不同系泊纜組合對FLNG單點系泊系統特性的影響

張 鼎 徐陽光

(中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011)

FLNG(浮式液化天然氣生產儲卸裝置)是海上LNG(液化天然氣)領域的新增長點，它能夠漂浮在海上，具有開采、處理、液化天然氣的功能，可儲存和裝卸LNG，并通過LNG穿梭船運輸海上天然氣[1-2]。FLNG采用單點系泊系統長期系泊于作業海域，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，在設計初期選定較優的系泊纜材質、規格、長度及預張力等參數對于確定FLNG的總體布置方案至關重要。目前，在浮式平臺系泊系統設計初期大多采用靜平衡方法，計算系泊纜的有關參數及系泊纜的預張力，雖然在多數情況下可滿足工程應用的要求，但也存在未考慮系泊纜的彈性和系泊張力的動力特性的缺點[3]。此外，目前關于系泊纜的相關研究多為單獨介紹浮式結構物采用鋼纜組合或聚酯纜組合時系泊系統的特性及計算分析[4-6]，而針對FLNG分別采用鋼纜組合或聚酯纜組合時的特性對比研究則鮮見報道。

本文以某230 000 m3FLNG系泊系統為研究對象，首先介紹了單點系泊系統設計的關鍵要素，然后采用時域計算方法對該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特性進行了分析，在此基礎上對系泊纜參數進行了優選，并對比分析了2種方案下系泊系統的張力和轉塔偏移量等特性。最后進一步對比了聚酯纜張緊式系泊系統與懸鏈線式系泊系統的特性。相關結論可為單點系泊系統的合理選型及設計提供參考。

1 單點系泊系統設計

1.1 單點系泊系統設計分析方法

由于FLNG配置單點系泊系統，在風標效應下，FLNG需能承受較大的首搖運動，且其運動響應是一個時域范圍內的動態響應過程。因此，需采用時域計算方法對FLNG單點系泊系統進行計算分析，求解其在外力作用下的平均、低頻和波頻組合響應的運動方程式。推薦的單點系泊系統設計分析程序[7]如下：①確定最大設計工況和作業工況的環境標準，包括風速、流速、有義波高和周期、風暴持續時間以及風譜和波譜等；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張力等；③確定風力和海流力系數；④采用系泊系統時域分析程序，進行風暴持續期間的時域模擬分析，即采用不同的種子值，重復模擬若干次，用以生成波浪和風的時域史；⑤采用統計分析技術，計算系泊系統的偏移、系泊纜張力、錨的負荷和躺在海底的系泊纜長度的極限值；⑥將步驟⑤得到的相關計算值與設計衡準比較，如果不滿足衡準，則修改系泊系統設計重新分析。

1.2 FLNG系泊系統布置概況

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采用內轉塔式單點系泊，共有18根內轉塔系泊纜，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 環境條件

本文FLNG的作業水深約1 500 m，分析時考慮極端生存工況下的環境條件，具體參數見表1。其中，所采用的浪譜為Jonswap譜，風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境條件參數

根據BV規范[8]，FLNG系泊系統設計考慮以下3種海況組合：①浪主導，風、浪相對角為-45°～45°,流、浪相對角30°～-30°；②風主導，風、浪相對角為-45°～45°,流、浪相對角30°～-30°；③流主導，風、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系泊配置[9],在此基礎上采用BV系泊分析軟件Ariane進行浪向角分析，得到浪與船的相對角關系(圖3)，從而確定在不同風、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系,給出兩者相對夾角的包絡線,根據此包絡線確定運動性能分析的環境條件[7]。并在此單點系泊配置和環境條件基礎上進行系泊計算，得到了系泊纜繩張力等計算結果，基于分析結果選取了12種危險海況(表2)，即系泊纜繩張力最大或轉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海況

2 懸鏈線式系泊系統特性

傳統的鋼制系泊纜組合(錨鏈—鋼纜—錨鏈)通常適用于1 000 m以內水深的浮式裝置定位，當水深進一步增大后，其不足逐漸暴露，如系泊系統重量較大，占用浮體較大的儲備浮力等。當水深超過1 000 m時，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)系泊系統進行定位[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開展系泊特性分析。

2.1 系泊纜參數

針對某230 000 m3FLNG懸鏈線式系泊系統，中間纜分別采用鋼纜和聚酯纜，長度取2 000～5 000 m，預張力大小取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懸鏈線式系泊系統系泊纜材料屬性

2.2 不同中間纜組合的系泊系統特性

2.2.1系泊特性變化規律

基于初選的不同中間纜長度、預張力組合及材料屬性(表3)和給定的風、浪、流環境條件(表2)，采用BV系泊分析軟件Ariane，通過時域計算方法，模擬了3 h內系泊系統的運動響應，得到FLNG在不同系泊纜組合下的系泊纜最小安全系數、FLNG所受環境載荷及最小躺底長度的變化規律(圖4～6)。纜繩安全系數為破斷載荷與纜繩最大張力的比值，根據BV規范[8]，在纜繩完整狀態下，系泊纜最小安全系數應大于1.75，最小躺底長度應大于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，隨著預張力增大，其系泊纜最小安全系數和最小躺底長度整體上呈先增大后減小趨勢，FLNG所受環境載荷逐漸變??；而對于聚酯纜懸鏈線式系泊系統，其系泊纜最小安全系數和最小躺底長度則隨預張力增大而逐漸減?。?種布置方案下，中間纜為聚酯纜方案相對鋼纜方案，FLNG所受的環境載荷相對較小，但變化規律較復雜。

圖4 某230 000 m3 FLNG懸鏈線式系泊系統系泊纜最小安全系數與預張力關系

對于鋼纜懸鏈線式系泊系統，當中間纜繩長2 500 m時，絕大部分安全系數均滿足要求，且預張力為5 000 kN時，FLNG所承受的環境載荷(風、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選取中間纜繩長2 500 m、預張力5 000 kN。該組合對應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，故可將底部錨鏈長度設為1 000 m。

圖5 某230 000 m3 FLNG采用懸鏈式系泊系統所受環境載荷與預張力關系

圖6 某230 000 m3 FLNG懸鏈線式系泊系統系泊纜最小躺底長度與預張力關系

對于聚酯纜懸鏈線式系泊系統，當中間纜繩長4 000 m時，系泊纜安全系數均滿足要求，同時變化趨勢平緩，且預張力為5 000 kN時，FLNG所受環境載荷較小。因此，對于中間纜為聚酯纜的懸鏈線式系泊系統選取的組合為中間纜繩長4 000 m、預張力5 000 kN。該組合對應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，故可將底部錨鏈長度同樣設為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算分析，發現2種系泊方案下最危險的海況組合均為表2中的第2種海況，且鋼纜方案下，FLNG所受的環境載荷較大。根據上述對比結果和環境載荷大小，得到2種中間纜方案的懸鏈線式系泊系統的系泊纜參數(表4)。對比表3、4，可以看出，經優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，其系泊纜總長分別為3 600、5 100 m，預張力均為5 000 kN，其系泊狀態示意圖如圖7所示(以鋼纜為例)。

表4 某230 000 m3 FLNG懸鏈線式系泊系統優化后的系泊纜材料參數

圖7 某230 000 m3 FLNG懸鏈線式系泊系統狀態示意圖

進一步對優選后的2種懸鏈線式系泊系統布置方案進行了系泊特性分析，得到不同方案組合下系泊纜最大軸向拉力、最小安全系數、最小躺底長度及最大轉塔偏移量(表5)。可見2種方案下的系泊系統設計均滿足規范要求。中間纜采用聚酯纜時，系泊纜最大張力和轉塔最大偏移量均比采用鋼纜時要小，但系泊纜最小躺底長度要大。中間纜采用鋼纜時錨更容易定位，但因其纜繩自重較大，在工作水深不斷增加時，需使錨泊系統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，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2種中間纜方案系泊特性對比

3 聚酯纜張緊式系泊系統特性

聚酯纜張緊式系泊系統目前已在半潛式生產平臺上得到廣泛運用[10]，但在FPSO、FLNG等船型裝置上的運用研究則少見報道。為了進一步研究FLNG采用聚酯纜張緊式系泊系統的可行性，在聚酯纜懸鏈線式系泊系統基礎上，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(圖8)。

圖8 某230 000 m3 FLNG聚酯纜張緊式系泊系統狀態示意圖

對聚酯纜張緊式系泊系統的計算分析所選取的環境條件與懸鏈線式系泊系統相同，選取的系泊纜參數如表6所示，且預張力同為5 000 kN。同樣通過時域計算方法，模擬了3 h內系泊系統的運動響應，得到系泊纜最大軸向拉力、最小安全系數、最小躺底長度及最大轉塔偏移量(表7)。可見，采用聚酯纜的張緊式系泊系統同樣滿足方案設計的要求。

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特性計算結果

對比表4及表6，可以看出，與聚酯纜懸鏈線式系泊系統相比，聚酯纜張緊式系泊系統的纜繩規格較大，總成本優勢不大。

因此，FLNG系泊系統是采用鋼纜懸鏈線式系泊系統還是聚酯纜懸鏈線式系泊系統亦或是聚酯纜張緊式系泊系統等，需綜合考慮多方面因素，如經濟性、作業安全性、船東需求等。

4 結論

1)對于懸鏈線式鋼纜布置方案，隨著預張力的逐漸增大，最小安全系數和最小躺底長度先變大后變小，且FLNG所承受的環境載荷逐漸變小；對于懸鏈線式聚酯纜布置方案，隨著預張力的逐漸增大，最小安全系數和最小躺底長度逐漸變小，FLNG所承受的環境載荷比鋼纜方案的小，但變化規律較復雜；中間纜采用聚酯纜時，最大系泊纜張力和轉塔最大偏移量均比采用鋼纜時要小，但系泊纜最小躺底長度要大；中間纜采用鋼纜時，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，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相比，聚酯纜張緊式系泊系統的纜繩規格較大，總成本優勢不大，本文中FLNG采用張緊式聚酯纜布置方案時系泊纜組合的長度、尺寸等是否能進一步優化，在今后的工作中還需進一步研究。