浮式液化天然氣儲存裝置單點系泊水動力特性分析＊

謝志添 楊建民 胡志強 謝 彬 王俊榮

（1.上海交通大學(xué) 上海 200240； 2.中海油研究總院 北京 100028）

謝志添，楊建民，胡志強，等.浮式液化天然氣儲存裝置單點系泊水動力特性分析［J］.中國海上油氣，2015，27（1）：96-101.

近年來，浮式液化天然氣儲存裝置（FLNG）在深水海域的應(yīng)用有效地避免了管道鋪設(shè)所面臨的技術(shù)難題，已成為開發(fā)大型油氣區(qū)以及深水氣田開發(fā)可替代方案［1-4］。FLNG船體通常設(shè)計為類似于FPSO的船型結(jié)構(gòu)，但FLNG擁有更大的排水體積以及液化天然氣艙［5］，同時由于天然氣處理工藝的特殊性，安裝于上甲板的液化工藝設(shè)備有著不同于其他船型的設(shè)計布局，因此對直接影響工藝設(shè)備工作效率和安全性的FLNG水動力性能有著更加嚴格的要求。艙內(nèi)液體晃蕩對FLNG浮體運動的影響已引起許多人的關(guān)注，如Nam等［6-7］通過模型試驗獲得了在不同液體裝載水平、不同波頻波幅下FLNG的運動響應(yīng)，其試驗結(jié)果和計算結(jié)果吻合較好；Nasar等［8］通過模型試驗得出如下結(jié)論：在規(guī)則波激勵下，艙內(nèi)液體晃蕩表現(xiàn)出非線性特征。

FLNG單點系泊系統(tǒng)性能是影響FLNG安全生產(chǎn)、生存的關(guān)鍵技術(shù)之一，它可以使FLNG船體在環(huán)境載荷的作用下進行自由轉(zhuǎn)動，以規(guī)避惡劣環(huán)境對船體帶來的負面影響，這就是風(fēng)標效應(yīng)的作用［9］。因此，在極限海況下FLNG單點系泊系統(tǒng)的安全性應(yīng)更加關(guān)注。筆者以中海油研究總院和中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院共同設(shè)計的計劃作業(yè)于南海1 500 m水深海域的一艘單點系泊FLNG設(shè)計方案為對象，開展了水池模型試驗和數(shù)值計算研究，通過模型試驗獲取了FLNG水動力性能結(jié)果，并在頻域和時域范圍對FLNG水動力特性以及艙內(nèi)液體晃蕩對其的影響進行了研究，重點分析了單點系泊條件下FLNG的水動力性能以及極限海況下單點系泊系統(tǒng)的安全性，以期為未來FLNG的自主設(shè)計提供借鑒。

1 FLNG水池模型試驗

1.1 FLNG船體

所設(shè)計的FLNG計劃作業(yè)于中國南海海域，作業(yè)水深為1 500 m，水池試驗?zāi)Ｐ涂s尺比選為1∶60，以75%裝載狀態(tài)作為研究裝載狀態(tài)，F(xiàn)LNG船體相關(guān)參數(shù)見表1，結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖1。試驗分固體和液體2種裝載方式，以研究FLNG液化天然氣艙內(nèi)液體晃蕩對船體運動的影響。

表1 FLNG船體基本參數(shù)Table 1 Principal scantlings of the FLNG vessel

圖1 FLNG船體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖Fig.1 Blueprint of the FLNG vessel

1.2 系泊系統(tǒng)

所設(shè)計的FLNG其系泊系統(tǒng)選用的錨鏈分3組，每組6根，總計18根，錨鏈頂端的預(yù)張力為5 000 k N。FLNG錨鏈原設(shè)計參數(shù)見表2，錨鏈布置見圖2。此外，為了降低建造成本，在滿足安全系數(shù)的前提下，提出對現(xiàn)有系泊系統(tǒng)進行優(yōu)化，將原方案中每組錨鏈數(shù)目減少1根，同時錨鏈各段長度、軸向剛度以及海底錨泊點位置均有不同程度調(diào)整，但錨鏈各段材質(zhì)、破斷載荷、外徑和水下重度均保持不變。FLNG錨鏈優(yōu)化后參數(shù)見表3。

表2 FLNG錨鏈原設(shè)計參數(shù)Table 2 Parameters of the FLNG mooring lines for prototype design

圖2 FLNG錨鏈布置示意圖Fig.2 Sketch map of the FLNG mooring lines arrangement

表3 FLNG錨鏈優(yōu)化后參數(shù)Table 3 Parameters of the FLNG mooring lines for optimization design

1.3 海洋環(huán)境條件

試驗共采用了3種不規(guī)則波，不規(guī)則波采用JONSWAP譜，作業(yè)工況下（一年一遇季風(fēng)）的譜峰因子γ=2.0，生存工況下（百年一遇臺風(fēng)）的譜峰因子γ=2.4，風(fēng)浪流方向組合為風(fēng)180°、浪150°、流180°。所選取的南海不規(guī)則波海洋環(huán)境參數(shù)見表4，F(xiàn)LNG試驗?zāi)Ｐ鸵妶D3。

表4 本文所選取的南海不規(guī)則波海洋環(huán)境參數(shù)Table 4 Irregular sea conditions in South China Sea selected in this paper

圖3 FLNG試驗?zāi)Ｐ褪疽鈭DFig.3 Sketch map of the FLNG vessel in model test

2 試驗結(jié)果分析

水池模型試驗和數(shù)值計算均模擬了對應(yīng)于實際海況3 h（模型試驗24 min）下的環(huán)境條件，獲得了FLNG船體在相應(yīng)海況下的六自由度運動時歷以及系泊錨鏈頂端張力時歷。

2.1 頻域分析

在白噪聲試驗中，對固體裝載和液體裝載的FLNG水動力特征進行了模擬。FLNG采用水平系泊方式，模擬了180°和150°兩個方向上的波浪。通過數(shù)據(jù)處理，得到了FLNG在150°波浪下的橫搖以及在180°波浪下的縱搖、垂蕩運動的幅值響應(yīng)算子，其結(jié)果見圖4。

圖4 在白噪聲海況下FLNG運動幅值響應(yīng)算子Fig.4 FLNG motion response amplitude operation in condition of white noise sea state

由圖4a可以看出：在固體裝載條件下，F(xiàn)LNG的橫搖運動在波浪周期25 s附近表現(xiàn)出了顯著的響應(yīng)；在液體裝載條件下，F(xiàn)LNG橫搖運動的響應(yīng)峰值為固體裝載時的47.4%，這說明艙內(nèi)液體晃蕩使得該型FLNG的橫搖運動在波頻范圍表現(xiàn)出較固體裝載更小的運動響應(yīng)。需要注意的是，在2種裝載條件下，F(xiàn)LNG的橫搖運動在波浪周期40～60 s范圍內(nèi)都存在一定的運動響應(yīng)特性，這是與傳統(tǒng)FPSO所不同的。因此，在實際海況中，該型FLNG的橫搖運動會表現(xiàn)出一定的低頻響應(yīng)特性，這和FLNG巨大的排水體積和水線面積有一定的聯(lián)系。

由圖4b、c可以看出：艙內(nèi)液體晃蕩對該型FLNG的縱搖和垂蕩運動的影響較小。這是因為：對于縱搖運動，縱向布置的多個液艙能夠顯著削弱艙內(nèi)液體的晃蕩對縱搖運動帶來的影響；對于垂蕩運動，船體排水量和水線面積起著主要作用，與裝載條件關(guān)系很小。因此，艙內(nèi)液體晃蕩對該型FLNG的橫搖運動影響較大，對縱搖和垂蕩運動影響較小。

通過數(shù)值計算軟件SESAM對FLNG船體進行數(shù)值建模，在同樣條件下對75%固體載況下FLNG水動力性能進行計算，獲得了該載況下的幅值響應(yīng)算子RAO，并與相應(yīng)模型試驗結(jié)果進行了比較，如圖5所示。從圖5可以看出，數(shù)值計算結(jié)果和模型試驗結(jié)果吻合較好，表明該FLNG數(shù)值模型可以為之后的數(shù)值計算提供較好的基礎(chǔ)。

2.2 運動時歷分析

水池模型試驗?zāi)M了南海百年一遇臺風(fēng)的海洋環(huán)境條件，采集了單點系泊下的FLNG船體六自由度運動時歷，在時域范圍對FLNG水動力特性以及艙內(nèi)液體晃蕩帶來的影響進行了研究。

為了維持作業(yè)效率，F(xiàn)LNG在一年一遇季風(fēng)條件下通常會進行正常的生產(chǎn)作業(yè)，因此在該條件下FLNG水動力性能（尤其是橫搖運動）對生產(chǎn)設(shè)備的安全性有著至關(guān)重要的影響。一年一遇和百年一遇海況下FLNG模型試驗運動時歷統(tǒng)計結(jié)果分別見表5、6。同時對固體裝載的FLNG進行了數(shù)值時歷計算，獲得了六自由度運動時歷。受篇幅所限，這里僅給出了百年一遇海況下FLNG固體裝載下運動時歷數(shù)值計算結(jié)果，如表7所示。

由表5可以看出：在固體裝載條件下，F(xiàn)LNG在一年一遇海況下的橫搖運動幅值的標準差為0.08°；在液體裝載條件下，F(xiàn)LNG在一年一遇海況下的橫搖運動幅值的標準差為0.14°，較固體裝載結(jié)果有顯著提升。艙內(nèi)液體晃蕩對FLNG的其他運動響應(yīng)的影響較小，和頻域分析結(jié)果相一致。

圖5 在白噪聲海況下FLNG模型試驗和數(shù)值計算的運動幅值響應(yīng)算子Fig.5 FLNG motion response amplitude operation by model test and numerical calculation in condition of white noise sea state

由表6可以看出：在百年一遇海況下，F(xiàn)LNG在2種裝載下的六自由度運動均較一年一遇季風(fēng)條件有著顯著的提升。艏搖運動幅值在百年一遇海況下顯著增加，說明了該型FLNG在該惡劣海況下的風(fēng)標效應(yīng)有所減弱，進而帶來了更大的船體和浪向間的夾角，加劇了橫搖運動的響應(yīng)。在固體裝載條件下，F(xiàn)LNG橫搖運動幅值的標準差為0.73°；在液體裝載條件下，F(xiàn)LNG橫搖運動幅值的標準差為0.50°，較固體裝載結(jié)果有明顯下降。艙內(nèi)液體晃蕩在百年一遇海況下對該型FLNG起到了減搖的作用，這和頻域分析得到的結(jié)果相一致，和一年一遇季風(fēng)條件下的時歷統(tǒng)計結(jié)果相反。FLNG橫搖運動和艙內(nèi)液體晃蕩相互耦合，表現(xiàn)出非線性響應(yīng)特征，與此同時，艙內(nèi)液體晃蕩的周期和相位又與不同海況下的波浪周期和相位相關(guān)聯(lián)。所以，在上述2種海況條件下，艙內(nèi)液體晃蕩對該型FLNG橫搖運動的影響呈現(xiàn)出不同的影響趨勢，其具體原因還需要在今后加以深入研究。需要注意的是，顯著增加的環(huán)境載荷和因此削弱的船體風(fēng)標效應(yīng)共同作用使得船體表現(xiàn)出較為明顯的水平慢漂運動，因此對系泊系統(tǒng)的水平剛度和單根纜的強度提出了較高的要求。

由表7可以看出：FLNG75%的固體載況在南海百年一遇海況下六自由度運動時歷統(tǒng)計的數(shù)值計算和模型試驗結(jié)果吻合較好，表明該FLNG數(shù)值模型可為之后的時域計算提供較好的基礎(chǔ)。

表5 一年一遇海況下FLNG模型試驗運動時歷統(tǒng)計結(jié)果Table 5 Motion time series of FLNG model test in condition of the 1-year return sea state

表6 百年一遇海況下FLNG模型試驗運動時歷統(tǒng)計結(jié)果Table 6 Motion time series of FLNG model test in condition of the 100-year return sea state

表7 百年一遇海況下FLNG固體裝載下運動時歷數(shù)值計算結(jié)果Table 7 Motion time series by numerical caculation for FLNG with solid loads in condition of the 100-year return sea state

2.3 系泊纜張力時歷分析

通過數(shù)值計算軟件SESAM對所設(shè)計的FLNG進行數(shù)值建模和系泊纜張力時歷計算，獲得了百年一遇海況下錨鏈頂端載荷的時歷數(shù)據(jù)，同時提出了系泊系統(tǒng)的優(yōu)化方案，利用校正過的數(shù)值模型對該方案進行數(shù)值計算，并對其在極限海況下的安全性進行了討論。這里選取了承受載荷最大的纜繩（為圖2中纜編號16）作為分析對象，原設(shè)計FLNG錨鏈頂端載荷試驗時歷最大值、最小值、平均值分別為8.16、2.60、5.58 MN；數(shù)值計算時歷最大值、最小值、平均值分別為8.30、3.37、5.54 MN，優(yōu)化后錨鏈頂端載荷數(shù)值計算最大值、最小值、平均值分別為8.61、3.45、5.75 MN。

在原設(shè)計中，系泊纜的破斷載荷為19.29 MN，百年一遇海況下系泊錨鏈頂端最大載荷的模型試驗結(jié)果和數(shù)值計算結(jié)果分別為8.16 MN和8.30 MN，在這種極限海況下，原設(shè)計系泊方案能夠滿足安全系數(shù)為2.32的要求。優(yōu)化方案的錨鏈頂端最大載荷的數(shù)值計算結(jié)果為8.61 MN，較原設(shè)計方案大，在這種極限海況下也能夠滿足安全系數(shù)為2.24的要求?？紤]到FLNG作業(yè)海域的水深，較長的錨鏈將導(dǎo)致其高昂的建造單價，所以本文提出的系泊系統(tǒng)優(yōu)化方案在滿足一定安全裕度的條件下能夠通過減少系泊錨鏈數(shù)目顯著地降低建造成本，這對現(xiàn)階段FLNG的自主設(shè)計提供了一定的參考依據(jù)。

3 結(jié)論及建議

1）水池模型試驗和數(shù)值計算表明，所設(shè)計的計劃作業(yè)于南海1 500 m水深海域的FLNG的橫搖運動在低頻范圍有較為明顯的運動響應(yīng)特性，建議在今后的研究中要對該型FLNG的橫搖運動低頻響應(yīng)多加關(guān)注。

2）在頻域分析中，艙內(nèi)液體晃蕩使得所設(shè)計的FLNG的橫搖運動在波頻范圍表現(xiàn)出較固體裝載更小的運動響應(yīng)；在時域分析中，艙內(nèi)液體晃蕩在南海一年一遇海況下加劇了該型FLNG的橫搖運動，在百年一遇海況下削弱了該型FLNG的橫搖運動，其具體原因還有待今后加以研究。

3）艙內(nèi)液體晃蕩對所設(shè)計的FLNG的縱搖、垂蕩、縱蕩、橫蕩以及艏搖運動影響較小。

4）本文提出的系泊系統(tǒng)優(yōu)化方案在滿足一定安全裕度的條件下能夠通過減少系泊錨鏈數(shù)目顯著地降低建造成本，這對現(xiàn)階段FLNG的自主設(shè)計提供了一定的參考依據(jù)。

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