不同系泊缆组合对FLNG单点系泊系统特性的影响

张 鼎 徐阳光

(中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011)

FLNG(浮式液化天然气生产储卸装置)是海上LNG(液化天然气)领域的新增长点，它能够漂浮在海上，具有开采、处理、液化天然气的功能，可储存和装卸LNG，并通过LNG穿梭船运输海上天然气[1-2]。FLNG采用单点系泊系统长期系泊于作业海域，其系泊缆一般由3段组成，即锚链+中间缆+锚链，其中中间缆可选取钢缆或聚酯缆，在设计初期选定较优的系泊缆材质、规格、长度及预张力等参数对于确定FLNG的总体布置方案至关重要。目前，在浮式平台系泊系统设计初期大多采用静平衡方法，计算系泊缆的有关参数及系泊缆的预张力，虽然在多数情况下可满足工程应用的要求，但也存在未考虑系泊缆的弹性和系泊张力的动力特性的缺点[3]。此外，目前关于系泊缆的相关研究多为单独介绍浮式结构物采用钢缆组合或聚酯缆组合时系泊系统的特性及计算分析[4-6]，而针对FLNG分别采用钢缆组合或聚酯缆组合时的特性对比研究则鲜见报道。

本文以某230 000 m3FLNG系泊系统为研究对象，首先介绍了单点系泊系统设计的关键要素，然后采用时域计算方法对该FLNG系泊缆的中间缆分别采用钢缆和聚酯缆2种方案下的悬链线式系泊系统特性进行了分析，在此基础上对系泊缆参数进行了优选，并对比分析了2种方案下系泊系统的张力和转塔偏移量等特性。最后进一步对比了聚酯缆张紧式系泊系统与悬链线式系泊系统的特性。相关结论可为单点系泊系统的合理选型及设计提供参考。

1 单点系泊系统设计

1.1 单点系泊系统设计分析方法

由于FLNG配置单点系泊系统，在风标效应下，FLNG需能承受较大的首摇运动，且其运动响应是一个时域范围内的动态响应过程。因此，需采用时域计算方法对FLNG单点系泊系统进行计算分析，求解其在外力作用下的平均、低频和波频组合响应的运动方程式。推荐的单点系泊系统设计分析程序[7]如下：①确定最大设计工况和作业工况的环境标准，包括风速、流速、有义波高和周期、风暴持续时间以及风谱和波谱等；②确定系泊布置，包括所采用锚链、钢丝绳或合成缆的特性及预张力等；③确定风力和海流力系数；④采用系泊系统时域分析程序，进行风暴持续期间的时域模拟分析，即采用不同的种子值，重复模拟若干次，用以生成波浪和风的时域史；⑤采用统计分析技术，计算系泊系统的偏移、系泊缆张力、锚的负荷和躺在海底的系泊缆长度的极限值；⑥将步骤⑤得到的相关计算值与设计衡准比较，如果不满足衡准，则修改系泊系统设计重新分析。

1.2 FLNG系泊系统布置概况

分析对象为某230 000 m3FLNG，其总长为376 m,垂线间长367 m，型宽58 m，型深35.8 m。船体总布置如图1所示。

图1 某230 000 m3 FLNG总布置

此FLNG采用内转塔式单点系泊，共有18根内转塔系泊缆，采用6×3分布形式，即每股包括6根缆，每股之间的夹角为120°(图2)。系泊缆组成为锚链+中间缆+锚链，其中中间缆采用钢缆或聚酯缆。

图2 某230 000 m3 FLNG系泊布置

1.3 环境条件

本文FLNG的作业水深约1 500 m，分析时考虑极端生存工况下的环境条件，具体参数见表1。其中，所采用的浪谱为Jonswap谱，风速和流速都是定常值。

表1 某230 000 m3 FLNG极端生存工况下的环境条件参数

根据BV规范[8]，FLNG系泊系统设计考虑以下3种海况组合：①浪主导，风、浪相对角为-45°～45°,流、浪相对角30°～-30°；②风主导，风、浪相对角为-45°～45°,流、浪相对角30°～-30°；③流主导，风、浪相对角为-45°～45°,流、浪相对角-60°～-120°。

参考同类船型在同一海域的单点系泊配置[9],在此基础上采用BV系泊分析软件Ariane进行浪向角分析，得到浪与船的相对角关系(图3)，从而确定在不同风、浪、流夹角组合下,船首和浪向之间的夹角与波浪有义波高的关系,给出两者相对夹角的包络线,根据此包络线确定运动性能分析的环境条件[7]。并在此单点系泊配置和环境条件基础上进行系泊计算，得到了系泊缆绳张力等计算结果，基于分析结果选取了12种危险海况(表2)，即系泊缆绳张力最大或转塔偏移量最大情况下的海况。

图3 浪与某230 000 m3 FLNG船的相对角示意图

表2 基于某230 000 m3 FLNG系泊分析选取的危险海况

2 悬链线式系泊系统特性

传统的钢制系泊缆组合(锚链—钢缆—锚链)通常适用于1 000 m以内水深的浮式装置定位，当水深进一步增大后，其不足逐渐暴露，如系泊系统重量较大，占用浮体较大的储备浮力等。当水深超过1 000 m时，目前越来越多的浮式装置采用聚酯缆组合(锚链—聚酯缆—锚链)系泊系统进行定位[10]。因此有必要对中间缆分别采用钢缆和聚酯缆的悬链线式系泊系统开展系泊特性分析。

2.1 系泊缆参数

针对某230 000 m3FLNG悬链线式系泊系统，中间缆分别采用钢缆和聚酯缆，长度取2 000～5 000 m，预张力大小取3 000～6 500 kN，且系泊缆的尺寸均较大，其材料属性见表3。

表3 某230 000 m3 FLNG悬链线式系泊系统系泊缆材料属性

2.2 不同中间缆组合的系泊系统特性

2.2.1系泊特性变化规律

基于初选的不同中间缆长度、预张力组合及材料属性(表3)和给定的风、浪、流环境条件(表2)，采用BV系泊分析软件Ariane，通过时域计算方法，模拟了3 h内系泊系统的运动响应，得到FLNG在不同系泊缆组合下的系泊缆最小安全系数、FLNG所受环境载荷及最小躺底长度的变化规律(图4～6)。缆绳安全系数为破断载荷与缆绳最大张力的比值，根据BV规范[8]，在缆绳完整状态下，系泊缆最小安全系数应大于1.75，最小躺底长度应大于0(防止起锚)。

从图4～6可以看出，对于钢缆悬链线式系泊系统，随着预张力增大，其系泊缆最小安全系数和最小躺底长度整体上呈先增大后减小趋势，FLNG所受环境载荷逐渐变小；而对于聚酯缆悬链线式系泊系统，其系泊缆最小安全系数和最小躺底长度则随预张力增大而逐渐减小；2种布置方案下，中间缆为聚酯缆方案相对钢缆方案，FLNG所受的环境载荷相对较小，但变化规律较复杂。

图4 某230 000 m3 FLNG悬链线式系泊系统系泊缆最小安全系数与预张力关系

对于钢缆悬链线式系泊系统，当中间缆绳长2 500 m时，绝大部分安全系数均满足要求，且预张力为5 000 kN时，FLNG所承受的环境载荷(风、浪和流载荷的合成)减小速度开始变缓。因此，对于中间缆为钢缆的悬链线式系泊系统选取中间缆绳长2 500 m、预张力5 000 kN。该组合对应的系泊缆最小躺底长度为5 330.65 m，由于底部锚链长6 000 m，大部分都处于躺底状态，故可将底部锚链长度设为1 000 m。

图5 某230 000 m3 FLNG采用悬链式系泊系统所受环境载荷与预张力关系

图6 某230 000 m3 FLNG悬链线式系泊系统系泊缆最小躺底长度与预张力关系

对于聚酯缆悬链线式系泊系统，当中间缆绳长4 000 m时，系泊缆安全系数均满足要求，同时变化趋势平缓，且预张力为5 000 kN时，FLNG所受环境载荷较小。因此，对于中间缆为聚酯缆的悬链线式系泊系统选取的组合为中间缆绳长4 000 m、预张力5 000 kN。该组合对应的系泊缆最小躺底长度为5 393.73 m，由于底部锚链长度为6 000 m，大部分都处于躺底状态，故可将底部锚链长度同样设为1 000 m。

2.2.2系泊特性对比分析

基于对不同中间缆组合的悬链线式系泊特性的计算分析，发现2种系泊方案下最危险的海况组合均为表2中的第2种海况，且钢缆方案下，FLNG所受的环境载荷较大。根据上述对比结果和环境载荷大小，得到2种中间缆方案的悬链线式系泊系统的系泊缆参数(表4)。对比表3、4，可以看出，经优化选取后的系泊缆尺寸均小于初选值，且中间缆分别为钢缆、聚酯缆时，其系泊缆总长分别为3 600、5 100 m，预张力均为5 000 kN，其系泊状态示意图如图7所示(以钢缆为例)。

表4 某230 000 m3 FLNG悬链线式系泊系统优化后的系泊缆材料参数

图7 某230 000 m3 FLNG悬链线式系泊系统状态示意图

进一步对优选后的2种悬链线式系泊系统布置方案进行了系泊特性分析，得到不同方案组合下系泊缆最大轴向拉力、最小安全系数、最小躺底长度及最大转塔偏移量(表5)。可见2种方案下的系泊系统设计均满足规范要求。中间缆采用聚酯缆时，系泊缆最大张力和转塔最大偏移量均比采用钢缆时要小，但系泊缆最小躺底长度要大。中间缆采用钢缆时锚更容易定位，但因其缆绳自重较大，在工作水深不断增加时，需使锚泊系统在满足定位要求的前提下，尽可能减轻重量从而降低成本。而中间缆采用聚酯缆时，能减小系泊缆与水平方向的夹角，在船体所受的水平外载荷确定的情况下可使得系泊缆的张力随之减小，但由于聚酯缆较轻，锚不易定位，且缆绳总长较长，成本较高。

表5 某230 000 m3 FLNG悬链线式系泊系统2种中间缆方案系泊特性对比

3 聚酯缆张紧式系泊系统特性

聚酯缆张紧式系泊系统目前已在半潜式生产平台上得到广泛运用[10]，但在FPSO、FLNG等船型装置上的运用研究则少见报道。为了进一步研究FLNG采用聚酯缆张紧式系泊系统的可行性，在聚酯缆悬链线式系泊系统基础上，底部锚链长度减少至100 m，其他部分缆绳长度不变，即系泊缆总长为4 200 m，使其处于张紧状态(图8)。

图8 某230 000 m3 FLNG聚酯缆张紧式系泊系统状态示意图

对聚酯缆张紧式系泊系统的计算分析所选取的环境条件与悬链线式系泊系统相同，选取的系泊缆参数如表6所示，且预张力同为5 000 kN。同样通过时域计算方法，模拟了3 h内系泊系统的运动响应，得到系泊缆最大轴向拉力、最小安全系数、最小躺底长度及最大转塔偏移量(表7)。可见，采用聚酯缆的张紧式系泊系统同样满足方案设计的要求。

表6 某230 000 m3 FLNG聚酯系泊缆材料属性

表7 某230 000 m3 FLNG聚酯缆张紧式系泊系统特性计算结果

对比表4及表6，可以看出，与聚酯缆悬链线式系泊系统相比，聚酯缆张紧式系泊系统的缆绳规格较大，总成本优势不大。

因此，FLNG系泊系统是采用钢缆悬链线式系泊系统还是聚酯缆悬链线式系泊系统亦或是聚酯缆张紧式系泊系统等，需综合考虑多方面因素，如经济性、作业安全性、船东需求等。

4 结论

1)对于悬链线式钢缆布置方案，随着预张力的逐渐增大，最小安全系数和最小躺底长度先变大后变小，且FLNG所承受的环境载荷逐渐变小；对于悬链线式聚酯缆布置方案，随着预张力的逐渐增大，最小安全系数和最小躺底长度逐渐变小，FLNG所承受的环境载荷比钢缆方案的小，但变化规律较复杂；中间缆采用聚酯缆时，最大系泊缆张力和转塔最大偏移量均比采用钢缆时要小，但系泊缆最小躺底长度要大；中间缆采用钢缆时，锚容易定位，但对于深水海域来说，钢缆自重较大；而中间缆采用聚酯缆时，锚不易定位，且缆绳总长较长，成本较高。

2)与聚酯缆悬链线式系泊系统相比，聚酯缆张紧式系泊系统的缆绳规格较大，总成本优势不大，本文中FLNG采用张紧式聚酯缆布置方案时系泊缆组合的长度、尺寸等是否能进一步优化，在今后的工作中还需进一步研究。