浮式液化天然氣儲(chǔ)存裝置單點(diǎn)系泊水動(dòng)力特性分析＊

謝志添 楊建民 胡志強(qiáng) 謝 彬 王俊榮

（1.上海交通大學(xué) 上海 200240； 2.中海油研究總院 北京 100028）

謝志添，楊建民，胡志強(qiáng)，等.浮式液化天然氣儲(chǔ)存裝置單點(diǎn)系泊水動(dòng)力特性分析［J］.中國(guó)海上油氣，2015，27（1）：96-101.

近年來(lái)，浮式液化天然氣儲(chǔ)存裝置（FLNG）在深水海域的應(yīng)用有效地避免了管道鋪設(shè)所面臨的技術(shù)難題，已成為開(kāi)發(fā)大型油氣區(qū)以及深水氣田開(kāi)發(fā)可替代方案［1-4］。FLNG船體通常設(shè)計(jì)為類(lèi)似于FPSO的船型結(jié)構(gòu)，但FLNG擁有更大的排水體積以及液化天然氣艙［5］，同時(shí)由于天然氣處理工藝的特殊性，安裝于上甲板的液化工藝設(shè)備有著不同于其他船型的設(shè)計(jì)布局，因此對(duì)直接影響工藝設(shè)備工作效率和安全性的FLNG水動(dòng)力性能有著更加嚴(yán)格的要求。艙內(nèi)液體晃蕩對(duì)FLNG浮體運(yùn)動(dòng)的影響已引起許多人的關(guān)注，如Nam等［6-7］通過(guò)模型試驗(yàn)獲得了在不同液體裝載水平、不同波頻波幅下FLNG的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，其試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果吻合較好；Nasar等［8］通過(guò)模型試驗(yàn)得出如下結(jié)論：在規(guī)則波激勵(lì)下，艙內(nèi)液體晃蕩表現(xiàn)出非線性特征。

FLNG單點(diǎn)系泊系統(tǒng)性能是影響FLNG安全生產(chǎn)、生存的關(guān)鍵技術(shù)之一，它可以使FLNG船體在環(huán)境載荷的作用下進(jìn)行自由轉(zhuǎn)動(dòng)，以規(guī)避惡劣環(huán)境對(duì)船體帶來(lái)的負(fù)面影響，這就是風(fēng)標(biāo)效應(yīng)的作用［9］。因此，在極限海況下FLNG單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的安全性應(yīng)更加關(guān)注。筆者以中海油研究總院和中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院共同設(shè)計(jì)的計(jì)劃作業(yè)于南海1 500 m水深海域的一艘單點(diǎn)系泊FLNG設(shè)計(jì)方案為對(duì)象，開(kāi)展了水池模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算研究，通過(guò)模型試驗(yàn)獲取了FLNG水動(dòng)力性能結(jié)果，并在頻域和時(shí)域范圍對(duì)FLNG水動(dòng)力特性以及艙內(nèi)液體晃蕩對(duì)其的影響進(jìn)行了研究，重點(diǎn)分析了單點(diǎn)系泊條件下FLNG的水動(dòng)力性能以及極限海況下單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的安全性，以期為未來(lái)FLNG的自主設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 FLNG水池模型試驗(yàn)

1.1 FLNG船體

所設(shè)計(jì)的FLNG計(jì)劃作業(yè)于中國(guó)南海海域，作業(yè)水深為1 500 m，水池試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂s尺比選為1∶60，以75%裝載狀態(tài)作為研究裝載狀態(tài)，F(xiàn)LNG船體相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。試驗(yàn)分固體和液體2種裝載方式，以研究FLNG液化天然氣艙內(nèi)液體晃蕩對(duì)船體運(yùn)動(dòng)的影響。

表1 FLNG船體基本參數(shù)Table 1 Principal scantlings of the FLNG vessel

圖1 FLNG船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.1 Blueprint of the FLNG vessel

1.2 系泊系統(tǒng)

所設(shè)計(jì)的FLNG其系泊系統(tǒng)選用的錨鏈分3組，每組6根，總計(jì)18根，錨鏈頂端的預(yù)張力為5 000 k N。FLNG錨鏈原設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2，錨鏈布置見(jiàn)圖2。此外，為了降低建造成本，在滿足安全系數(shù)的前提下，提出對(duì)現(xiàn)有系泊系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，將原方案中每組錨鏈數(shù)目減少1根，同時(shí)錨鏈各段長(zhǎng)度、軸向剛度以及海底錨泊點(diǎn)位置均有不同程度調(diào)整，但錨鏈各段材質(zhì)、破斷載荷、外徑和水下重度均保持不變。FLNG錨鏈優(yōu)化后參數(shù)見(jiàn)表3。

表2 FLNG錨鏈原設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Parameters of the FLNG mooring lines for prototype design

圖2 FLNG錨鏈布置示意圖Fig.2 Sketch map of the FLNG mooring lines arrangement

表3 FLNG錨鏈優(yōu)化后參數(shù)Table 3 Parameters of the FLNG mooring lines for optimization design

1.3 海洋環(huán)境條件

試驗(yàn)共采用了3種不規(guī)則波，不規(guī)則波采用JONSWAP譜，作業(yè)工況下（一年一遇季風(fēng)）的譜峰因子γ=2.0，生存工況下（百年一遇臺(tái)風(fēng)）的譜峰因子γ=2.4，風(fēng)浪流方向組合為風(fēng)180°、浪150°、流180°。所選取的南海不規(guī)則波海洋環(huán)境參數(shù)見(jiàn)表4，F(xiàn)LNG試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵?jiàn)圖3。

表4 本文所選取的南海不規(guī)則波海洋環(huán)境參數(shù)Table 4 Irregular sea conditions in South China Sea selected in this paper

圖3 FLNG試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭DFig.3 Sketch map of the FLNG vessel in model test

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

水池模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算均模擬了對(duì)應(yīng)于實(shí)際海況3 h（模型試驗(yàn)24 min）下的環(huán)境條件，獲得了FLNG船體在相應(yīng)海況下的六自由度運(yùn)動(dòng)時(shí)歷以及系泊錨鏈頂端張力時(shí)歷。

2.1 頻域分析

在白噪聲試驗(yàn)中，對(duì)固體裝載和液體裝載的FLNG水動(dòng)力特征進(jìn)行了模擬。FLNG采用水平系泊方式，模擬了180°和150°兩個(gè)方向上的波浪。通過(guò)數(shù)據(jù)處理，得到了FLNG在150°波浪下的橫搖以及在180°波浪下的縱搖、垂蕩運(yùn)動(dòng)的幅值響應(yīng)算子，其結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 在白噪聲海況下FLNG運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)算子Fig.4 FLNG motion response amplitude operation in condition of white noise sea state

由圖4a可以看出：在固體裝載條件下，F(xiàn)LNG的橫搖運(yùn)動(dòng)在波浪周期25 s附近表現(xiàn)出了顯著的響應(yīng)；在液體裝載條件下，F(xiàn)LNG橫搖運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)峰值為固體裝載時(shí)的47.4%，這說(shuō)明艙內(nèi)液體晃蕩使得該型FLNG的橫搖運(yùn)動(dòng)在波頻范圍表現(xiàn)出較固體裝載更小的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。需要注意的是，在2種裝載條件下，F(xiàn)LNG的橫搖運(yùn)動(dòng)在波浪周期40～60 s范圍內(nèi)都存在一定的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性，這是與傳統(tǒng)FPSO所不同的。因此，在實(shí)際海況中，該型FLNG的橫搖運(yùn)動(dòng)會(huì)表現(xiàn)出一定的低頻響應(yīng)特性，這和FLNG巨大的排水體積和水線面積有一定的聯(lián)系。

由圖4b、c可以看出：艙內(nèi)液體晃蕩對(duì)該型FLNG的縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)的影響較小。這是因?yàn)椋簩?duì)于縱搖運(yùn)動(dòng)，縱向布置的多個(gè)液艙能夠顯著削弱艙內(nèi)液體的晃蕩對(duì)縱搖運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的影響；對(duì)于垂蕩運(yùn)動(dòng)，船體排水量和水線面積起著主要作用，與裝載條件關(guān)系很小。因此，艙內(nèi)液體晃蕩對(duì)該型FLNG的橫搖運(yùn)動(dòng)影響較大，對(duì)縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)影響較小。

通過(guò)數(shù)值計(jì)算軟件SESAM對(duì)FLNG船體進(jìn)行數(shù)值建模，在同樣條件下對(duì)75%固體載況下FLNG水動(dòng)力性能進(jìn)行計(jì)算，獲得了該載況下的幅值響應(yīng)算子RAO，并與相應(yīng)模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，如圖5所示。從圖5可以看出，數(shù)值計(jì)算結(jié)果和模型試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，表明該FLNG數(shù)值模型可以為之后的數(shù)值計(jì)算提供較好的基礎(chǔ)。

2.2 運(yùn)動(dòng)時(shí)歷分析

水池模型試驗(yàn)?zāi)M了南海百年一遇臺(tái)風(fēng)的海洋環(huán)境條件，采集了單點(diǎn)系泊下的FLNG船體六自由度運(yùn)動(dòng)時(shí)歷，在時(shí)域范圍對(duì)FLNG水動(dòng)力特性以及艙內(nèi)液體晃蕩帶來(lái)的影響進(jìn)行了研究。

為了維持作業(yè)效率，F(xiàn)LNG在一年一遇季風(fēng)條件下通常會(huì)進(jìn)行正常的生產(chǎn)作業(yè)，因此在該條件下FLNG水動(dòng)力性能（尤其是橫搖運(yùn)動(dòng)）對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的安全性有著至關(guān)重要的影響。一年一遇和百年一遇海況下FLNG模型試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)歷統(tǒng)計(jì)結(jié)果分別見(jiàn)表5、6。同時(shí)對(duì)固體裝載的FLNG進(jìn)行了數(shù)值時(shí)歷計(jì)算，獲得了六自由度運(yùn)動(dòng)時(shí)歷。受篇幅所限，這里僅給出了百年一遇海況下FLNG固體裝載下運(yùn)動(dòng)時(shí)歷數(shù)值計(jì)算結(jié)果，如表7所示。

由表5可以看出：在固體裝載條件下，F(xiàn)LNG在一年一遇海況下的橫搖運(yùn)動(dòng)幅值的標(biāo)準(zhǔn)差為0.08°；在液體裝載條件下，F(xiàn)LNG在一年一遇海況下的橫搖運(yùn)動(dòng)幅值的標(biāo)準(zhǔn)差為0.14°，較固體裝載結(jié)果有顯著提升。艙內(nèi)液體晃蕩對(duì)FLNG的其他運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響較小，和頻域分析結(jié)果相一致。

圖5 在白噪聲海況下FLNG模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)算子Fig.5 FLNG motion response amplitude operation by model test and numerical calculation in condition of white noise sea state

由表6可以看出：在百年一遇海況下，F(xiàn)LNG在2種裝載下的六自由度運(yùn)動(dòng)均較一年一遇季風(fēng)條件有著顯著的提升。艏搖運(yùn)動(dòng)幅值在百年一遇海況下顯著增加，說(shuō)明了該型FLNG在該惡劣海況下的風(fēng)標(biāo)效應(yīng)有所減弱，進(jìn)而帶來(lái)了更大的船體和浪向間的夾角，加劇了橫搖運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)。在固體裝載條件下，F(xiàn)LNG橫搖運(yùn)動(dòng)幅值的標(biāo)準(zhǔn)差為0.73°；在液體裝載條件下，F(xiàn)LNG橫搖運(yùn)動(dòng)幅值的標(biāo)準(zhǔn)差為0.50°，較固體裝載結(jié)果有明顯下降。艙內(nèi)液體晃蕩在百年一遇海況下對(duì)該型FLNG起到了減搖的作用，這和頻域分析得到的結(jié)果相一致，和一年一遇季風(fēng)條件下的時(shí)歷統(tǒng)計(jì)結(jié)果相反。FLNG橫搖運(yùn)動(dòng)和艙內(nèi)液體晃蕩相互耦合，表現(xiàn)出非線性響應(yīng)特征，與此同時(shí)，艙內(nèi)液體晃蕩的周期和相位又與不同海況下的波浪周期和相位相關(guān)聯(lián)。所以，在上述2種海況條件下，艙內(nèi)液體晃蕩對(duì)該型FLNG橫搖運(yùn)動(dòng)的影響呈現(xiàn)出不同的影響趨勢(shì)，其具體原因還需要在今后加以深入研究。需要注意的是，顯著增加的環(huán)境載荷和因此削弱的船體風(fēng)標(biāo)效應(yīng)共同作用使得船體表現(xiàn)出較為明顯的水平慢漂運(yùn)動(dòng)，因此對(duì)系泊系統(tǒng)的水平剛度和單根纜的強(qiáng)度提出了較高的要求。

由表7可以看出：FLNG75%的固體載況在南海百年一遇海況下六自由度運(yùn)動(dòng)時(shí)歷統(tǒng)計(jì)的數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，表明該FLNG數(shù)值模型可為之后的時(shí)域計(jì)算提供較好的基礎(chǔ)。

表5 一年一遇海況下FLNG模型試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)歷統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 5 Motion time series of FLNG model test in condition of the 1-year return sea state

表6 百年一遇海況下FLNG模型試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)歷統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 6 Motion time series of FLNG model test in condition of the 100-year return sea state

表7 百年一遇海況下FLNG固體裝載下運(yùn)動(dòng)時(shí)歷數(shù)值計(jì)算結(jié)果Table 7 Motion time series by numerical caculation for FLNG with solid loads in condition of the 100-year return sea state

2.3 系泊纜張力時(shí)歷分析

通過(guò)數(shù)值計(jì)算軟件SESAM對(duì)所設(shè)計(jì)的FLNG進(jìn)行數(shù)值建模和系泊纜張力時(shí)歷計(jì)算，獲得了百年一遇海況下錨鏈頂端載荷的時(shí)歷數(shù)據(jù)，同時(shí)提出了系泊系統(tǒng)的優(yōu)化方案，利用校正過(guò)的數(shù)值模型對(duì)該方案進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并對(duì)其在極限海況下的安全性進(jìn)行了討論。這里選取了承受載荷最大的纜繩（為圖2中纜編號(hào)16）作為分析對(duì)象，原設(shè)計(jì)FLNG錨鏈頂端載荷試驗(yàn)時(shí)歷最大值、最小值、平均值分別為8.16、2.60、5.58 MN；數(shù)值計(jì)算時(shí)歷最大值、最小值、平均值分別為8.30、3.37、5.54 MN，優(yōu)化后錨鏈頂端載荷數(shù)值計(jì)算最大值、最小值、平均值分別為8.61、3.45、5.75 MN。

在原設(shè)計(jì)中，系泊纜的破斷載荷為19.29 MN，百年一遇海況下系泊錨鏈頂端最大載荷的模型試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果分別為8.16 MN和8.30 MN，在這種極限海況下，原設(shè)計(jì)系泊方案能夠滿足安全系數(shù)為2.32的要求。優(yōu)化方案的錨鏈頂端最大載荷的數(shù)值計(jì)算結(jié)果為8.61 MN，較原設(shè)計(jì)方案大，在這種極限海況下也能夠滿足安全系數(shù)為2.24的要求。考慮到FLNG作業(yè)海域的水深，較長(zhǎng)的錨鏈將導(dǎo)致其高昂的建造單價(jià)，所以本文提出的系泊系統(tǒng)優(yōu)化方案在滿足一定安全裕度的條件下能夠通過(guò)減少系泊錨鏈數(shù)目顯著地降低建造成本，這對(duì)現(xiàn)階段FLNG的自主設(shè)計(jì)提供了一定的參考依據(jù)。

3 結(jié)論及建議

1）水池模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算表明，所設(shè)計(jì)的計(jì)劃作業(yè)于南海1 500 m水深海域的FLNG的橫搖運(yùn)動(dòng)在低頻范圍有較為明顯的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性，建議在今后的研究中要對(duì)該型FLNG的橫搖運(yùn)動(dòng)低頻響應(yīng)多加關(guān)注。

2）在頻域分析中，艙內(nèi)液體晃蕩使得所設(shè)計(jì)的FLNG的橫搖運(yùn)動(dòng)在波頻范圍表現(xiàn)出較固體裝載更小的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)；在時(shí)域分析中，艙內(nèi)液體晃蕩在南海一年一遇海況下加劇了該型FLNG的橫搖運(yùn)動(dòng)，在百年一遇海況下削弱了該型FLNG的橫搖運(yùn)動(dòng)，其具體原因還有待今后加以研究。

3）艙內(nèi)液體晃蕩對(duì)所設(shè)計(jì)的FLNG的縱搖、垂蕩、縱蕩、橫蕩以及艏搖運(yùn)動(dòng)影響較小。

4）本文提出的系泊系統(tǒng)優(yōu)化方案在滿足一定安全裕度的條件下能夠通過(guò)減少系泊錨鏈數(shù)目顯著地降低建造成本，這對(duì)現(xiàn)階段FLNG的自主設(shè)計(jì)提供了一定的參考依據(jù)。

［1］趙文華，楊建民，胡志強(qiáng)，等.大型浮式液化天然氣開(kāi)發(fā)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.中國(guó)海上油氣，2013，25（1）：82-86.Zhao Wenhua，Yang Jianmin，Hu Zhiqiang，et al.Status of key technology and developing tendency for FLNG［J］.China Offshore Oil and Gas，2013，25（1）：82-86.

［2］李昭偉.南海東部地區(qū)近10年油氣勘探進(jìn)展及新領(lǐng)域分析［J］.中國(guó)海上油氣，2008，20（6）：357-361.Li Zhaowei.An analysis of the last 10 years'progress and new domains in petroleum exploration in the eastern South China Sea［J］.China Offshore Oil and Gas，2008，20（6）：357-361.

［3］余建星，王爾芳，晉文超，等.FLNG／FLPG新型裝置設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法研究［J］.中國(guó)海上油氣，2012，24（3）：61-65.Yu Jianxing，Wang Erfang，Jin Wenchao，et al.Research on risk assessment method of FLNG／FLPG installation's equipments［J］.China Offshore Oil and Gas，2012，24（3）：61-65.

［4］Zhao Wenhua，Yang Jianmin，Hu Zhiqiang，et al.Recent developments on the hydrodynamics of floating liquid natural gas（FLNG）［J］.Ocean Engineering，2011，38：1555-1567.

［5］Zhao Wenhua，Hu Zhiqiang，Yang Jianmin，et al.Investigation on sloshing effects of tank liquid on the FLNG vessel responses in frequency domain［J］.Journal of Ship Mechanics，2011，15（3）：227-237.

［6］NAM B W，KIM Y.Effects of sloshing on the motion response of LNG-FPSO in waves［D］.Plitvice，Croatia，2007.

［7］NAM B W，KIM Y，KIM D W.Nonlinear effects of sloshing flows on ship motion［R］∥Proceedings of the 21st International Workshop on Water Waves and Floating Bodies.Loughborough，UK，2006.

［8］NASAR T，SANNAS S A，SUNDAR V.Experimental study of liquid sloshing dynamics in a barge carrying tank［J］.Journal of Fluid Dynamics Research，2008，40（6）：427-458.

［9］劉志剛，何炎平.FPSO轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)的技術(shù)特征及發(fā)展趨勢(shì)［J］.中國(guó)海洋平臺(tái)，2006，21（5）：1-6.Liu Zhigang，He Yanping.The technical characteristics and development trend of FPSO turret mooring systems［J］.China Offshore Platform，2006，21（5）：1-6.