LNG浮式轉接駁平臺離岸距離算例分析

黃國良，周毅，李萌，羅文忠，蒙學昊

(中海油能源發展股份有限公司 采油服務分公司，天津 300452)

1 系統模型參數與分析工況

1.1 系統模型參數

首先確定海上漂浮軟管輸油系統的參數，整個系統主要包括運輸船、LNG浮式轉接駁和漂浮軟管。LNG浮式轉接駁在距離海岸線一定距離時，轉接駁與岸端之間鋪設漂浮軟管，將天然氣輸送到岸上。

浮式轉接駁距離海岸為50～1 000 m，軟管的每根長度為12 m，軟管間采用接頭連接。作業時，LNG船舶分別通過首尾4根系泊纜連接水中浮筒進行定位，轉接駁通過拖輪頂推靠近LNG船后采用其自帶的真空吸附裝置與LNG船舶牢固連接，形成聯合浮體。轉接駁尺度小，重量輕，LNG船可看作其系泊碼頭。以一艘3萬mLNG船為例，開展相關技術分析。該船總長184.7 m，型寬28.1 m，型深15.6 m，系泊水域深15 m。擬用的漂浮軟管最大允許工作壓力1.5 MPa，最小彎曲半徑為3 m，工作溫度范圍為-196 ℃～+40 ℃，內徑20 in，軸向抗拉剛度300 kN。

1.2 分析工況

主要分析不同環境工況對離岸距離在800～2 000 m的范圍內不同輸送軟管長度的響應，選擇最優的輸送管道長度以及合適的離岸距離。

海上漂浮軟管系統仿真計算工況主要包括海況級別、風速、風向、浪向等，海浪選用JONSWAP譜。漂浮軟管系統仿真計算中的風、浪、流工況為風向180°，浪向225°，流向45°，其余見表1。

表1 漂浮軟管系統仿真計算工況

2 分析和仿真計算方法

2.1 分析方法

應用軟件Orcaflex和AQWA，對于轉接駁平臺離岸距離，采用動態分析法，利用有限元軟件分析漂浮軟管在風浪流載荷下的受力變化、漂移量以及軟管上岸端與基準線的夾角。對LNG運輸船、轉接駁、輸送軟管建立模型，利用AQWA-LINE模塊進行頻域分析，計算規則波下LNG船的波浪載荷和響應，基于AQWA軟件計算結果，利用Orcaflex軟件對漂浮軟管、船體、系泊纜繩之間的耦合運動進行時域分析，仿真風浪流環境影響下漂浮軟管的實時運動，得到時域下軟管運動響應的數據。

2.2 計算流程和參數設置

Orcaflex軟件計算的流程見圖1。

圖1 Orcaflex軟件計算流程

構建運輸船舶、浮式轉接駁和漂浮軟管模型，見圖2。

圖2 系統模型構建

對計算參數進行設置，風浪流環境參數相關設置見圖3～5。

圖3 波浪相關參數設置

圖4 海流相關參數設置

圖5 風相關參數設置

運輸船和轉接駁相關參數設置見圖6、7。

圖6 運輸船舶相關參數設置

圖7 浮式轉接駁平臺相關參數設置

系泊錨鏈與漂浮軟管相關參數設置見圖8。

圖8 系泊系統及漂浮軟管相關參數設置

3 仿真結果及數值分析

初步分析,確定軟管兩端點的距離后，軟管所受張力與軟管長度有關。

選定離岸距離分別為800、1 000、1 200、1 400、1 600、1 800、2 000 m，在離岸距離的基礎上依次逐步增加50 m，分別對不同距離上不同長度的輸送軟管進行動態仿真計算。

工況1，不同離岸距離對應漂浮軟管的動態仿真計算結果見表2，同理得到其余各工況的計算結果(略)。

表2 工況1對應漂浮軟管的動態仿真計算結果

分析全部計算結果發現，軟管兩端點的距離確定后，軟管所受張力與軟管長度有關，軟管越長，其所受張力越小，但漂移量越大；軟管長度增加到一定程度后，張力繼續變小、速度放緩，但漂移量持續增大。目前所有轉接駁傳輸方案輸送最遠距離為800 m，在保證安全輸送的情況下，應盡可能考慮經濟性，建議離岸距離選擇800 m。

對離岸距離800 m時不同工況下漂浮軟管進行動態分析。工況2的海況條件是本次分析的海況中環境最差的。不同軟管長度下各項參數的變化見表3。

表3 工況2，離岸距離800 m，不同長度漂浮軟管的仿真計算結果

可見浮式轉接駁平臺與岸上系固點間的漂浮軟管越長，漂浮軟管所受張力越小。但隨著漂移量的增大，當軟管由800 m增至850 m時，漂浮軟管所受張力減小非常明顯，減小約為10%，偏移量增加約為15%。軟管長度由850 m增至900 m時，軟管所受張力減小為7.1%，偏移量增加12.1%。當軟管由900 m增至950 m時，軟管所受張力減小約為6.8%，偏移量增加10.5%?？芍?，漂浮軟管的張力值減小的拐點在850～900 m之間，偏移量的增加值在900 m附近時增加幅度減小。

結合偏移量與漂浮軟管的變化情況初步可以確定漂浮軟管的長度約為900 m，再結合整個遠距離液化天然氣輸送系統的安全性、經濟性的綜合考量，當海上浮式轉接駁平臺距離海岸800 m，浮式轉接駁與岸上系固點之間的漂浮軟管長為900 m時最優。

之后，對各種工況下漂浮軟管的動態數值進行分析與驗證，結果見表4。

表4 漂浮軟管動態仿真數值分析

漂浮軟管最大張力為92.6 kN，對于軸向抗拉強度為300 kN的漂浮軟管在最惡劣海況下的安全系數為3.3，在其他海況下，安全系數均穩定大于規定所要求的3.0，因此在各類海況中都可以保證安全性，海上漂浮軟管可以安全使用。

4 結論

1)海況對漂浮軟管的張力影響呈非線性增長，漂浮軟管的張力最大值在其與海上、岸灘連接端點的位置。

2)建議轉接駁的離岸最遠距離為800 m，綜合考慮系統受力、漂移量等因素，結合整個系統安全性、經濟性的考量，建議配備軟管長度900 m，此時漂移量約為256.4 m，漂浮軟管最大張力為92.6 kN；對于軟管軸向抗拉強度為300 kN時，在惡劣的工況2情況下，其安全系數為3.3，可以安全使用。

3)設計人員可以調整模型參數和重點關注的工況來判斷相漂浮軟管相應的受力和偏移量，進一步估算其安全性和經濟性。