非自航平台临时锚系设计

尤小健，吴晨晖，舒正谊，丁 巍

0 引言

受我国海洋开发战略影响，海工市场活跃度较高，渤海区域相关平台的需求量较大。而且近年来由于造船技术和海洋工程技术迅猛发展，新理论、新结构、新设备层出不穷[1-2]，加之以提高安全性为目的的各种要求出现，包括相关的国际公约、法规、船级社规范等，这一切在锚泊设计均有体现[3-4]。

目前渤海现有FPSO类基本均为非自航平台，其锚系设计与普通船舶锚系设计有较多相似之处，因其特殊性，不能完全按照普通船舶的要求进行设计和建造。因此，非自航平台的锚系设计是一个值得关注的问题。

本文以某非自航平台项目为例，根据锚系设计流程，针对相关设计问题进行分析。

1 临时锚系功能

非自航平台与普通船用锚系功能基本相同，即供船舶在锚地、港内或开敞水域等待泊位或潮水时临时停泊之用。具体用途有如下三点：

1）船舶在锚地装卸货物、添加油水、避风、等待码头泊位、检疫和候潮等情况下，均需要在锚地抛锚停泊；

2）靠泊在码头一定距离抛锚，以便在靠、离码头的过程中辅助船舶操纵，例如控制冲程和靠拢速度，与车、舵配合控制船首方向和偏转速度，抛锚倒航以从狭窄的港池内离泊等；

3）在船舶遇到大风浪，顶风滞航时，可以将锚和锚链松出适当长度来增加船舶飘移阻力并有利于控制船首向，以辅助船舶抵抗大风浪。

而非自航平台除了有以上三点用途外，在平台拖航时，临时固定平台，并在平台拖航时进行抛起锚实验。

本平台主要在渤海水域活动，临时锚系完全可以满足上述用途。因此，可以确定本非自航平台应配备锚泊系统的必要性。

同时，应相应配置锚机、锚、电焊锚链等设备，以确保实现锚泊功能。

2 舾装数的计算

各船级社的规范统一采用IACS提出额定舾装数计算方法及首锚和首锚链的配置要求，本文推荐非自航平台采用相同方法进行锚系的配置。

需要特别指出的是，上述设计方法是基于假定水流速度为2.5 m/s、风速为25 m/s、出链长度在6节～10节之间条件下，能在良好的锚地底质上系留。

2.1 船舶舾装数相关参数

本文锚系设计研究对象为非自航平台，主要尺度见表1。

表1 非自航平台主要尺度

根据 CCS《海上浮式装置入级规范》（2014）第2篇12.2.1.3规定，舾装数如公式[5]：

根据实际情况，由a= 3 m，∑hi= 20 m，得h=23 m。由Δ= 175 156 t，B= 50 m，h= 23 m，A= 2 500 m2，可得N= 5 681。

2.2 计算结果及对应规范要求的配置

根据CCS《海上浮式装置入级规范》第2篇，表12.2.1.3查得，N= 5 681位于第52档，锚及锚链应选：

1）首锚数量3只，每只重16 900 kg；

2）有档锚链取AM3-100，总长度742.5 m。

2.3 锚系实际配置

规范对平台锚及锚链的配置仅为指导性要求，应结合其使用工况及国内相关工程案例使用情况综合考虑[6-7]。

由于本非自航平台长期单点系泊于渤海，锚系主要在拖航时等低频率工况下使用，且正常情况锚泊时只使用1只锚，因此应在满足使用要求的基础上，应尽量减少冗余设备数量，以达到控制项目成本及平台重量的目的，优化设计方案。

同时调研渤海海域作业的“渤海长青”号、“渤海友谊”号、“渤海明珠”号等工程案例，上述FPSO按常规船舶规范采用双首锚设计；而最近建造的“海洋石油112”号、“海洋石油113”号、“渤海世纪”号等均采用单首锚设计[5]，可见单首锚的配置已逐渐取代双首锚配置。

本平台推荐参考“渤海世纪”号等成熟 FPSO项目，在满足平台使用工况及主甲板布置要求的基础上，采用单首锚方案。

3 锚及锚链的配置

通过收集近年来部分已有船舶使用锚的类型，由于斯贝克锚是霍尔锚的改良型，在商用常规的散货船、多用途船、杂货船的应用上较多。而海上平台及工程作业船由于所工作海域海洋环境恶劣，往往选择大抓力锚系，其中AC-14平衡锚的应用尤为频繁。

近年来无杆大抓力锚的使用已成为一种新的趋势，这种锚抓力大，自重轻，重量只有霍尔锚或斯贝克锚重量的75%，不仅减少船舶重量，而且可以降低成本。

锚的用途决定了基本要求。抓力大，适应不同底质，结构坚固，稳定性好，入土距离短，起锚力小，自洁性好，收藏方便等因素直接影响锚的选取。

本非自航平台与“渤海友谊”号FPSO及海洋石油系类 FPSO，其主锚的选型原则与本平台是一致的。通过调研“海洋石油113”号、“海洋石油115”号、“海洋石油 117”号等平台，发现其主锚均为AC-14平衡锚。因此，推荐选取AC-14大抓力锚作为非自航平台首锚。

实际选用如下：

1）首锚：选取AC-14大抓力锚1只，每只重16 900×0.75=13 350 kg；

2）锚链：选取直径为100 mm的CCS AM3级有档焊接锚链1根，长度为385 m，共14节。

4 锚机的选型

4.1 锚机种类

锚机按驱动方式可分为：蒸汽锚机、手动锚机、机动锚机、液压锚机及电动锚机，目前最常用的是电动和液压锚机。

电动锚机是使用最为广泛的锚机。其传动方式为电动机通过减速装置驱动链轮轴，链轮与传动轴之间设有离合器，抛锚时脱开离合器，用刹车控制链轮。采用速比为1∶2∶4的三速电机，以中速为额定级。起锚时，一开始使用高速档，当负荷增加达到过载时，自动由高速档转换到中速档，锚出土后可转换到高速档，锚离开水面收进锚链筒时，采用低速档。电动锚机主要由电机、减速机、主轴、刹车装置、离合器装置、机架、锚链轮装置、机旁控制台、起动器柜等组成。

液压锚机的传动方式是液压马达采用开式齿轮驱动链轮轴，其中其他机械部件与电动锚机基本相同。但液压锚机需设置液压泵站。液压锚机省去了电动机和减速箱，体积比电动锚机小，重量轻。通过控制阀直接操纵液压马达，启动平稳，调速方便，可实现无机调速。液压锚机主要由液压泵站、马达、操作阀、齿轮箱、刹车装置、离合器装置、机架、主轴、锚链轮装置、起动器柜和遥控按钮盒等组成。

目前国内FPSO上常用的方案是选用电动锚机并联系泊绞车，或者设计与系泊绞车共用的液压动力源，以降低建造成本。根据平台布置情况，首部无独立液压站布置空间，因此本非自航平台选取电动卧式锚机。

4.2 锚机操作

各种锚机除了动力部分不同外，其功能部分基本相同，即都包括锚链轮、离合器和刹车等。这些功能部件都布置在同一根由动力驱动的主轴上。主轴端部的绞缆滚筒随主轴一起转动，锚链轮由独立离合器和刹车控制。

起锚和收锚时，合拢离合器，锚链轮和主轴咬合在一起，可随主轴一起转动，从而可以绞进和送出锚链。脱开离合器，锚链轮不随主轴一起转动，可进行抛锚操作。

刹车用于刹住锚链或控制松链速度。当刹车刹紧时，锚链轮被制牢在锚机本体上，不能转动。

4.3 锚机持续工作拉力的计算

根据规范要求，锚机应至少能提供30 min持续拉力。本非自航平台选择锚链材料等级为AM3级，锚机持续拉力为PC= 0.047 5d2。

4.4 临时超载能力

根据规范要求，锚机原动机在起锚时应有必要的临时超载能力。临时超载能力应不小于持续拉力PC的1.5倍，并持续至少2 min，此期间不要求提升速度。

4.5 起升速度

根据规范要求，起锚机应有能力以平均速度不小于9 m/min，将一只锚从水深82.5 m处拉起至深度27.5 m处。

4.6 锚机刹车力

锚机刹车装置应能在抛锚时，足以使锚和锚链安全的停住。根据规范要求，起锚机的链轮或卷筒应装有可靠的制动器，制动器刹紧后，应在分别承受如下负荷的情况下，其受力零件不应有永久变形，其制动装置也不应有打滑现象。对装有止链器的锚机装置，应能承受锚链或钢索破断载荷45%的静拉力，或能承受锚链上的最大静负荷。

4.7 电控系统

一般在每台锚机（不带滚筒）机旁配置有一个机旁控制台，如布置于露天区域，要求其防护等级为IP56，一般船用电动锚机机旁控制台均为单手柄控制台。可实现如下主要功能：转速和方向控制，可自动复位；紧急停止功能；电源指示功能；综合报警指示功能。

4.8 主要技术参数

根据上述要求，可得锚机主要技术参数如表2所示。

表2 锚机主要技术参数

主要技术参数是与锚机生产厂家开展技术交流的初始依据，厂家根据此要求深化方案，按平台实际使用需求完成设备的技术设计。

5 锚系相关附件

锚系还应相关配置弃锚器、掣链器、掣锚器、锚链筒、锚链舱等装置，确保锚系的安全使用。相关附件的设计与普通民船的流程一致，国内已有十分成熟的标准规范与配套厂商，下面对相应设备进行简单的介绍。

5.1 弃锚器

弃锚器安装在锚链舱壁上，与锚链末端连接。应急解脱时，在锚链舱外使用大锤敲击弃锚器插栓，使锚链迅速解脱。其设计根据CB/T 3143-2013《插闩式弃锚器》选取。本平台锚链公称直径为100 mm，选取适用于锚链直径为100 mm的插闩式弃锚器。插闩式弃锚器的使用工况通常是恶劣海况，因此，布置高度还应考虑人因工程，方便船员操作大锤。

5.2 掣链器

掣链器安装在锚链筒主甲板开口附近，作为锚链导向装置使用，并在拖航或抛锚系留时闸住锚链，从而卸去电动锚机的负载。其设计根据 CB/T 3844-2000《滚轮闸刀掣链器》选取。本平台选取试验负荷为5 856 kN，公称直径为102 mm，适用锚链直径为97 mm～102 mm的滚轮闸刀掣链器。

5.3 掣锚器

掣锚器是非自航平台拖航或系留时紧固锚的装置。掣链器安装在锚链筒主甲板开口附近，使用时钢丝绳穿过链环拴在系绳柱上，通过收紧螺旋扣将锚栓住。其设计根据CB/T 877-2011《掣锚器》选取。本平台选取适用最大锚重为17 800 kg，适用锚链直径为95 mm～102 mm的掣锚器。

5.4 锚链筒

锚链筒在非自航平台起、抛锚时作为锚链的通道，在拖航或系留时用于收存锚。运行工况下，锚收存在首部锚链筒中，收存时应高出满载水线2 m以上。

锚及锚链起锚出土时带有泥砂等污物，在锚链筒周围应设有同生活水系统连接的接口，用于起锚时清洗锚和锚链。

锚链筒轴线的垂直平面与平台船体中心线之间的夹角为0°，与水平面夹角为55°。

根据CB/Z 280-2011《海船艏锚泊设备配置设计通则》的推荐公式，锚链筒相关参数计算如表3所示。

表3 锚链筒相关参数计算

5.5 锚链舱

锚链舱为存放锚链的舱室，为封闭式的水密结构。本非自航平台在首部设置有矩形锚链舱。在锚链堆放高度以上加设带铰链水密盖。在上部人孔盖下面内壁上设有两个眼环用以固定绳梯，通过人孔和绳梯可以进出锚链舱。

锚及锚链起锚出土时带有泥砂等污物，在锚链舱周围应设有同生活水系统连接的接口，用于起锚时清洗锚链。锚链舱底部设有漏孔网板，漏孔网板至锚链舱底的距离为0.8 m，供舱底水管抽污水用，在底部污水井区域开设水密人孔盖，用于进入污水井清理固体污物。

根据CB/Z 280-2011《海船艏锚泊设备配置设计通则》的推荐公式，锚链舱的高度按相关要求进行计算，计算结果如表4所示。

表4 锚链舱的高度计算

6 锚泊系统验证

平台与锚的间隙若无特殊要求，应满足平台纵倾2%Lpp和横倾1°时锚收放都不碰到船体，且在正态时船体与锚的间隙不小于300 mm，或仅正态时船体与锚的间隙不小于1 000 mm，取小者。

大多数情况下，还应通过制作模型及进行拉锚试验以确定锚链筒的正确位置，并由此确定锚链筒上下出口部分的详细结构尺寸。

7 锚泊系统布置

根据上述对锚机、锚、电焊锚链、弃锚器、掣链器、掣锚器、锚链筒、锚链舱主要技术规格的计算，通过厂家提供方案或者查找相关标准规范，得到各个设备的简要外形尺寸。本非自航平台根据主甲板布置，通过与相关专业协调，布置情况如图 1所示。

图1 锚泊设备布置图

8 结论

通过对本非自航平台的设计，梳理了锚系设计的思路，为设计类似海洋平台锚系设计提供参考，希望能给同行在非自航平台锚系设计方面提供一点帮助，并不断优化非自航平台的标准化设计。

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