改裝FSRU系泊系統(tǒng)設計及計算分析

劉 鵬 何夏茵 陳 忱

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

FSRU是浮式儲存及再氣化裝置（Floating storage and re-gasification unit）的簡稱，通常也稱LNG-FSRU，是集LNG（液化天然氣）接收、存儲、轉運、再氣化外輸?shù)榷喾N功能于一體的特種裝備，配備推進系統(tǒng)，兼具LNG運輸船功能。與傳統(tǒng)LNG接收站相比，F(xiàn)SRU具有投資成本低、建造工期短、靈活性強和投產(chǎn)申請手續(xù)少等一系列特點。目前國際市場已經(jīng)投運的FSRU來源分為兩種，一種為對原普通LNG運輸船舶進行改造而成，另一種為專門新建的FSRU。FSRU作業(yè)時船體會受到不斷變化的外部環(huán)境載荷作用，為了保證自身和其他船舶的安全，需要配置可靠的系泊系統(tǒng)，對船體位移進行約束，其研究具有一定復雜性。

為了提高靈活性，某LNG運輸船有改造為FSRU的設計需求，希望在有LNG運輸需求時可作為運輸船使用，而在有LNG儲存需求時，可作為FSRU使用，針對其船型特點和作業(yè)海域特性，在保持原有系統(tǒng)的基礎上，對船體進行盡可能小的改造以滿足相關要求。兩種作業(yè)狀態(tài)對于系泊系統(tǒng)的要求是不一樣的，所以需要對系泊系統(tǒng)進行相應改裝設計。通過對系泊系統(tǒng)組成部分進行比較分析，選擇適合本改造項目的系泊方案及設備選型，針對作業(yè)海域處風、浪、流環(huán)境條件，通過系泊計算軟件對于改造后的系泊系統(tǒng)進行受力及運動分析，以期獲得滿足工程實際需要的設計方案。本船改造完成后，主要在印尼AMURANG港進行作業(yè)，此港口的環(huán)境條件相對溫和，同時結合目前甲板機械的布置方式，最終確定選擇六點系泊模式，其系泊方案參見圖1。本船新增導纜孔及止鏈器用于系泊纜固定，利用本船原有系泊絞車、錨機及羊角滾輪用于系泊纜提升。

圖1 FSRU AMURANG多點系泊方案

1 系泊系統(tǒng)設計

浮式海洋結構物的系泊系統(tǒng)形式多樣，一般多采用單點系泊、多點系泊和動力定位系統(tǒng)。單點系泊系統(tǒng)通常是將船體與浮筒式系泊裝置通過系泊纜繩連接，或者將自身轉塔結構通過單點系泊纜繩與海底連接的方式與海底固定。在使用過程中，船體會隨風、浪、流方向變化而自由轉動，該系統(tǒng)系泊過程時間較短，適用于惡劣海況；但造價昂貴，一般適用于在開闊海域臨時從浮筒裝卸貨的VLCC或FLNG等船舶。多點系泊系統(tǒng)則是通過多根纜繩將船體與海底連接，位置相對固定，船體位移及運動幅度較小，但系泊過程花費時間較多；一般適用于環(huán)境條件較好的海域，用于長時間系泊的船舶。動力定位系統(tǒng)是一種閉環(huán)的控制系統(tǒng)，采用推力器來提供抵抗風、浪、流等環(huán)境力，從而使船盡可能地保持在海平面要求的位置上。其操作比較方便，但成本較高，一般適用于對船體運動控制需求很高的船舶，如科考船等。本項目為LNG運輸船改裝FSRU，且在需要時可再次作為LNG運輸船使用，考慮作業(yè)區(qū)域環(huán)境及配置情況，為滿足盡量降低改造成本，充分利用船上已有設施及改造費用最小化的要求，最終選用多點系泊系統(tǒng)。多點系泊系統(tǒng)的設計主要包含船體部分甲板機械型式的選取、海底定位錨型式的選取以及系泊纜的選取等方面。

1.1 甲板機械選型

多點系泊系統(tǒng)的甲板機械一般根據(jù)提升裝置的不同可分為液壓缸提升、系泊絞車提升、甲板舷邊出鏈形式。液壓缸提升方式比較常見（見圖2），分為可移動式和不可移動式，基本為水下出鏈，在船體舷側需設置導鏈器，甲板上配備液壓缸、錨鏈管及止鏈器，此種方式自動化程度高、獨立性強。絞車牽引提升是利用系泊絞車帶動牽引繩運動從而間接提升系泊纜，需要在舷邊設置止鏈器，可選擇是否設置舷側導鏈器，此種方式自動化程度較低，占用較多甲板空間，費用最低。甲板舷邊出鏈形式是只在甲板配置錨鏈起重器、導鏈器和止鏈器，直接在舷邊出鏈，不配備舷側導鏈器，此種方式費用較低，甲板空間占用少，但受力點較高，對于船體浮態(tài)影響較大。本項目為LNG運輸船改裝，為了控制費用及改裝工作量，采用系泊絞車/錨機提升和甲板舷邊出鏈相結合的形式，原船配備的系泊絞車/錨機提供提升錨鏈的主動力，通過羊角滾輪將牽引繩從舷側相應位置增加的止鏈器處牽引到系泊絞車，同時為防止錨鏈與船體的摩擦，舷側增加導纜孔。

圖2 液壓缸提升示意圖

1.2 海底定位錨型式的選取

由于FSRU多為定點作業(yè)，長時間錨泊在固定區(qū)域，因此用于FSRU的海底定位錨需滿足便于棄錨，不需要船上貯存，但對于抓力要求高的特點。由下頁圖3可知，在同等錨重的情況下，史蒂夫帕瑞斯錨的抓力值最大，因此本船選用史蒂夫帕瑞斯錨。該錨為鋼板焊接結構，錨爪面積大，梨形錨柄及帶有兩個尖齒的錨爪使錨更深地嚙入底質(zhì)中，且達到最大抓力所需的拖曳距離較短，并可承受一定的垂向載荷。根據(jù)圖3中史蒂夫帕瑞斯錨的抓力值，選用重7 t的史蒂夫帕瑞斯錨，錨的抓力為160 t。

1.3 系泊纜的選取

系泊纜的作用在于，在惡劣海況下，將FSRU限定在一定偏移范圍內(nèi)，保證FSRU自身和旁靠船舶作業(yè)安全。本項目選用傳統(tǒng)的懸鏈式系泊纜，該種系泊纜使用歷史比較久，技術相對成熟，同時在海上施工布置方便，系泊性能優(yōu)良，投資適中。

根據(jù)DNV OS E301的要求，錨鏈的腐蝕裕度采用0.4 mm /a，同時考慮海底附生物帶來的系泊纜重量的增加，得到系泊纜選型參數(shù)見表1。

表1 系泊纜選型參數(shù)

圖3 各類錨在軟泥中的抓力

2 系泊計算分析

船體在外界環(huán)境作用下會產(chǎn)生運動響應，同時系泊系統(tǒng)會受力而限制船體運動，在作業(yè)過程中，系泊系統(tǒng)受力與環(huán)境載荷達到動態(tài)平衡。為了驗證系泊系統(tǒng)的可靠性，運用系泊計算軟件對于該系統(tǒng)進行完整系泊分析和單根纜繩破斷分析。該系統(tǒng)設計運營壽命為15年，滿足API-RP 2SK的相關設計要求。計算基于百年一遇生存海況下的環(huán)境條件，主要聚焦于系泊纜繩的強度、錨的抓力及船舶的位移。

2.1 系泊系統(tǒng)校核基準

系泊系統(tǒng)的受力和船舶位移應控制在合理范圍內(nèi)。計算校核應遵循以下基準：

（1） 纜繩的安全系數(shù)，即15年腐蝕后的最小破斷力與纜繩實際受力的比值，完整系泊分析時取為1.67，破斷分析時取為1.25。換言之，基于15年后纜繩的最小破斷力為157 t，完整分析時纜繩上受力應不超過94.01 t，破斷分析時纜繩上受力應不超過125.6 t。

（2） 錨的安全系數(shù)，即錨的抓力與錨最大提升力的比值，完整分析時取為1.6，破斷分析是取為1.2。換而言之，基于錨的抓力為160 t，完整分析時的最大水平穩(wěn)定拉力應不超過100 t，破斷分析時最大水平穩(wěn)定拉力應不超過133.3 t。

（3） 船舶位移，船東要求船舶位移應控制在3 m范圍內(nèi)。

2.2 環(huán)境條件

本船的作業(yè)海域為印尼AMURANG港口，水深約10～40 m、軟泥底質(zhì)。系泊分析基于以下環(huán)境條件：浪高1.219 m、風速5.162 m/s、流速0.162 m/s，同時假定風、浪、流同向，分別與船體夾角為0°、45°、90°、135°和180°。

2.3 計算結果分析

建立水動力模型，采用HYDROSTAR軟件對自由漂浮狀態(tài)的船體進行水動力分析，輸出船體運動狀態(tài)和水動力數(shù)據(jù)，并以此作為ARIANE軟件進行系泊受力分析的輸入條件。系泊系統(tǒng)設定預張力后對其錨鏈放出長度相應調(diào)整，得到調(diào)整后系泊系統(tǒng)配置見表2。

表2 系泊系統(tǒng)配置

對于船舶生存條件下壓載和滿載工況分別進行計算。其中破斷分析時，分別考慮纜繩L1、L2、L3、L4單根破斷進行計算。

通過計算，得到完整工況下，壓載和滿載的纜繩和錨受力情況（見圖4和圖5）。破斷工況下，分別破斷纜繩L1、L2、L3和L4，壓載和滿載的纜繩和錨受力情況見圖6和圖7。

圖4 壓載工況下完整分析結果

圖5 滿載工況下完整分析結果

圖6 壓載工況下破斷分析結果（以L3破斷為例）

圖7 壓載工況下破斷分析結果（以L3破斷為例）

由圖4和圖5可知：在系泊系統(tǒng)完整狀態(tài)下，當環(huán)境角度在0° ～ 90°范圍內(nèi)，L3受力最大；當環(huán)境角度在90° ～ 180°范圍內(nèi)，L2受力。此時系泊系統(tǒng)在環(huán)境力作用達到平衡狀態(tài)，與環(huán)境力方向相同的纜繩受力較大。

由圖6和圖7可知，當某根纜繩破斷后，在各環(huán)境角度下，其附近同向纜繩都會成為受力最大纜繩，其他單根纜繩破斷的情況也驗證了該結果。本系泊系統(tǒng)的布置基本相對船舯對稱布置，此時受力較均勻，當某一纜繩破斷后，導致該向強度驟降，當系統(tǒng)再次達到平衡狀態(tài)時，與破斷纜繩成組的其他纜繩受力會明顯增大。

表3 纜繩最大受力匯總

表4 錨最大受力匯總

表5 船的最大位移匯總

表3～5分別匯總了各系泊狀態(tài)下，纜繩和錨的最大受力結果及船體最大位移結果。

由表3～5可知，對于完整和單根纜繩破斷系泊狀態(tài)，纜繩最大受力、錨最大受力及船體最大位移均滿足設計要求。完整狀態(tài)下，橫向受風時，纜繩受力最大，位移也最大。

3 結 論

針對LNG船改造FSRU項目，系泊系統(tǒng)的改造對于作業(yè)時的安全關系重大。分別針對系泊方式、提升系統(tǒng)、錨和錨鏈選型進行分析確定，對于改造后的系泊系統(tǒng)進行風浪流時域耦合計算，并對計算結果進行分析，獲得以下結論：

（1） 針對LNG船改造FSRU項目現(xiàn)有配置和作業(yè)區(qū)域的海況分析，對常用的多點系泊系統(tǒng)甲板機械進行比較，選擇確定了改動工作較少的多點系泊方式和提升系統(tǒng)設計，該設計能夠滿足工程需要。

（2） 系泊纜繩和錨受力滿足基準要求，船體位移較小，滿足實際工程作業(yè)要求。

（3） 該系泊系統(tǒng)對于迎浪、頂浪方向環(huán)境載荷纜繩受力較小，對于橫向環(huán)境載荷纜繩受力較大，這為其他類似項目的系泊系統(tǒng)設計提供參考。

（4） 通過分析發(fā)現(xiàn)完整狀態(tài)下的L3和L4纜繩受力較大，同時L3單纜破斷時的系泊系統(tǒng)受力較大，為此L3和L4配置了較粗的錨鏈。在后續(xù)實際使用中，應該對于該錨鏈的磨損、腐蝕等情況給予更多關注。

（5） 六點式多點系泊適用于環(huán)境條件較好，船體運動限制要求較高的船舶。

（6） 對于改造后的FSRU多點系泊系統(tǒng)進行了分析計算，而實際項目中，會出現(xiàn)其他船舶旁靠該FSRU進行過駁作業(yè)，對于過駁過程中該系統(tǒng)能夠承受的環(huán)境條件需要旁靠系泊計算分析。