基于Ariane7的FLNG船码头系泊分析

阳 恒， 白俊磊， 杨晨俊

(1. 上海交通大学 海洋工程国家重点实验室， 上海 200240； 2. 惠生(南通)重工有限公司， 上海 201210)

基于Ariane7的FLNG船码头系泊分析

阳 恒1,2， 白俊磊2， 杨晨俊1

(1. 上海交通大学 海洋工程国家重点实验室， 上海 200240； 2. 惠生(南通)重工有限公司， 上海 201210)

在全球天然气贸易量不断增加的背景下，对液化天然气液化装置及存储装置(Floating Liquefied Natural Gas, FLNG)进行研究具有一定的经济及战略意义。以世界首座FLNG为例，通过理论分析和数值计算，研究FLNG的码头系泊性能并设计分析系泊系统。采用法国船级社系泊分析软件Ariane 7程序系统计算FLNG在风、浪作用下的载荷，为船体结构计算提供运动响应和波浪载荷的输入数据，建立FLNG码头系泊的仿真模型，分析系泊系统各装置的受力情况。

液化天然气液化及存储装置； 运动响应； 码头系泊； 系泊张力

0 引 言

海洋是人类生产活动的可扩展空间，油气资源丰富，发展海洋经济可为经济转型提供巨大的动力，而浮式液化天然气设施(Floating Liquefied Natural Gas, FLNG)将成为开发油气资源的重要设备。系泊系统主要用来保证船舶、平台和浮标等船舶或海洋结构物能安全停留、系固于锚地、沉块、岸或系泊浮筒上,是船舶和海洋平台必不可少的配套设施，在船舶设计初步阶段对相关设备进行选型和布置非常重要。

国内已有众多学者对船靠码头进行研究。HUANG[1]提出一种基于质量集中弹簧模型和有限元法的数值方法，用以计算锚链的三维动张力,并通过实例给出验证。胡毅[2]对大型液化天然气(Liquefied Natural Gas, LNG)船建立模型，分析其在波浪载荷作用下的运动响应。刘祥建[3]以一艘最大工作水深为1 500 m的深海钻井船为研究对象，采用非线性时域耦合和准动态分析方法，对比分析使用不同商业软件计算得到的水动力数据，并对该船的锚泊系统进行优化。袁鑫[4]运用系泊缆索动态响应计算的数值方法分析系泊线的动力特性，推导出动力响应的二阶非齐次变系数偏微分的控制方程，并结合各种计算方案确定方程求解的数值方法，得到需要拉索的固定式海洋平台中拉索上部平台带来的运动扰动比波浪干扰更为明显的结论。邹志利等[5]编程计算靠码头系泊浮体在海洋联合载荷作用下的运动响应和系泊线拉力，其预报结果与商业软件Optimoor的结果的吻合度良好。

这里应用法国船级社(Bureau Veritas, BV)系泊分析软件Ariane 7对FLNG系泊系统的特性进行研究，对系泊缆的长度和预张力等参数的影响进行数值考察，研究对象为在南通惠生海工建造的Caribbean FLNG(见图1)。该FLNG为非自航驳船，每天可将72亿标准立方英尺常温常压下的天然气转化为-162 ℃的LNG(±50万t/a)，同时储存于自身的液货舱、出口至与之相邻的LNG储存罐(FSU)或LNG船内。2016年9月26日3时，该船顺利通过72 h液化模块的性能考核，产能及各项性能指标完全达到设计要求，证明该装置具备商业投用的条件，是世界上第一个成功完成调试、具备商业运营条件的FLNG[6]。

1 FLNG系泊系统配置

FLNG系泊系统由船体及若干系泊缆绳组成，驳船主尺度为：总长144 m，型宽32 m，型深20 m。计算分满载、半载和压载等3种装载工况，针对正常操作和风暴自存2种典型工作环境，主要考察各计算状态下的缆绳张力、导缆孔受力和码头带缆桩受力等，同时还分析极端环境和单根缆绳破断情况下其余各缆绳的受力情况。

系泊系统计算坐标系见图2。固定坐标系CNEZ定义为：C点为固定坐标系原点，CN轴指向正北，CE轴指向正东，CZ轴指向正下方，CNE平面为静水平面。随船坐标系O-xyz定义为：O点为船体纵向中心面和船底面交线与0号肋位的交点，Ox轴指向船首，Oy轴指向右舷，Oz轴正向垂直向上。风、浪和流的方向沿CN轴反方向为正，力矩的方向沿顺时针为正。

FLNG码头系泊布置图见图3。在正常操作工况下共设有10根系缆绳，其中，船首和船尾各4根，舯部2根；在风暴自存工况下共设有14根系缆绳，其中，船首和船尾各6根，舯部2根。

系泊缆绳与水平面之间的夹角见表1,其中，各缆绳较小的夹角对应满载工况，较大的夹角对应压载工况。缆绳材料为聚丙烯，直径为64 mm，破断强度为500 kN，单位长度的质量为1.85 kg/m。码头前沿设置有5个DA300H×L1500型橡胶护舷，其受力特性见表2。

表1 系泊缆绳与水平面之间的夹角

表2 DA300H×L1500型橡胶护舷受力特性

表3 各装载工况下船体参数

表4 当地环境条件

2 环境条件及工况

在进行系泊分析前，需考虑如何选定工况，以便完整、准确地评估系泊系统的系泊能力。这里选择完整状态和破损状态考察船舶吃水变化，风、浪、流的方向及潮差变化等影响。完整状态是指系泊系统所有系泊缆绳正常工作的状态；破损状态是指任意一根缆绳破断失效的状态。

船舶在运营过程中的装载工况发生变化会使吃水也发生变化，而吃水的变化会对系泊系统的效率产生影响。系泊分析所用的装载工况下的船体参数见表3。

计算中用到的环境条件见表4，其中，水的密度为1 020 kg/m3，空气的密度为1.29 kg/m3，平均风速为30 s，流速为船舶最大吃水处的平均速度。

根据当地环境条件及OCIMF相关规范，计算中正常工作环境下流向角为0°，10°，90°时的流速分别为1.54 m/s，1.03 m/s，0.39 m/s；风速设定为20.8 m/s；对于每个流向角，计算风向角分别为0°，30°，60°，90°，120°，150°，180°。

在极端生存环境下，除将风速更改为26.3 m/s以外，其余计算条件均与正常的工作环境相同。

3 系泊计算方法

系泊缆索控制方程的一般形式为

(1)

式(1)中:m和ma分别为单位长度系泊缆索的质量及附加质量；T为系泊缆索张力；V,U分别为系泊缆索运动速度矢量和流场速度矢量；Fn,Ft分别为单位长度系泊缆索上流体作用力的法向分量和切向分量；G为缆索净重力，可分别根据式(2)和式(3)计算：

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为流体密度；CDn和CDτ分别为流体法向拖曳力系数和切向拖曳力系数；D为缆索直径。压载工况下的水动力网格模型见图4，Ariane 7中的计算模型见图5。

4 不同参数对系泊效率的影响

4.1系泊布置对系泊效率的影响

经计算，布置10根缆绳时缆绳的最大张力为248.9 kN，布置14根缆绳时缆绳的最大张力为150.7 kN。因此,系泊布置对系泊系统的系泊效率有较大影响，在工程上应结合成本考虑，对系泊布置进行调整优化，以达到最佳的经济适用性。

4.2系泊系统刚度对系泊效率的影响

不同材质系泊缆绳的刚度不同，对码头系泊系统产生重要影响，刚度越大，弹性模量就越大。分别采用6股钢缆及聚丙烯纤维缆绳进行对比计算，若采用10根缆绳的布置方法，在正常操作环境和满载工况下，聚丙烯缆绳的最大张力为248.9 kN，钢缆的最大张力为302.4 kN。

4.3系泊缆绳长度对系泊效率的影响

对不同长度、相同材质时系泊缆绳在相同系泊系统中的系泊效率进行分析，采用不同长度的聚丙烯缆绳，对比分析原长度与加长10 m后对系泊效率的影响。通过计算可得，采用10根缆绳的布置方法，在正常操作环境和满载工况下，原长度聚丙烯缆绳的最大张力为248.9 kN，聚丙烯缆绳加长10 m后的最大张力为205.8 kN。系泊系统使用加长后的纤维缆绳,每根缆绳的最大受力均比原长度缆绳小，但浮体的位移值会变大。系泊缆绳的长度受制于码头布置及FLNG外输管线对浮体位移的要求，不能仅通过增加缆绳的长度来减小系泊缆绳的最大张力。

4.4系泊缆绳预张力对系泊效率的影响

预张力是在船体无外载荷的情况下，系泊缆绳通过绞车张紧获得的初始张紧力。对相同系泊系统在不同预张力下的缆绳张力进行对比计算分析，预张力的取值范围为10～160 kN。经计算，系泊系统在不同预张力下的缆绳最大张力结果见图6。由图6可知，随着预张力的增加，缆绳的最大受力逐渐变小，安全系数逐渐变大。在预张力为80 kN时，安全系数达到最大2.27，此后随着预张力的增大而变小。

5 计算结果分析

5.1评价准则

参照OCIMF及BV规范，完整状态安全系数应>2.00，破损状态安全系数应>1.25，依据该准则评价系泊系统计算结果。

5.2完整状态下缆绳的拉力

通过数值模拟计算，得到在操作条件及生产条件下各装载工况张力最大的缆绳序号和最大张力值(见表5和表6)。

表5 完整状态正常操作环境下不同载况最大张力缆绳参数

表6 完整状态生存环境下不同载况最大张力缆绳参数

5.3破损状态下缆绳的拉力

这里仅计算破损状态下极端生存环境中的压载工况。依次计算1～14号缆绳破断后剩余缆绳的最大张力值，可知各种情况下缆绳的最大张力值出现在12号缆绳破断时的9号缆绳上，最大拉力为308.5 kN，此时安全系数为1.62。

5.4船体的位移

通过数值模拟计算可知，船体在缆绳完整、生存环境下压载，横荡最大值出现在风和流与船体成90°时，为1.660 m，纵荡最大值出现在迎风迎流时，为1.080 m。满载时，横荡最大值出现在风向90°,流向10°时，为1.171 m；纵荡最大值出现在迎风迎流时，为1.330 m。半载时，横荡最大值出现在风向90°，流向10°时，为1.391 m；纵荡最大值出现在迎风迎流时，为1.303 m。

对于海上浮式LNG工厂，由于有外输管线，对船体的横荡值有一定要求。过大的横荡会导致管线断裂，从而对安全生产造成威胁。因此，横荡值是除缆绳张力外评价FLNG系泊系统的另一个重要指标。当前横荡值≤2 m，满足在外输管线的许用范围内，满足要求。

5.5船体上导缆孔所受到的力

船体上导缆孔的布置位置如图3所示，其中：导缆孔1，4，10，11的安全工作负荷(Safe Working Load，SWL)为750 kN；导缆孔2，3，5，6，7，8，9，12的SWL为500 kN。

通过计算可得到导缆孔处的系泊缆绳轴向张力和系泊缆绳对导缆器的作用力，从而评估该位置的导缆器的SWL是否满足要求。

由计算结果可知，完整状态下的导缆孔受力最大出现在压载工况、高潮位时的第11号导缆孔上，力的大小为319.97 kN，此时安全系数为2.40。

破损状态下导缆孔受力最大出现在9号缆绳破断、压载工况、高潮位时的第11号导缆孔上，力的大小为415.44 kN，此时安全系数为1.80。

5.6码头上带缆桩所受到的力

码头带缆桩的SWL为1 000 kN。由计算结果可知：完整状态下码头上带缆桩受到的力最大出现在压载工况及高潮位时的第8号带缆桩上，力的大小为470.32 kN，此时安全系数为2.10。破损状态下码头上带缆桩最大受力出现在压载工况、高潮位及第12号缆绳破断情况下的8号带缆桩上，力的大小为601.02 kN，此时安全系数为1.70。

6 结 语

以Caribbean FLNG为例，应用BV系泊分析软件Ariane 7模拟船舶在码头系泊时的运动情况，计算出在给定的装载工况及环境载荷下，系泊缆绳处在完整状态和破损状态时FLNG系泊设备的受力情况，包括各系泊缆绳的张力、导缆孔的受力和码头带缆桩所受拉力等，可得到以下结论：1) 在相同外载荷下，增加系泊缆的数量可有效降低系缆的张力，但应结合成本综合考虑最终的系泊布置。

2) 在相同外载荷下，系泊系统刚度越大，系缆张力就越大，相应的浮体位移越小,可根据实际应用选用合适的系泊缆材质。

3) 在相同外载荷下，对于相同材质的系泊缆，随着系缆长度增加，系缆张力会变小，但相应的浮体位移会变大。

4) 随着缆绳的预张力和长度逐渐增大，其安全系数均先增大后减小。当系泊缆绳中的预张力达到一定程度后，外部载荷及自身装载的液货对其产生的晃荡载荷和对缆绳的微小刺激都可能使其在横向产生剧烈的晃荡，从而造成系泊缆绳的张力增大，可对预张力进行敏感性分析，优化后获得最佳预张力。

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

[2] 胡毅.大型LNG船水动力分析及系泊计算[D].武汉:华中科技大学，2012.

[3] 刘祥建.深海钻井船锚泊系统的设计与分析[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学，2011.

[4] 袁鑫.系泊缆索动力分析数值方法研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学，2010.

[5] 邹志利.港口内靠码头系泊船运动的计算[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个FLNG项目性能考核[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

阳恒(1983—)，男，湖北孝感人，工程师，硕士，从事海洋平台舾装设计工作。

1674-5949(2017)02-0025-05

U653.2

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