多点系泊的 FLNG艉输作业可行性

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(中海油研究总院 技术研发中心， 北京 100028)

多点系泊的FLNG艉输作业可行性

赵晶瑞，谢彬，王世圣，粟京，谢文会，李博

(中海油研究总院技术研发中心，北京100028)

以一艘多点系泊的浮式液化天然气船(Floating Liquefied Natural Gas Carrier, FLNG)为研究对象，结合西非海区特定的环境条件，采用耦合时域方法模拟其艉输作业时系统总体的动态响应，论证采用艉输方式的作业可行性，并对其外输临时系泊系统进行优化设计。研究表明：艉输作业时FLNG的多点系泊缆绳张力、外输缆绳张力、FLNG与LNG运输船之间的间距、立管顶部水平偏移等结果均可满足设计基础要求。随着外输海况的提升以及环境载荷入射角度的增大，外输系泊缆张力与生产立管顶部最大偏移量快速增大。外输系泊缆载荷受缆绳材料的影响较大，对于外输系泊缆绳布置而言，采用单根布置优于2根布置。

浮式液化天然气船；多点系泊；艉输；作业可行性

0 引 言

浮式液化天然气船(Floating Liquefied Natural Gas Carrier, FLNG)是集海上天然气采集、处理、液化、存储与外输为一体的综合性生产装置，水深适应性强，可重复利用，常用于开发深远海天然气资源[1-3]。对FLNG外输方式的选择需要考虑其系泊系统的类型和当地环境条件的特点，例如在中国南海，台风频发、载荷方向的不确定性强，FLNG必须采用单点系泊定位，此外为了使外输气候窗满足作业需求，推荐采用艉输方式；而西非等海区环境条件相对温和、载荷方向性特点明显，FLNG可采用多点系泊系统定位。由于FLNG的舱容有限，需要定期采用LNG运输船进行外输作业以保证足够的舱容用于继续生产。西非当地对液化天然气(Liquefied Natural Natural Gas, LNG)的需求有限，LNG运输船需要面临远洋运输，若采用旁靠外输方式的LNG运输船需配备动力定位系统，会增加工程投资，并降低运输船舱容；此外，两船靠泊、分离过程安全风险高，如果多点系泊的FLNG也能采用艉输方式外输，既可节省前期投资、降低营运成本，也能提高外输作业过程的安全性。

本文以一艘深水多点系泊定位FLNG为研究对象，结合西非某深水气田典型环境条件，模拟艉输工况下FLNG整体系统的响应，计算得出各类控制因素(如两船最小距离、外输系泊缆与多点系泊缆最大张力、生产立管顶端最大水平偏移等)对结果的影响，以论证采用艉输作业模式的可行性。此外，对FLNG外输临时系泊方式进行优化设计，研究不同因素对系统整体响应的影响程度，并给出工程建议。

1 设计基础

1.1FLNG及附属系统

以一艘中等规模FLNG为研究对象，其主尺度为：总长244.60 m，垂线间长237.00 m，船宽46.70 m，型深26.70 m，典型外输工况下吃水17.51 m，排水量182 616.92 t。穿梭LNG运输船总长241.70 m，垂线间长230.00 m，船宽41.20 m，型深21.30 m，典型外输工况下吃水13.7 m，排水量92 250.11 t。FLNG拟作业的目标气田水深为1 500 m。

FLNG采用12根“链-缆-链”分组式系泊缆分4组进行定位，每组系泊缆绳轴线与船体艏艉向夹角为30°，同组缆绳之间夹角为5°。缆绳组成包括：船体锚链、中部钢缆及海底锚链，其中：海底锚链与船体锚链规格相同，规格为K4级无档锚链，直径均为111 mm，破断拉力为10 167 kN，轴向刚度为865 MN，海底锚链长度为150 m，船体锚链长度为1 451 m；中部钢缆为Spiral Strand钢缆，直径105 mm，破断拉力10 622 kN，轴向刚度1 010 MN，长度1 621 m，单根缆绳在导缆孔位置的静态预张力为387 t。

FLNG艉输作业时两船相对距离约100 m，外输系统为软管式，FLNG与LNG运输船之间采用1根直径为201 mm的聚酯纤维缆进行定位，缆绳在空气中单位长度的重量为25.8 kg/m，破断拉力为10 987 kN，其风暴条件下的轴向刚度为308 MN。

1.2环境条件

FLNG拟作业的海上气田位于西非某海域，依据该海区典型环境条件的主极值经插值得到外输工况下的环境条件见表1。

表1 外输作业的环境条件

环境载荷之间的夹角依据该海区一年一遇风、浪、流玫瑰统计图确定，如图1所示。

图1 某油气田一年一遇环境条件玫瑰统计图

由图1可以看出：该海区风速与波高的玫瑰统计极为相似，表明在多数时间内，海区波浪为风生波，而海流与波浪之间的最大夹角约45°。因此，假设风与波浪夹角范围为-22.5°～22.5°(逆时针方向为正)，海流与波浪最大夹角为0～45°。综上所述，确定外输工况下环境载荷夹角见表2。

表2 环境载荷角度 (°)

2 FLNG外输工况总体性能分析

2.1模型建立

采用HydroSTAR软件建立FLNG与LNG运输船湿表面模型，如图2所示，以求解两船水动力系数。

图2 水动力模型

以真北方向建立FLNG船体与系泊系统耦合分析模型，环境载荷的入射角度及浮体自身运动坐标系如图3所示。FLNG系泊系统总体布置如图4所示。

图3 坐标系与方向角定义 图4 FLNG系泊系统总体布置

采用Ariane软件建立FLNG，LNG运输船和多点系泊和艉输临时系泊系统的耦合模型，如图5所示。

图5 FLNG系统尾输工况耦合模型

2.2控制因素

FLNG外输作业时，船体及其附属系统需满足的要求见表3。

表3 FLNG系统外输作业时的技术指标

2.3耦合计算结果

表4为9种典型环境工况组合下，FLNG外输时，系统各项指标的计算结果。

表4 FLNG外输作业计算结果对比

由表4可以看出：(1)在相同环境载荷下，环境入射方向与船体艏艉向夹角较小时(DIR-01)，两船之间距离相对较近，两船之间相对距离对载荷变化不敏感。在全部9种工况下，两船之间的相对距离最小值在100～130 m范围内，外输过程中不会发生碰撞。(2) 随着有义波高的增加，多点系泊系统的系泊张力将小幅增加，但总体上，在低海况条件下，多点系泊缆绳张力对环境载荷强度、方向不敏感。当海况达到有义波高4 m时，多点系泊缆绳张力的安全系数接近安全极限。(3) 外输系泊缆张力与生产立管顶部最大偏移量对环境载荷及作用方向均较为敏感，随着有义波高与船体艏艉向夹角的增大，二者均快速上涨。当海况达到有义波高4 m时，外输系泊缆张力安全系数最先接近安全极限。

需要注意的是：在相同环境载荷下，随着环境入射方向与船体艏艉向夹角的增加，外输系泊缆张力降低，但两船距离、多点系泊缆张力和生产立管顶端最大偏移均上升，但趋势相反。

为深入了解系统整体动力响应特征，选取ENV-03，DIR-02工况输出时间历程与频谱，如图6～图9所示。

图6 FLNG与LNG运输船相对距离的时间历程 图7 FLNG生产立管顶端水平偏移量的时间历程

图8 多点系泊缆与外输系泊缆张力时间历程 图9 多点系泊缆与外输系泊缆张力频谱

由图6可以看出：两船之间相对水平运动范围为110～125 m，频率成分复杂并呈现非对称现象。当两船距离增加至120 m左右(接近外输系泊缆原长)时，相对运动将被明显限制。

由图7可以看出：立管顶端水平偏移以低频运动为主，与船体运动特点相同。

图8和图9反映了2类系泊缆张力特点的差异，用于定位的多点系泊缆绳张力变化幅值小，频率成分可以被明显分为2个区间，波频区间以波浪谱峰周期为中心，而低频区间频率小于0.02 Hz(如图9所示)，而外输系泊缆则呈现冲击张紧现象，表现为均值小但变化幅值很大，频谱成分范围大且较复杂。

本节的计算分析表明：在给定外输环境条件下，两船不会发生碰撞。生产立管顶端水平偏移量与多点系泊缆张力受海况与载荷方向的影响较大，二者主要取决于FLNG船体水动力与定位系统设计，外输系泊缆张力变化幅度大。因此，本文将控制外输系泊缆张力作为主要改进目标。

3 工程比选措施与效果

本文提出2种比选措施：(1)不改变外输系泊缆绳材料，增加1根外输系泊缆绳。(2) 改变外输系泊缆绳材料。采用柔性高的尼龙双编绳替换聚酯纤维。尼龙双编绳的材料属性见表5。

表5 尼龙双编绳主要参数

选定ENV-01，DIR-01工况进行对比，见表6。

表6 不同外输系泊方案结果对比

由表6可以看出：2种改进方式对多点系泊缆绳的最大张力基本无影响；在两船相对距离、FLNG生产立管顶端最大偏移安全性方面略有改善；在外输系泊缆最大张力方面，采用2根聚酯纤维缆绳相对于单根缆绳，最大系泊张力降低了10%左右，而采用尼龙缆之后，最大系泊张力大幅降低。将单根、双根聚酯纤维缆和单根尼龙缆3种条件下外输系泊缆绳张力时间历程与频谱进行对比，如图10和图11所示。

由图10和图11可以看出：采用尼龙缆进行方案改进后，缆绳冲击张紧效应降低，导致张力幅值下降。通过时域模拟发现：当环境载荷入射角度增加后，单侧外输系泊缆绳将发生松弛失效现象(如图12所示)。因此，实际上此时仅1根系泊缆起作用，改善效果有限。

图10 不同方案下外输系泊缆张力时间历程 图11 不同方案下外输系泊缆张力频谱

图12 单根外输系泊缆绳松弛失效示意图

4 结 论

本文以一艘多点系泊的FLNG作为研究对象，采用耦合时域方法模拟其在西非某深水气田进行艉输作业时的耦合响应，对各项指标进行校核，并开展环境条件和外输临时系泊方式的敏感性分析，得到如下结论：

(1) 在外输作业时，FLNG多点系泊缆绳的张力主要取决于系泊设计与船体水动力性能，与外输临时系泊方式的关联度较低，在该海区外输作业的环境下，多点系泊系统载荷受环境条件与入射方向的影响也较小。

(2) 在4 m有义波高条件下，FLNG与LNG运输船相对距离最小值在100 m以上，由此推断，在外输作业时，两船不会发生碰撞。生产立管顶端偏移量对外输环境强度及入射方向均十分敏感，4 m有义波高下最大偏移量可达水深的3%左右。

(3) 外输系泊缆张力主要由缆绳材料属性决定。由于外输过程中两船体相对水平运动同时存在波频与低频成分，因此最好选取柔性较好的缆绳，否则会导致缆绳产生冲击张紧现象，使张力幅值迅速增加。对于多点系泊的FLNG而言，由于其艏摇运动被限制，因此外输作业时，当环境载荷入射角度增加后，若采用2根外输系泊缆绳进行定位，则单侧的外输系泊缆绳将发生松弛失效。因此，对于多点系泊的FLNG而言，外输系泊缆绳单根布置优于双根布置。

[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.

[3] ZHAO W H, YANG J M, HU Z Q. Hydrodynamics of an FLNG System in Tandem Offloading Operation[J]. Ocean Engineering, 2013, 57(01):150-162.

[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

大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室开放基金“南海深水FLNG尾输关键技术研究”；“十三五”国家科技重大专项项目28课题2“深水平台工程技术”(2016ZX05028-002)

赵晶瑞(1983-)，男，高级工程师

1001-4500(2017)04-0069-07

P751

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