吳昊,夏華波,周毅,李萌,蒙學(xué)昊

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司,天津 300452)

LNG浮式轉(zhuǎn)接駁是一種新型LNG傳輸裝置,具有建造成本低、建設(shè)周期短、經(jīng)濟(jì)效益高、作業(yè)方式靈活等特點(diǎn)。在進(jìn)行LNG過(guò)駁作業(yè)時(shí)轉(zhuǎn)接駁由拖輪頂推至LNG運(yùn)輸船旁,使用真空吸附裝置同LNG運(yùn)輸船進(jìn)行系泊,以減小LNG浮式轉(zhuǎn)接駁與LNG船之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。為確定真空吸附裝置在作業(yè)過(guò)程中的受力情況,以3萬(wàn)m3LNG運(yùn)輸船“海洋石油301”為例對(duì)其進(jìn)行計(jì)算,由于目前尚無(wú)法直接計(jì)算二者間各方向上的最大作用力,故考慮通過(guò)將真空吸附裝置在AQWA中以護(hù)舷的方式進(jìn)行定義,并在轉(zhuǎn)接駁兩端設(shè)置纜繩,計(jì)算護(hù)舷碰撞力與纜繩張力得到系泊過(guò)程中兩船間的相互作用力,據(jù)此為真空吸附裝置的選型提供參考。

1 環(huán)境條件及船型主尺度

預(yù)設(shè)典型作業(yè)海況環(huán)境條件如下。

1)作業(yè)水深:15 m。

2)風(fēng):作業(yè)工況風(fēng)速15 m/s。

3)波浪:波浪譜為JONSWAP(Hs),譜峰因子為3.3,作業(yè)工況有義波高H1/3=1 m。

4)流:作業(yè)工況流速1 m/s。

在此環(huán)境條件下,以3萬(wàn)m3LNG運(yùn)輸船為設(shè)計(jì)目標(biāo),進(jìn)行靠泊安全分析。3萬(wàn)m3以及LNG浮式轉(zhuǎn)接駁的主尺度見(jiàn)表1、2。

表1 3萬(wàn)m3LNG運(yùn)輸船主要尺寸 m

表2 LNG浮式轉(zhuǎn)接駁主要尺寸 m

2 坐標(biāo)系及船體模型的建立

在靠泊安全分析數(shù)值計(jì)算中,坐標(biāo)原點(diǎn)為L(zhǎng)NG船舯位置,對(duì)于3萬(wàn)m3LNG船,原點(diǎn)相對(duì)于船艉坐標(biāo)系的位置為(92.35,0,吃水)。坐標(biāo)系X軸方向由船艉指向船艏、Y軸方向由船舶右舷指向左舷和Z軸方向沿船舶型深方向向上,風(fēng)、浪、流環(huán)境載荷方向0°為從船艉指向船艏,按照順時(shí)針?lè)较蛞来卧黾拥?60°。

根據(jù)3萬(wàn)m3LNG的船體型線相關(guān)數(shù)據(jù)以及自主設(shè)計(jì)的浮式轉(zhuǎn)接駁型線,利用Catia對(duì)模型進(jìn)行構(gòu)建[1],通過(guò)放樣命令模塊,對(duì)船體型線進(jìn)行放樣,初步生成船體模型,之后對(duì)生成的模型進(jìn)行曲率分析、曲面縫合等技術(shù)操作,在這過(guò)程中,適度的對(duì)船體型線進(jìn)行微調(diào),實(shí)現(xiàn)船體型線光滑過(guò)渡等要求,并最終對(duì)船體曲面曲率進(jìn)行分析,得到最終的模型。LNG運(yùn)輸船使用的系泊浮筒,在AQWA中將其簡(jiǎn)化成圓柱體,位置以3萬(wàn)m3LNG船系泊纜繩長(zhǎng)度在100 m左右為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置,計(jì)算模型見(jiàn)圖1、2。

圖1 3萬(wàn)m3LNG運(yùn)輸船-浮筒系泊模型

圖2 3萬(wàn)m3LNG-浮式轉(zhuǎn)接駁模型(正視)

將建好的模型導(dǎo)入到ANSYS中,將模型進(jìn)行水線及網(wǎng)格劃分后進(jìn)行靜水力分析[2],得到LNG運(yùn)輸船與浮式轉(zhuǎn)接駁的重量中心數(shù)據(jù),見(jiàn)表3。

表3 LNG運(yùn)輸船與轉(zhuǎn)接駁重心浮心位置 m

3 風(fēng)流力系數(shù)的計(jì)算

船舶在系泊時(shí)會(huì)受到風(fēng)場(chǎng)和水流的作用,對(duì)船舶承受的風(fēng)載荷和流載荷準(zhǔn)確評(píng)估可以預(yù)報(bào)船舶的運(yùn)動(dòng),確保船舶良好的系泊性能。通常來(lái)說(shuō),對(duì)風(fēng)載荷和流載荷評(píng)估的傳統(tǒng)處理方法是進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)或直接采用經(jīng)驗(yàn)公式估算,從而獲得風(fēng)載荷系數(shù)和流載荷系數(shù)。但風(fēng)洞試驗(yàn)方法花費(fèi)的費(fèi)用較高,在某些工程應(yīng)用中往往由于經(jīng)費(fèi)的限制無(wú)法實(shí)施,且經(jīng)驗(yàn)公式估算法也有一定的局限性,導(dǎo)致估算結(jié)果精度不高。再加上研究對(duì)象為浮式轉(zhuǎn)接駁,由于其特殊性,缺乏相關(guān)規(guī)范的指導(dǎo)。因此,結(jié)合現(xiàn)有成熟的CFD計(jì)算方法,對(duì)不同環(huán)境角的風(fēng)流載荷系數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

由于AQWA軟件在計(jì)算風(fēng)流載荷時(shí)是通過(guò)輸入的載荷系數(shù)進(jìn)行計(jì)算的,并沒(méi)有考慮雙船系泊中大船對(duì)小船的遮蔽效應(yīng),不考慮遮蔽效應(yīng)的計(jì)算結(jié)果更為保守,但同時(shí)也會(huì)使得計(jì)算值與實(shí)際值存在誤差。為了讓計(jì)算更準(zhǔn)確,本文利用STAR-CCM+軟件計(jì)算雙船并靠時(shí)轉(zhuǎn)接駁的風(fēng)流載荷系數(shù)[3]。雙船耦計(jì)算模型見(jiàn)圖3,在正迎風(fēng)、迎流工況下船體壓力分布見(jiàn)圖4。

圖3 雙船并靠計(jì)算模型

圖4 正迎風(fēng)、迎流工況下船體壓力分布

通過(guò)計(jì)算過(guò)程中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)接駁對(duì)LNG船載荷系數(shù)的影響非常小,可以忽略,因此系泊計(jì)算過(guò)程中仍然使用OCIMF規(guī)范定義的風(fēng)流載荷系數(shù)。

風(fēng)力計(jì)算如下。

(1)

式中:Cxw、Cyw、Cxyw代表x、y方向風(fēng)力系數(shù)以及xy平面內(nèi)的風(fēng)力矩系數(shù)[4];ρw為空氣密度;Vw為風(fēng)速;AT、AL為橫向和縱向投影面積;LBP為船的垂線間長(zhǎng)。

流力計(jì)算公式如下。

(2)

式中:Cxc、Cyc、Cxyc代表x、y方向流力系數(shù)以及xy平面內(nèi)的流力矩系數(shù);ρc為海水密度;Vc為流速;T為船的吃水。

以y方向轉(zhuǎn)接駁流載荷系數(shù)為例,見(jiàn)圖5,LNG船對(duì)轉(zhuǎn)接駁的風(fēng)流載荷影響非常明顯,并且不同流向角下大船的影響不同,在流向角為負(fù)時(shí),轉(zhuǎn)接駁的流載荷相比于對(duì)稱(chēng)正方向的流載荷更小,這是因?yàn)榱飨蚪菫樨?fù)時(shí),大船在轉(zhuǎn)接駁的上流位置,遮蔽效應(yīng)更明顯。

圖5 y方向轉(zhuǎn)接駁流載荷系數(shù)

為使船舶RAO響應(yīng)曲線更加接近實(shí)際值,依據(jù)頻域計(jì)算結(jié)果對(duì)船舶阻尼進(jìn)行修正。橫搖阻尼修正后3萬(wàn)m3LNG船RX=557 510 N·m/(°/s),此時(shí)橫搖峰值為4.027 m,較為接近實(shí)際情況。修正后的橫搖數(shù)據(jù)見(jiàn)圖6。

圖6 阻尼修正后的橫搖數(shù)據(jù)

4 LNG船-浮式轉(zhuǎn)接駁系泊力計(jì)算

系泊方案采用LNG運(yùn)輸船采用多點(diǎn)浮筒系泊方式[5],船艉1、2號(hào)浮筒纜繩角度為45°,船艏3、4號(hào)浮筒纜繩角度為60°,命名規(guī)則按船艏艉和左右舷分為4組,每組三根纜繩編號(hào)依次為1、2、3,LNG運(yùn)輸船與浮式轉(zhuǎn)接駁間通過(guò)2根纜繩以及2個(gè)吸附裝置連接,纜繩、錨鏈、護(hù)舷、吸附裝置命名見(jiàn)圖7,其中護(hù)舷位置與吸附裝置重疊,在圖中用括號(hào)標(biāo)出。錨鏈及纜繩長(zhǎng)度參數(shù)見(jiàn)表4～6。

圖7 浮筒系泊及雙船固定纜繩布置示意

表4 LNG運(yùn)輸船纜繩長(zhǎng)度

表5 浮筒錨鏈長(zhǎng)度

表6 纜繩布置

作業(yè)工況下,浮式轉(zhuǎn)接駁靠泊于LNG船舷側(cè),LNG運(yùn)輸船浮筒系泊布置及浮式轉(zhuǎn)接駁在舷側(cè)的系泊布置見(jiàn)圖8、9。

圖8 LNG運(yùn)輸船浮筒系泊布置示意

浮式轉(zhuǎn)接駁作業(yè)工況計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7,根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)LNG船運(yùn)動(dòng)幅值進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并與規(guī)范做對(duì)比。

在指定環(huán)境下雙船系泊中,3萬(wàn)m3LNG船的x方向(縱移)最大位移為0.81 m,滿(mǎn)足要求,y方向(橫移)最大位移為1.58 m,三向轉(zhuǎn)動(dòng)響應(yīng)分別為0.42°(橫搖)、0.03°(縱搖)、0.7°(首搖),均滿(mǎn)足規(guī)范PIANC規(guī)范《Criteria for Movements of Moored Ships in Harbours》要求。

對(duì)轉(zhuǎn)接駁上的纜繩及吸附裝置受力進(jìn)行計(jì)算,護(hù)舷、纜繩及吸附裝置受力在x方向(船長(zhǎng)方向)和y方向(船寬方向)的受力情況見(jiàn)表8。

表8 與3萬(wàn)m3LNG船系泊時(shí)轉(zhuǎn)接駁護(hù)舷、纜繩及吸附裝置受力

浮式轉(zhuǎn)接駁與3萬(wàn)m3LNG系泊駁船纜繩最大受力為37 kN,對(duì)應(yīng)工況為工況1。

對(duì)表9中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,以3萬(wàn)m3LNG與浮式轉(zhuǎn)接駁系泊工況1為例,各方向受力由吸附裝置和浮式轉(zhuǎn)接駁纜繩的對(duì)應(yīng)方向受力組合,X+代表x正方向,X-代表x負(fù)方向。

X+方向合力為

X+=(X-BA-L1X)+(X-BA-L2X)+

(BA-L2X)=6+0+37=43 kN。

X-方向僅有BA-L1一根纜繩受力,則X-受力為

X-=BA-L1X=-23 kN。

X方向合力由X+和X-求和。

X=(X+)+(X-)=43-23=20 kN。

Y方向合力由2根纜繩和2個(gè)吸附裝置共同承載,則Y方向受力為

Y=(X-BA-L1Y)+(X-BA-L2Y)+(BA-L1Y)+(BA-L2Y)=32+1+3+6=42 kN。

計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)舍去了小數(shù)部分(四舍五入),因此計(jì)算合力得到結(jié)果可能會(huì)與分力之和有些許誤差。

結(jié)果見(jiàn)表9,由表中數(shù)據(jù)可知3萬(wàn)m3LNG系泊駁船在x方向和y方向承受的最大載荷分別為45.1 kN和94.8 kN,對(duì)應(yīng)工況分別為工況8和工況10。

表9 轉(zhuǎn)接駁纜繩及吸附裝置受力坐標(biāo)轉(zhuǎn)換;(3萬(wàn)m3LNG船)

綜合以上計(jì)算結(jié)果,轉(zhuǎn)接駁與3萬(wàn)m3LNG運(yùn)輸船在x方向和y方向的最大承載為45.1 kN和94.8 kN,取安全系數(shù)為2.5,則真空吸附裝置在x方向和y方向上可提供112.75 kN和237 kN即可保證LNG浮式轉(zhuǎn)接駁與3萬(wàn)m3LNG運(yùn)輸船在作業(yè)過(guò)程中相對(duì)位置保持穩(wěn)定。

5 結(jié)論

通過(guò)使用護(hù)舷及纜繩代替真空吸附裝置進(jìn)行所需吸附力進(jìn)行計(jì)算,通過(guò)護(hù)舷碰撞力與纜繩張力組合得到系泊過(guò)程中兩船間的最大相互作用力,該計(jì)算結(jié)果是基于預(yù)設(shè)典型作業(yè)海況環(huán)境條件得出的,據(jù)此可為真空吸附裝置的選型提供參考依據(jù),在保證安全作業(yè)的前提下避免過(guò)大冗余,提高轉(zhuǎn)接駁作業(yè)的經(jīng)濟(jì)性。

若LNG浮式轉(zhuǎn)接駁實(shí)際作業(yè)環(huán)境條件更為惡劣則需根據(jù)實(shí)際工況調(diào)整模型和海況參數(shù)進(jìn)行針對(duì)性計(jì)算,以保證LNG傳輸過(guò)程的安全。

所提出的真空吸附裝置模擬計(jì)算方法可用于項(xiàng)目前期估算LNG浮式轉(zhuǎn)接駁與LNG運(yùn)輸船之前所需的吸附力大小,可用于真空吸附選型參考。后續(xù)工作中若能獲取到具體參數(shù)可對(duì)本方法進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化,提高精確度。