陈旻浩 陈杰诚

摘    要：本文介绍了FWMCM与DICAS两种系泊系统的提出、发展历史及其应用情况，对两种系泊系统的设计理念、布置形式、环境适应能力、极限系泊能力和经济性作了对比，并对两种系统的设计技术关键作了探讨。

关键词：FWMCM;DICAS;多点系泊;配重系泊

中图分类号：U674.98                              文献标识码：A

Abstract： This paper introduces the concept， development history and application of FWMCM mooring and DICAS mooring， compares the design concept， layout， environmental adaptability， limit mooring ability and economy of the two mooring systems， and discusses the key design technologies of the two systems.

Key words： FWMCM; DICAS; Multipoint mooring; Counterweight mooring

1    引言

DICAS 系泊系統[1]是20 世纪90 年代中期由卡斯特、巴里奥斯、法尔肯伯格、卡尔森等提出的半风标系泊系统。

FWMCM称为扇形风标多点配重系泊，是本文作者2在20世纪90年初提出的一种多点系泊新概念，它是将单点系泊的风标特性引入到多点系泊中，既兼备多点系泊的稳定性，又兼备单点系泊的风标能力，从而使得占用水域、系统受力和工程投资均小于传统的多点系泊。

FWMCM 系泊应用于深圳“明思克”航空母舰抗台系泊，投入使用至今已有18年的安全记录，且于2016年成功地整体搬迁到南通市苏通大桥北侧继续经营;应用于香港水警两座海上工作平台抗台系泊，至今也有15 年以上的安全记录。

从应用情况来看：FWMCM 系泊侧重应用于浅水（但不限于浅水）;而DICAS 系泊多应用于深水。“明思克”航空母舰系泊项目，港池水深仅有10 m且水域宽度受到严格限制，是在水深与水域宽度均受严格限制的条件下系泊大尺度浮体（Loa=274 m、Lbp=249.5 m、Boa=47.2 m、B=32.7 m、d=7 m）的典型成功案例。

FWMCM与DICAS两种系泊系统有别于单点系泊和传统的散射式多点系泊，提供了两种可供选择的新形式。从设计原理和工程实际对系泊系统的能力需求出发，对这两种新型系泊系统进行剖析，以期对读者了解这两种新的系泊形式及其推广应用将有所裨益。

2   FWMCM与DICAS的发展历史

2.1  FWMCM的发展历史

风标特性是单点系泊可以将系泊载荷减至最小的关键所在。在单点系泊的设计实践中，通过对海洋环境的深入分析研究，我们发现绝大部分海域的风、浪、流都有相对集中的主载荷方向，单点系泊系统在大多数情况下是在一定的扇形范围内作风标运动，于是一种具有扇形风标能力的系泊系统的雏形就此形成。

1991年，我们在为茂名石化做第一套250 000 t级单点系泊输油终端的可行性研究期间，用户提出要在水东港至外海的内港水域航道一侧很窄的海沟上建设一套50 000 t级泊位的要求，该水域水深较浅，只有在乘潮时航道才可以满足50 000 t级的油船通航。在这样的水域完全无法满足单点系泊回转圈与多点系泊锚链的散射布置，单点系泊或散射式多点系泊两种形式都不适用。为了充分利用海沟的自然水深（只有20 m），减小泊位的占用水域是实现该设计的关键所在，在解决该问题的过程中扇形风标系泊的概念得到进一步的完善。

1994年，某用户要求在广西钦州龙门港一块东西岸线幅宽约 800  m、南北岸线相距约 700  m的一狭窄水域分别布置50 000 t级和20 000 t级两个泊位。在该项目中，我们正式将扇形风标配重系泊技术应用于实际工程设计，并获得国家专利授权，设计成果在美国西雅图ISOPE2000会议上发表[2]。1999年将该专利技术应用于“明思克”航空母舰抗台系泊工程，2001年又将该专利技术应用于香港政府水警两套海上工作平台的抗台系泊工程。

2003年，将FWMCM用于渤海海域延长测试系泊工程研究，系泊油轮Crystal主尺度为：Loa=101 m、Lbp=94.8 m、B=21 m、H=11.6 m、D=14 477 t。

2006年，将FWMCM用于渤海小型可移动FPSO系泊系统工程方案研究，系泊油轮“Rich Sea Oil”主尺度为：Loa=159.58 m、Lbp=148 m、B=24.6 m、H=23.7 m、D=32 124 t。

2.2  DICAS的发展历史

1993，巴西国家石油公司在圣卡塔琳娜的桑托斯盆地卡维拉油田安装了第一套8根锚线的FSO散射系泊系统（水深195 m），这是一个运行期限不足2年的临时系统，以一年重现期环境条件为解脱条件，即油轮允许一年一次解脱撤离。

起初，该系统采用对称且首、尾系泊线重量和预紧无差异的布置，系泊系统非常紧且允许航向角的变化只有5o。最频繁的天气来自北东方向，最恶劣的环境来自南南西方向，因此油轮采取首向南西方向安装，穿梭油轮卸载操作采用首对首或尾对首串联靠泊。

在1994年，从东边来的100年一遇的风暴作用于系泊船的位置，系统没有出现问题，特别是没有石油泄漏入水。从经验中学习，DICAS想法就此问世[3]。经过大量的计算，将尾部的系泊线更加放松并与不同的方位角匹配，使油轮能更灵活的改变航向角，这种变化使油轮解脱撤离的概率降低到三年一次。因此，这次在卡维拉油田的28 000 t级油轮阿拉戈斯号FSO上安装的FSO散射系泊系统，可以视为第一个DICAS原型。在此经验的基础上，巴西国家石油公司开始开发DICAS。

自1997年至2002年，经过不断发展，几个系泊系统的设计已经考虑了这个新的半风向标概念的应用。

第一个应用项目位于巴西近海150 m水深的海域，选用一个小型FSO，采用一根柔性立管;第二个应用项目位于巴西近海700 m水深的海域，选用一个中型的FPSO和37根柔性立管;第三个应用项目位于巴西近海800 m水深的海域，选用一个大型VLCC改装成的FPSO，并配有107根自由悬挂配置的柔性立管[4]。

3   FWMCM与DICAS系泊的比较

3.1  设计理念

FWMCM的含义为扇形风标多点配重系泊，DICAS的意义为分区满足锚泊系统。两者都不同于单点系泊（不能作360o的全风标运动，免除了机械旋转头和输油旋转接头），同时又有别于散射式多点系泊（有一定的风标运动范围）。

FWMCM的设计理念是将单点系泊的风标运动能力引入到多点系泊设计中来，使之具有扇形风标的能力，借此来达到减小系泊载荷的目的，使得其受力比传统的散射式多点系泊要小，系泊链的数量大为简化，通过减小受力来减小投资。其核心是扇形风标能力。

DICAS的设计理念是将传统的散射均匀布置的系泊链改成分组非均匀布置，使得比传统的多点系泊有更多的活动空间，特别是让油船的方位角可以有更多的改变幅度。其核心是部分风标或半风标，以实现分区满足系泊。

3.2  布置形式

FWMCM的布置形式如图1所示，DICAS的布置形式如图2所示。两者的共同点是：两种系泊系统在油船的两侧均不布置系泊链，而仅在首、尾方向布置，并且采用首强尾弱的系泊布局;两者不同之处在于：FWMCM为三点系泊（首部两点、尾部一点），对原来传统的多点系泊做了彻底的简化;DICAS较多地保留了多点系泊的特征，改变在于将原来的散射均匀分布改为分组集中并侧重布置于首、尾两端，形成首强尾弱的系泊布局。

3.3  环境适应能力

为了便于描述与区分，根据风、浪、流玫瑰图，将环境力作用方向、作用频率和作用强度沿周向各个方位分布的类形分作四类：（1）环境载荷作用方向明确、稳定且集中在一较窄的条形范围内分布的水域（即载荷作用方向具有往复作用特性），称为Ⅰ类水域;（2）环境载荷作用方向明确、稳定且集中在一较窄的扇形范围内分布的水域，称作Ⅱ类水域;（3）环境载荷作用方向绝大部分在一较窄的扇形范围内分布，而在其它区域在载荷作用频率与作用强度上明显较弱的水域，称作Ⅲ类水域;（4）环境载荷作用方向和载荷作用频率与作用强度上都比较分散的水域，称作Ⅳ类水域。

对于Ⅰ、Ⅱ两类水域，采用FWMCM最为适当，DICAS稍显富余（尾部）;对于Ⅲ类水域，DICAS最为适当，FWMCM稍显不足;对于Ⅳ类水域，FWMCM与DICAS均难胜任，在此水域只能在很低的海况中使用，作业效率过低。

3.4  极限系泊能力

对于I、Ⅱ两类水域，两种系泊系统的极限系泊能力相当，FWMCM系泊由于尾部有较强的灵活性，允许有较大幅度的扇形范围风标运动，可以更好地释放外载荷，在与此特性相适应的载荷组合中会稍占优势;对于Ⅲ类水域，DICAS的极限系泊能力要优于FWMCM;对于Ⅳ类水域，FWMCM的作业效率要低于DICAS，亦即DICAS的极限系泊能力要强于FWMCM。

3.5  经济性

总体而言，由于FWMCM的布置与构成更简单有效，经济性要好于DICAS，特别是在Ⅰ、Ⅱ两类水域的应用最为明显。对于Ⅲ类水域的应用，则要在节省投资与系统安全两者之间权衡得失作出选择，在确保安全的前提下节省投资。

4   FWMCM与DICAS系泊链受力计算结果

4.1 船型参数见表1。

4.2  系泊链受力计算结果的对比

4.2.1迎向环境载荷作用

在同样的链长、链径、装载状态下（满载），环境条件采用BZ3-2油田百年一遇的环境数据，环境载荷作用方向为迎向，风速Vw=33.9 m/s、有效波高Hs=5.0 m、有效波周期Ts=9.4 s、流速Vc=1.73 m。计算结果对比见表2。

4.2.2  横向环境载荷作用

5   FWMCM与DICAS的设计关键技術

5.1 水域适用性评估

由于FWMCM与DICAS是一种扇形风标系泊及半风标系泊，不具备全风标能力，是一种对环境载荷方向较为敏感的系泊形式，因此会影响其对工程水域的适用性。FWMCM与DICAS与环境载荷作用方向的分散程度具有反相关的关系，即工程水域环境条件作用方向越分散，FWMCM与DICAS能够适用的海况就越低，反之则越高。对于I、Ⅱ两类水域，FWMCM与DICAS均适用，建议优先选用FWMCM;对于Ⅲ类水域，FWMCM与DICAS均同样适用，优先考虑DICAS;对于Ⅳ类水域，FWCM与DICAS都是不适用的。

5.2 准确把握安装水域的环境条件

由于FWMCM与DICAS具有载荷作用方向敏感的特性，准确把握水域的环境条件是保证设计质量的前提条件。工程水域风、浪、流的历史记录和现场实测数据，三者在各个方位的发生频率、不同重现期预报值、风、浪、流玫瑰图、流的垂向剖面分布等信息数据，对于实现良好的设计至关重要。

5.3合理布置系泊系統主轴线

系泊系统主轴线必须是系统主载荷方向作用线，只有满足这一要求，系统才具备实现最优设计的条件必须全面、系统、深入地分析环境条件各种影响因素，精准把握风、浪、流合成之后的主载荷作用方向，选择好系统布置的主轴线。FWMCM与DICAS都采用首强尾弱的系泊布局，系泊系统的首部必须与主载荷/强载荷方向相对应。

5.4  选择适用有效的分析方法

在系泊系统的设计中，常用的分析方法有多种：从受力分析的特性来说，有静力分析与动力分析;从分析方法的数学、力学处理手法上来说，有频域分析与时域分析;从系泊浮体与系泊线的相互作用关系的处理上来说，有耦合分析与非耦合分析。一般来说，静力分析、频域分析有计算简单、效率高的优点，适用于方案筛选与优化，缺点是容易丢失强非线性的信息进而影响计算精度;动力分析、偶合分析计算繁复、计算工作量巨大，但可以较好地反映非线性因素的影响，计算精度较高，适用于设计的最后评估。特别是当系泊系统加有配重时，时域全耦合动力分析是至关重要的。准静态与频域分析仅能反映配重对系泊特性的影响，无法反映配重对线动力的动态作用的效应，使得两种计算结果有时相差甚远，由此可见时域全耦合动力分析是不可或缺的。

5.5  关键工况的分析评估

FWMCM与DICAS都具有首强尾弱和载荷作用方向敏感的特点，使得系统在首向扇形范围内具有较强的载荷承受能力、尾向次之、横向与尾斜向最弱。因此，与此相对应的工况是FWMCM与DICAS设计中必须考虑的，横向与尾斜向有可能是系统设计的控制工况，特别是对于环境分布在扇形范围之外仍有一定强度分布的海域，尤其如此。

6   结论与建议

FWMCM与DICAS是两种适合于环境条件较为温和海域的新型系泊系统，设计理念和布置形式相近，适用海域相近，同时具有首强尾弱的系泊布局，具有载荷方向敏感的特征。FWMCM与DICAS不适用环境载荷作用方向与载荷作用频率及作用强度上都比较分散的水域和海况恶劣的水域。

值得特别指出的是：深圳“明思克”航空母舰系泊工程的成功经验证明，FWMCM完全可以胜任近岸水域大型设施的安全系泊，对于沿海、沿江、湖泊、河口港湾的浮式设施的系泊，以及输油终端等工程，建议采用FWMCM，对用户可以有足够的安全保障和良好的经济效益，对社会可以节省宝贵的不可再生的岸线资源，有利于社会的可持续发展。

参考文献

[1] API RP 2SK，2005.

[2] Chen "A New Concept of Multipoint Mooring System： Fan Weathervane Multipoint Counterweight Mooring" Tenth International Offshore and Polar Engineering Conference， Seattle-2000.

[3] F. Kaster， M.Barros，R.Rossi，I.Masetti（Petrobras） and E. Falkenberg， S. Karlsen （Marintek） and I. Waclawek （Brasflex）：”DICAS – A New Mooring Concept for FPSO's”， OTC paper 8437-1997.

[4] Ricardo B. Portella， M.Sc./PROJEMAR S.A. ; Cristiance Mendes， B.Sc./PROJEMAR S.A. “DICAS   Mooring System： Practical Design Experience to Dismystify the Concept ”，OTC paper 14309 -2002.