FLNG尾输过程耦合运动分析

赵晶瑞，李清平，王世圣

(1.中海油研究总院有限责任公司，北京 100028；2.天然气水合物国家重点实验室，北京 100028；3.国家能源深水油气工程技术研发中心，北京 100028)

0 引 言

FLNG 是一种集海上天然气生产、储存、外输功能于一身的新型海工装备。目前FLNG 采用的外输方式有旁靠外输和尾输2 种，其中尾输方式由于作业时两船相对距离远，作业时容许的环境载荷更大，被认为更适合在环境条件相对恶劣的海区应用。

在过去的十年中，海洋工业界与学术界对FLNG尾输作业开展了大量研究工作并获得了许多有价值的成果[1–5]。然而在以往的研究中，尾输过程中FLNG 于LNG 运输船两船体的水动力响应被独立进行处理，但在实际过程中，FLNG 和LNG 运输船之间的距离在外输过程中一直变化，以technip FMC 公司的ATOL 外输系统为例，要求在外输过程中FLNG 与LNG 运输船之间距离保持在60～90 m 范围，这一距离与FLNG 船宽接近，可能发生两船体的水动力耦合现象，最不利条件下可能导致两船碰撞。

本文根据中场理论，对外输过程中FLNG 和LNG运输船耦合水动力响应进行研究，并分析一些因素，如两船距离、装载工况组合以及不同环境条件的影响。结果表明，随着船体距离的降低，FLNG 对LNG 运输船的遮蔽效应增强，而非耦合的水动力分析结果将高估作用于LNG 运输船上的低频漂移力与两船间距。风流载荷但有助于提升整体系统的稳定性，减小船体相对运动和张力的变化范围，从而降低两船碰撞的风险。

1 设计基础

1.1 FLNG 与LNG 运输船

FLNG 主尺度参数为船长340.0 m，船宽61.0 m，型深37.0 m，有10 个GTT 液舱，整体LNG 容积为252000 m3。LNG 运输船主尺度参数伟船长291.0 m，船宽47.0 m，有4 个GTT 液舱，LNG 容积为173500 m3。FLNG 与LNG 运输船的总布置图如图1 所示。FLNG与LNG 运输船在外输过程中具有3 种典型装载组合，具体参数如表1 所示。

表1 外输过程中典型装载组合Tab.1 Load condition combination during offloading process

图1 FLNG 与LNG 运输船总布置图Fig.1 Main arrangement plan of FLNG and LNG carrier

1.2 FLNG 单点系泊系统

FLNG 采用15 根系泊缆绳呈3 组进行定位，所有缆绳在分段结构上完全相同，主要分为3 段，包括顶部锚链，中部钢缆与底部锚链。底部锚链长1 392 m，直径为146.05 mm，破断拉力为18 908 kN，中部由螺旋钢缆组成，长1859 m 直径139.7 mm，破断拉力为19 186 kN，顶部锚链与底部锚链规格相同，长100 m。缆绳几部分之间采用卸扣连接，每根缆绳采用吸力锚定位，系泊水平跨距为2 815 m，顶部预张力约为5 150 kN。

1.3 尾输系泊系统

尾输过程中，FLNG 与LNG 运输船之间采用4 根连接缆控制相对运动，尼龙缆长90 m，直径139.00 mm，破断拉力为1 819 kN，风暴刚度为6 000 kN，空气重量为5.2 kg/m。

2 耦合系统数值模型

2.1 水动力分析模型

采用Hydrostar 软件建立带有液舱的FLNG 与LNG 运输船双船体耦合水动力模型，如图2 所示。

图2 FLNG 和LNG 运输船的水动力模型Fig.2 Hydrodynamic model of FLNG and LNG carrier

图3 两船体之间水面的划分Fig.3 Mesh model of water plane between FLNG and LNG carrier

FLNG 与LNG 运输船船体上的2 阶波浪漂移力根据中场理论计算，为了考虑两船体水动力的耦合作用，需要对船体之间的水面进行网格划分并给定能量耗散系数（通常根据水池模型试验获得），以抑制此区域内的波面共振。

2.2 耦合水动力分析分析

采用法国船级社的Ariane 软件进行FLNG 尾输作业耦合运动分析，建立FLNG 和LNG 运输船、单点系泊系统与尾输临时系泊系统如图4 所示，尾输系泊缆绳的布置如图5 所示。

图4 FLNG 单点系泊系统布置Fig.4 Single point mooring system of FLNG

图5 尾输系泊系统Fig.5 Tandem mooring system

3 结果与讨论

3.1 水动力敏感性分析

在进行耦合运动分析之前，首先计算两船体的水动力性能。分别采用耦合分析法考虑两船体之间间距为40 m，60 m，80 m 时计算水动力结果并与非耦合分析结果进行对比，如图6～图8 所示。

图6 和图7 表明：不同间隙距离对于FLNG 船体垂荡与纵摇运动影响很小，且耦合分析与非耦合分析几乎没有差异；间隙距离对LNG 运输船船体垂荡与纵摇运动影响相对较大，其中耦合分析的结果在0.4 rad/s～1.0 rad/s 范围明显小于非耦合分析，特别是当波浪频率等于0.7 rad/s 时。对于FLNG 纵荡运动的波浪漂移力而言（见图8），仅在当波浪频率大于0.6 rad/s 时，耦合分析结果略微小于非耦合分析。但对于LNGC 而言，根据远场或近场理论的非耦合分析结果会明显大于根据中场理论得到的耦合分析结果。当两船相对距离减小时，RAO 曲线的幅值也将明显降低，特别是当波浪频率大于1.0 rad/s 后，这表明耦合效应在增强，同时FLNG 对LNGC 在波浪漂移力方面具有明显的遮蔽效应。

图6 两船垂荡运动RAOs 对比Fig.6 Heave RAO comparison of two vessels

图7 两船纵摇运动RAOs 对比Fig.7 Pitch RAO comparison of two vessels

图8 两船纵荡漂移力RAOs 对比Fig.8 Surge drift force RAO comparison of two vessels

不同装载组合条件下的水动力分析结果如图9～图11 所示。

图9 与图10 表明在不同装载组合条件下，FLNG与LNG 运输船的运动RAO 变化较小。图11 表明当LNG 运输船增加排水量或吃水之后，作用于LNG 运输船船体上的纵荡漂移力也将上升。

图9 两船垂荡运动RAOs 对比Fig.9 Heave RAO comparison of two vessels

图10 两船纵摇运动RAOs 对比Fig.10 Pitch RAO comparison of two vessels

图11 两船纵荡漂移力RAOs 对比Fig.11 Surge drift force RAO comparison of two vessels

不同浪向下的水动力结果如图12～图14 所示。

由图12～图14 可知，波浪入射角度对于两船体的运动与漂移力均具有很大的影响，当波浪入射角度增加时，两船体的垂荡与纵摇运动都将加剧。对于LNG 运输船而言，当波浪呈180°入射时，其所受到的波浪漂移力幅值将明显小于波浪呈135°方向入射时，这也表明FLNG 对LNG 运输船在波浪漂移力方面影响显著，相反，LNG 运输船对FLNG 的影响却十分有限。

图12 两船垂荡运动RAOs 对比Fig.12 Heave RAO comparison of two vessels

图13 两船纵摇运动RAOs 对比Fig.13 Pitch RAO comparison of two vessels

图14 两船纵荡漂移力RAOs 对比Fig.14 Surge drift force RAO comparison of two vessels

上述分析表明，在水动力影响因素中，波浪入射角度对水动力结果影响最大，其次为两船之间的间距，而装载工况组合的影响最小。此外非耦合的水动力分析将会过高估计LNG 运输船上作用的平均波浪漂移力。

3.2 耦合分析结果

由于外输工况下FLNG 与LNG 运输船之间的间距持续变化，因此分别采用不同间距下的水动力结果（分别用HD1，HD2，HD3，HD4 以表示两船之间间距为40 m，60 m，80 m 和非耦合的状态），并将计算结果输入至Ariane 软件进行运动分析对比。

图15～图18 为LC2 装载工况时采用不同水动力结果下的耦合运动分析结果。环境条件假设为仅波浪载荷作用，有义波高Hs为5 m，谱峰周期Tp为10 s，波浪谱为Jonswap，谱峰因子为2.0。

图15 两船之间距离时间历程Fig.15 Time history of distance between two vessels

图16 两船之间距离频谱Fig.16 Spectrum of distance between two vessels

图17 系泊缆张力时间历程Fig.17 Time history of hawser tension

图18 系泊缆张力距离频谱Fig.18 Spectrum of hawser tension

图15表明，在仅波浪作用下，两船相对水平向运动有一个较大的范围，特别是当采用HD2 水动力计算结果时，两船最小间距仅为30 m，极易发生碰撞。图17和图18 显示了系泊张力基本有低频成分组成，采用非耦合水动力结果HD4 所得到的系泊张力明显大于采用HD1～HD3 的耦合水动力分析结果，这一现象也表明FLNG 在外输作业过程中遮挡了作用在LNGC 上的波浪载荷。

为了研究环境载荷入射角度的影响，根据参考文献[9]，选取5 个典型的环境载荷方向组合，包括全平行工况，交叉流工况，交叉风工况，交叉风流工况以及对称风流工况，具体的入射角度如图19 所示。风速Vwind为20.0 m/s，流速Vcurrent为1.0 m/s，并采用HD3 的水动力计算结果，全部的计算工况与相应编号如表2 所示，相对距离与系泊张力结果如表3 所示。

图19 5 种典型外输作业环境载荷方向组合Fig.19 Five typical directional combination in tandem offloading operation

表2 全部计算工况Tab.2 Total calculation cases

表3 相对距离与系泊张力结果Tab.3 Results of distance and hawser tension

由表3 可知，在LC3 装载工况下，系泊缆绳张力最小，而在LC1 装载工况下，两船体之间相对运动范围最小。对于环境载荷组合而言，第4 个工况（交叉风流工况）和第5 个工况（对称风流工况）比其他工况产生了更加极端的响应，但根据缆绳的破断强度，最大系泊张力仍然可以满足强度要求。与图15 和图17 相比较发现，当考虑风与流载荷之后，船体相对运动和系泊缆绳张力的变化范围和最大值都有所降低，这说明风流载荷从某种程度上提升了整体系统的稳定性。

4 结 语

本文采用数值计算方法研究FLNG 尾输过程的动力特性。根据中场理论计算FLNG 与LNG 运输船的双船耦合水动力，并建立了包括FLNG，LNG 运输船、单点系泊系统以及外输定位缆绳的耦合分析模型并进行运动求解，得到结论如下：

1）根据中场理论，在FLNG 进行尾输过程中FLNG 船体与LNG 运输船将出现水动力耦合效应，非耦合水动力分析将高估作用于LNG 运输船体上的纵荡漂移力。在对水动力分析的影响因素中，波浪入射角度对结果的影响最大，其次为两船之间的相对距离，而装载工况组合的影响最小。

2）在纯波浪工况下，两船之间的相对距离范围较大并可能导致两船碰撞，而风流载荷将在某种程度上降低两船体相对运动和系泊张力的变化范围，改善整体系统的稳定性。