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(中海油研究總院 技術研發(fā)中心， 北京 100028)

多點系泊的FLNG艉輸作業(yè)可行性

趙晶瑞，謝彬，王世圣，粟京，謝文會，李博

(中海油研究總院技術研發(fā)中心，北京100028)

以一艘多點系泊的浮式液化天然氣船(Floating Liquefied Natural Gas Carrier, FLNG)為研究對象，結合西非海區(qū)特定的環(huán)境條件，采用耦合時域方法模擬其艉輸作業(yè)時系統(tǒng)總體的動態(tài)響應，論證采用艉輸方式的作業(yè)可行性，并對其外輸臨時系泊系統(tǒng)進行優(yōu)化設計。研究表明：艉輸作業(yè)時FLNG的多點系泊纜繩張力、外輸纜繩張力、FLNG與LNG運輸船之間的間距、立管頂部水平偏移等結果均可滿足設計基礎要求。隨著外輸海況的提升以及環(huán)境載荷入射角度的增大，外輸系泊纜張力與生產(chǎn)立管頂部最大偏移量快速增大。外輸系泊纜載荷受纜繩材料的影響較大，對于外輸系泊纜繩布置而言，采用單根布置優(yōu)于2根布置。

浮式液化天然氣船；多點系泊；艉輸；作業(yè)可行性

0 引 言

浮式液化天然氣船(Floating Liquefied Natural Gas Carrier, FLNG)是集海上天然氣采集、處理、液化、存儲與外輸為一體的綜合性生產(chǎn)裝置，水深適應性強，可重復利用，常用于開發(fā)深遠海天然氣資源[1-3]。對FLNG外輸方式的選擇需要考慮其系泊系統(tǒng)的類型和當?shù)丨h(huán)境條件的特點，例如在中國南海，臺風頻發(fā)、載荷方向的不確定性強，F(xiàn)LNG必須采用單點系泊定位，此外為了使外輸氣候窗滿足作業(yè)需求，推薦采用艉輸方式；而西非等海區(qū)環(huán)境條件相對溫和、載荷方向性特點明顯，F(xiàn)LNG可采用多點系泊系統(tǒng)定位。由于FLNG的艙容有限，需要定期采用LNG運輸船進行外輸作業(yè)以保證足夠的艙容用于繼續(xù)生產(chǎn)。西非當?shù)貙σ夯烊粴?Liquefied Natural Natural Gas, LNG)的需求有限，LNG運輸船需要面臨遠洋運輸，若采用旁靠外輸方式的LNG運輸船需配備動力定位系統(tǒng)，會增加工程投資，并降低運輸船艙容；此外，兩船靠泊、分離過程安全風險高，如果多點系泊的FLNG也能采用艉輸方式外輸，既可節(jié)省前期投資、降低營運成本，也能提高外輸作業(yè)過程的安全性。

本文以一艘深水多點系泊定位FLNG為研究對象，結合西非某深水氣田典型環(huán)境條件，模擬艉輸工況下FLNG整體系統(tǒng)的響應，計算得出各類控制因素(如兩船最小距離、外輸系泊纜與多點系泊纜最大張力、生產(chǎn)立管頂端最大水平偏移等)對結果的影響，以論證采用艉輸作業(yè)模式的可行性。此外，對FLNG外輸臨時系泊方式進行優(yōu)化設計，研究不同因素對系統(tǒng)整體響應的影響程度，并給出工程建議。

1 設計基礎

1.1FLNG及附屬系統(tǒng)

以一艘中等規(guī)模FLNG為研究對象，其主尺度為：總長244.60 m，垂線間長237.00 m，船寬46.70 m，型深26.70 m，典型外輸工況下吃水17.51 m，排水量182 616.92 t。穿梭LNG運輸船總長241.70 m，垂線間長230.00 m，船寬41.20 m，型深21.30 m，典型外輸工況下吃水13.7 m，排水量92 250.11 t。FLNG擬作業(yè)的目標氣田水深為1 500 m。

FLNG采用12根“鏈-纜-鏈”分組式系泊纜分4組進行定位，每組系泊纜繩軸線與船體艏艉向夾角為30°，同組纜繩之間夾角為5°。纜繩組成包括：船體錨鏈、中部鋼纜及海底錨鏈，其中：海底錨鏈與船體錨鏈規(guī)格相同，規(guī)格為K4級無檔錨鏈，直徑均為111 mm，破斷拉力為10 167 kN，軸向剛度為865 MN，海底錨鏈長度為150 m，船體錨鏈長度為1 451 m；中部鋼纜為Spiral Strand鋼纜，直徑105 mm，破斷拉力10 622 kN，軸向剛度1 010 MN，長度1 621 m，單根纜繩在導纜孔位置的靜態(tài)預張力為387 t。

FLNG艉輸作業(yè)時兩船相對距離約100 m，外輸系統(tǒng)為軟管式，F(xiàn)LNG與LNG運輸船之間采用1根直徑為201 mm的聚酯纖維纜進行定位，纜繩在空氣中單位長度的重量為25.8 kg/m，破斷拉力為10 987 kN，其風暴條件下的軸向剛度為308 MN。

1.2環(huán)境條件

FLNG擬作業(yè)的海上氣田位于西非某海域，依據(jù)該海區(qū)典型環(huán)境條件的主極值經(jīng)插值得到外輸工況下的環(huán)境條件見表1。

表1 外輸作業(yè)的環(huán)境條件

環(huán)境載荷之間的夾角依據(jù)該海區(qū)一年一遇風、浪、流玫瑰統(tǒng)計圖確定，如圖1所示。

圖1 某油氣田一年一遇環(huán)境條件玫瑰統(tǒng)計圖

由圖1可以看出：該海區(qū)風速與波高的玫瑰統(tǒng)計極為相似，表明在多數(shù)時間內，海區(qū)波浪為風生波，而海流與波浪之間的最大夾角約45°。因此，假設風與波浪夾角范圍為-22.5°～22.5°(逆時針方向為正)，海流與波浪最大夾角為0～45°。綜上所述，確定外輸工況下環(huán)境載荷夾角見表2。

表2 環(huán)境載荷角度 (°)

2 FLNG外輸工況總體性能分析

2.1模型建立

采用HydroSTAR軟件建立FLNG與LNG運輸船濕表面模型，如圖2所示，以求解兩船水動力系數(shù)。

圖2 水動力模型

以真北方向建立FLNG船體與系泊系統(tǒng)耦合分析模型，環(huán)境載荷的入射角度及浮體自身運動坐標系如圖3所示。FLNG系泊系統(tǒng)總體布置如圖4所示。

圖3 坐標系與方向角定義 圖4 FLNG系泊系統(tǒng)總體布置

采用Ariane軟件建立FLNG，LNG運輸船和多點系泊和艉輸臨時系泊系統(tǒng)的耦合模型，如圖5所示。

圖5 FLNG系統(tǒng)尾輸工況耦合模型

2.2控制因素

FLNG外輸作業(yè)時，船體及其附屬系統(tǒng)需滿足的要求見表3。

表3 FLNG系統(tǒng)外輸作業(yè)時的技術指標

2.3耦合計算結果

表4為9種典型環(huán)境工況組合下，F(xiàn)LNG外輸時，系統(tǒng)各項指標的計算結果。

表4 FLNG外輸作業(yè)計算結果對比

由表4可以看出：(1)在相同環(huán)境載荷下，環(huán)境入射方向與船體艏艉向夾角較小時(DIR-01)，兩船之間距離相對較近，兩船之間相對距離對載荷變化不敏感。在全部9種工況下，兩船之間的相對距離最小值在100～130 m范圍內，外輸過程中不會發(fā)生碰撞。(2) 隨著有義波高的增加，多點系泊系統(tǒng)的系泊張力將小幅增加，但總體上，在低海況條件下，多點系泊纜繩張力對環(huán)境載荷強度、方向不敏感。當海況達到有義波高4 m時，多點系泊纜繩張力的安全系數(shù)接近安全極限。(3) 外輸系泊纜張力與生產(chǎn)立管頂部最大偏移量對環(huán)境載荷及作用方向均較為敏感，隨著有義波高與船體艏艉向夾角的增大，二者均快速上漲。當海況達到有義波高4 m時，外輸系泊纜張力安全系數(shù)最先接近安全極限。

需要注意的是：在相同環(huán)境載荷下，隨著環(huán)境入射方向與船體艏艉向夾角的增加，外輸系泊纜張力降低，但兩船距離、多點系泊纜張力和生產(chǎn)立管頂端最大偏移均上升，但趨勢相反。

為深入了解系統(tǒng)整體動力響應特征，選取ENV-03，DIR-02工況輸出時間歷程與頻譜，如圖6～圖9所示。

圖6 FLNG與LNG運輸船相對距離的時間歷程 圖7 FLNG生產(chǎn)立管頂端水平偏移量的時間歷程

圖8 多點系泊纜與外輸系泊纜張力時間歷程 圖9 多點系泊纜與外輸系泊纜張力頻譜

由圖6可以看出：兩船之間相對水平運動范圍為110～125 m，頻率成分復雜并呈現(xiàn)非對稱現(xiàn)象。當兩船距離增加至120 m左右(接近外輸系泊纜原長)時，相對運動將被明顯限制。

由圖7可以看出：立管頂端水平偏移以低頻運動為主，與船體運動特點相同。

圖8和圖9反映了2類系泊纜張力特點的差異，用于定位的多點系泊纜繩張力變化幅值小，頻率成分可以被明顯分為2個區(qū)間，波頻區(qū)間以波浪譜峰周期為中心，而低頻區(qū)間頻率小于0.02 Hz(如圖9所示)，而外輸系泊纜則呈現(xiàn)沖擊張緊現(xiàn)象，表現(xiàn)為均值小但變化幅值很大，頻譜成分范圍大且較復雜。

本節(jié)的計算分析表明：在給定外輸環(huán)境條件下，兩船不會發(fā)生碰撞。生產(chǎn)立管頂端水平偏移量與多點系泊纜張力受海況與載荷方向的影響較大，二者主要取決于FLNG船體水動力與定位系統(tǒng)設計，外輸系泊纜張力變化幅度大。因此，本文將控制外輸系泊纜張力作為主要改進目標。

3 工程比選措施與效果

本文提出2種比選措施：(1)不改變外輸系泊纜繩材料，增加1根外輸系泊纜繩。(2) 改變外輸系泊纜繩材料。采用柔性高的尼龍雙編繩替換聚酯纖維。尼龍雙編繩的材料屬性見表5。

表5 尼龍雙編繩主要參數(shù)

選定ENV-01，DIR-01工況進行對比，見表6。

表6 不同外輸系泊方案結果對比

由表6可以看出：2種改進方式對多點系泊纜繩的最大張力基本無影響；在兩船相對距離、FLNG生產(chǎn)立管頂端最大偏移安全性方面略有改善；在外輸系泊纜最大張力方面，采用2根聚酯纖維纜繩相對于單根纜繩，最大系泊張力降低了10%左右，而采用尼龍纜之后，最大系泊張力大幅降低。將單根、雙根聚酯纖維纜和單根尼龍纜3種條件下外輸系泊纜繩張力時間歷程與頻譜進行對比，如圖10和圖11所示。

由圖10和圖11可以看出：采用尼龍纜進行方案改進后，纜繩沖擊張緊效應降低，導致張力幅值下降。通過時域模擬發(fā)現(xiàn)：當環(huán)境載荷入射角度增加后，單側外輸系泊纜繩將發(fā)生松弛失效現(xiàn)象(如圖12所示)。因此，實際上此時僅1根系泊纜起作用，改善效果有限。

圖10 不同方案下外輸系泊纜張力時間歷程 圖11 不同方案下外輸系泊纜張力頻譜

圖12 單根外輸系泊纜繩松弛失效示意圖

4 結 論

本文以一艘多點系泊的FLNG作為研究對象，采用耦合時域方法模擬其在西非某深水氣田進行艉輸作業(yè)時的耦合響應，對各項指標進行校核，并開展環(huán)境條件和外輸臨時系泊方式的敏感性分析，得到如下結論：

(1) 在外輸作業(yè)時，F(xiàn)LNG多點系泊纜繩的張力主要取決于系泊設計與船體水動力性能，與外輸臨時系泊方式的關聯(lián)度較低，在該海區(qū)外輸作業(yè)的環(huán)境下，多點系泊系統(tǒng)載荷受環(huán)境條件與入射方向的影響也較小。

(2) 在4 m有義波高條件下，F(xiàn)LNG與LNG運輸船相對距離最小值在100 m以上，由此推斷，在外輸作業(yè)時，兩船不會發(fā)生碰撞。生產(chǎn)立管頂端偏移量對外輸環(huán)境強度及入射方向均十分敏感，4 m有義波高下最大偏移量可達水深的3%左右。

(3) 外輸系泊纜張力主要由纜繩材料屬性決定。由于外輸過程中兩船體相對水平運動同時存在波頻與低頻成分，因此最好選取柔性較好的纜繩，否則會導致纜繩產(chǎn)生沖擊張緊現(xiàn)象，使張力幅值迅速增加。對于多點系泊的FLNG而言，由于其艏搖運動被限制，因此外輸作業(yè)時，當環(huán)境載荷入射角度增加后，若采用2根外輸系泊纜繩進行定位，則單側的外輸系泊纜繩將發(fā)生松弛失效。因此，對于多點系泊的FLNG而言，外輸系泊纜繩單根布置優(yōu)于雙根布置。

[1] WILDE J D, DEKKER J. Review of Hydrodynamic and Nautical Studies for Offshore LNG Operations[C]// Proceedings of the ASME 2013 32nd International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, France, 2013.

[2] VALK C A V D, WATSON A. Mooring of LNGC Carriers to Weathervaning Floater-Side-by-Side or Stern-to-Bow[C]// Offshore Technology Conference, USA, 2005.

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[4] Oil Companies International Marine Forum. Mooring Equipment Guidelines [S]. 3rd Edition. 2008.

[5] American Petroleum Institute. Recommended Practice for Design and Analysis of Station-Keeping Systems for Floating Structures：API-RP -2SK [S]. 2008.

FeasibilityforTandemOffloadingOperationofMulti-PointMooredFLNG

ZHAO Jingrui, XIE Bin, WANG Shisheng, SU Jing, XIE Wenhui, LI Bo

(Technology Research and Development Centre, CNOOC Research Institute, Beijing 100028， China)

The global performance of a multi-point moored FLNG system under tandem operation process is simulated considering the specified environmental condition of West Africa, so that the operation feasibility of tandem offloading mode is verified. The temporary mooring system is also optimized. The results show that the axial tension in mooring lines and offloading hawsers, the distance between FLNG and LNG carriers, and the horizontal offset at the top of production risers can satisfy the requirements of design basis. With the increasing of sea state condition and the incident angle of environmental loads, the axial loads in the offloading hawser raise rapidly, the material of hawser has great influence on the hawser loads for the layout of offloading hawser, and single arrangement is superior to double arrangement.

Floating Liquefied Natural Gas Carrier(FLNG); multi-point mooring; tandem offloading; operation feasibility

2016-07-12

大連理工大學工業(yè)裝備結構分析國家重點實驗室開放基金“南海深水FLNG尾輸關鍵技術研究”；“十三五”國家科技重大專項項目28課題2“深水平臺工程技術”(2016ZX05028-002)

趙晶瑞(1983-)，男，高級工程師

1001-4500(2017)04-0069-07

P751

： A