之间的船舶净间距不应小于表4.2.4规定的数值。
（3）石化集团公司《危险品码头安全管理规定》：对装卸石油及其制成品和化学危险品的专用码头的消防设施要求：企业专职消防队应设在接到报警后，消防车5分钟内能够到达危险品码头的火灾地点。有消拖两用船的企业，其水上消防站应设在报警后，消防船15分钟内（5万吨级以上码头），或在20分钟内（5万吨级以下码头）到达管辖区最远点的地点。
3 单点泊位组泊位安全距离影响因素
ABS《Rules For Building and Classing Single Point Moorings》等仅对单点系泊工程水域提出规范性要求，但对同一水域布置泊位组并没有相关要求。
单点泊位间距不仅影响船舶进出港与靠离泊，而且影响泊位运营安全。影响单点泊位间距离的主要因素包括：
（1）船舶尺度：船舶尺度越大，船舶进出港操纵及作业占用的水域就越大，单点泊位间的距离要求越大。
（2）风浪流环境条件：风浪流环境条件恶劣，油轮作业风险大，单点泊位间的距离要求越大。
（3）船舶作业辅助条件：船舶辅助作业条件是影响船舶进出港与靠离泊的重要因素，足够的拖轮配备，能有效减小船舶操纵水域。
（4）船舶事故应急响应时间：船舶在系泊及装卸作业过程中，在大风浪等恶劣天气影响下，易发生油轮碰撞单点浮筒、水上软管断裂、锚链断裂、锚桩失效等风险，危及其它单点系泊系统的作业安全。因此，事故应急响应时间越长，要求單点间距离就越大。
4 泊位间安全距离分析
4.1 工程布置
为了分析泊位间安全间距，以某拟建单点系泊工程为例进行分析。
（1）代表船型
根据工程设计，代表船型见表1。 （2）作业工况
根据工程当地观测资料，工程区域强风向为NW-NNW 和 NNE-ENE 两个方向范围；常风向为S、SSE和ENE向。累年>6 级风（V>10.8m/s）的平均日数为137天，其中11月份出现天数最多，为14.5天，7月份最少，为8天。累年>8 级风（V>17.2m/s）的平均日数为15.7天，其中10月份出现天数最多，为2.3 天，7月份最少，为0.7 天。
本海区以风浪为主，涌浪次之。浪间呈季节性变化，夏季盛行SE浪，秋季主要是NE浪，春季浪向紊乱。强浪向是NNE-ENE，其次是NW 向，常浪向为偏S向。
实测海流流向多分布在 ESE～SSE 和 WNW～NNW 两个区间内，实测平均流速涨潮0.55m/s，流向108°；落潮流速0.55m/s，流向295°；可能最大流速1.5m/s。
根据工程区域风浪流环境条件，设计部门对确定的单点系泊工程作业环境限制条件见表2。
（3）泊位布置
单点系泊泊位组布置，如图3所示。
4.2 泊位间安全间距分析
单点泊位间必须满足一定的安全距离要求，一是要保证船舶进出港与靠离泊操纵有足够的水域；二是在船舶装卸作业过程中，一旦系泊系统发生断缆、断链等事故，产生船舶失控漂移，为事故应急救助留有一定的时间与空间。按照《海港总体设计规范》，单点泊位间距一般能够满足船舶安全进出港与靠离泊要求。因此，单点泊位安全间距大小主要取决于对事故应急救助的要求。
（1）系泊断缆失控漂移模拟
根据当地的风浪流环境条件和作 业限制条件，对下列工况（见表3）进行了船舶失控漂移模拟计算。
（2）安全距离计算
按照表3失控漂移工况，应用船舶运动数学模型进行了船舶失控漂移计算，图4给出了不同风浪流条件下20分钟时间内的船舶漂移轨迹。船舶初始漂移点及船舶首向角通过水动力计算得到。
从图4中可以看出：在一定时间内，船舶的漂移距离随着风浪流的增大而增大，风浪流越大，漂移距离就越大。在7级大风、2.5m波高、流速0.55m/s时失控，船舶漂移距离约900～1 000m；在8级大风、3.0m波高、流速0.55m/s时失控，船舶漂移距离约1 200m；在8级大风、3.0m波高、流速1.5m/s时失控，船舶漂移距离达1 800m。为了避免大风浪时由于单点系泊船舶失控漂移危及其他单点系泊船舶作业安全，单点泊位间的安全距离必须综合考虑系泊船舶尺度、作业限制条件、船舶事故应急响应速度等因素。对于本文提及的单点泊位组设计，代表船型为25万吨油船，单点系泊船舶在正常作业时，船舶围绕单点中心在440m范围内运动，在8级大风、3.0m波高、流速1.5m/s的作业工况条件下，考虑救援船舶20分钟内抵达事故地点施救，单点泊位间的安全距离（两单点泊位中心间的距离）应不小于2 240m（在救援船舶抵达时，失控船舶不进入其他单点的回转区域内）。
5 结束语
单点系泊作为一种原油、天然气和化工产品等接卸技术，解决了因港口条件限制而不能靠泊大型油轮的难题。单点系泊技术的应用在我国仍然处于起步阶段，在目前尚没有单点建设相应的行业标准情况下，探讨单点布置设计的有关技术问题，对如何根据当地条件，合理布置水域，确保单点工程船舶作业安全，促进行业标准形成等都有重要意义。
参考文献
[1] 罗晓健，张爱霞，李绂.单点系泊系统设计思路及原则[J].中国海洋平台，2013.28（02）.
[2] Vytautas Paulauskas，The safety of tankers and single point mooring during loading operations，Transport， Volume 24， 2009
[3] 中華人民共和国行业标准，油气化工码头设计防火规范（送审稿）.
[4] 中华人民共和国行业标准，海港总体设计规范（JTS 165-2013）.
[5] ABS，Rules for Building and Classing Single Point Moorings，2014.
[6] KR，Guidances for Single Point Mooring，2017.
[7] 石油化工集团公司安全生产监督管理制度范本，危险品码头安全管理规定.
[8] 中华人民共和国行业标准，《油轮单点系泊作业安全要求》（征求意见稿）.