LNG运输船旁靠FLNG卸载作业时的水动力性能试验＊

徐乔威胡志强谢 彬赵晶瑞

（1.上海交通大学海洋工程国家重点实验室 上海 200240； 2.中海油研究总院 北京 100028）

LNG运输船旁靠FLNG卸载作业时的水动力性能试验＊

徐乔威1胡志强1谢 彬2赵晶瑞2

（1.上海交通大学海洋工程国家重点实验室 上海 200240； 2.中海油研究总院 北京 100028）

针对LNG（液化天然气）运输船旁靠FLNG（浮式液化天然气生产储存装置）进行卸载作业时两船间存在复杂的水动力响应问题开展了水池模型试验，研究了不同载况下FLNG、LNG运输船的运动响应与相对运动特性以及旁靠定位系统连接缆与防碰垫的受力情况，并分析了斜浪对两船相对运动、旁靠定位系统连接缆与防碰垫的受力和系泊定位系统锚链受力的影响。结果表明：两船的艏摇一致性较好；横荡和纵荡存在较明显的相对运动，相对横荡运动波频运动特性明显，相对纵荡运动低频运动特性明显且幅值更大；风和波浪的夹角变化对于两船相对运动和旁靠系统所承受载荷有一定的影响，而且斜浪工况下两船相对运动和承受载荷都更加明显。这些研究结论可为LNG运输船旁靠FLNG卸载作业以及未来FLNG的设计提供参考。

FLNG；LNG运输船；旁靠卸载；水动力性能；水池模型试验

FLNG是浮式液化天然气生产储存装置，通常通过单点系泊系统定位于作业海域，可以将采集到的天然气进行液化处理，方便天然气的储存与运输。当FLNG舱满时须将FLNG上的LNG卸载至LNG运输船上，由运输船运送到岸边终端进行处理。现有的卸载作业方式有串靠外输和旁靠外输［1］，传统的串靠外输方式中，LNG运输船利用缆索定位于FLNG尾部，通过较长的输送软管将LNG运送到LNG运输船上。但由于LNG的低温特性（－162℃），较长的输送管道无法满足安全操作的要求。因此，可行的方案是LNG运输船旁靠FLNG卸载作业，即FLNG与LNG运输船并排平行，通过若干根连接缆和若干个防碰垫定位联系在一起并保持一定的相对距离，LNG通过卸载臂卸载到LNG运输船的液舱中。由于卸载臂传输速度的限制，旁靠卸载作业时间较长，作业期间难免遇到相对恶劣的海况，再加之LNG运输船和FLNG排水量大、距离近、水动力干扰较大，相互之间会产生较明显的耦合运动，直接影响两船间的相对运动状态，进而对卸载作业效率和安全性产生很大影响。

国内外学者对多浮体间的耦合运动及水动力干扰作用开展了较多研究。在理论研究方面，Kodan［2］用考虑相互作用的二维绕射理论研究了2个平行细长结构在斜浪下的相互作用，并与模型试验数据对比，验证了切片理论在船舶相互作用方面的有效性；Buchner等［3］建立了未考虑粘性流体影响的LNG运输船旁靠FLNG数值分析模型，并在两船之间的自由液体上人为引入一阻尼盖，使漂移力以及相对横荡、艏摇运动的计算更为合理；Bunnik等［4］在此基础上又在液舱自由液面中加入了阻尼盖，以减少数值计算对网格划分的依赖，更接近试验结果；Inoue等［5］用基于动量定理的远场分析方法研究了FLNG和LNG运输船的运动与慢漂力，主要研究了距离变化和浪向角改变对其水动力影响；Chen［6］在近场法的基础上直接应用Stokes公式的变体形式开发出了基于控制面的中场法，大大简化了计算；勾莹 等［7］应用边界积分方程方法研究了波浪与2个相连浮体的相互作用问题。在CFD（计算流体力学）计算方面，Koop等［8］采用CFD模拟与模型试验相结合的方法对尾输作业系统中风力的遮蔽效应进行了预报；Illuminatti等［9］用CFD模拟了FLNG尾输作业中流的遮蔽效应。在水池试验方面，Berg等［10］在MARINTEK水池进行了模型试验，主要研究了FLNG的旁靠卸载方式及尾输卸载方式，总结比较了其优缺点；谢志添 等［11］采用水池模型实验与数值模拟相结合，采集了单点系泊系统FLNG的六自由度运动与系泊链顶端载荷时历，在频域和时域范围对FLNG水动特性及舱内液体晃动对其的影响进行了研究。

由于多浮体耦合运动是典型的强非线性水动力学问题，理论研究仍有待完善，数值计算结果的可信度也有待进一步提高。模型试验技术虽然存在尺度效应的影响，但是相对来说更能够反映多浮体间的水动力影响以及定位连接系统与两船运动的耦合作用，可以获得相对更准确的预报结果。本文以LNG运输船旁靠FLNG卸载作业场景作为研究对象，开展了水池模型试验研究，综合考虑了风、浪、流共同作用下两船不同载况时的耦合水动力性能。本次模型试验是在上海交通大学海洋深水试验池完成的。通过试验研究，获取了FLNG和LNG运输船两浮体的六自由度运动以及旁靠定位系统、系泊系统的载荷，并计算出了两船相对运动数据，进而分析了LNG运输船旁靠FLNG卸载作业场景下的耦合水动力性能。

1 试验模型

1.1 FLNG和LNG运输船模型

以一艘作业于1 500 m水深的FLNG为研究对象，模型与实船缩尺比为1∶60。FLNG有满载与75%装载2种载况，LNG运输船对应压载与70%装载2种载况。FLNG和LNG运输船主要参数见表1。

1.2 FLNG单点系泊系统模型

FLNG采用内转塔单点系泊系统，该系泊系统由3组（每组6根），共18根相同的系泊链组成，每组之间夹角120°，每2根锚链间隔5°。每根锚链是由自上而下的上段锚链、尼龙绳和末端锚链连接组成，总长度为3 600 m，水平跨度为3 148.9 m，预张力为5 000 kN。该系泊系统锚链的设计参数见表2。

考虑到深水池尺寸的限制，试验中应用混合模型试验方法进行水深截断系泊系统设计［12－13］。综合考虑各方面因素，选取水深350 m，对单点系泊系统进行截断设计，截断因子为4.28，截断后单点系泊系统的物理属性见表3。

表1 FLNG和LNG运输船主要参数Table 1 Principal parameters of FLNG and LNG carier

表2 FLNG实际系泊锚链的设计参数Table 2 Design parameters of FLNG mooring lines in prototype

表3 水深截断后FLNG系泊锚链主要物理属性Table 3 Main physical properties of truncated FLNG mooring lines in prototype

1.3 旁靠定位系统模型

FLNG与LNG运输船之间通过8根连接缆及4个防撞垫连接定位。8根缆绳分成3组，即船首部3根、中部2根以及尾部3根，其中首尾6根缆绳属性相同，中间2根缆绳属性相同。缆绳的布置方式采用船首尾平行布缆和船中交叉布缆。缆绳编号从＃1到＃8，防碰垫编号从＃9到＃12，缆绳属性见表4，防碰垫不同压力下的压缩量见表5。试验时LNG运输船与FLNG旁靠系统连接缆及防碰垫具体布置及编号如图1所示。

表4 连接缆绳属性Table 4 Properties of hawsers

表5 防碰垫不同压力下的压缩量Table 5 Compressions of the fendes under different pressures

图1 FLNG与LNG运输船旁靠作业时连接线缆和防碰垫布置及编号Fig.1 Arrangement and serial numbers of hawsers and fenders in side－by－side offloading operation of FLNG and LNG carrier

2 海洋环境和工况定义

在实际旁靠卸载工况中，LNG运输船需要若干天与FLNG相连作业，期间可能会遇到一年一遇的季风海况；若遇到更为恶劣的情况，则停止作业。选取一年一遇的季风海况为试验海况，试验中采用定常风模拟，选择风、浪、流同向及浪与风和流相差30°的2种场景；不规则波浪谱采用JONSWAP谱，谱峰因子取γ＝2.0；海流采用表层流速进行模拟。海洋环境条件定义见表6，场景定义见图2。根据装载状态海洋条件的不同，完成了4个工况的试验（表7）。模型试验模拟3 h的实际海况，采样频率为20 Hz。

表6 海洋环境条件组合定义Table 6 Parameters of the environmental condition

图2 风、浪、流方向示意图Fig.2 Skeech of directions of wind，wave and current

表7 FLNG和LNG运输船旁靠试验工况定义Table 7 Case definition of FLNG and LNG carrier in side－by－side offloading operation

3 试验结果与分析

3.1 两船体六自由度运动及相对运动性能

试验工况中相对运动的情况具有一致性，因此选取工况1为代表进行分析，即选取风、浪、流同向的场景1，装载状态选择FLNG满载和LNG运输船压载。工况1中两船的运动时历的统计值见表8，六自由度运动时历见图3。从图3可见，LNG运输船的六自由度运动与FLNG的六自由度运动有一定的跟随性，这是定位系统的作用体现。从运动幅度来看，LNG运输船的运动幅度明显比FLNG运动幅度大，表8中显示LNG运输船垂荡幅值是FLNG的2倍左右，横摇幅值是FLNG的3倍左右，纵摇幅值是FLNG的4倍左右。这是由于FLNG排水量和水线面面积较大，同时FLNG和LNG运输船之间的耦合作用也在一定程度上增加了LNG运输船的运动幅度。从低频运动来看，FLNG与LNG运输船的运动幅度比较接近，艏摇一致性较好，而纵荡和横荡存在一定的相位差，有可能导致卸载臂承受较为明显的载荷。

表8 工况1中FLNG与LNG运输船运动统计值Table 8 Relative motion statistical results of FLNG and LNG carrier in case 1

为了能更好地研究两船的相对运动关系，通过数据转换计算，得到纵荡、横荡和艏摇等3个运动的相对运动时历。图4为工况1的时历图及傅里叶变换之后的频谱图，具体的统计结果见表9的工况1。从纵荡来看，LNG运输船比FLNG有更大的纵荡，这是因为FLNG有锚泊定位系统，而试验中没有模拟FLNG和LNG运输船的动力定位功能，只通过旁靠系统与FLNG相连，因此在纵向上受到的抵抗力偏小。不过，这种研究方法是偏于安全的，因为相对纵荡运动的幅值增大容易引起旁靠系统连接缆拉力载荷增大。从横荡来看，两船初始相对横荡为0，当相对横荡降至负值时认为两船相碰，防碰垫在较短的时间内产生载荷而抵抗碰撞作用；而在两船距离增大时，连接缆会产生回复力，但该回复力增长较为缓慢且幅值较小；图4a中相对横荡谷值较平而峰值较尖就是因为防碰垫的抵抗作用及连接缆的回复力作用。从艏摇来看，FLNG与LNG运输船的相对转角幅值在2.5°左右，证明相对艏摇运动具有很好的一致性。从图4所示的时历图中还可以看出， 相对运动的波动性较大，可能会引起旁靠系统的疲劳损失。

图3 工况1下FLNG和LNG运输船的六自由度运动时历图Fig.3 Six degrees freedom time series of FLNG and LNG carrier in case 1

相对运动包括一阶和二阶相对运动。一阶相对运动是波频运动，主要与激励波浪的波高有关；而二阶相对运动包括平均运动和低频运动，其中平均相对运动是二阶波浪慢漂力产生的［14］。从图4频谱图可以看出，相对运动主要以二阶运动为主；相对纵荡运动有2个谱峰值，能量较为集中；相对横荡和相对艏摇运动能量在0～0.2 rad/s的频率范围内都有分布，与相对纵荡运动相比能量较为分散。由于在实际设计LNG运输船旁靠FLNG的过程中，还需要考虑卸载臂长度变化范围，所以必要时可采取加强旁靠系统或采用动力定位来限制相对运动。

图4 工况1下FLNG与LNG运输船对应时刻的相对运动时历及频谱图Fig.4 Relative motion time series and frequency spectrum of FLNG and LNG carrier in case 1

表9 各种工况下FLNG与LNG运输船相对运动的统计值Table 9 Relative motions statistical results of the FLNG and LNG carrier in different cases

3.2 旁靠定位系统连接缆与防碰垫的受力特性

通过试验，获得了旁靠定位系统连接缆及防碰垫受力统计值。限于篇幅，本文选取工况1为代表进行分析，连接缆与防碰垫受力统计值见表10，其中受压力最大的防碰垫＃12的碰撞力时历如图5所示。从表10可见，工况1中连接缆＃1～＃5的受力最大值较大，这是因为风标效应使得浪从前方来，这些连接缆承受首向浪的作用力较明显，特别是＃2与＃4连接缆的受力最大值已经超过1 000 kN，因此在设计时若仍采用该旁靠定位方式，应考虑加强连接缆＃1～＃5的强度，尤其是＃2和＃4连接缆。防碰垫＃9和＃12的受力最大值都超过了2 000 kN，说明船首尾部的防碰垫碰撞更加剧烈，这是因为船首尾部会受到横荡和艏摇的共同作用而使其横向的运动幅度增大。从图5可以看出，工况1中防碰垫＃12的受力存在不稳定性，会在碰撞瞬间产生较大的碰撞力。

表10 工况1中连接缆与防碰垫受力统计值Table 10 Forces of hawsers and fenders in case 1 kN

3.3 斜浪对两船相对运动、旁靠定位系统连接缆与防碰垫受力和系泊系统锚链受力的影响

图5 工况1中防碰垫＃12的受力时历图Fig.5 Force time series of fender＃12in case 1

共进行了4个工况的试验，其中工况1、3是风、浪、流同向（如场景1），工况2、4是风、流同向，浪相差30°（如场景2）。各工况下两船相对运动的统计值如表9所示，可以看出，斜浪状态下相对横荡的最大值、最小值比风、浪、流同向时要大，平均值是风、浪、流同向时的2倍左右，运动幅度反而减小，说明此时两船横向平衡位置较远，并且在平衡位置附近以较小的幅度波动。从相对纵荡来看，风、浪、流同向情况下平均值为负，斜浪状态下平均值为正，且幅值较大，说明风、浪、流同向时LNG运输船相对FLNG往后移动，而斜浪状态下LNG运输船相对FLNG往前移动，这与表11中连接缆＃1张力均值增加，连接缆＃2张力均值减小是符合的。产生这种现象的原因可能是斜浪状态下浪产生的力部分被分解成横向力，并且LNG运输船被FLNG遮挡，来浪对LNG运输船的纵向作用力存在一定程度上的减少。

表11为工况2、3、4中旁靠定位系统连接缆与防碰垫受力统计值，结合表10中工况1的数据，分析可知，与风、浪、流同向相比，斜浪状态下旁靠定位系统连接缆除＃2以外最大值基本变化不大，大部分连接缆最大值略微减小。这可能是因为虽然斜浪状态下相对横荡与相对纵荡最大值均增大，但存在相位差导致它们没有在同一时刻达到最大。连接缆＃2最大值增大是因为其主要承受相对纵荡产生的力，在斜浪状态下，相对纵荡的运动幅值增加导致最大值增加。另外，各工况下防碰垫受力基本变化不大。

表12是从FLNG系泊系统18根锚链中选取最大受力的锚链＃16、＃17统计得到的数据，可以看出系泊系统的锚链受力在风、浪、流同向和斜浪工况下相差不大，锚链张力最大值均小于18 908 kN的破断强度，锚链设计符合要求。

表11 工况2、3、4下连接缆与防碰垫受力统计值Table 11 Forces of hawsers and fenders in case 2to 4 kN

表12 FLNG系泊系统在不同工况下的最大锚链力Table 12 Mooring lines maximum forces of FLNG positioning system in different cases kN

4 结论

1）相对运动是影响LNG运输船旁靠FLNG卸载作业最主要的因素。其中，相对纵荡运动具有较明显的运动幅值，会使旁靠系统的载荷增加；相对横荡运动谷部较平而峰值较尖；两船的艏摇一致性较好，对卸载作业的影响较小。因此，在实际海上作业时要重点限制相对横荡和纵荡作用。

2）LNG运输船运动幅度比FLNG更为明显，处于较为不利的运动状态。LNG运输船的运动是两船发生碰撞的主要原因，并且运动幅度过大对于设备的使用和人员的舒适性会产生很大的影响，因此在实际工程应用中应当利用动力定位功能来限制LNG运输船的运动。

3）FLNG与LNG运输船的旁靠定位系统设计方式对其受力有直接的影响。在本文布置情况下，承受首向来浪载荷的连接缆＃2和＃4的受力较大，首尾防碰垫＃9和＃12的受力较明显。因此，可以考虑加强承受首向力的连接缆或在船首增加新的连接缆，而且首尾防碰垫也应适当加强。

4）斜浪工况对两船相对运动与旁靠定位系统连接缆绳受力影响较大，但对FLNG系泊系统以及防碰垫的受力影响不大。在斜浪工况下，相对横荡运动与相对纵荡运动均较为明显，旁靠定位系统连接缆受力也有一定的变化。

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Hydrodynamics of an FLNG system in side－by－side offloading operation with a LNG carrier

Xu Qiaowei1Hu Zhiqiang1Xie Bin2Zhao Jingrui2
（1.State Key Laboratory of Ocean Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China；2.CNOOC Research Institute，Beijing100028，China）

The pool model test method was used to study the complex hydrodynamics between the floating liquefied natural gas（FLNG）system and the liquefied natural gas（LNG）carrier when they were in side－by－side offloading operation.The motion responses and relative movements of the LNG carrier and the FLNG under different loading conditions as well as the loads acting on the connection lines and fenders in connecting system were studied.The research was also related to the effects of different wave directions on the relative motion responses of the two vessels and loads of the connection lines and fenders in connecting system and the mooring lines in positioning system.The results demonstrate that a good identity exists in the motion of relative yaw.Instead，the motion of relative sway and surge are evident.The motion of relative sway has wave－frequency characteristics while the motion of relative surge has low－frequency characteristics and larger amplitude.The angle of the wind and wave has certain impact on the relative motion and the loads acting on the connecting system.Under the condition of the oblique wave，the relative responses of the two vessels and the loads acting on the connecting system are more severe，which need to be closely monitored.The conclusions would be helpful in both the FLNG in side－by－side offloading operation with a LNG carrier and the design of a new FLNG.

FLNG；LNG carrier；side－by－side offloading；hydrodynamics；pool model test

U661.1

A

2014－03－18改回日期：2014－08－31

（编辑：吕欢欢）

徐乔威，胡志强，谢彬，等.LNG运输船旁靠FLNG卸载作业时的水动力性能试验［J］.中国海上油气，2015，27（2）：112－119，126.

Xu Qiaowei，Hu Zhiqiang，Xie Bin，et al.Hydrodynamics of an FLNG system in side－by－side offloading operation with a LNG carrier［J］.China Offshore Oil and Gas，2015，27（2）：112－119，126.

1673－1506（2015）02－0112－08

10.11935/j.issn.1673－1506.2015.02.020

＊“十二五”国家科技重大专项“FLNG/FLPG、FDPSO总体性能、定位系统关键技术及模型试验研究（编号：2011ZX05026－006－05）”、自然科学基金重点项目“畸形波的动力学机理及其对深海平台强非线性作用研究（编号：51239007）”部分研究成果。

徐乔威，男，上海交通大学船舶与建筑工程学院在读硕士研究生，主要研究方向为海洋工程水动力性能。地址：上海市闵行区东川路800号（邮编：200240）。E－mail：xuqiaowei211＠gmail.com。