球罐型FSRU系泊布置設(shè)計(jì)與研究

黃習(xí)文， 紀(jì) 瑞

（上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海 200231）

浮式儲(chǔ)存和再氣化裝置（FSRU）一般長期停靠在服務(wù)碼頭，接收來自LNG 運(yùn)輸船內(nèi)的液態(tài)天然氣，然后使用船上再氣化裝置將超低溫液態(tài)天然氣轉(zhuǎn)換成可直接使用的常溫氣態(tài)天然氣，通過管路輸送至岸上電站、工廠等普通終端用戶。

由于球罐型FSRU 的球形貨罐大部分位于甲板以上，使得該類型船側(cè)向受風(fēng)面積較大，在惡劣海況下，纜繩受力情況較常規(guī)船舶更為嚴(yán)峻。本文通過對(duì)目標(biāo)船型系泊系統(tǒng)進(jìn)行分析和布置，并分析該系泊系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下纜繩受力狀況和船舶運(yùn)動(dòng)狀況，確保系泊布置滿足FSRU 碼頭長期系泊要求。

1 FSRU系泊布置

1.1 球罐型FSRU船型主要參數(shù)

本文涉及的FSRU 由一艘艙容137 000 m3的球罐型LNG 船改裝而成，貨艙由5 個(gè)直徑約38 m 的鋁合金球罐組成。FSRU主要參數(shù)如表1所示。

表1 FSRU主要參數(shù)

1.2 FSRU改裝后系泊布置

考慮到FSRU 服務(wù)海區(qū)的海況較惡劣，實(shí)際作業(yè)過程中還需滿足旁靠Q-Flex 大型LNG 船。因此，為確保FSRU 足夠安全，在原船纜繩系泊布置的基礎(chǔ)上，額外增加10 根系泊纜繩。綜合考慮改裝成本，以及原船實(shí)際甲板空間，F(xiàn)SRU 改裝后甲板系泊布置示意圖如圖1所示。

圖1 FSRU改裝后甲板系泊布置示意圖

改造后的系泊布置方案中，艏艉各新增5 根纜繩。如圖1 所示，新增的纜繩具體布置和功能如下。

1）艏部1#系泊絞車副滾筒前增加1 套掣鏈器，纜繩端部使用錨鏈固定，該纜繩做橫纜用。

2）艏部1#系泊絞車旁增加1 臺(tái)單滾筒電動(dòng)系泊絞車，絞車及纜繩規(guī)格與原船保持一致，該纜繩做橫纜用。

3）艏部2#系泊絞車副滾筒前增加1 套掣鏈器，纜繩端部使用錨鏈固定，該纜繩做橫纜用。

4）艏部3#系泊絞車副滾筒前增加2 套掣鏈器，纜繩端部使用錨鏈固定，該2根纜繩做倒纜用。

5）生活區(qū)右前增加1 臺(tái)雙滾筒電動(dòng)系泊絞車，絞車及纜繩規(guī)格與原船保持一致，該2根纜繩做倒纜用。

6）生活區(qū)右后增加1 臺(tái)單滾筒電動(dòng)系泊絞車，絞車及纜繩規(guī)格與原船保持一致，該纜繩做橫纜用。

7）艉部系泊甲板1#系泊絞車副滾筒前增加1套掣鏈器，纜繩端部使用錨鏈固定，該纜繩做橫纜用。

8）艉部系泊甲板2#系泊絞車副滾筒前增加1套掣鏈器，纜繩端部使用錨鏈固定，該纜繩做橫纜用。

圖1中未做說明的，為原船系泊纜繩。

從國際范圍來看，由于自由貿(mào)易區(qū)建設(shè)帶來了更多的經(jīng)濟(jì)和外貿(mào)刺激作用，因此，世界范圍內(nèi)自貿(mào)區(qū)的數(shù)量越來越多，覆蓋的國家及地區(qū)越來越多；且隨著自貿(mào)區(qū)內(nèi)出口貿(mào)易企業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的完善，自貿(mào)區(qū)的功能也開始有了綜合性的發(fā)展；其次，由于世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展在各區(qū)域的差異較大，因此，因地制宜和特色化管理制度的自貿(mào)區(qū)也開始廣泛化發(fā)展[2]。

1.3 FSRU系泊設(shè)備及附件參數(shù)

原船系泊纜繩由鋼絲繩和尼龍尾纜組成，尼龍尾纜長度為11 m。該組合纜繩既能保證足夠的強(qiáng)度，也可以減小過高的剛度。事實(shí)證明，高剛度纜繩（如鋼絲繩和高模量聚乙烯纜繩）在系泊時(shí)，容易造成局部纜繩載荷過大而斷裂的情況，從而影響船舶安全。

改裝后的FSRU 系泊，從系泊絞車引出的纜繩規(guī)格與原船保持一致，尾纜長度改為22 m，以進(jìn)一步降低整套纜繩的剛度。從掣鏈器引出的纜繩為組合纜繩，由直徑50 mm的錨鏈、直徑42 mm的鋼絲繩以及直徑85 mm的尼龍尾纜組成，其中尼龍尾纜長度為22 m，組合纜繩總數(shù)為6根。

2 FSRU 碼頭系泊計(jì)算

2.1 環(huán)境參數(shù)

環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)參考FSRU 服務(wù)海區(qū)海洋數(shù)據(jù)。系泊計(jì)算及分析時(shí)，擬采用如下極限組合工況：①10 年周期浪+10 年周期風(fēng)+5 年周期流；②風(fēng)、浪、流作用力呈線性；③1 小時(shí)平均風(fēng)速采用國際標(biāo)準(zhǔn)組織陣風(fēng)譜。

2.2 系泊分析條件

1）FSRU 吃水及潮高。FSRU 系泊分析時(shí)，擬采用如下吃水狀態(tài)和潮位高差：①完整系泊狀態(tài)，即最高潮位壓載狀態(tài)；②完整系泊狀態(tài)，即最低潮位滿載狀態(tài)；③破損狀態(tài)，即單根纜繩破損狀態(tài)或完整系泊狀態(tài)下的冗余檢查。

其中，F(xiàn)SRU 靠泊的碼頭水深15～18 m 不等，在計(jì)算過程中，使用16 m 平直海床來替代。極限潮位采用最高潮位和最低潮位，兩潮位差值約為0.61 m。其中，F(xiàn)SRU 在運(yùn)營過程中，滿載吃水11.38 m，壓載吃水9.74 m。

2）風(fēng)壓和海流系數(shù)。FSRU 系泊分析時(shí)，風(fēng)壓系數(shù)和海流系數(shù)選取自國際氣體運(yùn)輸船及碼頭操作協(xié)會(huì)（SIGTTO）和石油公司國際海事論壇（OCIMF）定義的通用參數(shù)，以及綜合考慮FSRU水線面以上的結(jié)構(gòu)物投影面積。其中，風(fēng)壓系數(shù)選自SIGTTO 中關(guān)于球形氣體運(yùn)輸船風(fēng)壓系數(shù)曲線，流系數(shù)選擇OCIMF中海流系數(shù)曲線。

3）纜繩預(yù)張力。纜繩長度和材質(zhì)的差別，將導(dǎo)致在相同形變條件下，剛度大的纜繩受力較大。纜繩預(yù)張力可以調(diào)整纜繩系泊時(shí)的剛度狀態(tài)，對(duì)于柔性較大的纜繩，可以提高纜繩預(yù)張力，增大整根纜繩的剛度，對(duì)于剛度較大的纜繩，可以降低纜繩預(yù)張力，減小纜繩的剛度。

2.3 系泊分析和計(jì)算方法

對(duì)于改裝后的FSRU，擬采用數(shù)值模擬方法對(duì)系泊布置進(jìn)行計(jì)算和分析。水動(dòng)力分析方面，使用Wadam 軟件用于計(jì)算系泊分析中的波浪與船體的相互作用和影響。動(dòng)態(tài)系泊分析方面，使用Orcaflex 軟件分析篩選過程中發(fā)現(xiàn)的更極端情況，執(zhí)行完全耦合的時(shí)域分析，并從時(shí)域計(jì)算中對(duì)結(jié)果進(jìn)行后處理。使用3 小 時(shí)10 次模擬法，找出統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的平均值、最小值和最大值，從8 個(gè)最高觀察值中找到最大值。水動(dòng)力模型使用Wadam軟件進(jìn)行建模和分析，基于碼頭水深16 m 以及“2.2 中1）”的裝載狀態(tài)進(jìn)行分析，使用重心點(diǎn)中的點(diǎn)質(zhì)量和回轉(zhuǎn)半徑的慣性載荷進(jìn)行剛體計(jì)算。Orcaflex 模型如圖2 所示，水動(dòng)力模型如圖3所示。

圖2 Orcaflex模型

圖3 水動(dòng)力模型

3 計(jì)算結(jié)果分析

FSRU 系泊分析計(jì)算時(shí)，根據(jù)英國勞氏船級(jí)社《近岸長期位置系泊規(guī)則》（Long-term Nearshore Positional Mooring System）第6.2.1 項(xiàng)要求，進(jìn)行了完整狀態(tài)及破損狀態(tài)2種工況下的分析。其中完整狀態(tài)假定所有纜繩均未斷裂，處于較好受力狀態(tài)；破損狀態(tài)假定其中一根纜繩斷裂，分析其余纜繩的受力狀態(tài)。

完整狀態(tài)下，分析了所有氣象方向以及10 年一遇的氣象狀況下的系泊狀況。同時(shí)分析了FSRU在6種嚴(yán)苛條件下的非線性環(huán)境參數(shù)下的系泊受力情況。

3.1 纜繩受力狀態(tài)

FSRU 在完整狀態(tài)及破損狀態(tài)下的纜繩典型受力狀況如表2 所示，表2 中“線性”指風(fēng)、浪作用力方向一致，“非線性”指風(fēng)、浪作用力方向不一致，“方向”指風(fēng)、浪作用力方向與船頭方向夾角。根據(jù)表2中數(shù)據(jù)可得纜繩最大效用系數(shù)和最小安全系數(shù)如表3所示。

表2 纜繩典型受力狀況

表3 纜繩最大效用系數(shù)和最小安全系數(shù)

通過表2 數(shù)據(jù)可知，完整狀態(tài)下，纜繩最大效用比例為47.1%，低于勞氏船級(jí)社60% 以及OCIMF55%的要求。單根破損狀態(tài)下，纜繩最大效用比例為58.8%，低于勞氏船級(jí)社80%的要求。單根纜繩斷裂后，將導(dǎo)致其余纜繩載荷增加，但數(shù)據(jù)顯示都滿足規(guī)范相關(guān)要求。

3.2 碼頭護(hù)舷

碼頭護(hù)舷受力及收縮變形狀況如表4 所示。需要注意的是，收縮值最大處為護(hù)舷1，完整狀態(tài)下滿載線性、滿載非線性、壓載線性和壓載非線性時(shí)的護(hù)舷收縮率分別為67.2%、35.4%、52.4%和33.7%，破損狀態(tài)下滿載和壓載時(shí)的護(hù)舷收縮率分別為30.9%和20.7%。

表4 碼頭護(hù)舷受力及收縮變形狀況

FSRU 靠泊碼頭時(shí)選用的護(hù)舷為4 組雙錐護(hù)舷，其受壓鼓高度1.8 m，最大收縮率72%，最大收縮值1.296 m，對(duì)應(yīng)最大受壓6 482 kN。通過表4數(shù)據(jù)可以看出，碼頭護(hù)舷最大變形67.2%，在護(hù)舷最大變形范圍之內(nèi)，說明碼頭護(hù)舷在十年一遇的海況下是安全的。

3.3 FSRU運(yùn)動(dòng)

通過計(jì)算分析，得出FSRU 新增10根纜繩后靠泊碼頭時(shí)的運(yùn)動(dòng)幅值，如表5 所示。表5 中列出了FSRU 在完整系泊和單根破損條件下的最大運(yùn)動(dòng)量以及運(yùn)動(dòng)范圍，包含縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖、艏搖6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。

表5 FSRU新增10根纜繩后靠泊碼頭時(shí)的運(yùn)動(dòng)幅值

從表5 數(shù)據(jù)可以看出不同狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)幅值，其中縱蕩值偏大，垂蕩和橫搖值對(duì)應(yīng)了最大浪高4.4 m 狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)，縱搖和艏搖運(yùn)動(dòng)相對(duì)較小，整船依然可考慮為處于安全狀態(tài)。

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)球罐型FSRU 系泊系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并根據(jù)船級(jí)社要求，在十年一遇的環(huán)境條件下，對(duì)系泊布置進(jìn)行了完整狀態(tài)和單根破斷狀態(tài)下的分析和計(jì)算，分析結(jié)果顯示各方面均能滿足要求，證明該調(diào)整后的系泊布置滿足勞氏船級(jí)社《近岸長期位置系泊規(guī)則》的要求。

系泊分析計(jì)算本身是極其復(fù)雜的，目前的分析結(jié)果基于3D 仿真模型和數(shù)值模擬計(jì)算，與實(shí)際受力存在一定的差異。當(dāng)前的布置中，由于FSRU系泊系統(tǒng)中的尼龍尾纜長度增加到22 m，導(dǎo)致FSRU 在惡劣海況下縱向運(yùn)動(dòng)幅值較大，因此FSRU 在實(shí)際運(yùn)營過程中需特別注意該運(yùn)動(dòng)對(duì)于碼頭及卸料臂的影響。