不同系泊纜組合對FLNG單點(diǎn)系泊系統(tǒng)特性的影響

張 鼎 徐陽光

(中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011)

FLNG(浮式液化天然氣生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置)是海上LNG(液化天然氣)領(lǐng)域的新增長點(diǎn)，它能夠漂浮在海上，具有開采、處理、液化天然氣的功能，可儲(chǔ)存和裝卸LNG，并通過LNG穿梭船運(yùn)輸海上天然氣[1-2]。FLNG采用單點(diǎn)系泊系統(tǒng)長期系泊于作業(yè)海域，其系泊纜一般由3段組成，即錨鏈+中間纜+錨鏈，其中中間纜可選取鋼纜或聚酯纜，在設(shè)計(jì)初期選定較優(yōu)的系泊纜材質(zhì)、規(guī)格、長度及預(yù)張力等參數(shù)對于確定FLNG的總體布置方案至關(guān)重要。目前，在浮式平臺(tái)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期大多采用靜平衡方法，計(jì)算系泊纜的有關(guān)參數(shù)及系泊纜的預(yù)張力，雖然在多數(shù)情況下可滿足工程應(yīng)用的要求，但也存在未考慮系泊纜的彈性和系泊張力的動(dòng)力特性的缺點(diǎn)[3]。此外，目前關(guān)于系泊纜的相關(guān)研究多為單獨(dú)介紹浮式結(jié)構(gòu)物采用鋼纜組合或聚酯纜組合時(shí)系泊系統(tǒng)的特性及計(jì)算分析[4-6]，而針對FLNG分別采用鋼纜組合或聚酯纜組合時(shí)的特性對比研究則鮮見報(bào)道。

本文以某230 000 m3FLNG系泊系統(tǒng)為研究對象，首先介紹了單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素，然后采用時(shí)域計(jì)算方法對該FLNG系泊纜的中間纜分別采用鋼纜和聚酯纜2種方案下的懸鏈線式系泊系統(tǒng)特性進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上對系泊纜參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)選，并對比分析了2種方案下系泊系統(tǒng)的張力和轉(zhuǎn)塔偏移量等特性。最后進(jìn)一步對比了聚酯纜張緊式系泊系統(tǒng)與懸鏈線式系泊系統(tǒng)的特性。相關(guān)結(jié)論可為單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的合理選型及設(shè)計(jì)提供參考。

1 單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析方法

由于FLNG配置單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，在風(fēng)標(biāo)效應(yīng)下，F(xiàn)LNG需能承受較大的首搖運(yùn)動(dòng)，且其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)是一個(gè)時(shí)域范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程。因此，需采用時(shí)域計(jì)算方法對FLNG單點(diǎn)系泊系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析，求解其在外力作用下的平均、低頻和波頻組合響應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方程式。推薦的單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析程序[7]如下：①確定最大設(shè)計(jì)工況和作業(yè)工況的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，包括風(fēng)速、流速、有義波高和周期、風(fēng)暴持續(xù)時(shí)間以及風(fēng)譜和波譜等；②確定系泊布置，包括所采用錨鏈、鋼絲繩或合成纜的特性及預(yù)張力等；③確定風(fēng)力和海流力系數(shù)；④采用系泊系統(tǒng)時(shí)域分析程序，進(jìn)行風(fēng)暴持續(xù)期間的時(shí)域模擬分析，即采用不同的種子值，重復(fù)模擬若干次，用以生成波浪和風(fēng)的時(shí)域史；⑤采用統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)，計(jì)算系泊系統(tǒng)的偏移、系泊纜張力、錨的負(fù)荷和躺在海底的系泊纜長度的極限值；⑥將步驟⑤得到的相關(guān)計(jì)算值與設(shè)計(jì)衡準(zhǔn)比較，如果不滿足衡準(zhǔn)，則修改系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)重新分析。

1.2 FLNG系泊系統(tǒng)布置概況

分析對象為某230 000 m3FLNG，其總長為376 m,垂線間長367 m，型寬58 m，型深35.8 m。船體總布置如圖1所示。

圖1 某230 000 m3 FLNG總布置

此FLNG采用內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊，共有18根內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊纜，采用6×3分布形式，即每股包括6根纜，每股之間的夾角為120°(圖2)。系泊纜組成為錨鏈+中間纜+錨鏈，其中中間纜采用鋼纜或聚酯纜。

圖2 某230 000 m3 FLNG系泊布置

1.3 環(huán)境條件

本文FLNG的作業(yè)水深約1 500 m，分析時(shí)考慮極端生存工況下的環(huán)境條件，具體參數(shù)見表1。其中，所采用的浪譜為Jonswap譜，風(fēng)速和流速都是定常值。

表1 某230 000 m3 FLNG極端生存工況下的環(huán)境條件參數(shù)

根據(jù)BV規(guī)范[8]，F(xiàn)LNG系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮以下3種海況組合：①浪主導(dǎo)，風(fēng)、浪相對角為-45°～45°,流、浪相對角30°～-30°；②風(fēng)主導(dǎo)，風(fēng)、浪相對角為-45°～45°,流、浪相對角30°～-30°；③流主導(dǎo)，風(fēng)、浪相對角為-45°～45°,流、浪相對角-60°～-120°。

參考同類船型在同一海域的單點(diǎn)系泊配置[9],在此基礎(chǔ)上采用BV系泊分析軟件Ariane進(jìn)行浪向角分析，得到浪與船的相對角關(guān)系(圖3)，從而確定在不同風(fēng)、浪、流夾角組合下,船首和浪向之間的夾角與波浪有義波高的關(guān)系,給出兩者相對夾角的包絡(luò)線,根據(jù)此包絡(luò)線確定運(yùn)動(dòng)性能分析的環(huán)境條件[7]。并在此單點(diǎn)系泊配置和環(huán)境條件基礎(chǔ)上進(jìn)行系泊計(jì)算，得到了系泊纜繩張力等計(jì)算結(jié)果，基于分析結(jié)果選取了12種危險(xiǎn)海況(表2)，即系泊纜繩張力最大或轉(zhuǎn)塔偏移量最大情況下的海況。

圖3 浪與某230 000 m3 FLNG船的相對角示意圖

表2 基于某230 000 m3 FLNG系泊分析選取的危險(xiǎn)海況

2 懸鏈線式系泊系統(tǒng)特性

傳統(tǒng)的鋼制系泊纜組合(錨鏈—鋼纜—錨鏈)通常適用于1 000 m以內(nèi)水深的浮式裝置定位，當(dāng)水深進(jìn)一步增大后，其不足逐漸暴露，如系泊系統(tǒng)重量較大，占用浮體較大的儲(chǔ)備浮力等。當(dāng)水深超過1 000 m時(shí)，目前越來越多的浮式裝置采用聚酯纜組合(錨鏈—聚酯纜—錨鏈)系泊系統(tǒng)進(jìn)行定位[10]。因此有必要對中間纜分別采用鋼纜和聚酯纜的懸鏈線式系泊系統(tǒng)開展系泊特性分析。

2.1 系泊纜參數(shù)

針對某230 000 m3FLNG懸鏈線式系泊系統(tǒng)，中間纜分別采用鋼纜和聚酯纜，長度取2 000～5 000 m，預(yù)張力大小取3 000～6 500 kN，且系泊纜的尺寸均較大，其材料屬性見表3。

表3 某230 000 m3 FLNG懸鏈線式系泊系統(tǒng)系泊纜材料屬性

2.2 不同中間纜組合的系泊系統(tǒng)特性

2.2.1系泊特性變化規(guī)律

基于初選的不同中間纜長度、預(yù)張力組合及材料屬性(表3)和給定的風(fēng)、浪、流環(huán)境條件(表2)，采用BV系泊分析軟件Ariane，通過時(shí)域計(jì)算方法，模擬了3 h內(nèi)系泊系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，得到FLNG在不同系泊纜組合下的系泊纜最小安全系數(shù)、FLNG所受環(huán)境載荷及最小躺底長度的變化規(guī)律(圖4～6)。纜繩安全系數(shù)為破斷載荷與纜繩最大張力的比值，根據(jù)BV規(guī)范[8]，在纜繩完整狀態(tài)下，系泊纜最小安全系數(shù)應(yīng)大于1.75，最小躺底長度應(yīng)大于0(防止起錨)。

從圖4～6可以看出，對于鋼纜懸鏈線式系泊系統(tǒng)，隨著預(yù)張力增大，其系泊纜最小安全系數(shù)和最小躺底長度整體上呈先增大后減小趨勢，F(xiàn)LNG所受環(huán)境載荷逐漸變小；而對于聚酯纜懸鏈線式系泊系統(tǒng)，其系泊纜最小安全系數(shù)和最小躺底長度則隨預(yù)張力增大而逐漸減??；2種布置方案下，中間纜為聚酯纜方案相對鋼纜方案，F(xiàn)LNG所受的環(huán)境載荷相對較小，但變化規(guī)律較復(fù)雜。

圖4 某230 000 m3 FLNG懸鏈線式系泊系統(tǒng)系泊纜最小安全系數(shù)與預(yù)張力關(guān)系

對于鋼纜懸鏈線式系泊系統(tǒng)，當(dāng)中間纜繩長2 500 m時(shí)，絕大部分安全系數(shù)均滿足要求，且預(yù)張力為5 000 kN時(shí)，F(xiàn)LNG所承受的環(huán)境載荷(風(fēng)、浪和流載荷的合成)減小速度開始變緩。因此，對于中間纜為鋼纜的懸鏈線式系泊系統(tǒng)選取中間纜繩長2 500 m、預(yù)張力5 000 kN。該組合對應(yīng)的系泊纜最小躺底長度為5 330.65 m，由于底部錨鏈長6 000 m，大部分都處于躺底狀態(tài)，故可將底部錨鏈長度設(shè)為1 000 m。

圖5 某230 000 m3 FLNG采用懸鏈?zhǔn)较挡聪到y(tǒng)所受環(huán)境載荷與預(yù)張力關(guān)系

圖6 某230 000 m3 FLNG懸鏈線式系泊系統(tǒng)系泊纜最小躺底長度與預(yù)張力關(guān)系

對于聚酯纜懸鏈線式系泊系統(tǒng)，當(dāng)中間纜繩長4 000 m時(shí)，系泊纜安全系數(shù)均滿足要求，同時(shí)變化趨勢平緩，且預(yù)張力為5 000 kN時(shí)，F(xiàn)LNG所受環(huán)境載荷較小。因此，對于中間纜為聚酯纜的懸鏈線式系泊系統(tǒng)選取的組合為中間纜繩長4 000 m、預(yù)張力5 000 kN。該組合對應(yīng)的系泊纜最小躺底長度為5 393.73 m，由于底部錨鏈長度為6 000 m，大部分都處于躺底狀態(tài)，故可將底部錨鏈長度同樣設(shè)為1 000 m。

2.2.2系泊特性對比分析

基于對不同中間纜組合的懸鏈線式系泊特性的計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)2種系泊方案下最危險(xiǎn)的海況組合均為表2中的第2種海況，且鋼纜方案下，F(xiàn)LNG所受的環(huán)境載荷較大。根據(jù)上述對比結(jié)果和環(huán)境載荷大小，得到2種中間纜方案的懸鏈線式系泊系統(tǒng)的系泊纜參數(shù)(表4)。對比表3、4，可以看出，經(jīng)優(yōu)化選取后的系泊纜尺寸均小于初選值，且中間纜分別為鋼纜、聚酯纜時(shí)，其系泊纜總長分別為3 600、5 100 m，預(yù)張力均為5 000 kN，其系泊狀態(tài)示意圖如圖7所示(以鋼纜為例)。

表4 某230 000 m3 FLNG懸鏈線式系泊系統(tǒng)優(yōu)化后的系泊纜材料參數(shù)

圖7 某230 000 m3 FLNG懸鏈線式系泊系統(tǒng)狀態(tài)示意圖

進(jìn)一步對優(yōu)選后的2種懸鏈線式系泊系統(tǒng)布置方案進(jìn)行了系泊特性分析，得到不同方案組合下系泊纜最大軸向拉力、最小安全系數(shù)、最小躺底長度及最大轉(zhuǎn)塔偏移量(表5)。可見2種方案下的系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)均滿足規(guī)范要求。中間纜采用聚酯纜時(shí)，系泊纜最大張力和轉(zhuǎn)塔最大偏移量均比采用鋼纜時(shí)要小，但系泊纜最小躺底長度要大。中間纜采用鋼纜時(shí)錨更容易定位，但因其纜繩自重較大，在工作水深不斷增加時(shí)，需使錨泊系統(tǒng)在滿足定位要求的前提下，盡可能減輕重量從而降低成本。而中間纜采用聚酯纜時(shí)，能減小系泊纜與水平方向的夾角，在船體所受的水平外載荷確定的情況下可使得系泊纜的張力隨之減小，但由于聚酯纜較輕，錨不易定位，且纜繩總長較長，成本較高。

表5 某230 000 m3 FLNG懸鏈線式系泊系統(tǒng)2種中間纜方案系泊特性對比

3 聚酯纜張緊式系泊系統(tǒng)特性

聚酯纜張緊式系泊系統(tǒng)目前已在半潛式生產(chǎn)平臺(tái)上得到廣泛運(yùn)用[10]，但在FPSO、FLNG等船型裝置上的運(yùn)用研究則少見報(bào)道。為了進(jìn)一步研究FLNG采用聚酯纜張緊式系泊系統(tǒng)的可行性，在聚酯纜懸鏈線式系泊系統(tǒng)基礎(chǔ)上，底部錨鏈長度減少至100 m，其他部分纜繩長度不變，即系泊纜總長為4 200 m，使其處于張緊狀態(tài)(圖8)。

圖8 某230 000 m3 FLNG聚酯纜張緊式系泊系統(tǒng)狀態(tài)示意圖

對聚酯纜張緊式系泊系統(tǒng)的計(jì)算分析所選取的環(huán)境條件與懸鏈線式系泊系統(tǒng)相同，選取的系泊纜參數(shù)如表6所示，且預(yù)張力同為5 000 kN。同樣通過時(shí)域計(jì)算方法，模擬了3 h內(nèi)系泊系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，得到系泊纜最大軸向拉力、最小安全系數(shù)、最小躺底長度及最大轉(zhuǎn)塔偏移量(表7)。可見，采用聚酯纜的張緊式系泊系統(tǒng)同樣滿足方案設(shè)計(jì)的要求。

表6 某230 000 m3 FLNG聚酯系泊纜材料屬性

表7 某230 000 m3 FLNG聚酯纜張緊式系泊系統(tǒng)特性計(jì)算結(jié)果

對比表4及表6，可以看出，與聚酯纜懸鏈線式系泊系統(tǒng)相比，聚酯纜張緊式系泊系統(tǒng)的纜繩規(guī)格較大，總成本優(yōu)勢不大。

因此，F(xiàn)LNG系泊系統(tǒng)是采用鋼纜懸鏈線式系泊系統(tǒng)還是聚酯纜懸鏈線式系泊系統(tǒng)亦或是聚酯纜張緊式系泊系統(tǒng)等，需綜合考慮多方面因素，如經(jīng)濟(jì)性、作業(yè)安全性、船東需求等。

4 結(jié)論

1)對于懸鏈線式鋼纜布置方案，隨著預(yù)張力的逐漸增大，最小安全系數(shù)和最小躺底長度先變大后變小，且FLNG所承受的環(huán)境載荷逐漸變??；對于懸鏈線式聚酯纜布置方案，隨著預(yù)張力的逐漸增大，最小安全系數(shù)和最小躺底長度逐漸變小，F(xiàn)LNG所承受的環(huán)境載荷比鋼纜方案的小，但變化規(guī)律較復(fù)雜；中間纜采用聚酯纜時(shí)，最大系泊纜張力和轉(zhuǎn)塔最大偏移量均比采用鋼纜時(shí)要小，但系泊纜最小躺底長度要大；中間纜采用鋼纜時(shí)，錨容易定位，但對于深水海域來說，鋼纜自重較大；而中間纜采用聚酯纜時(shí)，錨不易定位，且纜繩總長較長，成本較高。

2)與聚酯纜懸鏈線式系泊系統(tǒng)相比，聚酯纜張緊式系泊系統(tǒng)的纜繩規(guī)格較大，總成本優(yōu)勢不大，本文中FLNG采用張緊式聚酯纜布置方案時(shí)系泊纜組合的長度、尺寸等是否能進(jìn)一步優(yōu)化，在今后的工作中還需進(jìn)一步研究。