基于AWQA的LNG浮式轉接駁真空;吸附裝置吸附力模擬計算

吳昊,夏華波,周毅,李萌,蒙學昊

(中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司,天津 300452)

LNG浮式轉接駁是一種新型LNG傳輸裝置,具有建造成本低、建設周期短、經濟效益高、作業方式靈活等特點。在進行LNG過駁作業時轉接駁由拖輪頂推至LNG運輸船旁,使用真空吸附裝置同LNG運輸船進行系泊,以減小LNG浮式轉接駁與LNG船之間的相對運動。為確定真空吸附裝置在作業過程中的受力情況,以3萬m3LNG運輸船“海洋石油301”為例對其進行計算,由于目前尚無法直接計算二者間各方向上的最大作用力,故考慮通過將真空吸附裝置在AQWA中以護舷的方式進行定義,并在轉接駁兩端設置纜繩,計算護舷碰撞力與纜繩張力得到系泊過程中兩船間的相互作用力,據此為真空吸附裝置的選型提供參考。

1 環境條件及船型主尺度

預設典型作業海況環境條件如下。

1)作業水深:15 m。

2)風:作業工況風速15 m/s。

3)波浪:波浪譜為JONSWAP(Hs),譜峰因子為3.3,作業工況有義波高H1/3=1 m。

4)流:作業工況流速1 m/s。

在此環境條件下,以3萬m3LNG運輸船為設計目標,進行靠泊安全分析。3萬m3以及LNG浮式轉接駁的主尺度見表1、2。

表1 3萬m3LNG運輸船主要尺寸 m

表2 LNG浮式轉接駁主要尺寸 m

2 坐標系及船體模型的建立

在靠泊安全分析數值計算中,坐標原點為LNG船舯位置,對于3萬m3LNG船,原點相對于船艉坐標系的位置為(92.35,0,吃水)。坐標系X軸方向由船艉指向船艏、Y軸方向由船舶右舷指向左舷和Z軸方向沿船舶型深方向向上,風、浪、流環境載荷方向0°為從船艉指向船艏,按照順時針方向依次增加到360°。

根據3萬m3LNG的船體型線相關數據以及自主設計的浮式轉接駁型線,利用Catia對模型進行構建[1],通過放樣命令模塊,對船體型線進行放樣,初步生成船體模型,之后對生成的模型進行曲率分析、曲面縫合等技術操作,在這過程中,適度的對船體型線進行微調,實現船體型線光滑過渡等要求,并最終對船體曲面曲率進行分析,得到最終的模型。LNG運輸船使用的系泊浮筒,在AQWA中將其簡化成圓柱體,位置以3萬m3LNG船系泊纜繩長度在100 m左右為標準進行設置,計算模型見圖1、2。

圖1 3萬m3LNG運輸船-浮筒系泊模型

圖2 3萬m3LNG-浮式轉接駁模型(正視)

將建好的模型導入到ANSYS中,將模型進行水線及網格劃分后進行靜水力分析[2],得到LNG運輸船與浮式轉接駁的重量中心數據,見表3。

表3 LNG運輸船與轉接駁重心浮心位置 m

3 風流力系數的計算

船舶在系泊時會受到風場和水流的作用,對船舶承受的風載荷和流載荷準確評估可以預報船舶的運動,確保船舶良好的系泊性能。通常來說,對風載荷和流載荷評估的傳統處理方法是進行風洞試驗或直接采用經驗公式估算,從而獲得風載荷系數和流載荷系數。但風洞試驗方法花費的費用較高,在某些工程應用中往往由于經費的限制無法實施,且經驗公式估算法也有一定的局限性,導致估算結果精度不高。再加上研究對象為浮式轉接駁,由于其特殊性,缺乏相關規范的指導。因此,結合現有成熟的CFD計算方法,對不同環境角的風流載荷系數進行數值計算。

由于AQWA軟件在計算風流載荷時是通過輸入的載荷系數進行計算的,并沒有考慮雙船系泊中大船對小船的遮蔽效應,不考慮遮蔽效應的計算結果更為保守,但同時也會使得計算值與實際值存在誤差。為了讓計算更準確,本文利用STAR-CCM+軟件計算雙船并靠時轉接駁的風流載荷系數[3]。雙船耦計算模型見圖3,在正迎風、迎流工況下船體壓力分布見圖4。

圖3 雙船并靠計算模型

圖4 正迎風、迎流工況下船體壓力分布

通過計算過程中發現轉接駁對LNG船載荷系數的影響非常小,可以忽略,因此系泊計算過程中仍然使用OCIMF規范定義的風流載荷系數。

風力計算如下。

(1)

式中:Cxw、Cyw、Cxyw代表x、y方向風力系數以及xy平面內的風力矩系數[4];ρw為空氣密度;Vw為風速;AT、AL為橫向和縱向投影面積;LBP為船的垂線間長。

流力計算公式如下。

(2)

式中:Cxc、Cyc、Cxyc代表x、y方向流力系數以及xy平面內的流力矩系數;ρc為海水密度;Vc為流速;T為船的吃水。

以y方向轉接駁流載荷系數為例,見圖5,LNG船對轉接駁的風流載荷影響非常明顯,并且不同流向角下大船的影響不同,在流向角為負時,轉接駁的流載荷相比于對稱正方向的流載荷更小,這是因為流向角為負時,大船在轉接駁的上流位置,遮蔽效應更明顯。

圖5 y方向轉接駁流載荷系數

為使船舶RAO響應曲線更加接近實際值,依據頻域計算結果對船舶阻尼進行修正。橫搖阻尼修正后3萬m3LNG船RX=557 510 N·m/(°/s),此時橫搖峰值為4.027 m,較為接近實際情況。修正后的橫搖數據見圖6。

圖6 阻尼修正后的橫搖數據

4 LNG船-浮式轉接駁系泊力計算

系泊方案采用LNG運輸船采用多點浮筒系泊方式[5],船艉1、2號浮筒纜繩角度為45°,船艏3、4號浮筒纜繩角度為60°,命名規則按船艏艉和左右舷分為4組,每組三根纜繩編號依次為1、2、3,LNG運輸船與浮式轉接駁間通過2根纜繩以及2個吸附裝置連接,纜繩、錨鏈、護舷、吸附裝置命名見圖7,其中護舷位置與吸附裝置重疊,在圖中用括號標出。錨鏈及纜繩長度參數見表4～6。

圖7 浮筒系泊及雙船固定纜繩布置示意

表4 LNG運輸船纜繩長度

表5 浮筒錨鏈長度

表6 纜繩布置

作業工況下,浮式轉接駁靠泊于LNG船舷側,LNG運輸船浮筒系泊布置及浮式轉接駁在舷側的系泊布置見圖8、9。

圖8 LNG運輸船浮筒系泊布置示意

浮式轉接駁作業工況計算結果見表7,根據計算結果對LNG船運動幅值進行統計,并與規范做對比。

在指定環境下雙船系泊中,3萬m3LNG船的x方向(縱移)最大位移為0.81 m,滿足要求,y方向(橫移)最大位移為1.58 m,三向轉動響應分別為0.42°(橫搖)、0.03°(縱搖)、0.7°(首搖),均滿足規范PIANC規范《Criteria for Movements of Moored Ships in Harbours》要求。

對轉接駁上的纜繩及吸附裝置受力進行計算,護舷、纜繩及吸附裝置受力在x方向(船長方向)和y方向(船寬方向)的受力情況見表8。

表8 與3萬m3LNG船系泊時轉接駁護舷、纜繩及吸附裝置受力

浮式轉接駁與3萬m3LNG系泊駁船纜繩最大受力為37 kN,對應工況為工況1。

對表9中的數據進行處理,以3萬m3LNG與浮式轉接駁系泊工況1為例,各方向受力由吸附裝置和浮式轉接駁纜繩的對應方向受力組合,X+代表x正方向,X-代表x負方向。

X+方向合力為

X+=(X-BA-L1X)+(X-BA-L2X)+

(BA-L2X)=6+0+37=43 kN。

X-方向僅有BA-L1一根纜繩受力,則X-受力為

X-=BA-L1X=-23 kN。

X方向合力由X+和X-求和。

X=(X+)+(X-)=43-23=20 kN。

Y方向合力由2根纜繩和2個吸附裝置共同承載,則Y方向受力為

Y=(X-BA-L1Y)+(X-BA-L2Y)+(BA-L1Y)+(BA-L2Y)=32+1+3+6=42 kN。

計算結果數據舍去了小數部分(四舍五入),因此計算合力得到結果可能會與分力之和有些許誤差。

結果見表9,由表中數據可知3萬m3LNG系泊駁船在x方向和y方向承受的最大載荷分別為45.1 kN和94.8 kN,對應工況分別為工況8和工況10。

表9 轉接駁纜繩及吸附裝置受力坐標轉換;(3萬m3LNG船)

綜合以上計算結果,轉接駁與3萬m3LNG運輸船在x方向和y方向的最大承載為45.1 kN和94.8 kN,取安全系數為2.5,則真空吸附裝置在x方向和y方向上可提供112.75 kN和237 kN即可保證LNG浮式轉接駁與3萬m3LNG運輸船在作業過程中相對位置保持穩定。

5 結論

通過使用護舷及纜繩代替真空吸附裝置進行所需吸附力進行計算,通過護舷碰撞力與纜繩張力組合得到系泊過程中兩船間的最大相互作用力,該計算結果是基于預設典型作業海況環境條件得出的,據此可為真空吸附裝置的選型提供參考依據,在保證安全作業的前提下避免過大冗余,提高轉接駁作業的經濟性。

若LNG浮式轉接駁實際作業環境條件更為惡劣則需根據實際工況調整模型和海況參數進行針對性計算,以保證LNG傳輸過程的安全。

所提出的真空吸附裝置模擬計算方法可用于項目前期估算LNG浮式轉接駁與LNG運輸船之前所需的吸附力大小,可用于真空吸附選型參考。后續工作中若能獲取到具體參數可對本方法進行進一步優化,提高精確度。