FLNG系統進行旁靠卸載作業時的水動力性能研究

趙文華,楊建民,胡志強,李 欣

（上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海200240）

FLNG系統進行旁靠卸載作業時的水動力性能研究

趙文華,楊建民,胡志強,李 欣

（上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海200240）

針對大型浮式液化天然氣（FLNG）系統與液化天然氣（LNG）運輸船以旁靠方式進行LNG卸載時的船體的水動力性能開展了水池模型試驗。實驗全面考慮了近靠物體之間的水動力耦合，以及船體與系泊系統及連接系統之間的耦合。通過水池模型實驗得到了在風、浪、流共同作用下FLNG船體的運動響應情況、FLNG與LNG運輸船間的相對運動情況、系泊系統的受力情況、兩船之間連接系統的受力情況。借助統計分析手段對實驗數據進行分析研究，討論了FLNG進行旁靠卸載作業時的水動力性能。

大型浮式液化天然氣（FLNG）系統；旁靠卸載；水動力；多浮體

1 引 言

隨著全球天然氣勘探與開發的逐漸深入，越來越多的深海氣田、邊際小氣田及伴生氣田被發現。為了經濟高效地開發這些氣田，世界上提出了大型浮式液化天然氣（FLNG）系統的概念。FLNG通過單點系泊系統定位于作業海域進行天然氣的生產，從海底生產的天然氣在FLNG上進行直接的液化處理，在天然氣的液化過程中，其體積驟縮600倍，從而實現了對天然氣的儲存。LNG運輸船直接從FLNG船上卸載LNG及其它產品，然后運往世界各地的市場。FLNG系統有效地避免了在深海氣田、邊際小氣田及伴生氣田等鋪設管道所帶來的一系列技術問題及高昂的經濟成本；FLNG系統利用了LNG易于儲存與運輸的特點，將大大提高上述氣田的開發力度。

當FLNG各艙內裝滿貨物時，需要進行LNG的卸載。通常情況下，FLNG船與LNG運輸船采用尾輸與旁靠兩種方式進行卸載。在尾輸方式中，LNG運輸船的首部通過系泊纜與FLNG船的尾部相連，LNG通過長距離的輸送軟管卸載至LNG運輸船，但是該技術對于LNG的卸載而言尚未成熟。在旁靠方式中，LNG運輸船與FLNG船采用并排方式排列，兩船通過系泊纜與防碰墊等連接在一起，LNG通過卸載臂卸載至LNG運輸船。由于在旁靠作業中，FLNG船與LNG運輸船距離較近，兩船之間的相互水動力干擾較為明顯。

目前，國內外學者已針對多浮體之間的相互水動力干擾進行了相關的研究。Kodan(1984)[1]，Fang和Kim(1986)[2]采用二維切片理論對此問題進行了研究，而Choi和 Hong(2002)[3]采用了HOBEM(Higher Order Boundary Element Method)對三維情況下的兩船之間的相互水動力影響進行研究。Hong等人(2003)[4]和Kim(2003)[5]在時域范圍內對多浮體間的相互水動力影響進行了研究。在這些研究中，利用線性勢流理論計算得到船體的水動力系數，然后以這些系數為基礎得到時延函數，進而進行時域范圍內的計算。為了實現對多浮體之間運動響應的準確預報，需要將多浮體之間的連接系統考慮在內。Lee(2002)[6]將連接纜，立管等假定為無質量的非線性彈簧，采用非耦合分析技術對此問題進行了研究。 Wichers和Develin(2001)[7]的研究發現非耦合分析技術對于FLNG的旁靠問題可能產生較大的誤差，并提出采用完全耦合分析模型。Koo和Kim(2005)[8]采用耦合分析方法對多浮體、系泊纜與連接系統開展了時域分析。在他們的研究中，重點考慮了位于對角線上的相互水動力系數對于兩船相對運動的影響。

由于多浮體耦合運動的復雜性，以上研究中往往采用簡化或近似的方法，所以無論在理論上還是計算方法上，還有待于進一步發展。相比于數值分析方法，水池模型實驗研究可以充分考慮到多個浮體間的相互水動力影響，同時可以充分考慮到多個浮體與系泊系統及連接系統之間的耦合影響，提供較為可靠的預報結果。本文以FLNG與LNG運輸船進行旁靠卸載作業時所組成的系統為研究對象開展了水池模型實驗，對FLNG旁靠作業時的水動力性能進行了研究。

表1 實船和模型的主尺度Tab.1 Main dimensions of the FLNG vessel in full scale and model scale

2 目標船介紹

選取中海油研究中心與中國船舶與海洋工程設計研究院設計的FLNG船作為研究對象開展水池模型試驗。該FLNG將通過單點系泊系統定位于1 500 m水深的南海海域進行天然氣的開發，其系泊系統采用4×3形式。

2.1 船體參數

該FLNG船總長為392 m，船寬為69 m，型深為35.7 m，船艙內配有10個同樣尺寸的LNG儲罐并呈兩列并排方式排列。本文中選取FLNG在60%H裝載時的情況進行研究。在60%H裝載情況下，該FLNG的重心位于從尾柱向前385 m處，并且關于船寬方向對稱。實船和模型的縮尺比為λ=81，實船和模型的主尺度見表1。

表2 LNG運輸船的主要參數Tab.2 Main dimensions of the LNG carrier in full scale and model scale

2.2 系泊系統

該FLNG采用外轉塔單點系泊系統進行定位。系泊系統由12根系泊纜組成，分為3組每組4根，每根長度為6 100 m，每組中相鄰兩根之間的夾角為5°，每組之間的夾角為120°。每根系泊纜由鏈-纜-鏈三段組成，其水平跨距為5 850 m，其預張力為3 090.15 kN。該系泊系統的主要參數見表3,該系泊系統的俯視圖及每根系泊纜的編號見圖1。

由于世界上現有水池尺寸的限制，該深水系泊系統無法布置于水池中。本研究中采用了水深截斷方法對FLNG的系泊系統在實際水深500 m處進行了水深截斷。要求截斷后的系泊系統能有效地模擬全水深狀態下系泊系統的水動力性能，水深截斷的可靠性早已被Stansberg等人（2000）[9]證明。水深截斷后的系泊系統的水平跨距變為1 227 m，從而其模型可以布置于現有的水池中進行模型實驗。截斷后的系泊系統的主要參數見表4。

圖1 采用外轉塔形式系泊的FLNG系統的布置圖Fig.1 Configuration of the external turret-moored FLNG system

表3 系泊纜的主要參數Tab.3 Configuration of the mooring lines

表4 截斷后的系泊系統的主要參數Tab.4 Configuration of the truncated mooring lines at the water depth of 500 m in both prototype and model scale

2.3 連接系統

在本試驗中，FLNG船體與LNG運輸船之間通過8根連接纜及4個防碰墊進行連接。8根連接纜分為兩組，其中2根具有相同屬性，另外6根具有相同屬性；4個防碰墊具有相同的屬性。系泊纜的屬性及防碰墊的屬性見表5和表6，為了更為直觀地表示防碰墊的屬性，將其彈性曲線做成如圖2所示。在水池模型實驗過程中，兩船之間的連接情況如圖3所示。

表5 連接纜模型的屬性Tab.5 Characteristics of the connected line models

表6 防碰墊模型的屬性Tab.6 Characteristics of the fender models

圖2 防碰墊模型的彈性特性Fig.2 Elastic characteristics of the fender models

圖3 FLNG與LNG運輸船之間的旁靠布置Fig.3 Configuration of the side-by-side operation between FLNG and LNG carrier

3 試驗布置

在上海交通大學海洋工程國家重點實驗室深水實驗池開展了此次水池模型實驗。實驗過程中，FLNG與LNG運輸船通過系泊系統與兩船之間的連接系統定位于水池的中央；實驗過程中，選取25Hz的采樣頻率對實驗數據進行采集，采集時間對應實際時間1.5小時。

3.1 海洋環境條件

開展水池模型實驗之前，需要對海洋環境條件進行校核。實驗所選取的海洋環境參數為：1小時平均風速為13 m/s,平均流速為0.81 m/s，有義波高為2.5 m，譜峰周期為10 s，選取Jonswap譜，其譜峰因子選為3.0。海洋環境條件的具體參數見表7,風浪流之間的角度關系如圖4所示。

表7 海洋環境條件Tab.7 Sea state in both prototype and model scale

2.2 實驗過程

圖4 風浪流角度示意圖Fig.4 A sketch of the directions for wind,waves and current

圖5 FLNG與LNG運輸船旁靠作業圖Fig.5 A snapshot of the side-by-side operation for FLNG and LNG carrier

在水池模型實驗開展之前，綜合各方面因素，選定縮尺比λ=1:81進行船模的制作。取得船模后，對船模的質量及慣性參數進行校核，以達到實驗的精度要求。然后進行海洋環境條件的校核，首先根據給定的波浪譜進行傅立葉變換得到波浪的時歷，并在水池中利用造波機將該波浪時歷造出。由于本實驗中風為定常風，故風與流的校核工作相對容易。在校核完風浪流海洋環境條件之后，將FLNG與LNG運輸船模型放置于水池中央，并利用系泊系統及兩船間的連接系統將兩船模定位于水池中。然后按照流、風、浪的順序依次造出海洋環境條件。FLNG與LNG運輸船模型在水池中的布置如圖5所示。

4 試驗結果與分析

通過開展水池模型實驗，測量得到了FLNG與LNG運輸船的運動響應及相對運動情況，FLNG系泊系統的受力情況及兩船之間連接系統的受力情況等。對以上數據開展統計分析，得到FLNG旁靠作業時的水動力性能。

4.1 船體運動

圖6 FLNG六自由度運動時歷圖Fig.6 Time Series of the six degree of freedom for the FLNG vessel

FLNG與LNG運輸船進行旁靠作業時兩船體之間距離較近，極易發生碰撞事故，因此兩船體的運動情況及相對運動情況是進行旁靠作業時重點關注的因素之一。在如表7所示的風、浪、流的聯合作用下，FLNG與LNG運輸船的運動時歷分別如圖6和圖7所示。表8和表9列舉了FLNG與LNG運輸船的運動時歷統計值。為了進一步研究旁靠作業時FLNG與LNG運輸船的運動特性，經過數據處理得到了縱蕩、橫蕩與首搖三個低頻范圍內的相對運動時歷，如圖8所示。

圖7 LNG運輸船六自由度運動時歷圖Fig.7 Time Series of the six degree of freedom for the LNG carrier

表8 FLNG六自由度運動統計值Tab.8 Statistic values of the six degree of freedom for the FLNG vessel

表9 LNG運輸船六自度運動統計值Tab.9 Statistic values of the six degree of freedom for the LNG carrier

圖8 FLNG與LNG運輸船低頻相對運動時歷圖Fig.8 Relative motion time series of low frequency motions between FLNG vessel and LNG carrier

從以上數據結果可以看出，FLNG與LNG運輸船進行旁靠作業卸載LNG時的運動響應規律如下：FLNG與LNG運輸船在縱蕩、首搖方面保持高度一致性，在橫蕩方面存在一定的差異，但是從總體上看橫蕩相對運動的相位比較一致。FLNG與LNG運輸船在垂蕩、橫搖與縱搖三個自由度方面有一定的相對運動，這是由于兩艘船的船型具有較大差異所造成的。在風、浪、流不同向的海況下，FLNG與LNG運輸船的首搖運動的最大值分別為44.75°和44.98°。LNG船的垂蕩、橫搖與縱搖的運動響應比FLNG運動響應更為明顯，橫搖運動響應甚至大近一個數量級。這說明FLNG與LNG運輸船之間的相對運動主要是由LNG運輸船所造成的。在進行FLNG與LNG運輸船的旁靠卸載作業時，應重點考慮如何有效地限制LNG運輸船的運動，從而有效地降低兩船之間的相對運動水平，以利于液化天然氣的安全卸載。

圖9 錨鏈4的受力時歷圖Fig.9 Time series of the loads acting on the mooring line 4

從圖8可以看出，FLNG與LNG運輸船之間的相對縱蕩與相對首搖運動較小，而FLNG與LNG運輸船的相對橫蕩運動較為明顯。由于存在較為明顯的相對橫蕩運動，在兩船之間連接系統彈性力恢復力的作用下，兩船將會發生十分劇烈的碰撞。這現象會在防碰墊的受力情況中得到進一步的驗證。

4.2 系泊系統

FLNG通過12根系泊纜進行定位，其系泊系統在海洋環境條件下的受力情況是FLNG設計過程中需要考慮的重要因素之一。在如表7所示的風、浪、流的聯合作用下，12根系泊纜的受力情況見表10，其中受力最大的系泊纜的受力時歷如圖9所示。

表10 FLNG系泊纜受力情況統計值Tab.10 Statistic parameters of the loads acting on the mooring system

從表10所列的統計值可以看出，在風、浪、流的聯合作用下，同一組內的系泊纜的受力較為均勻。受力最大的系泊纜為4號系泊纜，其受力的最大值為3595kN，為破斷載荷的24.31%，在安全范圍之內。

4.3 連接系統

在以旁靠方式進行LNG卸載時，FLNG與LNG運輸船通過8根連接纜及4個防碰墊進行連接。試驗過程只對受力較為典型的防碰墊（1號與4號）進行了受力測量，防碰墊與連接纜的受力情況統計值見表11。8根連接纜中受力最大的連接纜（4號）的受力時歷如圖10所示，4個防碰墊中受力最大的防碰墊（1號）的受力時歷如圖11所示。

表11 FLNG與LNG運輸船旁靠連接系統的受力情況統計值Tab.11 Statistic parameters of the loads acting on the connected system between FLNG and LNG

圖10 連接纜4的受力時歷圖Fig.10 Time series of the loads acting on hawser 4

圖11 防碰墊1的受力時歷圖Fig.11 Time series of the loads acting on fender 1

從表11所列的統計值可以發現，4號連接纜所受的拉力為8根連接纜中受力最大的，其它7根連接纜的受力相差不大，說明在實際海洋環境中進行旁靠卸載作業時，應對4號連接纜進行強度的加強。1號防碰墊的受力遠大于4號防碰墊的受力，建議在設計中可以采用兩種不同型號的防碰墊，以減小工程成本。從圖10可以看出，連接纜的受力比較穩定，變化不大，而從圖11可以看出，防碰墊的受力變化非常大。另外，防碰墊受力變化情況表明，在進行旁靠卸載作業時兩船之間存在較為劇烈的碰撞，旁靠卸載作業對海洋環境條件要求較高。

5 結 論

本文在國內首次針對FLNG的旁靠卸載作業開展水池模型實驗研究，為將來的數值計算提供參考。本次實驗相比于以往數值分析的優勢在于全面地考慮了近靠浮體之間相互水動力影響，船體運動與系泊系統，船體運動與連接系統之間的耦合響應。通過對實驗數據的分析，得到FLNG旁靠卸載作業時的如下水動力性能：

（1）FLNG與LNG運輸船進行旁靠作業時，兩船之間存在劇烈的相對運動，尤其以相對橫蕩與相對橫搖運動最為明顯，容易引起兩船之間的碰撞。在進行實際海上作業時應重點關注相對橫蕩與相對橫搖運動。

（2）FLNG與LNG運輸船進行旁靠作業時，兩船之間的連接系統受力情況較為復雜。連接纜中受力最大的為4號連接纜，其它的連接纜受力較為均勻；防碰墊的受力情況為越靠近船首所受的碰撞力越大，越靠近船尾處所受的碰撞力越小。

（3）FLNG與LNG運輸船進行旁靠作業時，FLNG的系泊系統受力較為均勻，其最大受力值僅為破斷載荷的24.31%。

通過本次水池模型實驗，得到了FLNG在有義波浪為2.5m、風速為13m/s、流為0.81m/s的海洋環境條件下進行旁靠卸載作業時的水動力性能，為FLNG在實際海洋環境條件中的操作提供了指導。

[1]Kodan N.The motion of adjacent floating structure in oblique waves[C]//Proc.3rd Offshore Mechanics and Arctic Engineering Conference.Texas,USA,1984,1:206-213.

[2]Fang M C,Kim C H.Hydrodynamically coupled motions of two ship advancing in oblique waves[J].Journal of Ship Research,1986:30(3):159-171.

[3]Choi Y R,Hong S Y.An analysis of hydrodynamic interaction of floating multi-body using higher-order boundary element method[C]//Proc.12th International Offshore and Polar Engineering Conference,ISOPE.Japan,2002,1:303-308.

[4]Hong S Y,Kim J H,Cho S K,Choi Y R,Kim Y S.Numerical and experimental study on hydrodynamic interaction of side-by-side moored multiple vessels[J].Ocean Engineering,2005,32(7):783-801.

[5]Kim Y B.Dynamic analysis of multiple-body floating platforms coupled with mooring lines and risers[D].Ph.D.dissertation.College Station(TX):Civel Engineering Department,Texas A&M University,2003.

[6]Lee D H.Nonlinear stability analysis and motion control of tandem moored tankers[D].Ph.D.dissertation.Seoul:Naval Architecture and Ocean Engineering,Seoul National University,2002.

[7]Wichers J E W,Develin P V.Effect of coupling of mooring lines and risers on the design values for a turret moored FPSO in deep water of the gulf of Mexico[C]//Proc.11th International Offshore and Polar Engineering Conference,ISOPE.Stavanger,Norway,2001,3:480-487.

[8]Koo B J,Kim M H.Hydrodynamic interactions and relative motions of two floating platforms with mooring lines in sideby-side offloading operation[J].Applied Ocean Research,2005,27(6):292-310.

[9]Stansberg C T,Yttervik R,?ritsland O,Kleiven G.Hydrodynamic model test verification of a floating platform system in 3000m water depth[C]//Proc.of 19th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering,2000.New Orleans,LA,USA,OMAE2000-4145,2000.

Research on hydrodynamics of an FLNG system in side-by-side operation

ZHAO Wen-hua,YANG Jian-min,HU Zhi-qiang,LI Xin
(State Key Laboratory of Ocean Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

This study presented the hydrodynamics of a Floating Liquefied Natural Gas(FLNG)system in side-by-side offloading operation with a LNG carrier in parallel arrangement with the FLNG vessel.The coupled hydrodynamics of multiple bodies,and the coupled effects of ship motion and mooring system were included in the model test.Motion responses of the FLNG vessel under the combination of the wind,current and waves were obtained,together with the relative motion responses between the FLNG vessel and the LNG carrier,the loads acting on the mooring system and the loads acting on the connection system.Statistical and spectral analyses were carried out for these measured data.The hydrodynamics of the FLNG system under the side-by-side offloading operation were discussed.

FLNG;side-by-side offloading operation;hydrodynamics;multiple bodies

0352 U661.1

A

1007-7294（2012）11-1248-09

2012-07-29

上海市自然科學基金資助項目（11ZR1417800）,the LRET(Lloyds Register Educational Trust)to the joint centre involving University College London,Shanghai Jiao Tong University and Harbin Engineering University.

趙文華（1986-），男，上海交通大學博士生，主要從事海洋工程水動力學方面研究，

E-mail:zwzldh@163.com；

楊建民（1958-），男，上海交通大學教授，博士生導師。