FLNG系统进行旁靠卸载作业时的水动力性能研究

赵文华,杨建民,胡志强,李 欣

（上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海200240）

FLNG系统进行旁靠卸载作业时的水动力性能研究

赵文华,杨建民,胡志强,李 欣

（上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海200240）

针对大型浮式液化天然气（FLNG）系统与液化天然气（LNG）运输船以旁靠方式进行LNG卸载时的船体的水动力性能开展了水池模型试验。实验全面考虑了近靠物体之间的水动力耦合，以及船体与系泊系统及连接系统之间的耦合。通过水池模型实验得到了在风、浪、流共同作用下FLNG船体的运动响应情况、FLNG与LNG运输船间的相对运动情况、系泊系统的受力情况、两船之间连接系统的受力情况。借助统计分析手段对实验数据进行分析研究，讨论了FLNG进行旁靠卸载作业时的水动力性能。

大型浮式液化天然气（FLNG）系统；旁靠卸载；水动力；多浮体

1 引 言

随着全球天然气勘探与开发的逐渐深入，越来越多的深海气田、边际小气田及伴生气田被发现。为了经济高效地开发这些气田，世界上提出了大型浮式液化天然气（FLNG）系统的概念。FLNG通过单点系泊系统定位于作业海域进行天然气的生产，从海底生产的天然气在FLNG上进行直接的液化处理，在天然气的液化过程中，其体积骤缩600倍，从而实现了对天然气的储存。LNG运输船直接从FLNG船上卸载LNG及其它产品，然后运往世界各地的市场。FLNG系统有效地避免了在深海气田、边际小气田及伴生气田等铺设管道所带来的一系列技术问题及高昂的经济成本；FLNG系统利用了LNG易于储存与运输的特点，将大大提高上述气田的开发力度。

当FLNG各舱内装满货物时，需要进行LNG的卸载。通常情况下，FLNG船与LNG运输船采用尾输与旁靠两种方式进行卸载。在尾输方式中，LNG运输船的首部通过系泊缆与FLNG船的尾部相连，LNG通过长距离的输送软管卸载至LNG运输船，但是该技术对于LNG的卸载而言尚未成熟。在旁靠方式中，LNG运输船与FLNG船采用并排方式排列，两船通过系泊缆与防碰垫等连接在一起，LNG通过卸载臂卸载至LNG运输船。由于在旁靠作业中，FLNG船与LNG运输船距离较近，两船之间的相互水动力干扰较为明显。

目前，国内外学者已针对多浮体之间的相互水动力干扰进行了相关的研究。Kodan(1984)[1]，Fang和Kim(1986)[2]采用二维切片理论对此问题进行了研究，而Choi和 Hong(2002)[3]采用了HOBEM(Higher Order Boundary Element Method)对三维情况下的两船之间的相互水动力影响进行研究。Hong等人(2003)[4]和Kim(2003)[5]在时域范围内对多浮体间的相互水动力影响进行了研究。在这些研究中，利用线性势流理论计算得到船体的水动力系数，然后以这些系数为基础得到时延函数，进而进行时域范围内的计算。为了实现对多浮体之间运动响应的准确预报，需要将多浮体之间的连接系统考虑在内。Lee(2002)[6]将连接缆，立管等假定为无质量的非线性弹簧，采用非耦合分析技术对此问题进行了研究。 Wichers和Develin(2001)[7]的研究发现非耦合分析技术对于FLNG的旁靠问题可能产生较大的误差，并提出采用完全耦合分析模型。Koo和Kim(2005)[8]采用耦合分析方法对多浮体、系泊缆与连接系统开展了时域分析。在他们的研究中，重点考虑了位于对角线上的相互水动力系数对于两船相对运动的影响。

由于多浮体耦合运动的复杂性，以上研究中往往采用简化或近似的方法，所以无论在理论上还是计算方法上，还有待于进一步发展。相比于数值分析方法，水池模型实验研究可以充分考虑到多个浮体间的相互水动力影响，同时可以充分考虑到多个浮体与系泊系统及连接系统之间的耦合影响，提供较为可靠的预报结果。本文以FLNG与LNG运输船进行旁靠卸载作业时所组成的系统为研究对象开展了水池模型实验，对FLNG旁靠作业时的水动力性能进行了研究。

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

2 目标船介绍

选取中海油研究中心与中国船舶与海洋工程设计研究院设计的FLNG船作为研究对象开展水池模型试验。该FLNG将通过单点系泊系统定位于1 500 m水深的南海海域进行天然气的开发，其系泊系统采用4×3形式。

2.1 船体参数

该FLNG船总长为392 m，船宽为69 m，型深为35.7 m，船舱内配有10个同样尺寸的LNG储罐并呈两列并排方式排列。本文中选取FLNG在60%H装载时的情况进行研究。在60%H装载情况下，该FLNG的重心位于从尾柱向前385 m处，并且关于船宽方向对称。实船和模型的缩尺比为λ=81，实船和模型的主尺度见表1。

表2 LNG运输船的主要参数Tab.2 Main dimensions of the LNG carrier in full scale and model scale

2.2 系泊系统

该FLNG采用外转塔单点系泊系统进行定位。系泊系统由12根系泊缆组成，分为3组每组4根，每根长度为6 100 m，每组中相邻两根之间的夹角为5°，每组之间的夹角为120°。每根系泊缆由链-缆-链三段组成，其水平跨距为5 850 m，其预张力为3 090.15 kN。该系泊系统的主要参数见表3,该系泊系统的俯视图及每根系泊缆的编号见图1。

由于世界上现有水池尺寸的限制，该深水系泊系统无法布置于水池中。本研究中采用了水深截断方法对FLNG的系泊系统在实际水深500 m处进行了水深截断。要求截断后的系泊系统能有效地模拟全水深状态下系泊系统的水动力性能，水深截断的可靠性早已被Stansberg等人（2000）[9]证明。水深截断后的系泊系统的水平跨距变为1 227 m，从而其模型可以布置于现有的水池中进行模型实验。截断后的系泊系统的主要参数见表4。

图1 采用外转塔形式系泊的FLNG系统的布置图Fig.1 Configuration of the external turret-moored FLNG system

表3 系泊缆的主要参数Tab.3 Configuration of the mooring lines

表4 截断后的系泊系统的主要参数Tab.4 Configuration of the truncated mooring lines at the water depth of 500 m in both prototype and model scale

2.3 连接系统

在本试验中，FLNG船体与LNG运输船之间通过8根连接缆及4个防碰垫进行连接。8根连接缆分为两组，其中2根具有相同属性，另外6根具有相同属性；4个防碰垫具有相同的属性。系泊缆的属性及防碰垫的属性见表5和表6，为了更为直观地表示防碰垫的属性，将其弹性曲线做成如图2所示。在水池模型实验过程中，两船之间的连接情况如图3所示。

表5 连接缆模型的属性Tab.5 Characteristics of the connected line models

表6 防碰垫模型的属性Tab.6 Characteristics of the fender models

图2 防碰垫模型的弹性特性Fig.2 Elastic characteristics of the fender models

图3 FLNG与LNG运输船之间的旁靠布置Fig.3 Configuration of the side-by-side operation between FLNG and LNG carrier

3 试验布置

在上海交通大学海洋工程国家重点实验室深水实验池开展了此次水池模型实验。实验过程中，FLNG与LNG运输船通过系泊系统与两船之间的连接系统定位于水池的中央；实验过程中，选取25Hz的采样频率对实验数据进行采集，采集时间对应实际时间1.5小时。

3.1 海洋环境条件

开展水池模型实验之前，需要对海洋环境条件进行校核。实验所选取的海洋环境参数为：1小时平均风速为13 m/s,平均流速为0.81 m/s，有义波高为2.5 m，谱峰周期为10 s，选取Jonswap谱，其谱峰因子选为3.0。海洋环境条件的具体参数见表7,风浪流之间的角度关系如图4所示。

表7 海洋环境条件Tab.7 Sea state in both prototype and model scale

2.2 实验过程

图4 风浪流角度示意图Fig.4 A sketch of the directions for wind,waves and current

图5 FLNG与LNG运输船旁靠作业图Fig.5 A snapshot of the side-by-side operation for FLNG and LNG carrier

在水池模型实验开展之前，综合各方面因素，选定缩尺比λ=1:81进行船模的制作。取得船模后，对船模的质量及惯性参数进行校核，以达到实验的精度要求。然后进行海洋环境条件的校核，首先根据给定的波浪谱进行傅立叶变换得到波浪的时历，并在水池中利用造波机将该波浪时历造出。由于本实验中风为定常风，故风与流的校核工作相对容易。在校核完风浪流海洋环境条件之后，将FLNG与LNG运输船模型放置于水池中央，并利用系泊系统及两船间的连接系统将两船模定位于水池中。然后按照流、风、浪的顺序依次造出海洋环境条件。FLNG与LNG运输船模型在水池中的布置如图5所示。

4 试验结果与分析

通过开展水池模型实验，测量得到了FLNG与LNG运输船的运动响应及相对运动情况，FLNG系泊系统的受力情况及两船之间连接系统的受力情况等。对以上数据开展统计分析，得到FLNG旁靠作业时的水动力性能。

4.1 船体运动

图6 FLNG六自由度运动时历图Fig.6 Time Series of the six degree of freedom for the FLNG vessel

FLNG与LNG运输船进行旁靠作业时两船体之间距离较近，极易发生碰撞事故，因此两船体的运动情况及相对运动情况是进行旁靠作业时重点关注的因素之一。在如表7所示的风、浪、流的联合作用下，FLNG与LNG运输船的运动时历分别如图6和图7所示。表8和表9列举了FLNG与LNG运输船的运动时历统计值。为了进一步研究旁靠作业时FLNG与LNG运输船的运动特性，经过数据处理得到了纵荡、横荡与首摇三个低频范围内的相对运动时历，如图8所示。

图7 LNG运输船六自由度运动时历图Fig.7 Time Series of the six degree of freedom for the LNG carrier

表8 FLNG六自由度运动统计值Tab.8 Statistic values of the six degree of freedom for the FLNG vessel

表9 LNG运输船六自度运动统计值Tab.9 Statistic values of the six degree of freedom for the LNG carrier

图8 FLNG与LNG运输船低频相对运动时历图Fig.8 Relative motion time series of low frequency motions between FLNG vessel and LNG carrier

从以上数据结果可以看出，FLNG与LNG运输船进行旁靠作业卸载LNG时的运动响应规律如下：FLNG与LNG运输船在纵荡、首摇方面保持高度一致性，在横荡方面存在一定的差异，但是从总体上看横荡相对运动的相位比较一致。FLNG与LNG运输船在垂荡、横摇与纵摇三个自由度方面有一定的相对运动，这是由于两艘船的船型具有较大差异所造成的。在风、浪、流不同向的海况下，FLNG与LNG运输船的首摇运动的最大值分别为44.75°和44.98°。LNG船的垂荡、横摇与纵摇的运动响应比FLNG运动响应更为明显，横摇运动响应甚至大近一个数量级。这说明FLNG与LNG运输船之间的相对运动主要是由LNG运输船所造成的。在进行FLNG与LNG运输船的旁靠卸载作业时，应重点考虑如何有效地限制LNG运输船的运动，从而有效地降低两船之间的相对运动水平，以利于液化天然气的安全卸载。

图9 锚链4的受力时历图Fig.9 Time series of the loads acting on the mooring line 4

从图8可以看出，FLNG与LNG运输船之间的相对纵荡与相对首摇运动较小，而FLNG与LNG运输船的相对横荡运动较为明显。由于存在较为明显的相对横荡运动，在两船之间连接系统弹性力恢复力的作用下，两船将会发生十分剧烈的碰撞。这现象会在防碰垫的受力情况中得到进一步的验证。

4.2 系泊系统

FLNG通过12根系泊缆进行定位，其系泊系统在海洋环境条件下的受力情况是FLNG设计过程中需要考虑的重要因素之一。在如表7所示的风、浪、流的联合作用下，12根系泊缆的受力情况见表10，其中受力最大的系泊缆的受力时历如图9所示。

表10 FLNG系泊缆受力情况统计值Tab.10 Statistic parameters of the loads acting on the mooring system

从表10所列的统计值可以看出，在风、浪、流的联合作用下，同一组内的系泊缆的受力较为均匀。受力最大的系泊缆为4号系泊缆，其受力的最大值为3595kN，为破断载荷的24.31%，在安全范围之内。

4.3 连接系统

在以旁靠方式进行LNG卸载时，FLNG与LNG运输船通过8根连接缆及4个防碰垫进行连接。试验过程只对受力较为典型的防碰垫（1号与4号）进行了受力测量，防碰垫与连接缆的受力情况统计值见表11。8根连接缆中受力最大的连接缆（4号）的受力时历如图10所示，4个防碰垫中受力最大的防碰垫（1号）的受力时历如图11所示。

表11 FLNG与LNG运输船旁靠连接系统的受力情况统计值Tab.11 Statistic parameters of the loads acting on the connected system between FLNG and LNG

图10 连接缆4的受力时历图Fig.10 Time series of the loads acting on hawser 4

图11 防碰垫1的受力时历图Fig.11 Time series of the loads acting on fender 1

从表11所列的统计值可以发现，4号连接缆所受的拉力为8根连接缆中受力最大的，其它7根连接缆的受力相差不大，说明在实际海洋环境中进行旁靠卸载作业时，应对4号连接缆进行强度的加强。1号防碰垫的受力远大于4号防碰垫的受力，建议在设计中可以采用两种不同型号的防碰垫，以减小工程成本。从图10可以看出，连接缆的受力比较稳定，变化不大，而从图11可以看出，防碰垫的受力变化非常大。另外，防碰垫受力变化情况表明，在进行旁靠卸载作业时两船之间存在较为剧烈的碰撞，旁靠卸载作业对海洋环境条件要求较高。

5 结 论

本文在国内首次针对FLNG的旁靠卸载作业开展水池模型实验研究，为将来的数值计算提供参考。本次实验相比于以往数值分析的优势在于全面地考虑了近靠浮体之间相互水动力影响，船体运动与系泊系统，船体运动与连接系统之间的耦合响应。通过对实验数据的分析，得到FLNG旁靠卸载作业时的如下水动力性能：

（1）FLNG与LNG运输船进行旁靠作业时，两船之间存在剧烈的相对运动，尤其以相对横荡与相对横摇运动最为明显，容易引起两船之间的碰撞。在进行实际海上作业时应重点关注相对横荡与相对横摇运动。

（2）FLNG与LNG运输船进行旁靠作业时，两船之间的连接系统受力情况较为复杂。连接缆中受力最大的为4号连接缆，其它的连接缆受力较为均匀；防碰垫的受力情况为越靠近船首所受的碰撞力越大，越靠近船尾处所受的碰撞力越小。

（3）FLNG与LNG运输船进行旁靠作业时，FLNG的系泊系统受力较为均匀，其最大受力值仅为破断载荷的24.31%。

通过本次水池模型实验，得到了FLNG在有义波浪为2.5m、风速为13m/s、流为0.81m/s的海洋环境条件下进行旁靠卸载作业时的水动力性能，为FLNG在实际海洋环境条件中的操作提供了指导。

[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,Øritsland 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

上海市自然科学基金资助项目（11ZR1417800）,the LRET(Lloyds Register Educational Trust)to the joint centre involving University College London,Shanghai Jiao Tong University and Harbin Engineering University.

赵文华（1986-），男，上海交通大学博士生，主要从事海洋工程水动力学方面研究，

E-mail:zwzldh@163.com；

杨建民（1958-），男，上海交通大学教授，博士生导师。