FLNG-LNGC系统中卸料软管的服役条件研究

王霄， 杨永春， 陈常龙， 马玉亮

(中国海洋大学工程学院， 青岛 266100)

天然气作为一种优质、清洁、高效的化石能源，是21世纪能源结构优化的重要发展对象，中国天然气输运研究多局限于陆地[1]。近年来，中国海上资源开发技术逐渐成熟，海上天然气开发和输运研究逐渐成为研究热点。21世纪初，随着国际液化天然气(liquefied natural gas，LNG)能源输出的需求增加，海上油气开采逐渐由近海向深海和边际气田发展，浮式液化天然气生产储卸装置(floating liquefied natural gas，FLNG)研究热潮兴起[2]，全球首艘FLNG“PFLNG SATU”号于2016年交付。在边际气田和深海气田油气生产过程中，FLNG作为一座集液化天然气生产与储卸于一体的浮式LNG生产接收终端，长期服役于气田开发海域。当FLNG达到一定储量时，需要通过液化天然气运输船(liquefied natural gas carrier，LNGC)进行转运[3]。由于FLNG和LNGC漂浮于海面，在风、浪、流等环境因素作用下不断晃动，两船的相对运动对LNG卸载作业的影响较大。

在海上LNG串靠卸载作业中，FLNG与LNGC采用前后布置方式，两者之间的距离一般在50～100 m，具有海洋环境适应能力好、安全性高等优势，能够适应海洋环境较为恶劣的海域。LNG卸料软管两端分别连接两船的外输点，两个端点的相对位置受两船间的相对运动影响，这对软管服役的安全性是一个挑战[4-5]。

中外学者针对海上液货船间串靠外输开展了相关研究。 Zhao等[6-7]采用模型试验的方法研究了单点系泊FLNG串靠系统的两船间距和连接方式对系统水动力性能的影响，总结了FLNG系统的流体动力学的模型试验和数值计算的研究成果。文献[8-14]通过数值模拟分别研究了单一环境因素对串靠系统的运动响应的影响。对于不同组合工况的研究；王晨征等[15-16]基于单浮体耦合运动方法探究了风向和流向对串靠系泊系统运动的影响，并讨论了低频波浪力和波频波浪力对系统的作用；曹光磊[17]基于线性势流理论，研究了浮体间距及浪向对多浮体系统水动力及运动响应的影响；赵正彬[18]基于极值理论分析了串靠系泊系统的过分运动引发的安全性事件；基于多浮体动力学理论，陈勃任等[19]对串靠系泊系统中连接大缆的长度、刚度等参数进行了敏感性分析；付礼鹏等[20]探究了风浪流参数和连接大缆长度等因素对系统动力响应的影响；丛军等[21]分析了两船之间的水动力影响以及大缆张力变化特性；赵晶瑞等[22-23]采用时域耦合方法模拟FLNG串靠系统总体的动态响应，并比较了单、双缆布置的差异。以上研究针对于串靠系泊系统中两浮体的耦合作用和运动响应。对于卸载系统相对运动研究，赵文华[24]采用模型试验的方法选择了一种风浪流同向工况，对串靠卸载系统进行了卸料外输点间相对运动的分析。目前串靠系泊系统水动力响应的数值研究较为成熟，但海上LNG卸载系统中外输点间的相对运动，即卸料低温软管的服役条件研究相对薄弱。

为此，通过模型试验，对不同风、浪、流组合工况和连接方式下串靠系统中液化天然气外输点间的相对运动特性进行了研究，考虑了串靠传输方式下FLNG-LNGC系统中两船体之间、船体与系泊浮体之间的耦合运动响应，为LNG卸料低温软管设计提供服役条件，确定软管长度和端部设计的参考条件。

1 水池模型试验

串靠系统中LNG软管卸载方式和试验布置分别如图1、图2所示。试验水池长60 m、宽36 m、最大水深为6 m。试验过程中FLNG与LNG模型船分别采用单缆和双缆两种串靠方式进行连接，系泊方式为外转塔式单点系泊。同时考虑风向、浪向等因素的影响，分析两船外输点之间的相对运动特性。

图1 串靠卸载系统示意图Fig.1 Diagram of tandem offloading system

图2 串靠模型试验布置图Fig.2 Layout plan of tandem system in model test

1.1 模型参数

FLNG船长392 m，船宽69 m，型深35.7 m，容积为290 000 m3。LNG运输船船长289 m，船宽43.2 m，型深26.3 m。FLNG与LNG运输船选择一种典型装载组合，具体参数如表1所示。

表1 FLNG和LNG运动船主要尺度参数Table 1 Principal dimension of FLNG vessel and LNG carrier

综合考虑 FLNG和LNG运输船原型尺度和水池试验能力等各方面因素，选定缩尺比λ=1∶80开展水池模型实验。制作的模型满足外形尺度和惯量参数的精度要求。

1.2 系泊系统

FLNG通过系泊系统定位于工作海域进行LNG生产工作。FLNG-LNGC卸载系统通过FLNG船艏外转塔上的导缆器与3×4根系泊缆进行连接，每根系泊缆通过锚固定于海底，FLNG-LNGC串靠卸载作业的连接缆数量分别为1条和2条，连接方式如图3所示，12条系泊缆分别编号为#1～#12。船间连接缆原型长度为78 m。

组合系泊缆自上而下由上端锚链、尼龙绳、末端锚链三段组成。缆绳原型参数及属性如表2所示，在工作海况下预张力为2 600 kN，水平跨度为396 m。

在串靠卸载作业中，FLNG与LNGC共线排列，两浮体通过连接缆进行连接，浮体间距可达80 m以上。分别采用1根或2根连接缆对两浮体进行连接，研究两种连接方式对卸载系统水动力的影响。

图3 串靠卸载系泊系统Fig.3 Mooring system of tandem offloading

表2 系泊缆的主要物理属性Table 2 Configuration of the mooring lines

1.3 环境条件

FLNG串靠卸载作业极限海洋环境条件的判断因素众多(如软送软管的承受能力，多浮体间的相对运动情况等)，目前尚没有定论。本文中设计了四组串靠卸载工况开展水池模型实验，其中有义波高5.00 m为极限海洋环境条件[24]，对FLNG的串靠卸载作业水动力特性进行研究。海洋环境条件的具体参数如表3所示，实验中假定风为定常风，其平均风速对应原型在水面以上10 m，水流也为定常流，采用的波浪谱为JONSWAP谱，谱峰因子为3.0。试验中将考虑不同风、浪、流夹角组合工况，具体参数如表3所示。

表3 工况及参数Table 3 Parameter of ambient condition

2 试验结果分析

为探究波高、风浪夹角、有流或无流、连接方式等因素对FLNG串靠系统运动响应的影响，试验中设置风浪流同向(工况1、2、3)、风浪流非同向(工况4、5、6)、风浪同向(工况7、8、9)、风浪非同向(工况10、11、12)4种不同环境组合。

试验通过光学运动测量系统测量两船重心位置处的运动时程与两船的卸料外输点间的相对运动时程。坐标系定义如图4所示。

图4 坐标系定义Fig.4 Definition of coordinate system

2.1 相对运动时程分析

试验直接测得串靠系统在单缆和双缆两种连接方式下，风浪流同向组合(工况1、2、3)下两船上的外输点处运动时程，并通过简单计算得到两船卸料外输点间的相对运动时程，单缆系统时程如图5所示。下列数据已按照缩尺比换算为原型数据。

对系统中外输点间各方向相对运动可以观察到，x、y、rz方向相对运动为低频大幅运动，有义波高对极差影响较大，同种工况下双缆系统各方向运动的极差相较于单缆系统有明显降低；rx、ry、z方向运动为高频小幅运动，有义波高变化引起的运动统计值差别不大。

rx、ry、rz分别为绕x、y、z轴的转动图5 单缆系统中外输点间相对运动时程Fig.5 Time history of relative motion between transportation positions in single-hawser system

2.2 相对运动结果统计与对比

试验测定两外输点运动响应时程结果可得到系统在不同工况下外输点间相对运动的统计值，如图6所示。其中横坐标为工况序号，纵坐标为各方向相对运动的最大值、最小值和平均值统计结果。

2.2.1 不同波高对各方向相对运动的影响分析

(1)风浪流同向组合(工况1、2、3)。各方向相对运动极差均与有义波高Hs呈正相关，且单缆系统的极差大于双缆系统。最大极差发生在工况3的单缆系统中，其中x方向为39.84 m，y方向为92.61 m，z方向为5.52 m，rx方向为5.82°，ry方向为3.03°，rz方向为56.44°。x方向平均值随波高增大而减小，最大平均值为89.09 m；z方向平均值随波高变化不明显。

图6 外输点间各方向相对运动统计Fig.6 Statistics of relative motion in all directions between transportation positions

(2)风浪流非同向组合(工况4、5、6)。各方向相对运动极差均与有义波高呈正相关，且单缆系统的极差大于双缆系统。最大极差发生在工况6的单缆系统中，其中x方向为54.10 m，y方向为74.12 m，z方向为6.31 m，rx方向为6.30°，ry方向为3.51°，rz方向为40.92°。x方向平均值随波高增大而减小，最大平均值为91.19 m；y方向平均值的绝对值与波高呈正相关，最大平均值为10.74 m；z方向平均值随波高变化不明显；rz方向平均值随波高变化不明显。

(3)风浪同向组合(工况7、8、9)。高频运动即z、rx、ry方向相对运动的极差与波高呈正相关，最大极差分别为4.10 m、4.19°和2.59°，发生在工况9的单缆系统中。x方向最大极差为34.09 m，发生在单缆系统的工况7；y方向最大极差为111.7 m，发生在单缆系统的工况8；rz方向最大极差为68.21°，发生在单缆系统的工况8。x方向最大平均值为86.51 m。

(4)风浪非同向组合(工况10、11、12)。各方向相对运动极差均与有义波高呈正相关，且单缆系统的极差大于双缆系统。最大极差发生在工况12的单缆系统中，其中x方向为67.12 m，y方向为53.15 m，z方向为4.98 m，rx方向为5.91°，ry方向为3.13°，rz方向为26.30°。x方向平均值随波高增大而增大，最大平均值为83.30 m；y方向平均值的绝对值随波高增大而减小，最大平均值为44.37 m；z方向平均值随波高变化不明显；rz方向平均值随波高变化不明显。

2.2.2 其他影响因素分析

由于rz方向的相对转角为低频大幅运动，对软管的弯曲影响极大；此外对比不同浪向和风向组合时，环境载荷本身的合力方向并不与整体坐标x轴重合，因此选择外输点间距离和rz方向相对转角的统计值进行对比。距离统计如图7所示。

图7 外输点间距离统计Fig.7 Statistics of distance between transportation positions

(1)有无流对比(工况1、2、3和工况7、8、9)。有水流作用的工况转角极差小于无流作用工况，因此水流作用对环境同向组合中系统的相对转角有稳定作用。对于相同波高，由于水流对LNGC的作用，有流作用工况的外输点间x向相对运动平均值大于无流作用时的平均值。

(2)浪向对比(工况1、2、3和工况4、5、6)。由于单点系泊系统的风标效应，系统转向合力方向，LNGC失去FLNG的部分遮蔽影响，同时风浪夹角限制了LNGC的rz方向转角，因此风浪流非同向工况的双缆系统中外输点间距离极差比同向工况更大，转角极差比同向工况小。对于相同波高，风浪流非同向工况中外输点间距离平均值比同向工况大。

(3)风向对比(工况7、8、9和工况10、11、12)。同样地，由于单点系泊系统的风标效应和遮蔽效应，风浪非同向工况的外输点间距离极差比同向工况更大，转角极差比同向工况小。对于相同波高，风浪非同向工况中外输点间距离平均值比同向工况大。

3 结论

研究了不同环境参数组合、串靠传输方式下卸料低温软管两端的相对运动特性，考虑了系统中两船体之间的耦合运动响应，分析了不同风浪流参数组合以及单缆和双缆两种连接方式对管端相对运动的影响，得出如下结论。

(1)双缆连接方式由于其布置方式不同，系统运动比单缆连接方式更稳定。试验结果表明，与单缆系统相比，双缆系统外输点间各方向相对运动的极差明显降低，特别是y向相对运动和rz相对转角。因此，考虑外转塔式单点系泊串靠系统中LNG卸料工作的安全性，采用双缆连接布置优于单缆。

(2)在伴随海流的工况中，外输点各方向相对运动的极差与波高呈正相关，因此海流对外输点间相对运动趋势有稳定作用，同时由于海流作用，外输点间x向相对距离更大。

(3)环境参数同向的组合工况中，由于串靠系统的遮蔽效应，外输点间距离比非同向的工况距离更小，外输点距离的大小决定软管设计长度的要求。

(4)环境参数非同向的组合工况中，由于串靠系统的风标效应，外输点间相对转角受到环境载荷夹角的限制，比同向工况更小，而管端转角的动态变化范围越大，对管道弯曲性能要求越高。

综上所述，对于FLNG-LNGC的串靠卸载系统，低温软管的长度设计应参考风浪流非同向组合的卸料软管两端相对运动过程中的最大距离，软管端部弯曲性能设计则参考风浪同向组合的相对转角的动态变化范围。