系泊式海洋工程设施的用海范围界定

李晶 张彦昌 杨鲲 安永宁

摘要：为提高我国海洋工程项目用海的管理水平，进一步完善现有相关规范，文章分别以浮标、浮式生产储卸装置、浮式风力机和线形悬浮结构物为例，探讨系泊式海洋工程设施的用海范围界定。研究结果表明：科学合理地界定系泊式海洋工程设施的用海范围，须综合考虑结构物本身特点及其所在环境等因素，注重设置适当的安全距离，并简明标示相关结构物的垂向用海范围。

关键词：海域管理;海洋工程;浮式结构;安全距离;宗海

中图分类号：P285.7;P75    文献标志码：A    文章编号：1005-9857（2019）04-0078-05

Definition of Sea Plot Range of

Mooring Marine Engineering Facilities

LI Jing1，2，ZHANG Yanchang1，2，YANG Kun1，2，AN Yongning1，2

（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，MOT，Tianjin 300456，China;

2.Tianjin Key Lab of Survey Technology for Water Transport Engineering，Tianjin 300456，China）

Abstract：In order to improve the management level of the use of sea in marine engineering in our country and further improve the existing relevant norms，this paper took buoys，floating production，and storage devices，floating wind turbines and linear suspension structures as examples to discuss the definition of the sea use scope of mooring marine engineering facilities.The results showed that the scientific and reasonable definition of the used sea area of mooring marine engineering facilities should take into account the characteristics of the structure itself and its environment，pay attention to setting appropriate safety distance，and simply indicate the vertical sea area scope of the relevant structures.

Key words：Sea area management，Marine engineering，Floating structure，Safe distance，Sea plot

0 引言

系泊式海洋工程設施是特殊的海洋工程结构物，多以锚或桩等作为系泊物，通过悬链式或张紧式的系泊方式，将结构物系留在其用海范围内[1]。近年来，随着我国海洋工程装备制造业的迅速发展，大型海洋工程结构物都开始尝试采用系泊式结构[2-5]，为海域管理和使用带来新课题。

我国现有《海籍调查规范》（HY/T 124—2009）对系泊式海洋工程设施的用海范围没有明确规定，仅给出单点系泊或多点伸展系泊的浮式生产储卸装置（FPSO）的用海范围界定方法。根据《海域使用论证技术导则》（国海发〔2010〕22号）中对用海面积合理性的要求，项目用海范围的界定须满足项目本身的用海需求以及符合相关行业的设计标准和规范，同时须符合相关用海控制指标，尽可能地减小用海面积。因此，科学合理地界定系泊式海洋工程设施的用海范围，须综合考虑水深条件、潮汐特征、结构尺寸、水动力响应和工程用途等多种因素[6]。本研究分别以浮标、FPSO、浮式风力机和线形悬浮结构物为例，对此深入探讨，为海域管理和使用提供参考。

1 浮标

浮标是根部锚定在海床固定位置、上部浮于海面的多用途装置，可用于航行指示、海洋要素观测和海上位置标示等，基本形状包括罐形、锥形、球形、柱形和杆形等，受风、浪、潮的影响会产生一定范围的漂移。其中，航标用于标示航道方向和界限，一般沿航道两侧均匀布设，是航道的附属设施，不宜单独申请用海，其用海范围一般与航道的用海范围统一界定;而用于海洋要素观测等的浮标通常独立存在，不是附属设施，须逐个界定用海范围。随着海上风电场的迅速发展，浮标式激光雷达测风系统已广泛建设，本研究以该系统为例，探讨浮标的用海范围界定。

浮标式激光雷达测风系统主要由3个部分组成，即锚块、浮标以及连接锚块和浮标的锚链。本研究浮标所在位置的水深约为13 m（1985国家高程基准），锚链长度为水深的3倍即约为39 m;在正常情况下，锚链的2/3平铺于海床上，其余悬浮于水体（图1）。浮标的整体高度约为9.0 m，水线以下部分约为4.7 m（图2），浮筒直径约为2.6 m。

浮标式激光雷达测风系统的用海范围应综合考虑水深、潮汐、海流、波浪和系统自身结构特点等因素，将极端低水位条件下系泊链被斜向拉直时的浮标位置视为浮标可达的最大位移，即以系泊点为圆心、以浮标位置为半径所得的圆形区域;由于浮标会随海流和波浪运动而漂移，将此圆形区域界定为其用海范围是合理的（图3）。

根据图3，浮标用海范围半径可表示为：

R=L′+r=[L2-（H-h/2）2]1/2+r（1）

式中：L为锚链长度;H为换算至理论最低潮面的水深，由于浮标所在海域的理论最低潮面在1985国家高程基准以下2.4 m处，H=13.0-2.4=10.6（m）;h/2为浮标水线处至与锚链连接处的高度，h/2=9.0-4.3-3.2=1.5（m）;r为浮筒半径;L′为锚链拉直状态下在水平面的投影距离。

经计算，浮标用海范围半径约为39.2 m，用海方式为开放式。此外，当锚链长度和浮标高度一定时，水深越浅，用海面积越大。因此，对于浮标类海洋工程设施，应首先确定浮标所在海域的极端低水位，以此确定浮标的最大可能活动范围，从而正确界定其用海范围，避免与相邻项目的用海范围出现重叠，进一步保障设施的安全性。

2 FPSO

自20世纪80年代后期，FPSO被广泛应用于我国海上石油开发，是海洋工程设施的重要组成部分。有些FPSO具备自航能力，有些则采用单点系泊或多点伸展系泊模式在海面上固定。《海籍调查规范》规定，单点系泊式FPSO的用海范围界定方法为：以系泊点为圆心、以储油轮长度为半径所围成的圆形区域（图4（a））;多点伸展系泊式FPSO的用海范围界定方法为：以储油轮垂直投影的外切矩形外扩0.5倍储油轮长度所围成的矩形区域（图4（b））。

由于FPSO对安全性的要求很高，在界定其用海范围时，有必要设置一定的安全距离。在实际生产活动中，FPSO管理方对安全极为重视，其安防系统可监视FPSO周边1 km内的各类船舶，并对非法闯入安全范围的船舶给予警示或拦截。而《海籍调查规范》对单点系泊式FPSO的用海范围界定没有包含安全距离，这与FPSO的用海性质、重要程度、风险等级和安全防护等不匹配，在未来修编中应加以重视和改进。

此外，半潜式平台、SPAR平台和张力腿平台等浮式海洋石油平台都可参照FPSO界定用海范围。

3 浮式风力机

海上风力机的固定形式众多，包括单桩基础、群桩基础、重力基础、导管架基础、三脚架基础和负压桶形基础等[7]。由于固定基础无法承载超过5 MW的大型风力机，且固定基础的造价随水深的增加大幅提高，目前各国纷纷研究浮式风力机技术[8]。2001年以来，日本、挪威、荷兰和美国等陆续展开对浮式风力机的研发并成功组建样机，其规模化生产将在不久成为现实。

浮式风力机的系泊方式主要分为悬链线式、TLP式和铰链式[9]，其本质都是风力机在海面上处于动态固定状态。其中，悬链线式的外形是悬垂状的系泊线，一般由锚链和钢缆2个部分组成，锚链于海底水平相接;TLP式即张力腿式，由张紧的弹性材料拉近系泊;铰链式通过铰接构件，对结构3个自由度上的平动运动加以约束。

为合理界定浮式风力机的用海范围，首先应明确其是单点系泊还是多点系泊，然后参考FPSO的用海范围界定方法，并设置一定的安全距离（50 m或0.5倍风力机宽度），且最终界定的用海范围应包括所有锚系物的点位。本研究以日本国家海事研究所研发的格子型浮桥风力发电机为例[10]，浮桥长度约为187 m、宽度约为60 m，采用传统的悬链线式多点锚泊系统（图5）。

参考多点伸展系泊式FPSO的用海范围界定方法，即以浮桥垂直投影的外切矩形外扩0.5倍浮桥长度所围成的矩形区域（图6）。用途为海上风力发电项目风机塔架，用海方式为透水构筑物。

4 线形悬浮结构物

线形悬浮结构物是新型的海底构筑物结构形式，其重要特点是结构物主体既不漂浮于海面，也不座沉于海底，而是悬浮于海面以下一定深度，并随潮汐运动或海水密度变化引起的浮力变化而上下浮动，主要包括悬浮管道和悬浮隧道等。

4.1 悬浮管道

海底管道是通过密闭的管道在海底连续输送油气和水等的设施，一般埋置于海床以下一定深度，以保证其安全性。而悬浮管道通过浮标确保管道全程处于中性浮力状态，并长期悬浮于海面以下一定深度。

世界首条悬浮管道是敷设于地中海的从土耳其南部的梅尔辛省延伸至塞浦路斯岛的输水管道，长度约为80 km，由巨大的浮标支撑悬浮于海面以下约250 m处;共使用132个浮标，每个浮标装满特殊的化学胶料使其负重下沉，确保管道和浮标达到250 m的中性浮力（图7）。

悬浮管道彻底改变海底管道的传统敷设方式，其用海范围的界定方法也随之改变。悬浮管道可视作一端固支、另一端铰支的简支梁[11]，其水平运动由海流主导，水平位移等同于管道允許最大挠度变形;垂直运动由季节性海水密度变化引起的浮力变化主导，并在预定深度的一定范围内上下浮动;涡激振动[12]主要引起管道强度疲劳的变化，而对其漂移的影响较小，在界定用海范围时可不予考虑。悬浮管道的挠度变形数据可从工程设计图纸中读出，再外放一定的安全距离（建议比海底管道传统敷设方式的安全距离多10 m），即可界定悬浮管道的用海范围，用海方式为海底电缆管道。

4.2 悬浮隧道

海底隧道是海底的交通运输设施，一般埋置于海床以下一定深度，两端与海岸连接，再经过引道与地面线路连通，通常采用掘进法、盾构法和沉管法等施工建设。海底隧道的建设难度巨大，尤其当水深超过1 000 m时，依靠目前的技术水平无法实现。而悬浮隧道与海底无接触，不受水深条件限制，尤其适合大水深环境。

目前悬浮隧道还未进入建设应用阶段，对其结构的设想大多倾向于浮体系泊悬挂式，即沉管被系泊悬挂在浮体（浮桥船）下方，沉管与浮体之间以钢架连接（图8）;挪威计划建设的松恩峡湾悬浮隧道就将采用这种结构，其建成后将成为世界首条悬浮隧道。

浮体系泊悬挂式悬浮隧道可视作两端固支梁，其垂直运动与潮汐运动一致，水平运动由海流、风和波浪主导，水平位移受沉管允许最大挠度变形约束。悬浮隧道的挠度变形数据可从工程设计图纸中读出，再外放一定的安全距离（建议至少为1倍浮体长度），即可界定悬浮隧道的用海范围，用海方式为海底隧道。

线形悬浮结构物的水平位置和漂移范围决定其用海范围，但其垂直位置和漂移范围不易在平面投影图上直接体现。根据目前的海域管理需求和技术水平，没有必要以三维图件的形式图示其空间位置，但该信息又很重要，直接关系到与其他用海方式的交叉和兼容等情况。本研究建议在宗海界址图上将线形悬浮结构物的垂直位置和漂移范围以文字形式标注，供海域管理者和使用者参考。

5 结语

在系泊式海洋工程设施中，浮标和FPSO等浮式结构的应用已十分广泛;浮式风力机的应用较少，但其与FPSO有很多共同点，随着海上风电场的深入建设将逐渐增多;线形悬浮结构物虽全球罕见，但可解决深水环境下的工程建设难题，发展潜力巨大，应用前景广阔。

系泊式海洋工程设施的用海范围界定，须综合考虑水深条件、潮汐特征、结构尺寸、水动力响应和工程用途等多种因素，同时根据设施的敏感性和重要性设置适当的安全距离，并简明标示其垂向用海范围，从而加强海域管理和使用。对于实际用海项目的相关操作细节，海域管理者和使用者应结合具体工程灵活应对和积累经验，尽快将用海范围界定工作规范化和标准化。

参考文献

[1] 王小波，韩端锋，刘峰，等.深水作业浮标系泊系统研究与设计[J].船舶，2012，23（6）：61-65.

[2] 陆忠杰，周国平.深水锚系泊作业技术应用初探[J].船舶设计通讯，2011（b11）：67-72.

[3] 孙金伟，王树青.系泊模式对深水Spar平台运动性能的影响[J].中国海洋大学学报（自然科学版），2010，40（9）：147-153.

[4] 卢召红，高珊珊，于慧敏，等.水中悬浮管道的结构形式及受力特征分析[J].河北工程大学学报（自然科学版），2016，33（4）：56-60.

[5] 彭泽宇，刘祚秋.海底沉管隧道管段海上系泊方式研究[J].现代隧道技术，2017，54（1）：175-179.

[6] 范秀涛，邵萌，孙金伟，等.大型海洋资料浮标的运动性能研究[J].海洋技术学报，2014，33（1）：29-32.

[7] 王建峰，蔡安民，刘晶.我国海上风机基础形式分析[A].中国科学技术协会年会论文集[C].北京：清华同方光盘电子出版社，2010.

[8] 趙静.海上风力机系统流体动力性能数值模拟与试验研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.

[9] 王宁.海上浮式风力机平台总体性能分析[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2013.

[10] 刘潜，刘毅.一种基于海上平台的新型浮桥[J].林业科技情报，2013，45（1）：100-102.

[11] 王鑫.海底管道悬空段边界条件仿真[J].信息记录材料，2017，18（5）：61-63.

[12] 余建星，孙凡，傅明炀，等.海底管线涡激振动响应动力特性[J].天津大学学报（自然科学与工程技术版），2009，42（1）：1-5.