趙文華,楊建民,胡志強(qiáng),李 欣

（上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點實驗室，上海200240）

FLNG系統(tǒng)進(jìn)行旁靠卸載作業(yè)時的水動力性能研究

趙文華,楊建民,胡志強(qiáng),李 欣

（上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點實驗室，上海200240）

針對大型浮式液化天然氣（FLNG）系統(tǒng)與液化天然氣（LNG）運輸船以旁靠方式進(jìn)行LNG卸載時的船體的水動力性能開展了水池模型試驗。實驗全面考慮了近靠物體之間的水動力耦合，以及船體與系泊系統(tǒng)及連接系統(tǒng)之間的耦合。通過水池模型實驗得到了在風(fēng)、浪、流共同作用下FLNG船體的運動響應(yīng)情況、FLNG與LNG運輸船間的相對運動情況、系泊系統(tǒng)的受力情況、兩船之間連接系統(tǒng)的受力情況。借助統(tǒng)計分析手段對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，討論了FLNG進(jìn)行旁靠卸載作業(yè)時的水動力性能。

大型浮式液化天然氣（FLNG）系統(tǒng)；旁靠卸載；水動力；多浮體

1 引 言

隨著全球天然氣勘探與開發(fā)的逐漸深入，越來越多的深海氣田、邊際小氣田及伴生氣田被發(fā)現(xiàn)。為了經(jīng)濟(jì)高效地開發(fā)這些氣田，世界上提出了大型浮式液化天然氣（FLNG）系統(tǒng)的概念。FLNG通過單點系泊系統(tǒng)定位于作業(yè)海域進(jìn)行天然氣的生產(chǎn)，從海底生產(chǎn)的天然氣在FLNG上進(jìn)行直接的液化處理，在天然氣的液化過程中，其體積驟縮600倍，從而實現(xiàn)了對天然氣的儲存。LNG運輸船直接從FLNG船上卸載LNG及其它產(chǎn)品，然后運往世界各地的市場。FLNG系統(tǒng)有效地避免了在深海氣田、邊際小氣田及伴生氣田等鋪設(shè)管道所帶來的一系列技術(shù)問題及高昂的經(jīng)濟(jì)成本；FLNG系統(tǒng)利用了LNG易于儲存與運輸?shù)奶攸c，將大大提高上述氣田的開發(fā)力度。

當(dāng)FLNG各艙內(nèi)裝滿貨物時，需要進(jìn)行LNG的卸載。通常情況下，F(xiàn)LNG船與LNG運輸船采用尾輸與旁靠兩種方式進(jìn)行卸載。在尾輸方式中，LNG運輸船的首部通過系泊纜與FLNG船的尾部相連，LNG通過長距離的輸送軟管卸載至LNG運輸船，但是該技術(shù)對于LNG的卸載而言尚未成熟。在旁靠方式中，LNG運輸船與FLNG船采用并排方式排列，兩船通過系泊纜與防碰墊等連接在一起，LNG通過卸載臂卸載至LNG運輸船。由于在旁靠作業(yè)中，F(xiàn)LNG船與LNG運輸船距離較近，兩船之間的相互水動力干擾較為明顯。

目前，國內(nèi)外學(xué)者已針對多浮體之間的相互水動力干擾進(jìn)行了相關(guān)的研究。Kodan(1984)[1]，F(xiàn)ang和Kim(1986)[2]采用二維切片理論對此問題進(jìn)行了研究，而Choi和 Hong(2002)[3]采用了HOBEM(Higher Order Boundary Element Method)對三維情況下的兩船之間的相互水動力影響進(jìn)行研究。Hong等人(2003)[4]和Kim(2003)[5]在時域范圍內(nèi)對多浮體間的相互水動力影響進(jìn)行了研究。在這些研究中，利用線性勢流理論計算得到船體的水動力系數(shù)，然后以這些系數(shù)為基礎(chǔ)得到時延函數(shù)，進(jìn)而進(jìn)行時域范圍內(nèi)的計算。為了實現(xiàn)對多浮體之間運動響應(yīng)的準(zhǔn)確預(yù)報，需要將多浮體之間的連接系統(tǒng)考慮在內(nèi)。Lee(2002)[6]將連接纜，立管等假定為無質(zhì)量的非線性彈簧，采用非耦合分析技術(shù)對此問題進(jìn)行了研究。 Wichers和Develin(2001)[7]的研究發(fā)現(xiàn)非耦合分析技術(shù)對于FLNG的旁靠問題可能產(chǎn)生較大的誤差，并提出采用完全耦合分析模型。Koo和Kim(2005)[8]采用耦合分析方法對多浮體、系泊纜與連接系統(tǒng)開展了時域分析。在他們的研究中，重點考慮了位于對角線上的相互水動力系數(shù)對于兩船相對運動的影響。

由于多浮體耦合運動的復(fù)雜性，以上研究中往往采用簡化或近似的方法，所以無論在理論上還是計算方法上，還有待于進(jìn)一步發(fā)展。相比于數(shù)值分析方法，水池模型實驗研究可以充分考慮到多個浮體間的相互水動力影響，同時可以充分考慮到多個浮體與系泊系統(tǒng)及連接系統(tǒng)之間的耦合影響，提供較為可靠的預(yù)報結(jié)果。本文以FLNG與LNG運輸船進(jìn)行旁靠卸載作業(yè)時所組成的系統(tǒng)為研究對象開展了水池模型實驗，對FLNG旁靠作業(yè)時的水動力性能進(jìn)行了研究。

表1 實船和模型的主尺度Tab.1 Main dimensions of the FLNG vessel in full scale and model scale

2 目標(biāo)船介紹

選取中海油研究中心與中國船舶與海洋工程設(shè)計研究院設(shè)計的FLNG船作為研究對象開展水池模型試驗。該FLNG將通過單點系泊系統(tǒng)定位于1 500 m水深的南海海域進(jìn)行天然氣的開發(fā)，其系泊系統(tǒng)采用4×3形式。

2.1 船體參數(shù)

該FLNG船總長為392 m，船寬為69 m，型深為35.7 m，船艙內(nèi)配有10個同樣尺寸的LNG儲罐并呈兩列并排方式排列。本文中選取FLNG在60%H裝載時的情況進(jìn)行研究。在60%H裝載情況下，該FLNG的重心位于從尾柱向前385 m處，并且關(guān)于船寬方向?qū)ΨQ。實船和模型的縮尺比為λ=81，實船和模型的主尺度見表1。

表2 LNG運輸船的主要參數(shù)Tab.2 Main dimensions of the LNG carrier in full scale and model scale

2.2 系泊系統(tǒng)

該FLNG采用外轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)進(jìn)行定位。系泊系統(tǒng)由12根系泊纜組成，分為3組每組4根，每根長度為6 100 m，每組中相鄰兩根之間的夾角為5°，每組之間的夾角為120°。每根系泊纜由鏈-纜-鏈三段組成，其水平跨距為5 850 m，其預(yù)張力為3 090.15 kN。該系泊系統(tǒng)的主要參數(shù)見表3,該系泊系統(tǒng)的俯視圖及每根系泊纜的編號見圖1。

由于世界上現(xiàn)有水池尺寸的限制，該深水系泊系統(tǒng)無法布置于水池中。本研究中采用了水深截斷方法對FLNG的系泊系統(tǒng)在實際水深500 m處進(jìn)行了水深截斷。要求截斷后的系泊系統(tǒng)能有效地模擬全水深狀態(tài)下系泊系統(tǒng)的水動力性能，水深截斷的可靠性早已被Stansberg等人（2000）[9]證明。水深截斷后的系泊系統(tǒng)的水平跨距變?yōu)? 227 m，從而其模型可以布置于現(xiàn)有的水池中進(jìn)行模型實驗。截斷后的系泊系統(tǒng)的主要參數(shù)見表4。

圖1 采用外轉(zhuǎn)塔形式系泊的FLNG系統(tǒng)的布置圖Fig.1 Configuration of the external turret-moored FLNG system

表3 系泊纜的主要參數(shù)Tab.3 Configuration of the mooring lines

表4 截斷后的系泊系統(tǒng)的主要參數(shù)Tab.4 Configuration of the truncated mooring lines at the water depth of 500 m in both prototype and model scale

2.3 連接系統(tǒng)

在本試驗中，F(xiàn)LNG船體與LNG運輸船之間通過8根連接纜及4個防碰墊進(jìn)行連接。8根連接纜分為兩組，其中2根具有相同屬性，另外6根具有相同屬性；4個防碰墊具有相同的屬性。系泊纜的屬性及防碰墊的屬性見表5和表6，為了更為直觀地表示防碰墊的屬性，將其彈性曲線做成如圖2所示。在水池模型實驗過程中，兩船之間的連接情況如圖3所示。

表5 連接纜模型的屬性Tab.5 Characteristics of the connected line models

表6 防碰墊模型的屬性Tab.6 Characteristics of the fender models

圖2 防碰墊模型的彈性特性Fig.2 Elastic characteristics of the fender models

圖3 FLNG與LNG運輸船之間的旁靠布置Fig.3 Configuration of the side-by-side operation between FLNG and LNG carrier

3 試驗布置

在上海交通大學(xué)海洋工程國家重點實驗室深水實驗池開展了此次水池模型實驗。實驗過程中，F(xiàn)LNG與LNG運輸船通過系泊系統(tǒng)與兩船之間的連接系統(tǒng)定位于水池的中央；實驗過程中，選取25Hz的采樣頻率對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集時間對應(yīng)實際時間1.5小時。

3.1 海洋環(huán)境條件

開展水池模型實驗之前，需要對海洋環(huán)境條件進(jìn)行校核。實驗所選取的海洋環(huán)境參數(shù)為：1小時平均風(fēng)速為13 m/s,平均流速為0.81 m/s，有義波高為2.5 m，譜峰周期為10 s，選取Jonswap譜，其譜峰因子選為3.0。海洋環(huán)境條件的具體參數(shù)見表7,風(fēng)浪流之間的角度關(guān)系如圖4所示。

表7 海洋環(huán)境條件Tab.7 Sea state in both prototype and model scale

2.2 實驗過程

圖4 風(fēng)浪流角度示意圖Fig.4 A sketch of the directions for wind,waves and current

圖5 FLNG與LNG運輸船旁靠作業(yè)圖Fig.5 A snapshot of the side-by-side operation for FLNG and LNG carrier

在水池模型實驗開展之前，綜合各方面因素，選定縮尺比λ=1:81進(jìn)行船模的制作。取得船模后，對船模的質(zhì)量及慣性參數(shù)進(jìn)行校核，以達(dá)到實驗的精度要求。然后進(jìn)行海洋環(huán)境條件的校核，首先根據(jù)給定的波浪譜進(jìn)行傅立葉變換得到波浪的時歷，并在水池中利用造波機(jī)將該波浪時歷造出。由于本實驗中風(fēng)為定常風(fēng)，故風(fēng)與流的校核工作相對容易。在校核完風(fēng)浪流海洋環(huán)境條件之后，將FLNG與LNG運輸船模型放置于水池中央，并利用系泊系統(tǒng)及兩船間的連接系統(tǒng)將兩船模定位于水池中。然后按照流、風(fēng)、浪的順序依次造出海洋環(huán)境條件。FLNG與LNG運輸船模型在水池中的布置如圖5所示。

4 試驗結(jié)果與分析

通過開展水池模型實驗，測量得到了FLNG與LNG運輸船的運動響應(yīng)及相對運動情況，F(xiàn)LNG系泊系統(tǒng)的受力情況及兩船之間連接系統(tǒng)的受力情況等。對以上數(shù)據(jù)開展統(tǒng)計分析，得到FLNG旁靠作業(yè)時的水動力性能。

4.1 船體運動

圖6 FLNG六自由度運動時歷圖Fig.6 Time Series of the six degree of freedom for the FLNG vessel

FLNG與LNG運輸船進(jìn)行旁靠作業(yè)時兩船體之間距離較近，極易發(fā)生碰撞事故，因此兩船體的運動情況及相對運動情況是進(jìn)行旁靠作業(yè)時重點關(guān)注的因素之一。在如表7所示的風(fēng)、浪、流的聯(lián)合作用下，F(xiàn)LNG與LNG運輸船的運動時歷分別如圖6和圖7所示。表8和表9列舉了FLNG與LNG運輸船的運動時歷統(tǒng)計值。為了進(jìn)一步研究旁靠作業(yè)時FLNG與LNG運輸船的運動特性，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到了縱蕩、橫蕩與首搖三個低頻范圍內(nèi)的相對運動時歷，如圖8所示。

圖7 LNG運輸船六自由度運動時歷圖Fig.7 Time Series of the six degree of freedom for the LNG carrier

表8 FLNG六自由度運動統(tǒng)計值Tab.8 Statistic values of the six degree of freedom for the FLNG vessel

表9 LNG運輸船六自度運動統(tǒng)計值Tab.9 Statistic values of the six degree of freedom for the LNG carrier

圖8 FLNG與LNG運輸船低頻相對運動時歷圖Fig.8 Relative motion time series of low frequency motions between FLNG vessel and LNG carrier

從以上數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，F(xiàn)LNG與LNG運輸船進(jìn)行旁靠作業(yè)卸載LNG時的運動響應(yīng)規(guī)律如下：FLNG與LNG運輸船在縱蕩、首搖方面保持高度一致性，在橫蕩方面存在一定的差異，但是從總體上看橫蕩相對運動的相位比較一致。FLNG與LNG運輸船在垂蕩、橫搖與縱搖三個自由度方面有一定的相對運動，這是由于兩艘船的船型具有較大差異所造成的。在風(fēng)、浪、流不同向的海況下，F(xiàn)LNG與LNG運輸船的首搖運動的最大值分別為44.75°和44.98°。LNG船的垂蕩、橫搖與縱搖的運動響應(yīng)比FLNG運動響應(yīng)更為明顯，橫搖運動響應(yīng)甚至大近一個數(shù)量級。這說明FLNG與LNG運輸船之間的相對運動主要是由LNG運輸船所造成的。在進(jìn)行FLNG與LNG運輸船的旁靠卸載作業(yè)時，應(yīng)重點考慮如何有效地限制LNG運輸船的運動，從而有效地降低兩船之間的相對運動水平，以利于液化天然氣的安全卸載。

圖9 錨鏈4的受力時歷圖Fig.9 Time series of the loads acting on the mooring line 4

從圖8可以看出，F(xiàn)LNG與LNG運輸船之間的相對縱蕩與相對首搖運動較小，而FLNG與LNG運輸船的相對橫蕩運動較為明顯。由于存在較為明顯的相對橫蕩運動，在兩船之間連接系統(tǒng)彈性力恢復(fù)力的作用下，兩船將會發(fā)生十分劇烈的碰撞。這現(xiàn)象會在防碰墊的受力情況中得到進(jìn)一步的驗證。

4.2 系泊系統(tǒng)

FLNG通過12根系泊纜進(jìn)行定位，其系泊系統(tǒng)在海洋環(huán)境條件下的受力情況是FLNG設(shè)計過程中需要考慮的重要因素之一。在如表7所示的風(fēng)、浪、流的聯(lián)合作用下，12根系泊纜的受力情況見表10，其中受力最大的系泊纜的受力時歷如圖9所示。

表10 FLNG系泊纜受力情況統(tǒng)計值Tab.10 Statistic parameters of the loads acting on the mooring system

從表10所列的統(tǒng)計值可以看出，在風(fēng)、浪、流的聯(lián)合作用下，同一組內(nèi)的系泊纜的受力較為均勻。受力最大的系泊纜為4號系泊纜，其受力的最大值為3595kN，為破斷載荷的24.31%，在安全范圍之內(nèi)。

4.3 連接系統(tǒng)

在以旁靠方式進(jìn)行LNG卸載時，F(xiàn)LNG與LNG運輸船通過8根連接纜及4個防碰墊進(jìn)行連接。試驗過程只對受力較為典型的防碰墊（1號與4號）進(jìn)行了受力測量，防碰墊與連接纜的受力情況統(tǒng)計值見表11。8根連接纜中受力最大的連接纜（4號）的受力時歷如圖10所示，4個防碰墊中受力最大的防碰墊（1號）的受力時歷如圖11所示。

表11 FLNG與LNG運輸船旁靠連接系統(tǒng)的受力情況統(tǒng)計值Tab.11 Statistic parameters of the loads acting on the connected system between FLNG and LNG

圖10 連接纜4的受力時歷圖Fig.10 Time series of the loads acting on hawser 4

圖11 防碰墊1的受力時歷圖Fig.11 Time series of the loads acting on fender 1

從表11所列的統(tǒng)計值可以發(fā)現(xiàn)，4號連接纜所受的拉力為8根連接纜中受力最大的，其它7根連接纜的受力相差不大，說明在實際海洋環(huán)境中進(jìn)行旁靠卸載作業(yè)時，應(yīng)對4號連接纜進(jìn)行強(qiáng)度的加強(qiáng)。1號防碰墊的受力遠(yuǎn)大于4號防碰墊的受力，建議在設(shè)計中可以采用兩種不同型號的防碰墊，以減小工程成本。從圖10可以看出，連接纜的受力比較穩(wěn)定，變化不大，而從圖11可以看出，防碰墊的受力變化非常大。另外，防碰墊受力變化情況表明，在進(jìn)行旁靠卸載作業(yè)時兩船之間存在較為劇烈的碰撞，旁靠卸載作業(yè)對海洋環(huán)境條件要求較高。

5 結(jié) 論

本文在國內(nèi)首次針對FLNG的旁靠卸載作業(yè)開展水池模型實驗研究，為將來的數(shù)值計算提供參考。本次實驗相比于以往數(shù)值分析的優(yōu)勢在于全面地考慮了近靠浮體之間相互水動力影響，船體運動與系泊系統(tǒng)，船體運動與連接系統(tǒng)之間的耦合響應(yīng)。通過對實驗數(shù)據(jù)的分析，得到FLNG旁靠卸載作業(yè)時的如下水動力性能：

（1）FLNG與LNG運輸船進(jìn)行旁靠作業(yè)時，兩船之間存在劇烈的相對運動，尤其以相對橫蕩與相對橫搖運動最為明顯，容易引起兩船之間的碰撞。在進(jìn)行實際海上作業(yè)時應(yīng)重點關(guān)注相對橫蕩與相對橫搖運動。

（2）FLNG與LNG運輸船進(jìn)行旁靠作業(yè)時，兩船之間的連接系統(tǒng)受力情況較為復(fù)雜。連接纜中受力最大的為4號連接纜，其它的連接纜受力較為均勻；防碰墊的受力情況為越靠近船首所受的碰撞力越大，越靠近船尾處所受的碰撞力越小。

（3）FLNG與LNG運輸船進(jìn)行旁靠作業(yè)時，F(xiàn)LNG的系泊系統(tǒng)受力較為均勻，其最大受力值僅為破斷載荷的24.31%。

通過本次水池模型實驗，得到了FLNG在有義波浪為2.5m、風(fēng)速為13m/s、流為0.81m/s的海洋環(huán)境條件下進(jìn)行旁靠卸載作業(yè)時的水動力性能，為FLNG在實際海洋環(huán)境條件中的操作提供了指導(dǎo)。

[1]Kodan N.The motion of adjacent floating structure in oblique waves[C]//Proc.3rd Offshore Mechanics and Arctic Engineering Conference.Texas,USA,1984,1:206-213.

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Research on hydrodynamics of an FLNG system in side-by-side operation

ZHAO Wen-hua,YANG Jian-min,HU Zhi-qiang,LI Xin
(State Key Laboratory of Ocean Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

This study presented the hydrodynamics of a Floating Liquefied Natural Gas(FLNG)system in side-by-side offloading operation with a LNG carrier in parallel arrangement with the FLNG vessel.The coupled hydrodynamics of multiple bodies,and the coupled effects of ship motion and mooring system were included in the model test.Motion responses of the FLNG vessel under the combination of the wind,current and waves were obtained,together with the relative motion responses between the FLNG vessel and the LNG carrier,the loads acting on the mooring system and the loads acting on the connection system.Statistical and spectral analyses were carried out for these measured data.The hydrodynamics of the FLNG system under the side-by-side offloading operation were discussed.

FLNG;side-by-side offloading operation;hydrodynamics;multiple bodies

0352 U661.1

A

1007-7294（2012）11-1248-09

2012-07-29

上海市自然科學(xué)基金資助項目（11ZR1417800）,the LRET(Lloyds Register Educational Trust)to the joint centre involving University College London,Shanghai Jiao Tong University and Harbin Engineering University.

趙文華（1986-），男，上海交通大學(xué)博士生，主要從事海洋工程水動力學(xué)方面研究，

E-mail:zwzldh@163.com；

楊建民（1958-），男，上海交通大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。