10 000 m3LNG-FSRU系泊分析

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(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津 300452；2.天海融合防務(wù)裝備技術(shù)股份有限公司，上海 201612)

10 000 m3LNG-FSRU系泊分析

鄭坤1,楊波1,白鑫2,雷坤2

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津 300452；2.天海融合防務(wù)裝備技術(shù)股份有限公司，上海 201612)

運(yùn)用水動(dòng)力軟件Araine預(yù)報(bào)一艘LNG-FSRU系泊系統(tǒng)的纜繩張力和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，分析淺水效應(yīng)、環(huán)境載荷以及纜繩布置對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果的影響，結(jié)果表明，二階力波浪計(jì)算時(shí)需考慮淺水效應(yīng)；合理設(shè)置環(huán)境載荷是設(shè)計(jì)LNG-FSRU系泊系統(tǒng)的關(guān)鍵；調(diào)整纜繩長(zhǎng)度及夾角是減小張力的有效方式。

LNG-FSRU；系泊系統(tǒng)；淺水效應(yīng)；環(huán)境載荷

LNG-FSRU將LNG運(yùn)到專(zhuān)用靠泊碼頭后，通過(guò)管線(xiàn)將LNG輸送上岸。正常狀況下，F(xiàn)SRU由系泊系統(tǒng)與碼頭相連，進(jìn)行LNG的儲(chǔ)存、再氣化和輸出工作；卸料時(shí)，F(xiàn)SRU與LNG并聯(lián)連接，通過(guò)卸料臂或者卸料軟管將LNG接收卸載[1-3]。一方面，天然氣具有易燃易爆的特點(diǎn)，必須保障船舶作業(yè)時(shí)的安全；另一方面，LNG-FSRU需要長(zhǎng)期靠泊碼頭，要盡量減少其離港避風(fēng)的次數(shù)以保障供氣，因此，研究LNG-FSRU系泊系統(tǒng)布置對(duì)LNG-FSRU研發(fā)與建造具有重要意義。

在總結(jié)已有的研究成果[4-9]的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種LNG-FSRU系泊方案，運(yùn)用水動(dòng)力軟件Ariane對(duì)系泊系統(tǒng)張力以及運(yùn)動(dòng)進(jìn)行預(yù)報(bào)，分析纜繩布置對(duì)系泊張力的影響以及淺水效應(yīng)、環(huán)境載荷等對(duì)系泊纜繩張力的影響。

1 計(jì)算原理

1.1 系泊計(jì)算的基本原理

系泊計(jì)算主要求解海洋結(jié)構(gòu)物在環(huán)境載荷下的偏移和系泊索張力，其運(yùn)動(dòng)方程為

(1)

(2)

Fx=FHx+FMx+FBx+FDx+FWx+FCx+FOx

(3)

Fy=FHy+FMy+FBy+FDy+FWy+FCy+FOy

(4)

Mz/G=MHz+MMz+MBz+MDz+MWz+MCz+MOz

(5)

式中：H為水動(dòng)力載荷；M為系/錨泊載荷；B為阻尼載荷；D為波浪慢漂載荷；C為流載荷；W為風(fēng)載荷；O為其他不可忽略的載荷如立管、側(cè)推、護(hù)舷。

1.2 系泊分析方法及Ariane系泊預(yù)報(bào)原理

當(dāng)前主要采用準(zhǔn)靜力分析法和動(dòng)力分析法。動(dòng)力分析法分為頻域法和時(shí)域法。頻域法比較簡(jiǎn)便，但在實(shí)際應(yīng)用中極少使用[10]。Ariane采用時(shí)域分析法。

Ariane預(yù)報(bào)原理見(jiàn)圖1。

圖1 Ariane系泊分析的基本思路

2 分析案例

2.1 船型參數(shù)及環(huán)境工況

選擇在南海海域三沙島附近系泊作業(yè)的LNG-FSRU，入CCS級(jí)。船舶主尺度及主要特征參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 船舶主尺度及主要特征參數(shù)

本船共布置纜繩18根，沿船長(zhǎng)方向?qū)ΨQ(chēng)分布。其中艏艉纜各3根，橫纜6根，倒纜6根，系泊布置見(jiàn)圖2。

圖2 系泊布置示意

2.2 計(jì)算模型

建立船體濕表面模型，網(wǎng)格數(shù)2 000，排水量與實(shí)船的誤差不大于0.1%，浮心位置與實(shí)船的誤差不大于0.1%/L，能夠在水動(dòng)力意義上準(zhǔn)確地描述實(shí)船的形狀。

LNG靠泊碼頭一般采用開(kāi)敞式碼頭，呈蝶形狀。為了考慮船舶與碼頭之間的作用，額外加了4根橫向虛擬纜繩。

2.3 風(fēng)浪流參數(shù)

系泊方案設(shè)計(jì)時(shí)一般考慮2種工況：風(fēng)暴自存工況和作業(yè)工況。本船為無(wú)動(dòng)力船舶，為了讓本船在惡劣海況下仍具備自存能力，設(shè)計(jì)系泊方案時(shí)海況按船舶作業(yè)海域的最?lèi)毫雍r設(shè)計(jì)。本船作業(yè)在南海三沙島附近海域，風(fēng)暴自存工況環(huán)境載荷取百年一遇的浪以及對(duì)應(yīng)的風(fēng)和流；作業(yè)工況環(huán)境載荷取1年一遇的浪以及對(duì)應(yīng)的風(fēng)和流[11]，對(duì)應(yīng)的風(fēng)浪流參數(shù)如表2所示。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

選取滿(mǎn)載工況進(jìn)行系泊分析，工況信息見(jiàn)表3。

3.1 二階波浪力

風(fēng)載荷、流載荷通常按定常力考慮，波浪載荷需采用水動(dòng)力軟件直接計(jì)算。進(jìn)行系泊分析前，運(yùn)用HydroStar計(jì)算船舶低頻二階波浪力傳遞函數(shù)，見(jiàn)圖3～5。

表2 海洋環(huán)境條件

表3 工況信息

圖3 橫向二階波浪力Fx

圖4 縱向二階波浪力Fy

圖5 艏搖二階波浪力Mz

3.2 纜繩張力

取表2對(duì)應(yīng)的風(fēng)暴自存工況風(fēng)浪流參數(shù)，浪向取船寬方向，風(fēng)向和流向取船長(zhǎng)方向。為了消除瞬態(tài)效應(yīng)，進(jìn)行多次模擬，并取最大值的平均值進(jìn)行安全校核，各纜繩的軸向張力見(jiàn)表4。

表4 纜繩軸向張力 kN

CCS對(duì)系泊索張力安全系數(shù)的要求見(jiàn)表5。

表5 系泊索張力安全系數(shù)[12]

根據(jù)纜繩張力計(jì)算結(jié)果以及CCS的要求，纜繩選用12股編織的超強(qiáng)纖維制纜繩，超強(qiáng)纖維制纜繩具有超高強(qiáng)、低伸長(zhǎng)率、輕質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，纜繩的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表6。

表6 纜繩技術(shù)指標(biāo)

纜繩的安全系數(shù)取1.67，破斷力的極限設(shè)計(jì)值為4 053.9 kN。根據(jù)表4軸向張力統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，布置的纜繩能夠保證本船在極限風(fēng)浪下自存。

4.3 運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

對(duì)于運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，更感興趣的是作業(yè)工況下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，尤其是垂蕩、縱搖和橫搖。取表2對(duì)應(yīng)的作業(yè)工況風(fēng)浪流參數(shù)，系泊以及非系泊狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)極值見(jiàn)表7。

表7 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

注：垂蕩幅值轉(zhuǎn)換為相對(duì)于水線(xiàn)面(Z=4.60 m)幅值。

各運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的時(shí)歷曲線(xiàn)如圖6所示。

圖6 時(shí)歷曲線(xiàn)

從預(yù)報(bào)結(jié)果可以看出，系泊狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)幅值均比自由狀態(tài)小，縱搖減小幅度最大，垂蕩、橫搖減小幅度略小，這是因?yàn)橄挡聪到y(tǒng)對(duì)各運(yùn)動(dòng)阻尼貢獻(xiàn)不同。

3.4 影響纜繩張力的因素

1)淺水效應(yīng)。本船作業(yè)碼頭水深為20 m，屬淺水水域，波浪二階力會(huì)受到淺水效應(yīng)的影響，從而影響系泊力。為了分析淺水效應(yīng)的影響，在其他設(shè)置保持一致的情況下，分別計(jì)算有義波高為2 m和3 m下的各纜繩張力，見(jiàn)圖7。

圖7 淺水效應(yīng)對(duì)纜繩張力的影響

從圖7可知，2種情形考慮淺水效應(yīng)計(jì)算的纜繩張力均比不考慮淺水效應(yīng)大，約11%。這說(shuō)明淺水水域的系泊不可忽略淺水效應(yīng)的影響。

2)環(huán)境載荷。對(duì)于碼頭系泊，環(huán)境載荷的設(shè)置關(guān)鍵在于波浪參數(shù)的選擇。計(jì)算表2對(duì)應(yīng)的風(fēng)暴自存工況4下的風(fēng)、流以及不同有義波高下各纜繩的張力，結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 環(huán)境載荷對(duì)纜繩張力的影響

圖8表明，波浪有義波高對(duì)纜繩張力張力影響很大，對(duì)于有自航能力的船舶，系泊設(shè)計(jì)時(shí)按作業(yè)工況設(shè)計(jì)，合理選擇波浪有義波高是關(guān)鍵。

3)纜繩布置。主要包括纜繩長(zhǎng)度以及角度2方面，以10號(hào)纜繩(倒纜)為例，分別計(jì)算不同纜繩長(zhǎng)度以及夾角的張力，結(jié)果分別見(jiàn)圖9、10。

圖9 纜繩長(zhǎng)度對(duì)纜繩張力的影響

圖10 纜繩角度對(duì)纜繩張力的影響

從圖9、10可見(jiàn)，纜繩越長(zhǎng)，張力越小；纜繩與碼頭的夾角越小，張力越小，但纜繩長(zhǎng)度與夾角往往受到碼頭布局的限制。

4 結(jié)論

1)根據(jù)船舶作業(yè)海域合理設(shè)置環(huán)境載荷尤其是波浪參數(shù)是設(shè)計(jì)LNG-FSRU系泊系統(tǒng)的關(guān)鍵。

2)淺水水域系泊設(shè)計(jì)時(shí)考慮淺水效應(yīng)很有必要。

3)倒纜的張力過(guò)大，調(diào)整其長(zhǎng)度與夾角是一種有效方式。纜繩越長(zhǎng)，纜繩的張力越小；與碼頭的夾角越小，纜繩的張力越小。

[1] 馬繼紅，梁金鵬，陳營(yíng),等．靠岸浮式LNG接收終端的工藝建設(shè)方案研究[J]．山東化工，2013，42(3):49-52．

[2] 張榮,程康,范洪軍,等.LNG運(yùn)輸船作為浮式儲(chǔ)存裝置的適應(yīng)性評(píng)估研究[J].船舶工程,2016(9):47-51.

[3] 張超,黃群,侯建國(guó),等.海上LNG接收終端技術(shù)方案研究[J].海洋技術(shù),2009(2):101-104.

[4] 江濤．浮式LNG 接收終端(FSRU)靠泊方案及碼頭設(shè)計(jì)研究[D]．大連:大連海事大學(xué)，2012．

[5] 周宏康，李欣，楊建民，等.FSRU碼頭系泊模型實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究[J].海洋工程，2017，35(1):12-20.

[6] 畢曉星，劉洋，彭延建，等.浮式儲(chǔ)存氣化裝置系泊系統(tǒng)緊急解脫風(fēng)速研究[J].中國(guó)海上油氣，2017，29(2):162-165.

[7] CHO S，SUNG H，HONG S，et al. Experimental study on the effect of sloshing on side-by-side moored FSRU and LNGC[C]∥ Proceedings of the Twenty-firstInternational Offshore and Polar Engineering Conference.International Society of Offshore and Polar Engineers，2011．

[8] KIM B W，HONG S Y，SUNG H G，et al．Fatigue life assessment of FSRU mooring system[C]∥Proceedings of the Twenty-second International Offshore and Polar Engineering Conference．International Society of Offshoreand Polar Engineers，2012．

[9] 胡毅,胡紫劍,劉元丹,等.基于AQWA的大型LNG船碼頭系泊分析[J].艦船科學(xué)技術(shù),2012(2):70-73，110.

[10] 莫蘭.海洋工程水動(dòng)力學(xué)[M].劉水庚，譯.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2012.

[11] 李焱，唐友剛，趙志娟，等.新型多筒式FDPSO概念設(shè)計(jì)及其系泊系統(tǒng)分析[J].中國(guó)艦船研究，2013，8(5):97-103.

[12] 中國(guó)船級(jí)社.海上浮式裝置入級(jí)規(guī)范[S].北京:中國(guó)船級(jí)社，2014.

Analysis of Mooring System for the 10 000 m3LNG-FSRU

ZHENGKun1,YANGBo1,BAIXin2,LEIKun2

(1.CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Company, Tianjin 300452, China;2.Bestway Marine & Engine Technology Co. Ltd., Shanghai 201612, China)

The tension and motion response of a LNG-FSRU were predicted by using the hydrodynamic software Araine. The effect of shallow water, environment load and arrangement of mooring system was analyzed. The study declared that the shallow water effect must be taken into account when computing the second order wave load; the environment loads reasonably is the key factor of mooring system design; adjusting the length and angle of the cable is an effective mean to minus the tension.

LNG-FSRU; mooring system; shallow water effect; environment loads

U661.3

A

1671-7953(2017)05-0082-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.023

2017-07-12

修回日期：2017-08-31

鄭坤(1987—)，男，工學(xué)碩士，助理工程師

研究方向：船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造