LNG并靠外输作业时水动力性能数值研究

张甫杰，　董国祥，　高家镛

(上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135)

LNG并靠外输作业时水动力性能数值研究

张甫杰，董国祥，高家镛

(上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135)

摘要:利用水动力分析软件HydroSTAR和锚系泊软件Ariane7，对LNG浮式储存及再气化装置(LNG-FSRU)和穿梭LNG船(Shuttle-LNG)组成的多浮体系统在并靠外输作业时的水动力性能进行分析研究。重点对单船和并靠下的RAO曲线进行了对比；在一定环境组合下考虑水动力相互干扰的因素，对多浮体系统进行了时域分析，得到了此海况下的船体运动、相对运动、两船之间系泊缆张力以及护舷反力等的特性，可为装卸臂的设计和实际工程应用提供相关技术依据。

关键词:多浮体；水动力相互作用；并靠外输；相对运动

0引言

外输系统是液化天然气(Liquefied Natural Gas, LNG)整个概念设计中一个很重要的部分，而LNG外输作业的安全会受到多种因素的影响，如海洋气候环境、穿梭LNG船与LNG-FSRU船间的水动力相互干扰和船体间的相互运动等。穿梭LNG船与LNG-FSRU船在海上连接卸载LNG时，通常运用并靠(side-by-side offloading)与串靠(Tandem offloading)两种卸载方式。

1) 串靠是指穿梭LNG船的艏部通过系泊缆与LNG-FSRU船的艉部相连，LNG通过长距离的输送软管卸载至穿梭LNG船。由于LNG的特殊性，该技术应用于LNG卸载还相对不够成熟。串靠最主要的特点是屏蔽效应，即尾随船舶受遮挡，主要受到的是绕射波浪的作用。

2) 而对于并靠方式，两船并排排列，通过系泊缆与橡胶护舷连在一起，LNG通过装卸臂卸载至穿梭LNG船。由于两船距离很近，间隙间流体干扰很大且很复杂，容易产生Helmholtz谐振。

国内外已有众多学者对多浮体之间的水动力相互影响进行研究。Fang等[1]对两船波浪中的相对运动以及波面升高进行了数值计算和物模试验。Hong等[2]对单浮体与多浮体的响应曲线进行了对比分析，并采用耦合分析方法对多浮体与系泊系统开展了时域分析和物模试验。Fournier等[3]对两船并靠状态进行了数值计算和物模试验。赵文华等[4]对FLNG系统进行旁靠卸载作业时的水动力性能进行了物理模型试验。

此处以LNG-FSRU船与穿梭LNG船并靠外输作业为研究对象，重点对两船在单船和并靠下的RAO曲线进行比较，包括附加质量系数、阻尼系数以及二阶波浪漂移力。最后对多浮体系泊系统的动力响应进行分析研究，得到此海况下船体运动、 装卸臂顶点与管道接口的相对运动、两船之间系泊缆以及护舷反力等的响应曲线，为装卸臂的设计和工程应用提供相关技术依据。

1目标船介绍

对于波浪中的多浮体系统，作用在每个浮体上的总的流体力等于入射力、绕射力、辐射力和静水回复力之和，其中静水回复力不受相邻浮体存在的影响，其他3种力则与仅有单个浮体的情况不同，受相邻浮体的遮蔽效应及波浪反射的影响，作用在其中一个浮体上的波浪力也会发生变化。此外，由于相邻浮体的波浪辐射作用，每个浮体也会受到附加的辐射力。

图1　并靠作业装卸臂A点与管道接口B点位置

图2　系泊布置图及缆绳编号

表1　LNG-FSRU船和穿梭LNG船的主尺度

2.2系泊系统

系泊系统采用外转塔单点系泊方式，作业水深40 m, 由3根系泊锚链组成，每根长95 m,夹角为120°。锚链为三级有档锚链，直径为90 mm，破断载荷为5 846 kN，水平距离为72 m。两船并靠系泊数值计算模型见图3。

图3　并靠系泊数值计算模型

图3中：坐标原点位于LNG-FSRU船吃水12.6 m水平面中纵线与中剖面的交点，OX轴的指向船的右舷为正方向，OY轴的指向船首的方向为正方向，OZ轴向上为正方向。

2.3连接系统

LNG-FSRU 船与穿梭LNG船之间系泊缆绳为高分子缆绳，直径为44 mm ，线密度为1.16 kg/m，最小破断负荷为1 380 kN。其中：艏缆3根，艏横缆3根，艏倒缆2根，艉缆3根，艉横缆3根，艉倒缆2根，共16根(详见图2)。充气橡胶护舷(靠球)长4.5 m，直径3.3 m，共布置4个，其性能曲线见图5，性能参数见表2。

图4　两船之间系泊缆绳张力特性曲线

图5　充气式橡胶护舷(靠球)性能曲线

表2　充气式橡胶护舷性能参数

2.4环境参数

环境参数见表3。

(1)流速：Vc=2 kn；

(2)风速：Vw=13.8 m/s；

(3)波浪：波谱类型为JONSWAP (γ=3.0)，Hs=2.0 m，Tp=8.0 s。

表3　风、浪、流环境组合

3计算结果分析

3.1水动力响应曲线分析

多浮体之间的相互水动力作用主要描述为屏蔽效应和间隙水的谐振。相对于单船状态而言，两船迎浪作用下并靠时的横荡要大很多，为了更好地理解多浮体并靠下的水动力的相互作用，针对LNG-FSRU船和LNG船间距为3.3 m时的情况做了数值计算，相关水动力系数、一阶波浪激励力、二阶波浪平均漂移力见图6～图8。

图6和图7分别为两船横荡和垂荡的附加质量系数与阻尼系数，发现在频率为0.87 rad/s左右时有明显的峰值变化，此现象可以用两船之间的间隙水的Helmholtz谐振原理来解释。图8为迎浪状态下相对单船状态二阶波漂力，该力不容忽视，频率>0.6 rad/s时，两船之间存在很大的相互排斥的横向波漂力。

图6LNG-FSRU船和穿梭LNG船横荡附加质量系数与阻尼系数

图7LNG-FSRU船和穿梭LNG船垂荡附加质量系数与阻尼系数

图8　LNG-FSRU船和穿梭LNG船迎浪作用下二阶定常漂移力FWDY

3.2系泊系统时域分析

表4　FSRU船与穿梭LNG船运动统计值

表5　装卸臂A点与管道接口B点相对运动结果

(a) X方向偏荡

(b) Y方向偏荡

(c) Z方向偏荡

(d) 横摇

(e) 纵摇

(f) 艏摇

(a) X方向偏荡

(b) Y方向偏荡

(c) Z方向偏荡

(d) 横摇

(e) 纵摇

(f) 艏摇

图11A与B两点相对运动时历曲线

从图9和图10中可看出，LNG-FSRU船与穿梭LNG船并靠作业时，两船纵荡、艏摇运动响应高度一致；横荡方面，由于充气橡胶护舷的可压缩性，运动幅值有一定差异，但相位还是一致的。由于两船主尺度相差不大，其在横摇、纵摇以及垂荡方面值的都较小。从图11可以看出，两船相对运动中，相对纵荡占主导地位，其时历曲线中低频成分更明显一些，相对而言，相对横荡和垂荡更多的是高频成分。增大两船之间的系泊缆预紧力可以有效降低相对纵荡，但这样会造成护舷碰撞次数增多。

表6　两船之间系泊缆受力统计值

表6为系泊缆绳受力统计值，缆绳最大伸长量为9%左右，5号和6号缆绳较短，故伸长量有限，受到的张力也最大，为320 kN，相对于缆绳破断载荷，其安全系数为3.56，满足规范要求。

表7为充气式橡胶护舷的反力统计值，1#护舷反力最大值为315 kN，变形量约为20%，护舷选型也满足安全要求。

表7　充气橡胶护舷反力统计值

4结语

针对LNG-FSRU船与穿梭LNG船并靠作业时的水动力系数以及系泊系统水动力性能做了数值计算，主要得到以下结论：

1. 多浮体之间的相互水动力作用主要描述为屏蔽效应和间隙水的谐振现象。LNG-FSRU船与穿梭LNG船并靠时的水动力系数与单船状态存在一定区别，在频率为0.87 rad/s时出现峰值变化。迎浪状态下相对单船状态，二阶波漂力不容忽视，频率>0.6 rad/s时两船之间存在很大的相互排斥的横向波漂力。

2. 并靠作业状态下，两船纵荡和艏摇运动响应高度保持一致；横荡方面，除护舷的可压缩性导致的幅值大小有所差异之外，相位也保持一致。两船之间存在剧烈的相对运动，相对纵荡占主导地位，低频成分较明显， 相对横荡和垂荡中高频成分较多。

3. 两船之间受力最大的缆绳对应的安全系数为3.56，满足规范要求；充气橡胶护舷最大的位于船舶艏部，变形量约为20%，也满足安全要求。

参考文献：

[1]Fang Mingchung. The Relative Motion and Wave Elevation Between two Floating Structures in Waves[C]. Proceedings of the 11th International Offshore and Polar Engineering Conference. Stavanger(Norway), 2001.

[2]Hong S.Y, Kim J.H . Numerical and Experimental Study on Hydrodynamic Interaction of Side-By-Side Moored Multiple Vessels[J]. Ocean Engineering, 2005, 32(7): 783-801.

[3]Fournier J.R, Chen X B .Hydrodynamics of Two Side-By-Side Vessels: Experiments and Numerical Simulations[C]. Proceedings of the 16th International Offshore and Polar Engineering Conference. San Francisco (USA), 2006.

[4]赵文华，杨建民，胡志强，等. FLNG系统进行旁靠卸载作业时的水动力性能研究[J].船舶力学，2012，16(11): 1248-1256.

收稿日期：2014-11-12

作者简介：张甫杰 (1983—)，男，山西运城人，助理研究员，主要从事船舶水动力性能研究。

文章编号：1674-5949(2015)01-020-07

中图分类号：U661.1

文献标志码：A

Numerical Research on Hydrodynamics of LNG Side-by-side Offloading Operation

ZhangFujie,DongGuoxiang,GaoJiayong

(Shanghai Ship & Shipping Research Institute, State Key Laboratory of Navigation and

Safety Technology, Shanghai 200135，China)

Abstract:The hydrodynamics of a Liquefied Natural Gas Floating Storage Regasification Unit (LNG-FSRU) in side-by-side offloading operation with a shuttle LNG carrier are calculated by means of professional software HydroSTAR and Ariane 7. The RAO curves for the ship itself and the curves for the combination of offloading operation are examined. The time domain analysis is conducted on the system of floating objects with hydrodynamic interaction between the structures inside the system to find the ship motion, relative motion between structures, mooring force between two vessels, and reaction force of fender. This study can be the guideline for the design of loading arm and other practical applications.

Key words:Kmultiple-body; hydrodynamic interaction; side-by-side offloading; relative motion