懸鏈式單點系泊及其在原油接卸中的應用

許昊東

（中海油國際貿易有限責任公司，北京 100010)

引言

單點系泊在全球范圍內已經建成600余座，分布于美洲、非洲、亞洲（東南亞、中東海灣地區）、歐洲地中海和澳大利亞沿岸，其中懸鏈式（CALM）單點系泊有500多座。[1]世界范圍內，路易斯安娜離岸碼頭是最為知名的CALM單點系泊，建造于1972年，至今已經接卸原油超過120億桶。中國大陸僅有2座CALM單點系泊在用，分別是中石化茂名單點系泊和中海油潿洲單點系泊。CALM單點系泊將油輪系泊在預定海域，通過漂浮在海面上的浮筒和鋪設在海底的管道，將原油從油輪接卸至岸罐，實現海上卸油岸罐存儲，在煉化企業原油物流渠道中扮演重要角色。

1 系統組成

CALM單點系泊主要由系泊纜、浮筒、漂浮軟管、水下軟管、水下管匯基盤、錨鏈和海底管道組成，如圖1所示。原油的流道依次為油輪卸船泵、漂浮軟管、輸油臂平臺上部管道、旋轉頭、浮筒中心井管道、水下軟管、水下管匯基盤、海底管道、岸罐。油輪系泊載荷傳遞順序依次為系泊纜、系泊籠耳、轉臺、主軸承、浮筒主體結構、止鏈器、錨鏈、錨樁。

圖1 CALM單點系泊組成示意圖

1.1 浮筒

浮筒主要由浮筒體、三臂轉盤總成、主軸承、旋轉頭組成，如圖2所示。

圖2 浮筒結構示意圖

浮筒體是圓形的焊接鋼結構，圓心處是中心井，徑向布置6道橫向水密艙室，艙室中注滿發泡材料。中心井上部安裝主軸承和三臂轉盤總成。主軸承內圈與中心井固定，外圈與三臂轉盤總成固定。三臂轉盤總成中心嵌入旋轉頭。中心井內焊接有兩根尺寸一致的管道，管道底部連接水下軟管，頂部連接旋轉頭。在浮筒裙板一周均布6個止鏈器，用于連接浮筒和錨鏈。

三臂轉盤總成由圓形轉臺、系泊臂平臺、輸油臂平臺和平衡臂平臺組成。圓形轉臺與主軸承外圈固定。系泊臂平臺裝有系泊籠耳，用于拴系泊纜，是重要的受力部件。輸油臂平臺在系泊臂平臺順時針側60°處，平臺上裝有2根管道和連接漂浮軟管的索纜導向裝置，管道一端連接旋轉頭接口，一端連接漂浮軟管，輸油臂平臺是重要的流道部件。平衡臂平臺位于輸油臂平臺的反方向。

主軸承是大型的回轉軸承，常用的回轉支承軸主要有四點接觸式球軸承、交叉圓柱滾子軸承、雙排角接觸式球軸承和三列滾柱式軸承，[2]以三列滾柱式軸承為主。主軸承用于支撐三臂轉盤總成，保證三臂轉盤總成可以360°旋轉，是單點系泊實現風標效應的功能部件。主軸承將系泊臂平臺傳遞來的系泊載荷傳遞給浮筒，使旋轉頭的旋轉軸承不承受系泊載荷，大幅延長旋轉頭壽命，主軸承是關鍵的受力部件。

旋轉頭又稱流體分配裝置，內置旋轉軸承，旋轉接頭上部的可旋轉通道連接輸油臂平臺的管道，與三臂轉盤總成一起360°旋轉，下部固定通道連接中心井內管道。在旋轉頭上部管道旋轉過程中，原油可帶壓通過旋轉頭，然后進入中心井內管道。旋轉頭是單點系泊實現風標效應的功能部件，也是重要的流道部件。旋轉頭平均通稱流量6000 m3/h，可增高到16000 m3/h。

1.2 錨鏈

錨鏈由熱軋圓鋼打造。常用的錨鏈等級為R3、R4 及R4S。錨鏈頂端與止鏈器連接，錨點底端與樁基相連，錨樁插入海底巖土層中。錨鏈和錨樁的作用是將浮筒固定海面某位置上，允許浮筒在一定的幅度內擺動。錨鏈數量通常為6根。6根錨鏈間隔60°均勻布置在浮筒一周，保證浮筒最大位移較小，錨鏈受力的均勻性較好，是最常見的錨鏈布置方式。波浪沖擊使浮筒連續運動，易導致錨鏈損壞，對錨鏈施加60～140 kN預張力可以改善這種情況。錨鏈最大張力一般為1400～3400 kN。

1.3 系泊纜

系泊纜繩通常為尼龍纜或鋼絲纜，它的作用是系泊油輪。系泊纜一般由卸扣、纜繩、摩擦鏈、摩擦鏈支撐浮筒、拾取纜、拾取浮筒等組成，與系泊臂平臺系泊籠耳連接。沒有油輪靠泊時，系泊纜自由漂浮在海面。當油輪靠泊作業時，需將系泊纜的摩擦鏈從海面撈起，與油輪的止鏈器連接。美國船級社（ABS）規范規定，系泊纜最多只能2根，數量由系泊載荷決定，對于15萬噸級以上的油輪，必須由2根系泊纜連接。

1.4 漂浮軟管和水下軟管

漂浮軟管通常是2根，連接輸油臂平臺輸油管道和儲油輪，是特制的壓力橡膠管。漂浮軟管由橡膠內襯、加強層、纏繞鋼絲加強層、漂浮層和合成橡膠外層組成，最外層包有浮力材料，自然漂浮在海面。水下軟管是鋼筋網和橡膠組合而成的雙層防污染軟管，常用構型有燈籠型、緩S型和陡S型。燈籠型對油輪運動、錨鏈布置影響很小，但適應浮筒運動的能力較弱，適用于14～30 m 水深的一般海況。

1.5 水下管匯基盤

水下管匯基盤連接水下軟管和海底管道，按照固定在海底的方式分為重力式和樁式。水下管匯基盤與海底管道之間使用S型跨線連接。水下管匯基盤與浮筒之間由柔性的水下軟管連接。原油經過水下軟管進入水下管匯并合二為一進入海底管道。常見的水下管匯基盤一般采用雙層結構形式，上層底座與管匯管道、閥門為一體，下層底座通過四個樁固定在海床上，閥門為液動球閥和手動球閥。

2 建造、運營若干經驗

2.1 建造經驗

國內建造CALM型單點系泊一般采用“個別核心部件國外定做+采購國產化設備+國內組裝”的方式。鑒于單點系泊國產化設備商業化程度不高，以及個別核心部件需要進口，開展合理的長線設備采辦是保證單點系泊項目及時投產的重要一步。采辦周期在半年以上的設備主要是主軸承、旋轉頭、相關遙測系統、漂浮軟管及水下軟管、海底法蘭等，長線設備采辦周期預計1年。

浮筒建造是決定整個CALM型單點系泊建造成本和效率的關鍵。[3]浮筒建造的關鍵工序主要是筒體預制、圓形轉臺預制、軸承支撐面加工、主軸承安裝和旋轉頭安裝。浮筒體的底板、內外壁板和隔艙板較薄，加強肋和加強筋較多，在組對焊接過程中容易造成焊接變形，若形成剛性約束則很難通過熱調制方法進行矯正。圓形轉臺的軸承支撐鍛造環和底板需要高度平整，但鍛造環和底板上焊接相連的隔艙板數量多，容易產生焊接波浪變形，影響主軸承安裝質量。軸承支撐用以支撐主軸承，軸承支撐面的加工精度將直接影響浮筒體和三臂轉盤總成的連接質量。主軸承的安裝精度決定三臂轉盤總成能否在浮筒體上自由轉動。旋轉接頭的安裝精度決定三臂轉盤總成旋轉過程中帶壓原油是否泄漏。

2.2 運維經驗

CALM型單點系泊設計壽命一般20～25年，需要定期的就地或進塢檢修，包括周檢、月檢、半年檢、年檢、定檢和大修，大修周期為5年。船級社每年也要配合業主的檢修計劃檢查單點系泊1次。日常檢修的重點是浮筒體結構和焊縫的完整性、主軸承的磨損程度、旋轉頭軸承的密封性和磨損程度、錨鏈的懸掛角度及磨損程度。運營單位需根據就地檢修情況更換系泊纜和軟管。生產實踐表明，系泊纜通常在20～30航次之后更換，漂浮軟管通常使用2～3年后更換，水下軟管通常使用1～3年后更換。大修主要對大型部件（如主軸承和旋轉頭軸承）進行更換，對浮筒體進行噴砂等維護。

3 應用優勢分析

山東民達物流有限公司計劃在渤海建設25萬噸級原油進口泊位項目。該單點系泊位于東營港東北方向，離岸68.7 km。建設內容包括2個25萬噸級CALM單點系泊泊位，1座增壓平臺及長度72.9 km的海底管線。項目設計原油接卸能力35000000 t/年，投資估算28.43億元。項目目前處于核準批復階段，建成后將輻射東營、濱州、淄博區域的煉廠。以東營單點系泊為例分析CALM單點系泊的應用優勢。

大幅降低東營港腹地煉廠的原油物流成本。截至2020年底，東營市煉油企業共21家，常減壓加工能力合計72200000 t/年，進口原油配額合計51050000 t/年。東營港受水深條件限制，無法靠泊VLCC，目前噸位最大的固定式碼頭2個5萬噸級原油泊位。東營港腹地煉廠進口原油的物流渠道主要有3種：利華益利津煉化有限公司、山東墾利石化集團有限公司等煉廠選擇在董家口碼頭卸油，然后董濰管線管輸原油至煉廠；山東華星石油化工集團有限公司、正和集團股份有限公司等煉廠選擇在煙臺西港碼頭卸油，然后煙淄管線管輸原油至煉廠；東營市亞通石化有限公司、山東天弘化學有限公司等煉廠選擇在董家口港過駁，二程船轉運至東營港。前2種渠道原油綜合物流成本100元/噸左右。第3種渠道原油綜合物流成本120元/噸左右。單點系泊投用后，VLCC能夠在東營港卸油，原油綜合物流成本降低至65～80元/噸，大幅提升單點系泊輻射煉廠的競爭力。

東營單點系泊投資估算為28.43億元。投資偏高的原因是單點系泊離岸距離過遠，需要建設4腿增壓平臺及72.9 km大直徑海底管線。不考慮海底管線和增壓平臺，單點系泊的投資估算不足5億元，低于東營港固定式碼頭平均投資水平。單點系泊依托中國海油岸電，投資和操作費預計可節省6億元。單點系泊依托中國海油環保設施，預計可節省操作費2億元。中國海油在岸電和環保方面的支持，能夠大幅提高東營單點系泊的經濟效益和環境效益。

東營港海域氣候、海況惡劣，港口固定式原油碼頭每年的非作業時間高達100天。東營單點系泊每年的非作業時間不足30天，單點系泊作業時間遠高于港口固定式碼頭，單點系泊是更為暢通的物流渠道，對煉廠保供具有重要意義。

4 結語

CALM單點系泊與港口固定式碼頭相比，可以降低煉廠物流成本、提高泊位可作業天數、降低工程投資。在我國原油進口量持續攀升，獨立煉廠、大型煉化一體化項目表現活躍的背景下，單點系泊具有廣闊的應用空間。

中國海油在CALM型單點系泊的建造和運維方面積累了豐富經驗，具備自主設計、建造CALM單點系泊的能力，并在岸電供應和環保設施支持等方面具有得天獨厚的優勢。