黃國良，周毅，李萌，羅文忠，蒙學(xué)昊

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300452)

1 系統(tǒng)模型參數(shù)與分析工況

1.1 系統(tǒng)模型參數(shù)

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

浮式轉(zhuǎn)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(yè)時，LNG船舶分別通過首尾4根系泊纜連接水中浮筒進(jìn)行定位，轉(zhuǎn)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(lián)合浮體。轉(zhuǎn)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(guān)技術(shù)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(nèi)徑20 in，軸向抗拉剛度300 kN。

1.2 分析工況

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

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

表1 漂浮軟管系統(tǒng)仿真計算工況

2 分析和仿真計算方法

2.1 分析方法

應(yīng)用軟件Orcaflex和AQWA，對于轉(zhuǎn)接駁平臺離岸距離，采用動態(tài)分析法，利用有限元軟件分析漂浮軟管在風(fēng)浪流載荷下的受力變化、漂移量以及軟管上岸端與基準(zhǔn)線的夾角。對LNG運(yùn)輸船、轉(zhuǎn)接駁、輸送軟管建立模型，利用AQWA-LINE模塊進(jìn)行頻域分析，計算規(guī)則波下LNG船的波浪載荷和響應(yīng)，基于AQWA軟件計算結(jié)果，利用Orcaflex軟件對漂浮軟管、船體、系泊纜繩之間的耦合運(yùn)動進(jìn)行時域分析，仿真風(fēng)浪流環(huán)境影響下漂浮軟管的實時運(yùn)動，得到時域下軟管運(yùn)動響應(yīng)的數(shù)據(jù)。

2.2 計算流程和參數(shù)設(shè)置

Orcaflex軟件計算的流程見圖1。

圖1 Orcaflex軟件計算流程

構(gòu)建運(yùn)輸船舶、浮式轉(zhuǎn)接駁和漂浮軟管模型，見圖2。

圖2 系統(tǒng)模型構(gòu)建

對計算參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，風(fēng)浪流環(huán)境參數(shù)相關(guān)設(shè)置見圖3～5。

圖3 波浪相關(guān)參數(shù)設(shè)置

圖4 海流相關(guān)參數(shù)設(shè)置

圖5 風(fēng)相關(guān)參數(shù)設(shè)置

運(yùn)輸船和轉(zhuǎn)接駁相關(guān)參數(shù)設(shè)置見圖6、7。

圖6 運(yùn)輸船舶相關(guān)參數(shù)設(shè)置

圖7 浮式轉(zhuǎn)接駁平臺相關(guān)參數(shù)設(shè)置

系泊錨鏈與漂浮軟管相關(guān)參數(shù)設(shè)置見圖8。

圖8 系泊系統(tǒng)及漂浮軟管相關(guān)參數(shù)設(shè)置

3 仿真結(jié)果及數(shù)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(guān)。

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(chǔ)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(jìn)行動態(tài)仿真計算。

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

表2 工況1對應(yīng)漂浮軟管的動態(tài)仿真計算結(jié)果

分析全部計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，軟管兩端點的距離確定后，軟管所受張力與軟管長度有關(guān)，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(xù)變小、速度放緩，但漂移量持續(xù)增大。目前所有轉(zhuǎn)接駁傳輸方案輸送最遠(yuǎn)距離為800 m，在保證安全輸送的情況下，應(yīng)盡可能考慮經(jīng)濟(jì)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(jìn)行動態(tài)分析。工況2的海況條件是本次分析的海況中環(huán)境最差的。不同軟管長度下各項參數(shù)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(jié)果

可見浮式轉(zhuǎn)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(dāng)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(dāng)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(jié)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(jié)合整個遠(yuǎn)距離液化天然氣輸送系統(tǒng)的安全性、經(jīng)濟(jì)性的綜合考量，當(dāng)海上浮式轉(zhuǎn)接駁平臺距離海岸800 m，浮式轉(zhuǎn)接駁與岸上系固點之間的漂浮軟管長為900 m時最優(yōu)。

之后，對各種工況下漂浮軟管的動態(tài)數(shù)值進(jìn)行分析與驗證，結(jié)果見表4。

表4 漂浮軟管動態(tài)仿真數(shù)值分析

漂浮軟管最大張力為92.6 kN，對于軸向抗拉強(qiáng)度為300 kN的漂浮軟管在最惡劣海況下的安全系數(shù)為3.3，在其他海況下，安全系數(shù)均穩(wěn)定大于規(guī)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(jié)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(zhuǎn)接駁的離岸最遠(yuǎn)距離為800 m，綜合考慮系統(tǒng)受力、漂移量等因素，結(jié)合整個系統(tǒng)安全性、經(jīng)濟(jì)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(qiáng)度為300 kN時，在惡劣的工況2情況下，其安全系數(shù)為3.3，可以安全使用。

3)設(shè)計人員可以調(diào)整模型參數(shù)和重點關(guān)注的工況來判斷相漂浮軟管相應(yīng)的受力和偏移量，進(jìn)一步估算其安全性和經(jīng)濟(jì)性。