謝 敏，唐永生，鄒 韜，高家鏞

（1. 滬東中華造船（集團）有限公司，上海 200129；2. 中船華南船舶機械有限公司，廣西 梧州 543004；3. 上海船舶運輸科學(xué)研究所，上海 200135）

0 引 言

液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）海上轉(zhuǎn)運系統(tǒng)是LNG海上船與船（或浮體）之間輸送的必需裝備。目前此類裝備為國外少數(shù)廠商所壟斷。因此開發(fā)具有我國特色、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的海上轉(zhuǎn)運系統(tǒng)具有重要意義。轉(zhuǎn)運系統(tǒng)技術(shù)研究將為我國海上邊際油氣田開發(fā)以及海上 LNG開發(fā)提供必要的技術(shù)支撐。

海上液貨轉(zhuǎn)運系統(tǒng)，在LNG方面，僅岸站硬管型已得到廣泛應(yīng)用，船對船轉(zhuǎn)運目前還處于開發(fā)研究階段。根據(jù)穿梭LNG船作業(yè)海域特點和環(huán)境參數(shù)的不同，液化天然氣海上轉(zhuǎn)運又分平行輸送和串聯(lián)輸送兩種方式。LNG平行輸送轉(zhuǎn)運方式的關(guān)鍵技術(shù)是裝卸臂的開發(fā)研制。圍繞滿足兩船并靠時LNG轉(zhuǎn)運要求的裝卸臂設(shè)計，系統(tǒng)介紹了相應(yīng)的研究工作以及裝卸臂達到的參數(shù)。

1 船型及并靠參數(shù)論證

海上邊際油氣田開發(fā)產(chǎn)業(yè)鏈上涉及液化天然氣的裝置有LNG生產(chǎn)儲卸裝置（LNG Floating Production Storage Offloading Facility，LNG FPSO）、穿梭LNG船和LNG浮式儲存接收站（LNG Floating Storage and Regasification Unit，LNG FSRU）。對這些船型裝置參數(shù)的初步論證是進行LNG海上轉(zhuǎn)運系統(tǒng)研究的前提。

隨著LNG生產(chǎn)與接收終端的發(fā)展，對應(yīng)的LNG運輸方式，即“穿梭LNG船”概念也隨之產(chǎn)生。與傳統(tǒng)LNG船不同，LNG船航行于氣源岸站碼頭和天然氣接受站碼頭之間，而穿梭LNG船往返于海上油氣田（或FLNG）和岸上接收站或LNG FSRU之間。作為海上LNG浮動岸站，LNG FSRU目前受到眾多能源公司的青睞，運營實踐證明，LNG FSRU技術(shù)已走向成熟，而且具有成本低、建設(shè)周期短、靈活性高等優(yōu)點。

LNG生產(chǎn)供應(yīng)鏈見圖1，其中與海上LNG轉(zhuǎn)運系統(tǒng)相關(guān)的船型和裝備包括：LNG FPSO、LNG FSRU、穿梭LNG船以及LNG裝卸臂。

圖1 LNG生產(chǎn)供應(yīng)鏈

1.1 船型

1) 穿梭LNG船：由于LNG FPSO仍處在起步階段，目前專門用于LNG FPSO 與FSRU之間服務(wù)的穿梭LNG船還沒有。參考主流船型，經(jīng)過艙容及船舶尺度論證，確定了穿梭LNG船的主尺度、布置總圖、線型圖（型值表）以及主要裝載工況（包括排水量、吃水、重心位置、初穩(wěn)性高度、靜水力計算表等），詳細參數(shù)見表1。

表1 穿梭LNG船主要參數(shù)

2) LNG FSRU： LNG FSRU在海況相對較好的區(qū)域一般不需要動力。確定針對22萬m3LNG FSRU進行研究，船型參數(shù)見表2。

表2 LNG FSRU主要參數(shù)

LNG FSRU的系泊方式為單點系泊，其系泊水域的水深≤40m。此水深涵蓋我國近岸水深（渤海平均水深24m）[1]。

1.2 兩船并靠裝載配置

兩船并靠作業(yè)時，船—船間由艏纜、艏橫纜、艏倒纜及艉纜、艉橫纜、艉倒纜系帶。纜繩為高分子φ=44mm，破斷負荷1380kN。兩船間安裝四個充氣式橡膠護舷，減小兩船間的撞擊力，靠球參數(shù)見表2。裝卸臂位置參數(shù)見表3?？壳蛐阅軈?shù)見圖2，兩船并靠系泊模式和示意見圖3、4。

表2 靠球參數(shù)

確定極限狀態(tài)的工況組合：LNG FSRU 98.5%（滿載），穿梭LNG船1.6%（壓載）；LNG FSRU 1.6%（壓載），穿梭LNG船98.5%（滿載）。

穿梭LNG船卸貨前，穿梭LNG船吃水：11.8m（設(shè)計滿載吃水）；FSRU吃水10.3m，兩船高度差3.38m，LNG船卸貨管與FSRU頂甲板高度差6.58m；穿梭LNG船卸貨后，穿梭LNG船吃水：9.5m；FSRU吃水12.6m（設(shè)計滿載吃水）兩船高度差1.22m，LNG船卸貨管與FSRU頂甲板高度差-1.98m。

圖2 靠球性能參數(shù)曲線

圖3 FSRU與穿梭LNG船并靠系泊模式

圖4 FSRU與穿梭LNG船并靠系泊示意

表3 裝卸臂位置數(shù)據(jù) 單位：m

2 兩船并靠水動力分析與試驗

兩船并靠狀態(tài)的 LNG海上轉(zhuǎn)運系統(tǒng)裝卸臂設(shè)計參數(shù)與作業(yè)海況下兩船運動及兩船間裝卸臂位置相對運動密切相關(guān)。為了得到有關(guān)運動參數(shù)，分別進行了兩船并靠狀態(tài)的數(shù)值模擬計算及物理模型試驗，預(yù)報不同作業(yè)海況下的各種運動參數(shù)。

2.1 穿梭LNG船旁靠LNG FSRU狀態(tài)水動力數(shù)值模擬計算

首先將通過 CFD的方法對兩船并靠進行水動力計算分析，獲取相關(guān)參數(shù)，并提出靠泊優(yōu)化方案，提高靠泊作業(yè)的極限海況。計算分析軟件為Bureau Veritas開發(fā)的水動力分析軟件HydroStar及錨系泊分析軟件Ariane7等。

通過數(shù)值分析，獲得了LNG船與FSRU船在不同裝載工況組合下的6自由度運動響應(yīng)、兩船之間的相對運動以及系泊纜繩和充氣式橡膠護舷的受力特性，得出以下結(jié)論：

1) 并靠卸載作業(yè)方式中，F(xiàn)SRU裝卸臂頂點與穿梭LNG船管道接口兩點相對運動中，相對縱蕩運動占主導(dǎo)地位，對兩船之間的系泊纜繩的受力影響較大。計算中所有系泊纜繩預(yù)張力均為138kN（10%破斷載荷），增大預(yù)張力可以改善兩浮體之間的相對運動，但會引起護舷碰撞次數(shù)的增多，受力時呈現(xiàn)更多的脈沖形式；

2) 旁靠作業(yè)適用于LNG的卸載，但兩浮體的距離較近，相對運動明顯，對海洋環(huán)境條件要求較為嚴格，尤其對風(fēng)浪流的方向組合十分敏感。在海洋環(huán)境參數(shù)相同的情況下，Cross（風(fēng)、浪、流呈不同夾角的組合）海況相比 Inline（風(fēng)、浪、流同向）海況的相對運動大，應(yīng)在設(shè)計及實際卸載作業(yè)時注意。是一種更為危險的海況，因此在實際卸載作業(yè)中，Cross海況中的海洋環(huán)境參數(shù)要低于Inline海況的參數(shù)，這樣保證卸載作業(yè)的安全性。水動力分析模型見圖5、6。

圖5 卸貨前水動力分析模型

圖6 卸貨后水動力分析模型

2.2 穿梭LNG船旁靠LNG FSRU狀態(tài)物理模型試驗

關(guān)于兩船并靠狀態(tài)的船舶運動及相對運動等的研究有兩種方法，即數(shù)值模擬計算及物理模型試驗。由于兩船并靠狀態(tài)的有關(guān)水動力參數(shù)計算比較復(fù)雜，計算方法還在不斷深化，計算精度還需通過物理模型試驗來驗證。通過物理模型試驗來預(yù)報兩船并靠狀態(tài)仍是目前最常用的方法，能較合理的測量船體的各自由度運動參數(shù)、兩船之間的相對運動參數(shù)及各種受力參數(shù)（系泊錨鏈力，系泊纜繩力及護舷力等），也能為數(shù)值模擬計算提供有關(guān)水動力參數(shù)。

2.2.1 試驗方法

根據(jù)初步確定的轉(zhuǎn)運系統(tǒng)錨泊方案，F(xiàn)SRU采用外轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)，模型試驗時，F(xiàn)SRU 模型首部安裝轉(zhuǎn)塔模型，固定部分與艏端連接，轉(zhuǎn)動部分與固定部分由軸承聯(lián)結(jié)，轉(zhuǎn)動構(gòu)件下端為輻射型布置的錨鏈，錨鏈下端與水池底部的錨碇連接。

護舷模型設(shè)計中，確保護舷直徑與實體幾何相似，且模型與實體的受力-變形曲線相似。通過改變模型壁的厚度或彈性來實現(xiàn)與實體的特性曲線相似。

模型上纜繩的布置方式及數(shù)量與實體相同，纜繩張力-伸長的關(guān)系曲線采用有關(guān)規(guī)范推薦的Wilson公式，模型試驗中，纜繩模型的張力-伸長曲線與實際纜繩相似。

2.2.2 選用參數(shù)

纜繩的張力 — 伸長曲線按下述方法確定：采用Wilson公式表示張力——伸長曲線。根據(jù)LNG海上轉(zhuǎn)換系統(tǒng)錨泊水域的自然荷載參數(shù)，試驗選用的風(fēng)、浪、流及潮位參數(shù)如下：

1) 波浪參數(shù)：3級海況，H1/3=0.5～1.25m；2) 不規(guī)則波：采用JONSWAP譜模擬不規(guī)則波；3) 水流：流速VC=1.028m/s；4) 風(fēng)：蒲氏 5級風(fēng)，風(fēng)速VW=8.0～10.7m/s（試驗中選用VW=10.7m/s）。

風(fēng)浪流組合方案參考API（美國石油協(xié)會）推薦的研究單點系泊系統(tǒng)時的組合方案（見表4）。

表4 風(fēng)、浪、流方向組合

2.2.3 試驗結(jié)果分析

船舶尺度大，且兩艘船并靠在一起，波浪相對較小，因此兩船在海浪中的搖蕩運動較小。綜合各種海況下的船舶運動測試結(jié)果，在3級海況下（H1/3=1.25m），F(xiàn)SRU的最大橫搖角≈0.8°；最大縱搖角≈0.2°；LNG船的最大橫搖角≈0.5°；最大縱搖角≈0.20°。隨海況增加，搖蕩運動增大，但增加幅度有限，即使在H1/3=2.5m的4級海況，運動也較小。

兩船間的相對運動見表5。

表5 FSRU裝卸臂位置相對LNG船卸貨管道口的相對運動 單位：m

圖7 3級海況時相對運動時域曲線（以風(fēng)浪流都是180°工況為例）

根據(jù)相對運動時域曲線，經(jīng)過取樣法可得出速度系列峰值。結(jié)果換算到實船為3級海況（H1/3=1.25m）橫向運動速度最大 6.6m/min，垂向運動速度最大 8.4m/min，4級海況（H1/3=2.5m）橫向運動速度最大18.6m/min, 垂向運動速度最大18.6m/min。

經(jīng)分析，LNG海上轉(zhuǎn)運系統(tǒng)模型試驗中裝卸臂位置的相對運動記錄曲線，最大相對運動時的周期見表6。

表6 相對運動周期 單位：s

3 LNG裝卸臂設(shè)計簡介

根據(jù)水動力分析和模型試驗的結(jié)果，得出兩船并靠作業(yè)的極限海況條件，以及相關(guān) LNG裝卸臂的設(shè)計參數(shù)；通過進一步分析，確定應(yīng)急脫離系統(tǒng)啟動的條件。設(shè)計出一款滿足兩船并靠時 LNG轉(zhuǎn)運要求的裝卸臂，并試制模擬樣件，進行模擬實際海況條件進行操作調(diào)試。

3.1 功能參數(shù)的確定

通過LNG裝卸臂的使用環(huán)境、使用工況、功能性能要求的了解，對國內(nèi)外陸基LNG轉(zhuǎn)運裝置進行分析，并結(jié)合海洋環(huán)境、兩浮體之間的相對運動，確定裝卸臂的性能參數(shù)：

4臺（3臺液相，1臺氣相）裝卸臂安裝在LNG-FRSU上，與穿梭LNG船總布置圖中的管路布置相匹配。

軟管的選擇：16英寸軟管彎曲半徑2500mm，在兩船并靠時，無法彎曲，所以只能采用多管方案。多管方案為：2根10英寸軟管和4根6英寸軟管，考慮到結(jié)構(gòu)簡單和經(jīng)濟成本，選擇2根10英寸軟管。

LNG轉(zhuǎn)運能力：4000m3/h（單臂）

裝卸臂的工作跨距：10m

輸送管規(guī)格：2×10英寸

輸送介質(zhì)：-163℃

最大浪高：3級海況

起重機安裝區(qū)域：危險區(qū), 設(shè)備防爆要求：滿足船上Zone2危險區(qū)[2]。

3.2 結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵部件的開發(fā)

經(jīng)調(diào)研、研究以及收集各種資料，初步采用軟管輸送的形式。主要采用懸掛輸送軟管形式，軟管兩端扣壓有對接法蘭或接頭，一端與本船固定連接，另外一端與LNG船通過快速接頭自動對接，從而實現(xiàn)LNG的轉(zhuǎn)運，見圖8。

通過折臂形式、伸縮臂形式、折臂伸縮型式幾種方案比較，確立了折臂伸縮型式方案。LNG裝卸臂主要由結(jié)構(gòu)件、折臂系統(tǒng)、伸縮系統(tǒng)、變幅系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、波浪補償系統(tǒng)、自動對接裝置、應(yīng)急脫離裝置、電氣控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等部分組成[3]。

恒張力波浪補償?shù)淖饔檬钱?dāng)LNG裝卸臂對接時能夠克服由于波浪對船體產(chǎn)生的運動。

流體輸送管道接口自動對接裝置包括錐形導(dǎo)，恒力張力絞車，液壓操作卡爪。使牽引鋼絲繩始終保持一定張力，導(dǎo)向筒保持在限定的位置移動，對接定位精確[4]。

LNG裝卸臂緊急脫離系統(tǒng)（ERS）是為適應(yīng)LNG FPSO或LNG FSRU的安全作業(yè)需要而開發(fā)的，能夠在裝卸現(xiàn)場出現(xiàn)大風(fēng)或失火等情況下，使輸送臂和船自動分離的機構(gòu)[5]。

圖8 LNG裝卸臂

4 結(jié) 語

初步開發(fā)出一型并靠狀態(tài)下 LNG轉(zhuǎn)運系統(tǒng)，有別于現(xiàn)有的硬管和軟管系統(tǒng)。將經(jīng)過進一步驗證，取得自主的知識產(chǎn)權(quán)，填補我國在此領(lǐng)域的空白。同時為串聯(lián)狀態(tài)下 LNG轉(zhuǎn)運系統(tǒng)開發(fā)積累寶貴經(jīng)驗。設(shè)計中注重關(guān)鍵功能的開發(fā), 也考慮了低溫材料的應(yīng)用，但試驗中并未采用低溫介質(zhì)，因此有待實際低溫介質(zhì)進一步檢驗。

研究的對象是國際剛剛興起的技術(shù)，研發(fā)成功將會達到國際先進水平，大大提高LNG裝備國產(chǎn)化率。同時進軍國際市場，為我國LNG產(chǎn)業(yè)在國際市場占有一席地位發(fā)揮作用。

[1] 趙耕賢. 我國浮式生產(chǎn)儲油裝置技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 上海造船，2009, (2)： 48-57.

[2] IEC 60092-502：1999(E). INTERNATIONAL STANDARD.

[3] 鄒 韜，何遠昌，黃軍付. 流體裝卸臂[P]. 中國：ZL2014 2 0002920.2，2014-07-30.

[4] 鄒 韜，吳小奮，李新獻. 海上流體輸送管道接口自動對接裝置[P]. 中國：ZL 2013 2 0806152.1，2014-05-28.

[5] 鄒 韜，郭小飛，姚 典. 流體裝卸用應(yīng)急脫離裝置[P]. 中國：ZL2014 2 0166138.4，2014-09-10.