陽 恒， 白俊磊， 楊晨俊

(1. 上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室， 上海 200240； 2. 惠生(南通)重工有限公司， 上海 201210)

基于Ariane7的FLNG船碼頭系泊分析

陽 恒1,2， 白俊磊2， 楊晨俊1

(1. 上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室， 上海 200240； 2. 惠生(南通)重工有限公司， 上海 201210)

在全球天然氣貿(mào)易量不斷增加的背景下，對液化天然氣液化裝置及存儲裝置(Floating Liquefied Natural Gas, FLNG)進行研究具有一定的經(jīng)濟及戰(zhàn)略意義。以世界首座FLNG為例，通過理論分析和數(shù)值計算，研究FLNG的碼頭系泊性能并設計分析系泊系統(tǒng)。采用法國船級社系泊分析軟件Ariane 7程序系統(tǒng)計算FLNG在風、浪作用下的載荷，為船體結構計算提供運動響應和波浪載荷的輸入數(shù)據(jù)，建立FLNG碼頭系泊的仿真模型，分析系泊系統(tǒng)各裝置的受力情況。

液化天然氣液化及存儲裝置； 運動響應； 碼頭系泊； 系泊張力

0 引 言

海洋是人類生產(chǎn)活動的可擴展空間，油氣資源豐富，發(fā)展海洋經(jīng)濟可為經(jīng)濟轉型提供巨大的動力，而浮式液化天然氣設施(Floating Liquefied Natural Gas, FLNG)將成為開發(fā)油氣資源的重要設備。系泊系統(tǒng)主要用來保證船舶、平臺和浮標等船舶或海洋結構物能安全停留、系固于錨地、沉塊、岸或系泊浮筒上,是船舶和海洋平臺必不可少的配套設施，在船舶設計初步階段對相關設備進行選型和布置非常重要。

國內(nèi)已有眾多學者對船靠碼頭進行研究。HUANG[1]提出一種基于質量集中彈簧模型和有限元法的數(shù)值方法，用以計算錨鏈的三維動張力,并通過實例給出驗證。胡毅[2]對大型液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)船建立模型，分析其在波浪載荷作用下的運動響應。劉祥建[3]以一艘最大工作水深為1 500 m的深海鉆井船為研究對象，采用非線性時域耦合和準動態(tài)分析方法，對比分析使用不同商業(yè)軟件計算得到的水動力數(shù)據(jù)，并對該船的錨泊系統(tǒng)進行優(yōu)化。袁鑫[4]運用系泊纜索動態(tài)響應計算的數(shù)值方法分析系泊線的動力特性，推導出動力響應的二階非齊次變系數(shù)偏微分的控制方程，并結合各種計算方案確定方程求解的數(shù)值方法，得到需要拉索的固定式海洋平臺中拉索上部平臺帶來的運動擾動比波浪干擾更為明顯的結論。鄒志利等[5]編程計算靠碼頭系泊浮體在海洋聯(lián)合載荷作用下的運動響應和系泊線拉力，其預報結果與商業(yè)軟件Optimoor的結果的吻合度良好。

這里應用法國船級社(Bureau Veritas, BV)系泊分析軟件Ariane 7對FLNG系泊系統(tǒng)的特性進行研究，對系泊纜的長度和預張力等參數(shù)的影響進行數(shù)值考察，研究對象為在南通惠生海工建造的Caribbean FLNG(見圖1)。該FLNG為非自航駁船，每天可將72億標準立方英尺常溫常壓下的天然氣轉化為-162 ℃的LNG(±50萬t/a)，同時儲存于自身的液貨艙、出口至與之相鄰的LNG儲存罐(FSU)或LNG船內(nèi)。2016年9月26日3時，該船順利通過72 h液化模塊的性能考核，產(chǎn)能及各項性能指標完全達到設計要求，證明該裝置具備商業(yè)投用的條件，是世界上第一個成功完成調試、具備商業(yè)運營條件的FLNG[6]。

1 FLNG系泊系統(tǒng)配置

FLNG系泊系統(tǒng)由船體及若干系泊纜繩組成，駁船主尺度為：總長144 m，型寬32 m，型深20 m。計算分滿載、半載和壓載等3種裝載工況，針對正常操作和風暴自存2種典型工作環(huán)境，主要考察各計算狀態(tài)下的纜繩張力、導纜孔受力和碼頭帶纜樁受力等，同時還分析極端環(huán)境和單根纜繩破斷情況下其余各纜繩的受力情況。

系泊系統(tǒng)計算坐標系見圖2。固定坐標系CNEZ定義為：C點為固定坐標系原點，CN軸指向正北，CE軸指向正東，CZ軸指向正下方，CNE平面為靜水平面。隨船坐標系O-xyz定義為：O點為船體縱向中心面和船底面交線與0號肋位的交點，Ox軸指向船首，Oy軸指向右舷，Oz軸正向垂直向上。風、浪和流的方向沿CN軸反方向為正，力矩的方向沿順時針為正。

FLNG碼頭系泊布置圖見圖3。在正常操作工況下共設有10根系纜繩，其中，船首和船尾各4根，舯部2根；在風暴自存工況下共設有14根系纜繩，其中，船首和船尾各6根，舯部2根。

系泊纜繩與水平面之間的夾角見表1,其中，各纜繩較小的夾角對應滿載工況，較大的夾角對應壓載工況。纜繩材料為聚丙烯，直徑為64 mm，破斷強度為500 kN，單位長度的質量為1.85 kg/m。碼頭前沿設置有5個DA300H×L1500型橡膠護舷，其受力特性見表2。

表1 系泊纜繩與水平面之間的夾角

表2 DA300H×L1500型橡膠護舷受力特性

表3 各裝載工況下船體參數(shù)

表4 當?shù)丨h(huán)境條件

2 環(huán)境條件及工況

在進行系泊分析前，需考慮如何選定工況，以便完整、準確地評估系泊系統(tǒng)的系泊能力。這里選擇完整狀態(tài)和破損狀態(tài)考察船舶吃水變化，風、浪、流的方向及潮差變化等影響。完整狀態(tài)是指系泊系統(tǒng)所有系泊纜繩正常工作的狀態(tài)；破損狀態(tài)是指任意一根纜繩破斷失效的狀態(tài)。

船舶在運營過程中的裝載工況發(fā)生變化會使吃水也發(fā)生變化，而吃水的變化會對系泊系統(tǒng)的效率產(chǎn)生影響。系泊分析所用的裝載工況下的船體參數(shù)見表3。

計算中用到的環(huán)境條件見表4，其中，水的密度為1 020 kg/m3，空氣的密度為1.29 kg/m3，平均風速為30 s，流速為船舶最大吃水處的平均速度。

根據(jù)當?shù)丨h(huán)境條件及OCIMF相關規(guī)范，計算中正常工作環(huán)境下流向角為0°，10°，90°時的流速分別為1.54 m/s，1.03 m/s，0.39 m/s；風速設定為20.8 m/s；對于每個流向角，計算風向角分別為0°，30°，60°，90°，120°，150°，180°。

在極端生存環(huán)境下，除將風速更改為26.3 m/s以外，其余計算條件均與正常的工作環(huán)境相同。

3 系泊計算方法

系泊纜索控制方程的一般形式為

(1)

式(1)中:m和ma分別為單位長度系泊纜索的質量及附加質量；T為系泊纜索張力；V,U分別為系泊纜索運動速度矢量和流場速度矢量；Fn,Ft分別為單位長度系泊纜索上流體作用力的法向分量和切向分量；G為纜索凈重力，可分別根據(jù)式(2)和式(3)計算：

Fn=0.5ρwCDnD|Un-Vn|(Un-Vn)ds

(2)

Fτ=0.5ρwCDnπD|Uτ-Vτ|(Uτ-Vτ)ds

(3)

式(2)和式(3)中：ρw為流體密度；CDn和CDτ分別為流體法向拖曳力系數(shù)和切向拖曳力系數(shù)；D為纜索直徑。壓載工況下的水動力網(wǎng)格模型見圖4，Ariane 7中的計算模型見圖5。

4 不同參數(shù)對系泊效率的影響

4.1系泊布置對系泊效率的影響

經(jīng)計算，布置10根纜繩時纜繩的最大張力為248.9 kN，布置14根纜繩時纜繩的最大張力為150.7 kN。因此,系泊布置對系泊系統(tǒng)的系泊效率有較大影響，在工程上應結合成本考慮，對系泊布置進行調整優(yōu)化，以達到最佳的經(jīng)濟適用性。

4.2系泊系統(tǒng)剛度對系泊效率的影響

不同材質系泊纜繩的剛度不同，對碼頭系泊系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響，剛度越大，彈性模量就越大。分別采用6股鋼纜及聚丙烯纖維纜繩進行對比計算，若采用10根纜繩的布置方法，在正常操作環(huán)境和滿載工況下，聚丙烯纜繩的最大張力為248.9 kN，鋼纜的最大張力為302.4 kN。

4.3系泊纜繩長度對系泊效率的影響

對不同長度、相同材質時系泊纜繩在相同系泊系統(tǒng)中的系泊效率進行分析，采用不同長度的聚丙烯纜繩，對比分析原長度與加長10 m后對系泊效率的影響。通過計算可得，采用10根纜繩的布置方法，在正常操作環(huán)境和滿載工況下，原長度聚丙烯纜繩的最大張力為248.9 kN，聚丙烯纜繩加長10 m后的最大張力為205.8 kN。系泊系統(tǒng)使用加長后的纖維纜繩,每根纜繩的最大受力均比原長度纜繩小，但浮體的位移值會變大。系泊纜繩的長度受制于碼頭布置及FLNG外輸管線對浮體位移的要求，不能僅通過增加纜繩的長度來減小系泊纜繩的最大張力。

4.4系泊纜繩預張力對系泊效率的影響

預張力是在船體無外載荷的情況下，系泊纜繩通過絞車張緊獲得的初始張緊力。對相同系泊系統(tǒng)在不同預張力下的纜繩張力進行對比計算分析，預張力的取值范圍為10～160 kN。經(jīng)計算，系泊系統(tǒng)在不同預張力下的纜繩最大張力結果見圖6。由圖6可知，隨著預張力的增加，纜繩的最大受力逐漸變小，安全系數(shù)逐漸變大。在預張力為80 kN時，安全系數(shù)達到最大2.27，此后隨著預張力的增大而變小。

5 計算結果分析

5.1評價準則

參照OCIMF及BV規(guī)范，完整狀態(tài)安全系數(shù)應>2.00，破損狀態(tài)安全系數(shù)應>1.25，依據(jù)該準則評價系泊系統(tǒng)計算結果。

5.2完整狀態(tài)下纜繩的拉力

通過數(shù)值模擬計算，得到在操作條件及生產(chǎn)條件下各裝載工況張力最大的纜繩序號和最大張力值(見表5和表6)。

表5 完整狀態(tài)正常操作環(huán)境下不同載況最大張力纜繩參數(shù)

表6 完整狀態(tài)生存環(huán)境下不同載況最大張力纜繩參數(shù)

5.3破損狀態(tài)下纜繩的拉力

這里僅計算破損狀態(tài)下極端生存環(huán)境中的壓載工況。依次計算1～14號纜繩破斷后剩余纜繩的最大張力值，可知各種情況下纜繩的最大張力值出現(xiàn)在12號纜繩破斷時的9號纜繩上，最大拉力為308.5 kN，此時安全系數(shù)為1.62。

5.4船體的位移

通過數(shù)值模擬計算可知，船體在纜繩完整、生存環(huán)境下壓載，橫蕩最大值出現(xiàn)在風和流與船體成90°時，為1.660 m，縱蕩最大值出現(xiàn)在迎風迎流時，為1.080 m。滿載時，橫蕩最大值出現(xiàn)在風向90°,流向10°時，為1.171 m；縱蕩最大值出現(xiàn)在迎風迎流時，為1.330 m。半載時，橫蕩最大值出現(xiàn)在風向90°，流向10°時，為1.391 m；縱蕩最大值出現(xiàn)在迎風迎流時，為1.303 m。

對于海上浮式LNG工廠，由于有外輸管線，對船體的橫蕩值有一定要求。過大的橫蕩會導致管線斷裂，從而對安全生產(chǎn)造成威脅。因此，橫蕩值是除纜繩張力外評價FLNG系泊系統(tǒng)的另一個重要指標。當前橫蕩值≤2 m，滿足在外輸管線的許用范圍內(nèi)，滿足要求。

5.5船體上導纜孔所受到的力

船體上導纜孔的布置位置如圖3所示，其中：導纜孔1，4，10，11的安全工作負荷(Safe Working Load，SWL)為750 kN；導纜孔2，3，5，6，7，8，9，12的SWL為500 kN。

通過計算可得到導纜孔處的系泊纜繩軸向張力和系泊纜繩對導纜器的作用力，從而評估該位置的導纜器的SWL是否滿足要求。

由計算結果可知，完整狀態(tài)下的導纜孔受力最大出現(xiàn)在壓載工況、高潮位時的第11號導纜孔上，力的大小為319.97 kN，此時安全系數(shù)為2.40。

破損狀態(tài)下導纜孔受力最大出現(xiàn)在9號纜繩破斷、壓載工況、高潮位時的第11號導纜孔上，力的大小為415.44 kN，此時安全系數(shù)為1.80。

5.6碼頭上帶纜樁所受到的力

碼頭帶纜樁的SWL為1 000 kN。由計算結果可知：完整狀態(tài)下碼頭上帶纜樁受到的力最大出現(xiàn)在壓載工況及高潮位時的第8號帶纜樁上，力的大小為470.32 kN，此時安全系數(shù)為2.10。破損狀態(tài)下碼頭上帶纜樁最大受力出現(xiàn)在壓載工況、高潮位及第12號纜繩破斷情況下的8號帶纜樁上，力的大小為601.02 kN，此時安全系數(shù)為1.70。

6 結 語

以Caribbean FLNG為例，應用BV系泊分析軟件Ariane 7模擬船舶在碼頭系泊時的運動情況，計算出在給定的裝載工況及環(huán)境載荷下，系泊纜繩處在完整狀態(tài)和破損狀態(tài)時FLNG系泊設備的受力情況，包括各系泊纜繩的張力、導纜孔的受力和碼頭帶纜樁所受拉力等，可得到以下結論：1) 在相同外載荷下，增加系泊纜的數(shù)量可有效降低系纜的張力，但應結合成本綜合考慮最終的系泊布置。

2) 在相同外載荷下，系泊系統(tǒng)剛度越大，系纜張力就越大，相應的浮體位移越小,可根據(jù)實際應用選用合適的系泊纜材質。

3) 在相同外載荷下，對于相同材質的系泊纜，隨著系纜長度增加，系纜張力會變小，但相應的浮體位移會變大。

4) 隨著纜繩的預張力和長度逐漸增大，其安全系數(shù)均先增大后減小。當系泊纜繩中的預張力達到一定程度后，外部載荷及自身裝載的液貨對其產(chǎn)生的晃蕩載荷和對纜繩的微小刺激都可能使其在橫向產(chǎn)生劇烈的晃蕩，從而造成系泊纜繩的張力增大，可對預張力進行敏感性分析，優(yōu)化后獲得最佳預張力。

[1] HUANG S. Dynamic Analysis of Three-Dimensional Marine Cable[J]. Ocean Engineering,1994,21(6):587-605.

[2] 胡毅.大型LNG船水動力分析及系泊計算[D].武漢:華中科技大學，2012.

[3] 劉祥建.深海鉆井船錨泊系統(tǒng)的設計與分析[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學，2011.

[4] 袁鑫.系泊纜索動力分析數(shù)值方法研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學，2010.

[5] 鄒志利.港口內(nèi)靠碼頭系泊船運動的計算[J].海洋工程，1995，13(3)：25-36.

[6] 惠生海工.惠生海工成功完成全球首個FLNG項目性能考核[EB/OL](2016-09-27)[2016-10-05].http://cms.wison.com/wison-cms-portal/?p=1701.

AnalysisofFLNGJettyMooringwithAriane7

YANGHeng1,2,BAIJunlei2,YANGChenjun1
(1.State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2 Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd., Shanghai 201210, China)

With the growth of the global natural gas trade, the research and development of Floating Liquefied Natural Gas(FLNG) become of economic and strategic significance. Taking the world's first FLNG as the example, the jetty mooring performance of the FLNG is investigated through theoretical analysis and numerical simulation. The wind and wave loads on the FLNG are predicted by using BV's Ariane 7 software package and supplied to the analysis software for hull structures. A jetty mooring simulation model is built for analyzing the tensions in the equipments of the mooring system.

Floating Liquefied Natural Gas; motion response; jetty mooring; mooring tension

2016-10-31

陽恒(1983—)，男，湖北孝感人，工程師，碩士，從事海洋平臺舾裝設計工作。

1674-5949(2017)02-0025-05

U653.2

：A