基于Ariane7的FLNG船碼頭系泊分析

陽 恒， 白俊磊， 楊晨俊

(1. 上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200240； 2. 惠生(南通)重工有限公司， 上海 201210)

基于Ariane7的FLNG船碼頭系泊分析

陽 恒1,2， 白俊磊2， 楊晨俊1

(1. 上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200240； 2. 惠生(南通)重工有限公司， 上海 201210)

在全球天然氣貿(mào)易量不斷增加的背景下，對(duì)液化天然氣液化裝置及存儲(chǔ)裝置(Floating Liquefied Natural Gas, FLNG)進(jìn)行研究具有一定的經(jīng)濟(jì)及戰(zhàn)略意義。以世界首座FLNG為例，通過理論分析和數(shù)值計(jì)算，研究FLNG的碼頭系泊性能并設(shè)計(jì)分析系泊系統(tǒng)。采用法國船級(jí)社系泊分析軟件Ariane 7程序系統(tǒng)計(jì)算FLNG在風(fēng)、浪作用下的載荷，為船體結(jié)構(gòu)計(jì)算提供運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和波浪載荷的輸入數(shù)據(jù)，建立FLNG碼頭系泊的仿真模型，分析系泊系統(tǒng)各裝置的受力情況。

液化天然氣液化及存儲(chǔ)裝置； 運(yùn)動(dòng)響應(yīng)； 碼頭系泊； 系泊張力

0 引 言

海洋是人類生產(chǎn)活動(dòng)的可擴(kuò)展空間，油氣資源豐富，發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)可為經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型提供巨大的動(dòng)力，而浮式液化天然氣設(shè)施(Floating Liquefied Natural Gas, FLNG)將成為開發(fā)油氣資源的重要設(shè)備。系泊系統(tǒng)主要用來保證船舶、平臺(tái)和浮標(biāo)等船舶或海洋結(jié)構(gòu)物能安全停留、系固于錨地、沉塊、岸或系泊浮筒上,是船舶和海洋平臺(tái)必不可少的配套設(shè)施，在船舶設(shè)計(jì)初步階段對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行選型和布置非常重要。

國內(nèi)已有眾多學(xué)者對(duì)船靠碼頭進(jìn)行研究。HUANG[1]提出一種基于質(zhì)量集中彈簧模型和有限元法的數(shù)值方法，用以計(jì)算錨鏈的三維動(dòng)張力,并通過實(shí)例給出驗(yàn)證。胡毅[2]對(duì)大型液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)船建立模型，分析其在波浪載荷作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。劉祥建[3]以一艘最大工作水深為1 500 m的深海鉆井船為研究對(duì)象，采用非線性時(shí)域耦合和準(zhǔn)動(dòng)態(tài)分析方法，對(duì)比分析使用不同商業(yè)軟件計(jì)算得到的水動(dòng)力數(shù)據(jù)，并對(duì)該船的錨泊系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。袁鑫[4]運(yùn)用系泊纜索動(dòng)態(tài)響應(yīng)計(jì)算的數(shù)值方法分析系泊線的動(dòng)力特性，推導(dǎo)出動(dòng)力響應(yīng)的二階非齊次變系數(shù)偏微分的控制方程，并結(jié)合各種計(jì)算方案確定方程求解的數(shù)值方法，得到需要拉索的固定式海洋平臺(tái)中拉索上部平臺(tái)帶來的運(yùn)動(dòng)擾動(dòng)比波浪干擾更為明顯的結(jié)論。鄒志利等[5]編程計(jì)算靠碼頭系泊浮體在海洋聯(lián)合載荷作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊線拉力，其預(yù)報(bào)結(jié)果與商業(yè)軟件Optimoor的結(jié)果的吻合度良好。

這里應(yīng)用法國船級(jí)社(Bureau Veritas, BV)系泊分析軟件Ariane 7對(duì)FLNG系泊系統(tǒng)的特性進(jìn)行研究，對(duì)系泊纜的長度和預(yù)張力等參數(shù)的影響進(jìn)行數(shù)值考察，研究對(duì)象為在南通惠生海工建造的Caribbean FLNG(見圖1)。該FLNG為非自航駁船，每天可將72億標(biāo)準(zhǔn)立方英尺常溫常壓下的天然氣轉(zhuǎn)化為-162 ℃的LNG(±50萬t/a)，同時(shí)儲(chǔ)存于自身的液貨艙、出口至與之相鄰的LNG儲(chǔ)存罐(FSU)或LNG船內(nèi)。2016年9月26日3時(shí)，該船順利通過72 h液化模塊的性能考核，產(chǎn)能及各項(xiàng)性能指標(biāo)完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，證明該裝置具備商業(yè)投用的條件，是世界上第一個(gè)成功完成調(diào)試、具備商業(yè)運(yùn)營條件的FLNG[6]。

1 FLNG系泊系統(tǒng)配置

FLNG系泊系統(tǒng)由船體及若干系泊纜繩組成，駁船主尺度為：總長144 m，型寬32 m，型深20 m。計(jì)算分滿載、半載和壓載等3種裝載工況，針對(duì)正常操作和風(fēng)暴自存2種典型工作環(huán)境，主要考察各計(jì)算狀態(tài)下的纜繩張力、導(dǎo)纜孔受力和碼頭帶纜樁受力等，同時(shí)還分析極端環(huán)境和單根纜繩破斷情況下其余各纜繩的受力情況。

系泊系統(tǒng)計(jì)算坐標(biāo)系見圖2。固定坐標(biāo)系CNEZ定義為：C點(diǎn)為固定坐標(biāo)系原點(diǎn)，CN軸指向正北，CE軸指向正東，CZ軸指向正下方，CNE平面為靜水平面。隨船坐標(biāo)系O-xyz定義為：O點(diǎn)為船體縱向中心面和船底面交線與0號(hào)肋位的交點(diǎn)，Ox軸指向船首，Oy軸指向右舷，Oz軸正向垂直向上。風(fēng)、浪和流的方向沿CN軸反方向?yàn)檎氐姆较蜓仨槙r(shí)針為正。

FLNG碼頭系泊布置圖見圖3。在正常操作工況下共設(shè)有10根系纜繩，其中，船首和船尾各4根，舯部2根；在風(fēng)暴自存工況下共設(shè)有14根系纜繩，其中，船首和船尾各6根，舯部2根。

系泊纜繩與水平面之間的夾角見表1,其中，各纜繩較小的夾角對(duì)應(yīng)滿載工況，較大的夾角對(duì)應(yīng)壓載工況。纜繩材料為聚丙烯，直徑為64 mm，破斷強(qiáng)度為500 kN，單位長度的質(zhì)量為1.85 kg/m。碼頭前沿設(shè)置有5個(gè)DA300H×L1500型橡膠護(hù)舷，其受力特性見表2。

表1 系泊纜繩與水平面之間的夾角

表2 DA300H×L1500型橡膠護(hù)舷受力特性

表3 各裝載工況下船體參數(shù)

表4 當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件

2 環(huán)境條件及工況

在進(jìn)行系泊分析前，需考慮如何選定工況，以便完整、準(zhǔn)確地評(píng)估系泊系統(tǒng)的系泊能力。這里選擇完整狀態(tài)和破損狀態(tài)考察船舶吃水變化，風(fēng)、浪、流的方向及潮差變化等影響。完整狀態(tài)是指系泊系統(tǒng)所有系泊纜繩正常工作的狀態(tài)；破損狀態(tài)是指任意一根纜繩破斷失效的狀態(tài)。

船舶在運(yùn)營過程中的裝載工況發(fā)生變化會(huì)使吃水也發(fā)生變化，而吃水的變化會(huì)對(duì)系泊系統(tǒng)的效率產(chǎn)生影響。系泊分析所用的裝載工況下的船體參數(shù)見表3。

計(jì)算中用到的環(huán)境條件見表4，其中，水的密度為1 020 kg/m3，空氣的密度為1.29 kg/m3，平均風(fēng)速為30 s，流速為船舶最大吃水處的平均速度。

根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件及OCIMF相關(guān)規(guī)范，計(jì)算中正常工作環(huán)境下流向角為0°，10°，90°時(shí)的流速分別為1.54 m/s，1.03 m/s，0.39 m/s；風(fēng)速設(shè)定為20.8 m/s；對(duì)于每個(gè)流向角，計(jì)算風(fēng)向角分別為0°，30°，60°，90°，120°，150°，180°。

在極端生存環(huán)境下，除將風(fēng)速更改為26.3 m/s以外，其余計(jì)算條件均與正常的工作環(huán)境相同。

3 系泊計(jì)算方法

系泊纜索控制方程的一般形式為

(1)

式(1)中:m和ma分別為單位長度系泊纜索的質(zhì)量及附加質(zhì)量；T為系泊纜索張力；V,U分別為系泊纜索運(yùn)動(dòng)速度矢量和流場(chǎng)速度矢量；Fn,Ft分別為單位長度系泊纜索上流體作用力的法向分量和切向分量；G為纜索凈重力，可分別根據(jù)式(2)和式(3)計(jì)算：

Fn=0.5ρwCDnD|Un-Vn|(Un-Vn)ds

(2)

Fτ=0.5ρwCDnπD|Uτ-Vτ|(Uτ-Vτ)ds

(3)

式(2)和式(3)中：ρw為流體密度；CDn和CDτ分別為流體法向拖曳力系數(shù)和切向拖曳力系數(shù)；D為纜索直徑。壓載工況下的水動(dòng)力網(wǎng)格模型見圖4，Ariane 7中的計(jì)算模型見圖5。

4 不同參數(shù)對(duì)系泊效率的影響

4.1系泊布置對(duì)系泊效率的影響

經(jīng)計(jì)算，布置10根纜繩時(shí)纜繩的最大張力為248.9 kN，布置14根纜繩時(shí)纜繩的最大張力為150.7 kN。因此,系泊布置對(duì)系泊系統(tǒng)的系泊效率有較大影響，在工程上應(yīng)結(jié)合成本考慮，對(duì)系泊布置進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，以達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)適用性。

4.2系泊系統(tǒng)剛度對(duì)系泊效率的影響

不同材質(zhì)系泊纜繩的剛度不同，對(duì)碼頭系泊系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響，剛度越大，彈性模量就越大。分別采用6股鋼纜及聚丙烯纖維纜繩進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，若采用10根纜繩的布置方法，在正常操作環(huán)境和滿載工況下，聚丙烯纜繩的最大張力為248.9 kN，鋼纜的最大張力為302.4 kN。

4.3系泊纜繩長度對(duì)系泊效率的影響

對(duì)不同長度、相同材質(zhì)時(shí)系泊纜繩在相同系泊系統(tǒng)中的系泊效率進(jìn)行分析，采用不同長度的聚丙烯纜繩，對(duì)比分析原長度與加長10 m后對(duì)系泊效率的影響。通過計(jì)算可得，采用10根纜繩的布置方法，在正常操作環(huán)境和滿載工況下，原長度聚丙烯纜繩的最大張力為248.9 kN，聚丙烯纜繩加長10 m后的最大張力為205.8 kN。系泊系統(tǒng)使用加長后的纖維纜繩,每根纜繩的最大受力均比原長度纜繩小，但浮體的位移值會(huì)變大。系泊纜繩的長度受制于碼頭布置及FLNG外輸管線對(duì)浮體位移的要求，不能僅通過增加纜繩的長度來減小系泊纜繩的最大張力。

4.4系泊纜繩預(yù)張力對(duì)系泊效率的影響

預(yù)張力是在船體無外載荷的情況下，系泊纜繩通過絞車張緊獲得的初始張緊力。對(duì)相同系泊系統(tǒng)在不同預(yù)張力下的纜繩張力進(jìn)行對(duì)比計(jì)算分析，預(yù)張力的取值范圍為10～160 kN。經(jīng)計(jì)算，系泊系統(tǒng)在不同預(yù)張力下的纜繩最大張力結(jié)果見圖6。由圖6可知，隨著預(yù)張力的增加，纜繩的最大受力逐漸變小，安全系數(shù)逐漸變大。在預(yù)張力為80 kN時(shí)，安全系數(shù)達(dá)到最大2.27，此后隨著預(yù)張力的增大而變小。

5 計(jì)算結(jié)果分析

5.1評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

參照OCIMF及BV規(guī)范，完整狀態(tài)安全系數(shù)應(yīng)>2.00，破損狀態(tài)安全系數(shù)應(yīng)>1.25，依據(jù)該準(zhǔn)則評(píng)價(jià)系泊系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果。

5.2完整狀態(tài)下纜繩的拉力

通過數(shù)值模擬計(jì)算，得到在操作條件及生產(chǎn)條件下各裝載工況張力最大的纜繩序號(hào)和最大張力值(見表5和表6)。

表5 完整狀態(tài)正常操作環(huán)境下不同載況最大張力纜繩參數(shù)

表6 完整狀態(tài)生存環(huán)境下不同載況最大張力纜繩參數(shù)

5.3破損狀態(tài)下纜繩的拉力

這里僅計(jì)算破損狀態(tài)下極端生存環(huán)境中的壓載工況。依次計(jì)算1～14號(hào)纜繩破斷后剩余纜繩的最大張力值，可知各種情況下纜繩的最大張力值出現(xiàn)在12號(hào)纜繩破斷時(shí)的9號(hào)纜繩上，最大拉力為308.5 kN，此時(shí)安全系數(shù)為1.62。

5.4船體的位移

通過數(shù)值模擬計(jì)算可知，船體在纜繩完整、生存環(huán)境下壓載，橫蕩最大值出現(xiàn)在風(fēng)和流與船體成90°時(shí)，為1.660 m，縱蕩最大值出現(xiàn)在迎風(fēng)迎流時(shí)，為1.080 m。滿載時(shí)，橫蕩最大值出現(xiàn)在風(fēng)向90°,流向10°時(shí)，為1.171 m；縱蕩最大值出現(xiàn)在迎風(fēng)迎流時(shí)，為1.330 m。半載時(shí)，橫蕩最大值出現(xiàn)在風(fēng)向90°，流向10°時(shí)，為1.391 m；縱蕩最大值出現(xiàn)在迎風(fēng)迎流時(shí)，為1.303 m。

對(duì)于海上浮式LNG工廠，由于有外輸管線，對(duì)船體的橫蕩值有一定要求。過大的橫蕩會(huì)導(dǎo)致管線斷裂，從而對(duì)安全生產(chǎn)造成威脅。因此，橫蕩值是除纜繩張力外評(píng)價(jià)FLNG系泊系統(tǒng)的另一個(gè)重要指標(biāo)。當(dāng)前橫蕩值≤2 m，滿足在外輸管線的許用范圍內(nèi)，滿足要求。

5.5船體上導(dǎo)纜孔所受到的力

船體上導(dǎo)纜孔的布置位置如圖3所示，其中：導(dǎo)纜孔1，4，10，11的安全工作負(fù)荷(Safe Working Load，SWL)為750 kN；導(dǎo)纜孔2，3，5，6，7，8，9，12的SWL為500 kN。

通過計(jì)算可得到導(dǎo)纜孔處的系泊纜繩軸向張力和系泊纜繩對(duì)導(dǎo)纜器的作用力，從而評(píng)估該位置的導(dǎo)纜器的SWL是否滿足要求。

由計(jì)算結(jié)果可知，完整狀態(tài)下的導(dǎo)纜孔受力最大出現(xiàn)在壓載工況、高潮位時(shí)的第11號(hào)導(dǎo)纜孔上，力的大小為319.97 kN，此時(shí)安全系數(shù)為2.40。

破損狀態(tài)下導(dǎo)纜孔受力最大出現(xiàn)在9號(hào)纜繩破斷、壓載工況、高潮位時(shí)的第11號(hào)導(dǎo)纜孔上，力的大小為415.44 kN，此時(shí)安全系數(shù)為1.80。

5.6碼頭上帶纜樁所受到的力

碼頭帶纜樁的SWL為1 000 kN。由計(jì)算結(jié)果可知：完整狀態(tài)下碼頭上帶纜樁受到的力最大出現(xiàn)在壓載工況及高潮位時(shí)的第8號(hào)帶纜樁上，力的大小為470.32 kN，此時(shí)安全系數(shù)為2.10。破損狀態(tài)下碼頭上帶纜樁最大受力出現(xiàn)在壓載工況、高潮位及第12號(hào)纜繩破斷情況下的8號(hào)帶纜樁上，力的大小為601.02 kN，此時(shí)安全系數(shù)為1.70。

6 結(jié) 語

以Caribbean FLNG為例，應(yīng)用BV系泊分析軟件Ariane 7模擬船舶在碼頭系泊時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況，計(jì)算出在給定的裝載工況及環(huán)境載荷下，系泊纜繩處在完整狀態(tài)和破損狀態(tài)時(shí)FLNG系泊設(shè)備的受力情況，包括各系泊纜繩的張力、導(dǎo)纜孔的受力和碼頭帶纜樁所受拉力等，可得到以下結(jié)論：1) 在相同外載荷下，增加系泊纜的數(shù)量可有效降低系纜的張力，但應(yīng)結(jié)合成本綜合考慮最終的系泊布置。

2) 在相同外載荷下，系泊系統(tǒng)剛度越大，系纜張力就越大，相應(yīng)的浮體位移越小,可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選用合適的系泊纜材質(zhì)。

3) 在相同外載荷下，對(duì)于相同材質(zhì)的系泊纜，隨著系纜長度增加，系纜張力會(huì)變小，但相應(yīng)的浮體位移會(huì)變大。

4) 隨著纜繩的預(yù)張力和長度逐漸增大，其安全系數(shù)均先增大后減小。當(dāng)系泊纜繩中的預(yù)張力達(dá)到一定程度后，外部載荷及自身裝載的液貨對(duì)其產(chǎn)生的晃蕩載荷和對(duì)纜繩的微小刺激都可能使其在橫向產(chǎn)生劇烈的晃蕩，從而造成系泊纜繩的張力增大，可對(duì)預(yù)張力進(jìn)行敏感性分析，優(yōu)化后獲得最佳預(yù)張力。

[1] HUANG S. Dynamic Analysis of Three-Dimensional Marine Cable[J]. Ocean Engineering,1994,21(6):587-605.

[2] 胡毅.大型LNG船水動(dòng)力分析及系泊計(jì)算[D].武漢:華中科技大學(xué)，2012.

[3] 劉祥建.深海鉆井船錨泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2011.

[4] 袁鑫.系泊纜索動(dòng)力分析數(shù)值方法研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2010.

[5] 鄒志利.港口內(nèi)靠碼頭系泊船運(yùn)動(dòng)的計(jì)算[J].海洋工程，1995，13(3)：25-36.

[6] 惠生海工.惠生海工成功完成全球首個(gè)FLNG項(xiàng)目性能考核[EB/OL](2016-09-27)[2016-10-05].http://cms.wison.com/wison-cms-portal/?p=1701.

AnalysisofFLNGJettyMooringwithAriane7

YANGHeng1,2,BAIJunlei2,YANGChenjun1
(1.State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2 Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd., Shanghai 201210, China)

With the growth of the global natural gas trade, the research and development of Floating Liquefied Natural Gas(FLNG) become of economic and strategic significance. Taking the world's first FLNG as the example, the jetty mooring performance of the FLNG is investigated through theoretical analysis and numerical simulation. The wind and wave loads on the FLNG are predicted by using BV's Ariane 7 software package and supplied to the analysis software for hull structures. A jetty mooring simulation model is built for analyzing the tensions in the equipments of the mooring system.

Floating Liquefied Natural Gas; motion response; jetty mooring; mooring tension

2016-10-31

陽恒(1983—)，男，湖北孝感人，工程師，碩士，從事海洋平臺(tái)舾裝設(shè)計(jì)工作。

1674-5949(2017)02-0025-05

U653.2

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