FLNG-LNGC系統(tǒng)中卸料軟管的服役條件研究

王霄， 楊永春， 陳常龍， 馬玉亮

(中國海洋大學(xué)工程學(xué)院， 青島 266100)

天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)、清潔、高效的化石能源，是21世紀能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要發(fā)展對象，中國天然氣輸運研究多局限于陸地[1]。近年來，中國海上資源開發(fā)技術(shù)逐漸成熟，海上天然氣開發(fā)和輸運研究逐漸成為研究熱點。21世紀初，隨著國際液化天然氣(liquefied natural gas，LNG)能源輸出的需求增加，海上油氣開采逐漸由近海向深海和邊際氣田發(fā)展，浮式液化天然氣生產(chǎn)儲卸裝置(floating liquefied natural gas，F(xiàn)LNG)研究熱潮興起[2]，全球首艘FLNG“PFLNG SATU”號于2016年交付。在邊際氣田和深海氣田油氣生產(chǎn)過程中，F(xiàn)LNG作為一座集液化天然氣生產(chǎn)與儲卸于一體的浮式LNG生產(chǎn)接收終端，長期服役于氣田開發(fā)海域。當(dāng)FLNG達到一定儲量時，需要通過液化天然氣運輸船(liquefied natural gas carrier，LNGC)進行轉(zhuǎn)運[3]。由于FLNG和LNGC漂浮于海面，在風(fēng)、浪、流等環(huán)境因素作用下不斷晃動，兩船的相對運動對LNG卸載作業(yè)的影響較大。

在海上LNG串靠卸載作業(yè)中，F(xiàn)LNG與LNGC采用前后布置方式，兩者之間的距離一般在50～100 m，具有海洋環(huán)境適應(yīng)能力好、安全性高等優(yōu)勢，能夠適應(yīng)海洋環(huán)境較為惡劣的海域。LNG卸料軟管兩端分別連接兩船的外輸點，兩個端點的相對位置受兩船間的相對運動影響，這對軟管服役的安全性是一個挑戰(zhàn)[4-5]。

中外學(xué)者針對海上液貨船間串靠外輸開展了相關(guān)研究。 Zhao等[6-7]采用模型試驗的方法研究了單點系泊FLNG串靠系統(tǒng)的兩船間距和連接方式對系統(tǒng)水動力性能的影響，總結(jié)了FLNG系統(tǒng)的流體動力學(xué)的模型試驗和數(shù)值計算的研究成果。文獻[8-14]通過數(shù)值模擬分別研究了單一環(huán)境因素對串靠系統(tǒng)的運動響應(yīng)的影響。對于不同組合工況的研究；王晨征等[15-16]基于單浮體耦合運動方法探究了風(fēng)向和流向?qū)Υ肯挡聪到y(tǒng)運動的影響，并討論了低頻波浪力和波頻波浪力對系統(tǒng)的作用；曹光磊[17]基于線性勢流理論，研究了浮體間距及浪向?qū)Χ喔◇w系統(tǒng)水動力及運動響應(yīng)的影響；趙正彬[18]基于極值理論分析了串靠系泊系統(tǒng)的過分運動引發(fā)的安全性事件；基于多浮體動力學(xué)理論，陳勃任等[19]對串靠系泊系統(tǒng)中連接大纜的長度、剛度等參數(shù)進行了敏感性分析；付禮鵬等[20]探究了風(fēng)浪流參數(shù)和連接大纜長度等因素對系統(tǒng)動力響應(yīng)的影響；叢軍等[21]分析了兩船之間的水動力影響以及大纜張力變化特性；趙晶瑞等[22-23]采用時域耦合方法模擬FLNG串靠系統(tǒng)總體的動態(tài)響應(yīng)，并比較了單、雙纜布置的差異。以上研究針對于串靠系泊系統(tǒng)中兩浮體的耦合作用和運動響應(yīng)。對于卸載系統(tǒng)相對運動研究，趙文華[24]采用模型試驗的方法選擇了一種風(fēng)浪流同向工況，對串靠卸載系統(tǒng)進行了卸料外輸點間相對運動的分析。目前串靠系泊系統(tǒng)水動力響應(yīng)的數(shù)值研究較為成熟，但海上LNG卸載系統(tǒng)中外輸點間的相對運動，即卸料低溫軟管的服役條件研究相對薄弱。

為此，通過模型試驗，對不同風(fēng)、浪、流組合工況和連接方式下串靠系統(tǒng)中液化天然氣外輸點間的相對運動特性進行了研究，考慮了串靠傳輸方式下FLNG-LNGC系統(tǒng)中兩船體之間、船體與系泊浮體之間的耦合運動響應(yīng)，為LNG卸料低溫軟管設(shè)計提供服役條件，確定軟管長度和端部設(shè)計的參考條件。

1 水池模型試驗

串靠系統(tǒng)中LNG軟管卸載方式和試驗布置分別如圖1、圖2所示。試驗水池長60 m、寬36 m、最大水深為6 m。試驗過程中FLNG與LNG模型船分別采用單纜和雙纜兩種串靠方式進行連接，系泊方式為外轉(zhuǎn)塔式單點系泊。同時考慮風(fēng)向、浪向等因素的影響，分析兩船外輸點之間的相對運動特性。

圖1 串靠卸載系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagram of tandem offloading system

圖2 串靠模型試驗布置圖Fig.2 Layout plan of tandem system in model test

1.1 模型參數(shù)

FLNG船長392 m，船寬69 m，型深35.7 m，容積為290 000 m3。LNG運輸船船長289 m，船寬43.2 m，型深26.3 m。FLNG與LNG運輸船選擇一種典型裝載組合，具體參數(shù)如表1所示。

表1 FLNG和LNG運動船主要尺度參數(shù)Table 1 Principal dimension of FLNG vessel and LNG carrier

綜合考慮 FLNG和LNG運輸船原型尺度和水池試驗?zāi)芰Φ雀鞣矫嬉蛩?，選定縮尺比λ=1∶80開展水池模型實驗。制作的模型滿足外形尺度和慣量參數(shù)的精度要求。

1.2 系泊系統(tǒng)

FLNG通過系泊系統(tǒng)定位于工作海域進行LNG生產(chǎn)工作。FLNG-LNGC卸載系統(tǒng)通過FLNG船艏外轉(zhuǎn)塔上的導(dǎo)纜器與3×4根系泊纜進行連接，每根系泊纜通過錨固定于海底，F(xiàn)LNG-LNGC串靠卸載作業(yè)的連接纜數(shù)量分別為1條和2條，連接方式如圖3所示，12條系泊纜分別編號為#1～#12。船間連接纜原型長度為78 m。

組合系泊纜自上而下由上端錨鏈、尼龍繩、末端錨鏈三段組成。纜繩原型參數(shù)及屬性如表2所示，在工作海況下預(yù)張力為2 600 kN，水平跨度為396 m。

在串靠卸載作業(yè)中，F(xiàn)LNG與LNGC共線排列，兩浮體通過連接纜進行連接，浮體間距可達80 m以上。分別采用1根或2根連接纜對兩浮體進行連接，研究兩種連接方式對卸載系統(tǒng)水動力的影響。

圖3 串靠卸載系泊系統(tǒng)Fig.3 Mooring system of tandem offloading

表2 系泊纜的主要物理屬性Table 2 Configuration of the mooring lines

1.3 環(huán)境條件

FLNG串靠卸載作業(yè)極限海洋環(huán)境條件的判斷因素眾多(如軟送軟管的承受能力，多浮體間的相對運動情況等)，目前尚沒有定論。本文中設(shè)計了四組串靠卸載工況開展水池模型實驗，其中有義波高5.00 m為極限海洋環(huán)境條件[24]，對FLNG的串靠卸載作業(yè)水動力特性進行研究。海洋環(huán)境條件的具體參數(shù)如表3所示，實驗中假定風(fēng)為定常風(fēng)，其平均風(fēng)速對應(yīng)原型在水面以上10 m，水流也為定常流，采用的波浪譜為JONSWAP譜，譜峰因子為3.0。試驗中將考慮不同風(fēng)、浪、流夾角組合工況，具體參數(shù)如表3所示。

表3 工況及參數(shù)Table 3 Parameter of ambient condition

2 試驗結(jié)果分析

為探究波高、風(fēng)浪夾角、有流或無流、連接方式等因素對FLNG串靠系統(tǒng)運動響應(yīng)的影響，試驗中設(shè)置風(fēng)浪流同向(工況1、2、3)、風(fēng)浪流非同向(工況4、5、6)、風(fēng)浪同向(工況7、8、9)、風(fēng)浪非同向(工況10、11、12)4種不同環(huán)境組合。

試驗通過光學(xué)運動測量系統(tǒng)測量兩船重心位置處的運動時程與兩船的卸料外輸點間的相對運動時程。坐標系定義如圖4所示。

圖4 坐標系定義Fig.4 Definition of coordinate system

2.1 相對運動時程分析

試驗直接測得串靠系統(tǒng)在單纜和雙纜兩種連接方式下，風(fēng)浪流同向組合(工況1、2、3)下兩船上的外輸點處運動時程，并通過簡單計算得到兩船卸料外輸點間的相對運動時程，單纜系統(tǒng)時程如圖5所示。下列數(shù)據(jù)已按照縮尺比換算為原型數(shù)據(jù)。

對系統(tǒng)中外輸點間各方向相對運動可以觀察到，x、y、rz方向相對運動為低頻大幅運動，有義波高對極差影響較大，同種工況下雙纜系統(tǒng)各方向運動的極差相較于單纜系統(tǒng)有明顯降低；rx、ry、z方向運動為高頻小幅運動，有義波高變化引起的運動統(tǒng)計值差別不大。

rx、ry、rz分別為繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動圖5 單纜系統(tǒng)中外輸點間相對運動時程Fig.5 Time history of relative motion between transportation positions in single-hawser system

2.2 相對運動結(jié)果統(tǒng)計與對比

試驗測定兩外輸點運動響應(yīng)時程結(jié)果可得到系統(tǒng)在不同工況下外輸點間相對運動的統(tǒng)計值，如圖6所示。其中橫坐標為工況序號，縱坐標為各方向相對運動的最大值、最小值和平均值統(tǒng)計結(jié)果。

2.2.1 不同波高對各方向相對運動的影響分析

(1)風(fēng)浪流同向組合(工況1、2、3)。各方向相對運動極差均與有義波高Hs呈正相關(guān)，且單纜系統(tǒng)的極差大于雙纜系統(tǒng)。最大極差發(fā)生在工況3的單纜系統(tǒng)中，其中x方向為39.84 m，y方向為92.61 m，z方向為5.52 m，rx方向為5.82°，ry方向為3.03°，rz方向為56.44°。x方向平均值隨波高增大而減小，最大平均值為89.09 m；z方向平均值隨波高變化不明顯。

圖6 外輸點間各方向相對運動統(tǒng)計Fig.6 Statistics of relative motion in all directions between transportation positions

(2)風(fēng)浪流非同向組合(工況4、5、6)。各方向相對運動極差均與有義波高呈正相關(guān)，且單纜系統(tǒng)的極差大于雙纜系統(tǒng)。最大極差發(fā)生在工況6的單纜系統(tǒng)中，其中x方向為54.10 m，y方向為74.12 m，z方向為6.31 m，rx方向為6.30°，ry方向為3.51°，rz方向為40.92°。x方向平均值隨波高增大而減小，最大平均值為91.19 m；y方向平均值的絕對值與波高呈正相關(guān)，最大平均值為10.74 m；z方向平均值隨波高變化不明顯；rz方向平均值隨波高變化不明顯。

(3)風(fēng)浪同向組合(工況7、8、9)。高頻運動即z、rx、ry方向相對運動的極差與波高呈正相關(guān)，最大極差分別為4.10 m、4.19°和2.59°，發(fā)生在工況9的單纜系統(tǒng)中。x方向最大極差為34.09 m，發(fā)生在單纜系統(tǒng)的工況7；y方向最大極差為111.7 m，發(fā)生在單纜系統(tǒng)的工況8；rz方向最大極差為68.21°，發(fā)生在單纜系統(tǒng)的工況8。x方向最大平均值為86.51 m。

(4)風(fēng)浪非同向組合(工況10、11、12)。各方向相對運動極差均與有義波高呈正相關(guān)，且單纜系統(tǒng)的極差大于雙纜系統(tǒng)。最大極差發(fā)生在工況12的單纜系統(tǒng)中，其中x方向為67.12 m，y方向為53.15 m，z方向為4.98 m，rx方向為5.91°，ry方向為3.13°，rz方向為26.30°。x方向平均值隨波高增大而增大，最大平均值為83.30 m；y方向平均值的絕對值隨波高增大而減小，最大平均值為44.37 m；z方向平均值隨波高變化不明顯；rz方向平均值隨波高變化不明顯。

2.2.2 其他影響因素分析

由于rz方向的相對轉(zhuǎn)角為低頻大幅運動，對軟管的彎曲影響極大；此外對比不同浪向和風(fēng)向組合時，環(huán)境載荷本身的合力方向并不與整體坐標x軸重合，因此選擇外輸點間距離和rz方向相對轉(zhuǎn)角的統(tǒng)計值進行對比。距離統(tǒng)計如圖7所示。

圖7 外輸點間距離統(tǒng)計Fig.7 Statistics of distance between transportation positions

(1)有無流對比(工況1、2、3和工況7、8、9)。有水流作用的工況轉(zhuǎn)角極差小于無流作用工況，因此水流作用對環(huán)境同向組合中系統(tǒng)的相對轉(zhuǎn)角有穩(wěn)定作用。對于相同波高，由于水流對LNGC的作用，有流作用工況的外輸點間x向相對運動平均值大于無流作用時的平均值。

(2)浪向?qū)Ρ?工況1、2、3和工況4、5、6)。由于單點系泊系統(tǒng)的風(fēng)標效應(yīng)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)向合力方向，LNGC失去FLNG的部分遮蔽影響，同時風(fēng)浪夾角限制了LNGC的rz方向轉(zhuǎn)角，因此風(fēng)浪流非同向工況的雙纜系統(tǒng)中外輸點間距離極差比同向工況更大，轉(zhuǎn)角極差比同向工況小。對于相同波高，風(fēng)浪流非同向工況中外輸點間距離平均值比同向工況大。

(3)風(fēng)向?qū)Ρ?工況7、8、9和工況10、11、12)。同樣地，由于單點系泊系統(tǒng)的風(fēng)標效應(yīng)和遮蔽效應(yīng)，風(fēng)浪非同向工況的外輸點間距離極差比同向工況更大，轉(zhuǎn)角極差比同向工況小。對于相同波高，風(fēng)浪非同向工況中外輸點間距離平均值比同向工況大。

3 結(jié)論

研究了不同環(huán)境參數(shù)組合、串靠傳輸方式下卸料低溫軟管兩端的相對運動特性，考慮了系統(tǒng)中兩船體之間的耦合運動響應(yīng)，分析了不同風(fēng)浪流參數(shù)組合以及單纜和雙纜兩種連接方式對管端相對運動的影響，得出如下結(jié)論。

(1)雙纜連接方式由于其布置方式不同，系統(tǒng)運動比單纜連接方式更穩(wěn)定。試驗結(jié)果表明，與單纜系統(tǒng)相比，雙纜系統(tǒng)外輸點間各方向相對運動的極差明顯降低，特別是y向相對運動和rz相對轉(zhuǎn)角。因此，考慮外轉(zhuǎn)塔式單點系泊串靠系統(tǒng)中LNG卸料工作的安全性，采用雙纜連接布置優(yōu)于單纜。

(2)在伴隨海流的工況中，外輸點各方向相對運動的極差與波高呈正相關(guān)，因此海流對外輸點間相對運動趨勢有穩(wěn)定作用，同時由于海流作用，外輸點間x向相對距離更大。

(3)環(huán)境參數(shù)同向的組合工況中，由于串靠系統(tǒng)的遮蔽效應(yīng)，外輸點間距離比非同向的工況距離更小，外輸點距離的大小決定軟管設(shè)計長度的要求。

(4)環(huán)境參數(shù)非同向的組合工況中，由于串靠系統(tǒng)的風(fēng)標效應(yīng)，外輸點間相對轉(zhuǎn)角受到環(huán)境載荷夾角的限制，比同向工況更小，而管端轉(zhuǎn)角的動態(tài)變化范圍越大，對管道彎曲性能要求越高。

綜上所述，對于FLNG-LNGC的串靠卸載系統(tǒng)，低溫軟管的長度設(shè)計應(yīng)參考風(fēng)浪流非同向組合的卸料軟管兩端相對運動過程中的最大距離，軟管端部彎曲性能設(shè)計則參考風(fēng)浪同向組合的相對轉(zhuǎn)角的動態(tài)變化范圍。