FLNG尾輸過程耦合運動分析

趙晶瑞，李清平，王世圣

(1.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028；2.天然氣水合物國家重點實驗室，北京 100028；3.國家能源深水油氣工程技術(shù)研發(fā)中心，北京 100028)

0 引 言

FLNG 是一種集海上天然氣生產(chǎn)、儲存、外輸功能于一身的新型海工裝備。目前FLNG 采用的外輸方式有旁靠外輸和尾輸2 種，其中尾輸方式由于作業(yè)時兩船相對距離遠，作業(yè)時容許的環(huán)境載荷更大，被認為更適合在環(huán)境條件相對惡劣的海區(qū)應(yīng)用。

在過去的十年中，海洋工業(yè)界與學(xué)術(shù)界對FLNG尾輸作業(yè)開展了大量研究工作并獲得了許多有價值的成果[1–5]。然而在以往的研究中，尾輸過程中FLNG 于LNG 運輸船兩船體的水動力響應(yīng)被獨立進行處理，但在實際過程中，F(xiàn)LNG 和LNG 運輸船之間的距離在外輸過程中一直變化，以technip FMC 公司的ATOL 外輸系統(tǒng)為例，要求在外輸過程中FLNG 與LNG 運輸船之間距離保持在60～90 m 范圍，這一距離與FLNG 船寬接近，可能發(fā)生兩船體的水動力耦合現(xiàn)象，最不利條件下可能導(dǎo)致兩船碰撞。

本文根據(jù)中場理論，對外輸過程中FLNG 和LNG運輸船耦合水動力響應(yīng)進行研究，并分析一些因素，如兩船距離、裝載工況組合以及不同環(huán)境條件的影響。結(jié)果表明，隨著船體距離的降低，F(xiàn)LNG 對LNG 運輸船的遮蔽效應(yīng)增強，而非耦合的水動力分析結(jié)果將高估作用于LNG 運輸船上的低頻漂移力與兩船間距。風(fēng)流載荷但有助于提升整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小船體相對運動和張力的變化范圍，從而降低兩船碰撞的風(fēng)險。

1 設(shè)計基礎(chǔ)

1.1 FLNG 與LNG 運輸船

FLNG 主尺度參數(shù)為船長340.0 m，船寬61.0 m，型深37.0 m，有10 個GTT 液艙，整體LNG 容積為252000 m3。LNG 運輸船主尺度參數(shù)偉船長291.0 m，船寬47.0 m，有4 個GTT 液艙，LNG 容積為173500 m3。FLNG 與LNG 運輸船的總布置圖如圖1 所示。FLNG與LNG 運輸船在外輸過程中具有3 種典型裝載組合，具體參數(shù)如表1 所示。

表1 外輸過程中典型裝載組合Tab.1 Load condition combination during offloading process

圖1 FLNG 與LNG 運輸船總布置圖Fig.1 Main arrangement plan of FLNG and LNG carrier

1.2 FLNG 單點系泊系統(tǒng)

FLNG 采用15 根系泊纜繩呈3 組進行定位，所有纜繩在分段結(jié)構(gòu)上完全相同，主要分為3 段，包括頂部錨鏈，中部鋼纜與底部錨鏈。底部錨鏈長1 392 m，直徑為146.05 mm，破斷拉力為18 908 kN，中部由螺旋鋼纜組成，長1859 m 直徑139.7 mm，破斷拉力為19 186 kN，頂部錨鏈與底部錨鏈規(guī)格相同，長100 m。纜繩幾部分之間采用卸扣連接，每根纜繩采用吸力錨定位，系泊水平跨距為2 815 m，頂部預(yù)張力約為5 150 kN。

1.3 尾輸系泊系統(tǒng)

尾輸過程中，F(xiàn)LNG 與LNG 運輸船之間采用4 根連接纜控制相對運動，尼龍纜長90 m，直徑139.00 mm，破斷拉力為1 819 kN，風(fēng)暴剛度為6 000 kN，空氣重量為5.2 kg/m。

2 耦合系統(tǒng)數(shù)值模型

2.1 水動力分析模型

采用Hydrostar 軟件建立帶有液艙的FLNG 與LNG 運輸船雙船體耦合水動力模型，如圖2 所示。

圖2 FLNG 和LNG 運輸船的水動力模型Fig.2 Hydrodynamic model of FLNG and LNG carrier

圖3 兩船體之間水面的劃分Fig.3 Mesh model of water plane between FLNG and LNG carrier

FLNG 與LNG 運輸船船體上的2 階波浪漂移力根據(jù)中場理論計算，為了考慮兩船體水動力的耦合作用，需要對船體之間的水面進行網(wǎng)格劃分并給定能量耗散系數(shù)（通常根據(jù)水池模型試驗獲得），以抑制此區(qū)域內(nèi)的波面共振。

2.2 耦合水動力分析分析

采用法國船級社的Ariane 軟件進行FLNG 尾輸作業(yè)耦合運動分析，建立FLNG 和LNG 運輸船、單點系泊系統(tǒng)與尾輸臨時系泊系統(tǒng)如圖4 所示，尾輸系泊纜繩的布置如圖5 所示。

圖4 FLNG 單點系泊系統(tǒng)布置Fig.4 Single point mooring system of FLNG

圖5 尾輸系泊系統(tǒng)Fig.5 Tandem mooring system

3 結(jié)果與討論

3.1 水動力敏感性分析

在進行耦合運動分析之前，首先計算兩船體的水動力性能。分別采用耦合分析法考慮兩船體之間間距為40 m，60 m，80 m 時計算水動力結(jié)果并與非耦合分析結(jié)果進行對比，如圖6～圖8 所示。

圖6 和圖7 表明：不同間隙距離對于FLNG 船體垂蕩與縱搖運動影響很小，且耦合分析與非耦合分析幾乎沒有差異；間隙距離對LNG 運輸船船體垂蕩與縱搖運動影響相對較大，其中耦合分析的結(jié)果在0.4 rad/s～1.0 rad/s 范圍明顯小于非耦合分析，特別是當(dāng)波浪頻率等于0.7 rad/s 時。對于FLNG 縱蕩運動的波浪漂移力而言（見圖8），僅在當(dāng)波浪頻率大于0.6 rad/s 時，耦合分析結(jié)果略微小于非耦合分析。但對于LNGC 而言，根據(jù)遠場或近場理論的非耦合分析結(jié)果會明顯大于根據(jù)中場理論得到的耦合分析結(jié)果。當(dāng)兩船相對距離減小時，RAO 曲線的幅值也將明顯降低，特別是當(dāng)波浪頻率大于1.0 rad/s 后，這表明耦合效應(yīng)在增強，同時FLNG 對LNGC 在波浪漂移力方面具有明顯的遮蔽效應(yīng)。

圖6 兩船垂蕩運動RAOs 對比Fig.6 Heave RAO comparison of two vessels

圖7 兩船縱搖運動RAOs 對比Fig.7 Pitch RAO comparison of two vessels

圖8 兩船縱蕩漂移力RAOs 對比Fig.8 Surge drift force RAO comparison of two vessels

不同裝載組合條件下的水動力分析結(jié)果如圖9～圖11 所示。

圖9 與圖10 表明在不同裝載組合條件下，F(xiàn)LNG與LNG 運輸船的運動RAO 變化較小。圖11 表明當(dāng)LNG 運輸船增加排水量或吃水之后，作用于LNG 運輸船船體上的縱蕩漂移力也將上升。

圖9 兩船垂蕩運動RAOs 對比Fig.9 Heave RAO comparison of two vessels

圖10 兩船縱搖運動RAOs 對比Fig.10 Pitch RAO comparison of two vessels

圖11 兩船縱蕩漂移力RAOs 對比Fig.11 Surge drift force RAO comparison of two vessels

不同浪向下的水動力結(jié)果如圖12～圖14 所示。

由圖12～圖14 可知，波浪入射角度對于兩船體的運動與漂移力均具有很大的影響，當(dāng)波浪入射角度增加時，兩船體的垂蕩與縱搖運動都將加劇。對于LNG 運輸船而言，當(dāng)波浪呈180°入射時，其所受到的波浪漂移力幅值將明顯小于波浪呈135°方向入射時，這也表明FLNG 對LNG 運輸船在波浪漂移力方面影響顯著，相反，LNG 運輸船對FLNG 的影響卻十分有限。

圖12 兩船垂蕩運動RAOs 對比Fig.12 Heave RAO comparison of two vessels

圖13 兩船縱搖運動RAOs 對比Fig.13 Pitch RAO comparison of two vessels

圖14 兩船縱蕩漂移力RAOs 對比Fig.14 Surge drift force RAO comparison of two vessels

上述分析表明，在水動力影響因素中，波浪入射角度對水動力結(jié)果影響最大，其次為兩船之間的間距，而裝載工況組合的影響最小。此外非耦合的水動力分析將會過高估計LNG 運輸船上作用的平均波浪漂移力。

3.2 耦合分析結(jié)果

由于外輸工況下FLNG 與LNG 運輸船之間的間距持續(xù)變化，因此分別采用不同間距下的水動力結(jié)果（分別用HD1，HD2，HD3，HD4 以表示兩船之間間距為40 m，60 m，80 m 和非耦合的狀態(tài)），并將計算結(jié)果輸入至Ariane 軟件進行運動分析對比。

圖15～圖18 為LC2 裝載工況時采用不同水動力結(jié)果下的耦合運動分析結(jié)果。環(huán)境條件假設(shè)為僅波浪載荷作用，有義波高Hs為5 m，譜峰周期Tp為10 s，波浪譜為Jonswap，譜峰因子為2.0。

圖15 兩船之間距離時間歷程Fig.15 Time history of distance between two vessels

圖16 兩船之間距離頻譜Fig.16 Spectrum of distance between two vessels

圖17 系泊纜張力時間歷程Fig.17 Time history of hawser tension

圖18 系泊纜張力距離頻譜Fig.18 Spectrum of hawser tension

圖15表明，在僅波浪作用下，兩船相對水平向運動有一個較大的范圍，特別是當(dāng)采用HD2 水動力計算結(jié)果時，兩船最小間距僅為30 m，極易發(fā)生碰撞。圖17和圖18 顯示了系泊張力基本有低頻成分組成，采用非耦合水動力結(jié)果HD4 所得到的系泊張力明顯大于采用HD1～HD3 的耦合水動力分析結(jié)果，這一現(xiàn)象也表明FLNG 在外輸作業(yè)過程中遮擋了作用在LNGC 上的波浪載荷。

為了研究環(huán)境載荷入射角度的影響，根據(jù)參考文獻[9]，選取5 個典型的環(huán)境載荷方向組合，包括全平行工況，交叉流工況，交叉風(fēng)工況，交叉風(fēng)流工況以及對稱風(fēng)流工況，具體的入射角度如圖19 所示。風(fēng)速Vwind為20.0 m/s，流速Vcurrent為1.0 m/s，并采用HD3 的水動力計算結(jié)果，全部的計算工況與相應(yīng)編號如表2 所示，相對距離與系泊張力結(jié)果如表3 所示。

圖19 5 種典型外輸作業(yè)環(huán)境載荷方向組合Fig.19 Five typical directional combination in tandem offloading operation

表2 全部計算工況Tab.2 Total calculation cases

表3 相對距離與系泊張力結(jié)果Tab.3 Results of distance and hawser tension

由表3 可知，在LC3 裝載工況下，系泊纜繩張力最小，而在LC1 裝載工況下，兩船體之間相對運動范圍最小。對于環(huán)境載荷組合而言，第4 個工況（交叉風(fēng)流工況）和第5 個工況（對稱風(fēng)流工況）比其他工況產(chǎn)生了更加極端的響應(yīng)，但根據(jù)纜繩的破斷強度，最大系泊張力仍然可以滿足強度要求。與圖15 和圖17 相比較發(fā)現(xiàn)，當(dāng)考慮風(fēng)與流載荷之后，船體相對運動和系泊纜繩張力的變化范圍和最大值都有所降低，這說明風(fēng)流載荷從某種程度上提升了整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語

本文采用數(shù)值計算方法研究FLNG 尾輸過程的動力特性。根據(jù)中場理論計算FLNG 與LNG 運輸船的雙船耦合水動力，并建立了包括FLNG，LNG 運輸船、單點系泊系統(tǒng)以及外輸定位纜繩的耦合分析模型并進行運動求解，得到結(jié)論如下：

1）根據(jù)中場理論，在FLNG 進行尾輸過程中FLNG 船體與LNG 運輸船將出現(xiàn)水動力耦合效應(yīng)，非耦合水動力分析將高估作用于LNG 運輸船體上的縱蕩漂移力。在對水動力分析的影響因素中，波浪入射角度對結(jié)果的影響最大，其次為兩船之間的相對距離，而裝載工況組合的影響最小。

2）在純波浪工況下，兩船之間的相對距離范圍較大并可能導(dǎo)致兩船碰撞，而風(fēng)流載荷將在某種程度上降低兩船體相對運動和系泊張力的變化范圍，改善整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性。