FLNG液舱晃荡压力影响因素及安全性评估研究

张东伟，胡志强，陈 刚，赵晶瑞

(1. 上海交通大学 海洋工程国家重点试验室，上海 200240；2. 中国船舶及海洋工程设计研究院， 上海 200011； 3. 中国海洋石油总公司研究总院， 北京 100027)

FLNG液舱晃荡压力影响因素及安全性评估研究

张东伟1，胡志强1，陈 刚2，赵晶瑞3

(1. 上海交通大学 海洋工程国家重点试验室，上海 200240；2. 中国船舶及海洋工程设计研究院， 上海 200011； 3. 中国海洋石油总公司研究总院， 北京 100027)

针对大型浮式液化天然气储卸生产装置FLNG的液舱晃荡压力变化特征，在深水试验池中开展带液舱模型的FLNG水池模型试验研究。通过试验，获得了FLNG在风浪流联合作用下的浮体六自由度运动，以及相应的液面高度变化数据。通过液舱的液面高度变化数据，提出平液面假设，并在此基础上，求得液舱晃荡引起的舱壁压力变化结果。研究中进一步讨论了液舱晃荡压力的影响因素，并将试验数据与CCS船级社规范计算结果进行对比，为FLNG液舱晃荡压力引起的结构安全性评估提供技术支持。

FLNG；液舱晃荡压力；平液面假设；安全性评估；影响因素；液面高度

随着陆上可开采天然气资源逐渐减少，开发海上天然气田特别是深远海天然气田已成为天然气资源勘探和开发的必然趋势[1]。大型浮式液化天然气船FLNG(Floating Liquid Natural Gas)是用于深远海气田开发的工程装备。该装备是集海上天然气的液化、储存和装卸为一体的新型装置，具有开采周期短、开采灵活、可独立开发、可运移、无需管道输送等特点，是我国开发南海深水气田的重要工程应用模式之一[2]。由于FLNG长期定位于南海恶劣海域，运动性能复杂，而其LNG液舱的大型化、结构和布置的特殊性，使得LNG液舱晃荡问题成为FLNG发展的关键问题之一。世界上多家船级社，包括LR[3]、ABS[4]、CCS[5]等纷纷出台了相关规范。与普通LNGC船相比，FLNG船体积更大，内部LNG液舱布置通常采用双排舱形式，长期承受恶劣的海洋环境载荷作用。当FLNG承受恶劣海况作用时，其液舱可能处于任何一种装载率水平，因而液舱晃荡问题复杂，所以对FLNG进行液舱晃荡压力变化规律的研究显得尤为重要。

关于LNG液舱晃荡问题，国内外已有一定的研究。祁恩荣和庞建华等[6]通过不同载液水平的系列规则和不规则运动激励的LNG液舱晃荡试验来研究晃荡压力，发现晃荡冲击压力幅值均表现出明显的随机性，多自由度工况可能产生远大于单自由度运动工况的晃荡冲击压力。汪雪良和顾学康等[7]通过某大型LNG船自航模型在波浪中的带液舱运动和波浪载荷试验,研究了液舱有水状态下的液舱内液体的运动周期。佟姝茜[8]进行了FLNG内LNG液舱大尺度模型的单自由度晃荡试验研究，给出薄膜型液舱一般性的晃荡载荷分析规律及危险载液工况预估方法。LU等[9]不仅通过LNG液舱模型试验测得晃荡压力，并使用有限元方法对液舱围护系统进行了强度校核。Hakan Akyildiz和Erdem Ünal[10]通过试验研究了矩形液舱晃荡时的压力分布，发现液舱在小幅度低频晃荡激励下，液舱上的压力随时间基本呈线性变化。Pal[11]研究了液舱在水平运动激励下液面晃荡高度和激励频率、激励幅度以及装载率的关系。但是，以上的研究仍存在一些局限性，主要集中在液舱晃荡的试验研究多采用单自由度运动激励，且激励的幅度、频率等参数与实际工况相差较大，无法真正反映FLNG在复杂海况下液舱的晃荡问题。通过带液舱模型的FLNG模型试验，研究液舱内液面及压力的变化状态，从而较真实地分析FLNG液舱晃荡动力特性。

首先简介带液舱的FLNG模型试验研究，重点分析了2个代表性液舱的液面高度变化数据，研究了液舱固有周期对液舱晃荡的影响规律。其次，分别研究了场景、载况、海况、浪向等因素对液舱晃荡压力的影响规律。最后将试验结果和船级社的规范计算结果进行比较，为FLNG液舱晃荡压力安全性评估提供技术依据。

1 FLNG液舱系统及模型试验介绍

1.1FLNG模型试验介绍

研究中采用的FLNG 为中海油研究总院和708所联合设计方案，限于篇幅，试验详细内容请见参考文献[12]。试验中选用了三种典型载况，FLNG的主要参数如表1所示。单点距离船尾304.5 m，系泊系统采用3×6形式。试验模型缩尺比为1∶60。

表1 FLNG主要参数表

FLNG船体共设有十个相同的LNG液舱，采用双排舱形式对称排列，如图1所示。液舱采用法国GTT公司NO.96薄膜型液舱，长度为37 m，横截面为八边形，详细尺寸如图2所示。

图1 FLNG液舱布置示意Fig. 1 Arrangement of the liquid tanks in FLNG

图2 LNG液舱横截面尺寸Fig. 2 Dimensions of the cross section of LNG tank

为了测量液舱内的液面高度变化，在图1中的No.1 Tank(R)和No.5 Tank(L)上分别布置了3个浪高仪。浪高仪相对于液舱No.1 Tank(R)和No.5 Tank(L)的位置如图3、图4所示，其中wave1-wave3，wave6-wave8为浪高仪标号，且每个液舱的三个浪高仪分别沿液舱长和宽对称分布。

1.2试验工况

试验中选取25%、50%、75%三个载况研究液舱晃荡的动力特性。这里，载况的百分数代表了LNG在舱内的液体体积占全舱容积的比例值。

试验模拟了3种不规则波海洋环境条件，如表2所示。

图3 浪高仪相对于No.1 Tank(R)位置Fig. 3 Relative position of wave probes in No.1 Tank(R)

图4 浪高仪相对于No.5 Tank(L)位置Fig. 4 Relative position of wave probes in No.5 Tank(L)

海况有义波高/m谱峰周期/s风速/(m·s-1)流速/(m·s-1)一年一遇6．211．119．31．05十年一遇7．511．822．01．37百年一遇15．018．049．51．95

根据FLNG与锚链相对位置以及海洋环境载荷方向，试验中定义了4个场景，如图5所示。其中，场景3与场景4的区别在于浪向不同。

图5 FLNG单点系统海洋环境场景Fig. 5 Ocean environment scenarios of the single turret-moored FLNG system

2 液舱固有周期对液舱晃荡的影响

2.1船体与液舱晃荡运动的固有周期

液舱在不同装载率下晃荡的固有周期不同，根据CCS的规范[5]可以计算出液舱的固有周期，船体横纵摇固有周期则使用水池模型试验中的横纵摇衰减试验结果。

液舱纵摇周期Tx按下式计算：

式中：π为圆周率，g为重力加速度，m/s2；l为液舱长度，m；hf为相应装载率下的液面高度，m；bf为相应装载率下的液面宽度，m。

由此可以得到液舱和船体的固有周期，如表3所示。

表3 船体和液舱固有周期Tab. 3 Natural periods of the hull and liquid tanks

2.2液舱固有周期对液面晃荡幅度的影响

选取一年一遇场景1下wave1的液面高度变化数据进行分析，如表4所示。

表4 一年一遇场景1下wave1浪高仪测量值Tab. 4 Measured values of wave 1 under scenario 1 of one year return period

从表4中可以发现25%装载时液舱晃荡最剧烈，50%次之，75%最小，这和不同装载率下舱内液体的晃荡状况有关。从表3可以看出， FLNG在25%装载时船体与液舱的纵摇固有周期相对接近，而FLNG由于风标效应船体纵摇明显，所以船体纵摇运动容易激发液舱晃荡共振，舱内液体晃荡相对比较剧烈，随着装载率的提高，固有周期差距变大，发生共振的几率减小，舱内液体晃荡变的平缓。所以25%装载时液舱受共振影响导致舱内液体晃荡幅度较大，75%装载时晃荡幅度最小。

3 液舱晃荡压力研究

3.1理论基础

洪亮[13]研究了船体运动和液舱晃荡耦合时发现液舱内液体的晃荡压力基本呈线性变化，并且舱内自由液面变化平缓，未发现自由液面破碎，水跃等非线性现象。Hakan Akyildiz等[10]通过液舱模型试验得到了晃荡压力时历曲线,同样发现了晃荡压力在小幅度低频的外部激励下，晃荡压力基本呈线性变化。另外，从表3和表4可以发现，虽然舱内液体晃荡受到共振效应的影响，但是液舱和船体的纵摇固有周期在3种载况下都相差到20%以上，远离共振影响最明显的范围，所以舱内液体晃荡不会非常剧烈。同时在试验中，液舱内放入摄像机记录了舱内液体的晃荡情况。根据录像发现，在各种海况条件下，液面晃荡较为平缓，绝大部分区域和时间段内，液面近似于平面状态，无明显的强非线性冲击现象，这反映了FLNG舱内液体在实际海况下的运动特性。综上所述，提出平液面假设：

1)液面在晃荡过程中基本保持为平面状态，即假设液面是线性变化的；

2)舱壁所承受的晃荡压力计算可以不考虑冲击作用，按舱壁处的静压力变化计算，即P=ρgh，ρ为液体密度，h为某时刻舱壁处的液面高度，液化天然气密度为500 kg/m3。

图6 液舱No.5 Tank(L)坐标系Fig. 6 Coordinate System in No. 5 Tank(L)

根据以上假设，可以通过液舱内任意时刻三个浪高仪测出的液面高度求出液面方程，然后代入舱壁上某一点的坐标，从而得到某时刻该点处的液面高度，求得该时刻该处的晃荡压力。下面以液舱No.5 Tank(L)为例具体说明。

首先建立坐标系，分别以液舱的长宽高方向为坐标系的XYZ轴，取船首、右舷、向上为正方向，原点在舱底中心点处。设wave1、wave2、wave3测得的液面高度分别为Z1、Z2、Z3，则液面在三个浪高仪处的坐标分别为(-14.18，6，Z1)，(-14.18，-6，Z2)，(14.18，6，Z3)，如图6所示。

液面上的两个向量：

a=(-14.18,6,Z2)-(-14.18,-6,Z1)=(0.12,Z2-Z1)

b=(-14.18,-6,Z2)-(-14.18,-6,Z3)=(-28.36,0,Z2-Z3)

由这两个向量叉乘得到液面的法向量：

n=a×b

从而可以得到液面方程：

由于三个测量液面高度变化的浪高仪关于液舱的长和宽对称分布，可以分解出液面晃荡运动的纵摇和横摇角度：

在液面方程中带入舱壁上点的坐标X，Y可求出该点处的液面高度Z，然后由P=ρgZ即可求得该点处舱壁的晃荡压力。利用Matlab编程对各个工况进行处理得到晃荡压力时历以及统计值。

3.2场景对液舱晃荡压力的影响

由图6可知，场景1和场景2均是风浪流同向，只是锚链相对于FLNG的位置不同。75%载况一年一遇和百年一遇海况下均进行了场景1和场景2的试验，并得到最大晃荡压力值，如表5所示。

表5 场景1、2下液舱晃荡压力对比Tab. 5 Sloshing-induced-pressure in liquid tanks under scenarios 1 and 2

从表5可以看出，在两种海况中，场景1下两个液舱最大晃荡压力都比场景2要小，这是因为不同的锚链布置对FLNG运动的限制效果是不同的。风浪流同向时船首处于迎浪状态，船体纵摇运动最明显，舱内液体晃荡也主要受到纵摇影响。场景1中FLNG前方正对船首的6根锚链处于拉紧状态，更大的限制了船体的纵摇运动；而场景2中对船体纵摇限制最大的6根锚链布置在了风浪流的反方向，处于放松状态，因此对船体纵摇限制没有场景1大。所以场景1下液舱内的液体晃荡没有场景2剧烈，晃荡压力相对较小。

3.3装载率对液舱晃荡压力的影响

从表4可知，装载率对液舱内自由液面的晃荡幅度影响较明显。以No.1 Tank(R)液舱晃荡压力为研究对象，统计出一年一遇场景1不同装载率下舱壁处的最大晃荡压力，如表6所示。

表6 不同装载率对液舱No.1 Tank(R)晃荡压力的影响Tab. 6 Influence of different filling ratios on the sloshing-induced-pressure in No. 1 Tank(R)

由表6发现，25%载况下晃荡压力变化范围明显比另外两个载况大，这和不同装载率下液舱的固有周期相关。正如表3所示，25%载况时液舱与船体的纵摇固有周期相对接近，受共振影响舱内液体晃荡相对比另外两个载况剧烈，舱壁处的自由液面高度变化明显，从而造成此时液舱晃荡压力变化较大。同样No.5 Tank(L)有相同的现象和结论。

3.4海况对液舱晃荡压力的影响

FLNG在75%载况场景2下分别进行了一年一遇、十年一遇、百年一遇的试验，研究不同海况对于液舱晃荡压力的影响，表7给出了NO.1 Tank(R)在三种海况下液舱内的最大晃荡压力值。

表7 不同海况对液舱No.1 Tank(R)晃荡压力的影响Tab. 7 Influence of different sea states on the sloshing-induced-pressure in No. 1 Tank(R)

由表7可知，随着海况越来越恶劣，液舱晃荡压力逐渐增大，但一年一遇和十年一遇之间相差不大，而百年一遇增加较为明显，这是因为十年一遇时的海洋环境与一年一遇时相差不大，而百年一遇时的海洋环境明显变得恶劣。如表2所示，十年一遇时的波高、风速、流速相对于一年一遇增加很小，但是百年一遇时这些环境参数都出现了成倍的增加，海况明显恶劣，所以各海况下的晃荡压力的增加幅度与环境载荷的增加幅度同方向变化。

3.5浪向对液舱晃荡压力的影响

FLNG在不同浪向下运动响应不同，从而影响液舱晃荡压力，这里分析了75%装载一年一遇海况时FLNG在场景2、3、4下的液舱晃荡压力。为了更精确地反映液舱在不同浪向下晃荡压力间的相互关系，避免单个压力峰值带来的偶然性，统计出每个工况前100个极大值的平均值。除了液舱晃荡压力的统计值以外，同时给出了液面晃荡纵摇和横摇的统计值，以此来分析晃荡压力随浪向变化的原因，液舱No. 1 Tank(R)的统计值如表8所示。

表8 液舱No.1 Tank(R)在不同浪向下的晃荡压力Tab. 8 Influence of different wave directions on the sloshing-induced-pressure in No. 1 Tank(R)

从表8可以发现随着浪向角度的增加，液舱No.1 Tank(R)内的纵摇和横摇先减小后增大；而液舱的晃荡压力变化趋势虽然也是先减小后增大，但是变化幅度较小。从表2和表3可以发现一年一遇时波浪的谱峰周期和船体及液舱的纵摇固有周期接近，导致在浪向0°时纵摇和横摇都较大；而船舶在30°斜浪时，船体及液舱受到的激励方向发生改变，液舱在该方向的晃荡固有周期发生改变，刚好偏离共振范围，所以横摇和纵摇反而减小；当浪向继续增加，船体与风流和波浪之间的它们的夹角都较大，受到横向激励较大，所以40°浪向时，液面横摇明显增大。

晃荡压力主要取决于两个因素：第一个因素是纵摇和横摇的数值，即上表中的统计值，数值越大，晃荡压力就越大；第二个因素是纵摇和横摇能否在同一时间点都出现比较大的值，这是统计值无法表现出来的。但很明显的是，浪向越大，二者同时出现较大值的概率越大，所以30°时纵摇和横摇虽然都比0°时减小很多，而晃荡压力却基本不变。40°浪向时晃荡压力最大是因为两个因素都起到了很大作用。

3.6液舱相对船体位置对液舱晃荡的影响

FLNG是排水量非常庞大的海洋工程浮式结构物，采用单点系泊，在风浪流作用下船体各个部分的运动不相同，因此不同位置的液舱内的晃荡也是有区别的。统计出75%载况一年一遇海况时No.5 Tank(L)的晃荡压力数据(见表9)与No.1 Tank(R)的数据(见表8)进行比较。

表9 液舱No.5 Tank(L)在不同浪向下的晃荡压力Tab. 9 Influence of different wave directions on the sloshing-induced-pressure in No. 5 Tank(L)

对比表8和表9可以发现，No.5 Tank(L)内液面的纵摇要比No.1 Tank(R)大，而横摇却比No.1 Tank(R)小，这和FLNG锚泊单点的位置有关。FLNG遭遇波浪时船首主要承担了波浪冲击，且船首两侧受到的冲击不均匀，同时船首中间又受到单点的约束，造成靠近船首的液舱No.1 Tank(R)的横摇较大；由于单点的影响，船舶纵摇中心移动到靠近船首的位置，FLNG船体可能会出现甩尾的现象，导致距离纵摇中心较远的液舱No.5 Tank(L)内的液面纵摇运动幅度比No.1 Tank(R)要大，所以液舱No.5 Tank(L)的纵摇值较大。

由上可知，液舱No.1 Tank(R)的晃荡压力受横摇影响较大，液舱No.5 Tank(L)则受纵摇的影响较大，所以液舱No.1 Tank(R)在40°时晃荡压力和横摇同时取得最大值，液舱No.5 Tank(L)则在0°时晃荡压力和纵摇同时取得最大值。液舱No.5 Tank(L)中液面的横摇角在浪向0°时是最大的，这和风浪流同向时船尾容易漂移有关，船尾的横向漂移会造成靠后的液舱内的液面横摇加剧，而斜浪时船体在风流力与波浪力间更容易形成平衡状态，漂移没有浪向0°时明显。

4 利用船级社规范对FLNG液舱晃荡压力的安全性评估

CCS的《薄膜型液化天然气运输船检验指南》[5]中对于LNG液舱晃荡运动水平及晃荡压力的计算做了详细的定义和规定。FLNG与LNG船有类似之处，因此这里借用该规范进行安全性评估研究。该规范规定，晃荡运动水平定义为三类：

1)水平一，仅考虑静载荷，忽略动载荷；

2)水平二，考虑静载荷和动载荷，但动载荷还未达到冲击载荷形式；

3)水平三，考虑静载荷和动载荷，动载荷为主要载荷，达到冲击载荷形式。

这三种晃荡水平都有相应的应用条件和晃荡载荷计算公式，根据FLNG船及其液舱的主尺度，按规范要求只需考虑水平一的晃荡运动，为了进行对比，同时计算了水平一、二晃荡运动的最大晃荡压力和试验液面最大晃荡压力，如表10所示。

表10 不同载况下液舱晃荡压力规范计算值和试验值Tab. 10 Calculated values based on CCS rules and measured values of thesloshing-induced-pressure under different filling ratios

从表10可以发现，25%和50%装载率下试验值都比水平一计算值要大，这和FLNG与普通LNGC存在较大差别有关，FLNG的双排舱结构、具有锚泊系统等特点导致其内部液舱晃荡和普通的LNGC不尽相同，所以按照规范仅仅考虑水平一晃荡运动对液舱进行安全性评估是不够的，如果考虑水平二晃荡运动，安全度则足够满足。因此建议使用CCS规范对FLNG晃荡压力进行安全评估时，考虑前两个水平的晃荡运动，能够更好地满足安全度要求。

5 结 语

通过FLNG模型试验，研究了FLNG液舱晃荡的特点，同时研究了场景、装载率、海况、浪向等因素对晃荡压力的影响，将晃荡压力的试验值与规范计算值进行了对比分析，得到了如下结论：

1)装载率25%时，液舱与船体接近共振，舱内液体晃荡幅度较大。随着装载率提升，共振效应下降。

2)场景1比场景2下的液舱晃荡压力要小；液舱装载率越高，晃荡压力变化则越小；晃荡压力的增加幅度与环境载荷的增加幅度同方向变化；不同浪向下晃荡压力和液面横摇纵摇的数值大小及二者同时取得较大值的概率均有关；单点系泊会对不同位置处的液舱晃荡压力产生影响。

3)使用CCS规范对FLNG液舱晃荡压力安全性评估时，同时考虑水平一和水平二的晃荡运动能够更好地保证安全性。

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Research on influencing factors and safety evaluation for sloshing-induced-pressure in FLNG liquid tanks

ZHANG Dongwei1, HU Zhiqiang1, CHEN Gang2, ZHAO Jingrui3

(1. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China; 3. CNOOC Research Institute, Beijing 100027, China)

On purpose of mastering the variation characteristics of sloshing-induced-pressure in liquid tanks of Floating Liquid Natural Gas (FLNG), a model test with liquid tanks was fulfilled in the Deepwater Offshore Basin in Shanghai Jiao Tong University. The 6-DOF motion of FLNG and the variation data of liquid surface height were obtained. A plane liquid surface hypothesis is proposed based on the test results, and then sloshing-induced-pressure on the liquid tank bulkhead can be carried out. The influencing factors of sloshing-induced-pressure in liquid tanks are analyzed and discussed. Furthermore, the experimental data and calculated results based on CCS rules are compared to provide technical support for the structural safety evaluation induced by sloshing pressure in FLNG tanks.

FLNG; sloshing-induced-pressure; plane liquid surface hypothesis; safety evaluation; influencing factor; liqvid surface height

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2015.06.004

胡志强，男，副教授，博士，从事船舶与海洋结构物动力学研究。E-mail: zhqhu@sjtu.edu.cn

1005-9865(2015)06-026-09

2014-09-22

国家科学技术重大专项资助项目(2011ZX05026-006-05)；国家自然科学基金重点项目(51239007)

张东伟(1990-)，男，江苏南通人，硕士，主要从事海洋结构物结构动力学研究。E-mail: zuoshen@sjtu.edu.cn