10 000 m3LNG-FSRU系泊分析

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(1.中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司，天津 300452；2.天海融合防务装备技术股份有限公司，上海 201612)

10 000 m3LNG-FSRU系泊分析

郑坤1,杨波1,白鑫2,雷坤2

(1.中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司，天津 300452；2.天海融合防务装备技术股份有限公司，上海 201612)

运用水动力软件Araine预报一艘LNG-FSRU系泊系统的缆绳张力和运动响应，分析浅水效应、环境载荷以及缆绳布置对预报结果的影响，结果表明，二阶力波浪计算时需考虑浅水效应；合理设置环境载荷是设计LNG-FSRU系泊系统的关键；调整缆绳长度及夹角是减小张力的有效方式。

LNG-FSRU；系泊系统；浅水效应；环境载荷

LNG-FSRU将LNG运到专用靠泊码头后，通过管线将LNG输送上岸。正常状况下，FSRU由系泊系统与码头相连，进行LNG的储存、再气化和输出工作；卸料时，FSRU与LNG并联连接，通过卸料臂或者卸料软管将LNG接收卸载[1-3]。一方面，天然气具有易燃易爆的特点，必须保障船舶作业时的安全；另一方面，LNG-FSRU需要长期靠泊码头，要尽量减少其离港避风的次数以保障供气，因此，研究LNG-FSRU系泊系统布置对LNG-FSRU研发与建造具有重要意义。

在总结已有的研究成果[4-9]的基础上，设计一种LNG-FSRU系泊方案，运用水动力软件Ariane对系泊系统张力以及运动进行预报，分析缆绳布置对系泊张力的影响以及浅水效应、环境载荷等对系泊缆绳张力的影响。

1 计算原理

1.1 系泊计算的基本原理

系泊计算主要求解海洋结构物在环境载荷下的偏移和系泊索张力，其运动方程为

(1)

(2)

Fx=FHx+FMx+FBx+FDx+FWx+FCx+FOx

(3)

Fy=FHy+FMy+FBy+FDy+FWy+FCy+FOy

(4)

Mz/G=MHz+MMz+MBz+MDz+MWz+MCz+MOz

(5)

式中：H为水动力载荷；M为系/锚泊载荷；B为阻尼载荷；D为波浪慢漂载荷；C为流载荷；W为风载荷；O为其他不可忽略的载荷如立管、侧推、护舷。

1.2 系泊分析方法及Ariane系泊预报原理

当前主要采用准静力分析法和动力分析法。动力分析法分为频域法和时域法。频域法比较简便，但在实际应用中极少使用[10]。Ariane采用时域分析法。

Ariane预报原理见图1。

图1 Ariane系泊分析的基本思路

2 分析案例

2.1 船型参数及环境工况

选择在南海海域三沙岛附近系泊作业的LNG-FSRU，入CCS级。船舶主尺度及主要特征参数见表1。

表1 船舶主尺度及主要特征参数

本船共布置缆绳18根，沿船长方向对称分布。其中艏艉缆各3根，横缆6根，倒缆6根，系泊布置见图2。

图2 系泊布置示意

2.2 计算模型

建立船体湿表面模型，网格数2 000，排水量与实船的误差不大于0.1%，浮心位置与实船的误差不大于0.1%/L，能够在水动力意义上准确地描述实船的形状。

LNG靠泊码头一般采用开敞式码头，呈蝶形状。为了考虑船舶与码头之间的作用，额外加了4根横向虚拟缆绳。

2.3 风浪流参数

系泊方案设计时一般考虑2种工况：风暴自存工况和作业工况。本船为无动力船舶，为了让本船在恶劣海况下仍具备自存能力，设计系泊方案时海况按船舶作业海域的最恶劣海况设计。本船作业在南海三沙岛附近海域，风暴自存工况环境载荷取百年一遇的浪以及对应的风和流；作业工况环境载荷取1年一遇的浪以及对应的风和流[11]，对应的风浪流参数如表2所示。

3 计算结果及分析

选取满载工况进行系泊分析，工况信息见表3。

3.1 二阶波浪力

风载荷、流载荷通常按定常力考虑，波浪载荷需采用水动力软件直接计算。进行系泊分析前，运用HydroStar计算船舶低频二阶波浪力传递函数，见图3～5。

表2 海洋环境条件

表3 工况信息

图3 横向二阶波浪力Fx

图4 纵向二阶波浪力Fy

图5 艏摇二阶波浪力Mz

3.2 缆绳张力

取表2对应的风暴自存工况风浪流参数，浪向取船宽方向，风向和流向取船长方向。为了消除瞬态效应，进行多次模拟，并取最大值的平均值进行安全校核，各缆绳的轴向张力见表4。

表4 缆绳轴向张力 kN

CCS对系泊索张力安全系数的要求见表5。

表5 系泊索张力安全系数[12]

根据缆绳张力计算结果以及CCS的要求，缆绳选用12股编织的超强纤维制缆绳，超强纤维制缆绳具有超高强、低伸长率、轻质等优点，缆绳的技术指标见表6。

表6 缆绳技术指标

缆绳的安全系数取1.67，破断力的极限设计值为4 053.9 kN。根据表4轴向张力统计数据，布置的缆绳能够保证本船在极限风浪下自存。

4.3 运动响应

对于运动响应，更感兴趣的是作业工况下的运动响应，尤其是垂荡、纵摇和横摇。取表2对应的作业工况风浪流参数，系泊以及非系泊状态下的运动极值见表7。

表7 系统运动响应

注：垂荡幅值转换为相对于水线面(Z=4.60 m)幅值。

各运动响应的时历曲线如图6所示。

图6 时历曲线

从预报结果可以看出，系泊状态下的运动幅值均比自由状态小，纵摇减小幅度最大，垂荡、横摇减小幅度略小，这是因为系泊系统对各运动阻尼贡献不同。

3.4 影响缆绳张力的因素

1)浅水效应。本船作业码头水深为20 m，属浅水水域，波浪二阶力会受到浅水效应的影响，从而影响系泊力。为了分析浅水效应的影响，在其他设置保持一致的情况下，分别计算有义波高为2 m和3 m下的各缆绳张力，见图7。

图7 浅水效应对缆绳张力的影响

从图7可知，2种情形考虑浅水效应计算的缆绳张力均比不考虑浅水效应大，约11%。这说明浅水水域的系泊不可忽略浅水效应的影响。

2)环境载荷。对于码头系泊，环境载荷的设置关键在于波浪参数的选择。计算表2对应的风暴自存工况4下的风、流以及不同有义波高下各缆绳的张力，结果见图8。

图8 环境载荷对缆绳张力的影响

图8表明，波浪有义波高对缆绳张力张力影响很大，对于有自航能力的船舶，系泊设计时按作业工况设计，合理选择波浪有义波高是关键。

3)缆绳布置。主要包括缆绳长度以及角度2方面，以10号缆绳(倒缆)为例，分别计算不同缆绳长度以及夹角的张力，结果分别见图9、10。

图9 缆绳长度对缆绳张力的影响

图10 缆绳角度对缆绳张力的影响

从图9、10可见，缆绳越长，张力越小；缆绳与码头的夹角越小，张力越小，但缆绳长度与夹角往往受到码头布局的限制。

4 结论

1)根据船舶作业海域合理设置环境载荷尤其是波浪参数是设计LNG-FSRU系泊系统的关键。

2)浅水水域系泊设计时考虑浅水效应很有必要。

3)倒缆的张力过大，调整其长度与夹角是一种有效方式。缆绳越长，缆绳的张力越小；与码头的夹角越小，缆绳的张力越小。

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Analysis of Mooring System for the 10 000 m3LNG-FSRU

ZHENGKun1,YANGBo1,BAIXin2,LEIKun2

(1.CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Company, Tianjin 300452, China;2.Bestway Marine & Engine Technology Co. Ltd., Shanghai 201612, China)

The tension and motion response of a LNG-FSRU were predicted by using the hydrodynamic software Araine. The effect of shallow water, environment load and arrangement of mooring system was analyzed. The study declared that the shallow water effect must be taken into account when computing the second order wave load; the environment loads reasonably is the key factor of mooring system design; adjusting the length and angle of the cable is an effective mean to minus the tension.

LNG-FSRU; mooring system; shallow water effect; environment loads

U661.3

A

1671-7953(2017)05-0082-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.023

2017-07-12

修回日期：2017-08-31

郑坤(1987—)，男，工学硕士，助理工程师

研究方向：船舶与海洋结构物设计制造