顧 俊，張思航，傅建鵬，張玉奎

(中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

0 引 言

隨著全球?qū)μ烊粴庑枨蟮膹?qiáng)勢(shì)增長(zhǎng)，更多的投資者把目光投向了天然氣儲(chǔ)量豐富的海洋。然而，當(dāng)天然氣氣田位于離陸地較遠(yuǎn)的海上時(shí)，如何開(kāi)采它們變成了一個(gè)技術(shù)難題擺在面前。如果安裝天然氣管道從海上氣田直接輸送至陸上液化天然氣（liquefied natural gas，LNG）接收設(shè)施，那么這些管道的鋪設(shè)既昂貴又困難，而且存在環(huán)境和安全問(wèn)題。因此，可以把天然氣在海上直接液化，然后通過(guò)某種浮動(dòng)設(shè)施開(kāi)采并存儲(chǔ)海上天然氣。于是浮式液化天然氣生產(chǎn)、儲(chǔ)存、卸載裝置（LNG FPSO）應(yīng)運(yùn)而生，LNG FPSO也稱為浮式液化天然氣生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置（floating liquefied natural gas unit，F(xiàn)LNG）。

FLNG是邊際氣田和海上伴生氣資源開(kāi)發(fā)、回收、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和推向終端用戶的一種有效而現(xiàn)實(shí)的裝置。通常FLNG包括一個(gè)船體結(jié)構(gòu)，一個(gè)系泊轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)和一個(gè)上部工藝模塊。FLNG具有天然氣開(kāi)采、加工、液化和儲(chǔ)存的功能，與液化天然氣運(yùn)輸船相結(jié)合，顯示出巨大的優(yōu)勢(shì)，特別是對(duì)于偏遠(yuǎn)的海洋氣田，采用FLNG是一種更經(jīng)濟(jì)的管道運(yùn)輸回岸的替代方案。作為一種創(chuàng)新的工程設(shè)施，F(xiàn)LNG整合了液化天然氣生產(chǎn)、儲(chǔ)存和卸載的能力。該設(shè)施實(shí)際上是海上天然氣處理工廠，相當(dāng)于液化天然氣運(yùn)輸船、浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船和陸上天然氣液化廠的完美資源整合出來(lái)的產(chǎn)品。不同于一般的海工裝備，F(xiàn)LNG系統(tǒng)龐大復(fù)雜，技術(shù)難度大，安全性要求高，對(duì)船企開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、建造的要求非?？量獭Ｄ壳?，世界上僅韓國(guó)少數(shù)船企掌握新建FLNG的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)建造能力，我國(guó)還未有FLNG實(shí)船自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)建造的先例，因此有必要對(duì)其進(jìn)行技術(shù)分析。本文以一型課題開(kāi)發(fā)的FLNG設(shè)計(jì)項(xiàng)目為例，從貨物圍護(hù)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)、LNG卸貨方式、LNG工藝技術(shù)、晃蕩壓力計(jì)算方法和上部模塊支墩結(jié)構(gòu)等方面，對(duì)FLNG研發(fā)過(guò)程中遇到的若干重要技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)分析。

1 FLNG基本概念及開(kāi)發(fā)周期

在世界上已探明的天然氣儲(chǔ)量中，約有1/3在近海油田。目前，海上現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采的天然氣通過(guò)管道輸送至陸上液化天然氣廠，在陸上液化天然氣。如圖1所示，通過(guò)管道把海上天然氣運(yùn)輸至陸上裝置的過(guò)程通常包括脫水和壓縮的海上平臺(tái)、大型天然氣運(yùn)輸管道、陸上液化裝置。這些管道的鋪設(shè)既昂貴又困難，管道運(yùn)輸?shù)木嚯x又不能太遠(yuǎn)，而且存在環(huán)境和安全問(wèn)題[1]。

圖 1 通過(guò)管道開(kāi)采天然氣Fig. 1 Exploiting natural gas through pipeline

作為一個(gè)獨(dú)立裝置，F(xiàn)LNG必須具備陸上液化天然氣設(shè)施的所有系統(tǒng)，如其自身的發(fā)電和供熱裝置以及所有其他必要的公用設(shè)施。如圖2所示，海上氣田現(xiàn)場(chǎng)的液化天然氣設(shè)施消除了對(duì)天然氣壓縮平臺(tái)、將天然氣輸送至陸上液化天然氣廠的長(zhǎng)海底管道以及陸上基礎(chǔ)設(shè)施的需要，包括陸上液化天然氣廠、道路、儲(chǔ)存場(chǎng)和廠房設(shè)施。與直接管道輸送等其他勘探技術(shù)相比，F(xiàn)LNG是一種更有效、更現(xiàn)實(shí)的開(kāi)采和利用邊際氣田和海上伴生氣田的方法，這些氣田沒(méi)有管網(wǎng)，可采儲(chǔ)量有限。FLNG可在海上生產(chǎn)和儲(chǔ)存液化天然氣，并通過(guò)卸載設(shè)施將液化天然氣產(chǎn)品轉(zhuǎn)移至液化天然氣運(yùn)輸船和用戶消費(fèi)市場(chǎng)。此外，在供應(yīng)短缺的環(huán)境中，F(xiàn)LNG具有主要的吸引力，它是一個(gè)移動(dòng)天然氣生產(chǎn)設(shè)備，一旦現(xiàn)有的氣田枯竭，可以將其移動(dòng)到新的位置。因此，F(xiàn)LNG可以加速液化天然氣的開(kāi)發(fā)并推送至消費(fèi)市場(chǎng)[2]。

圖 2 通過(guò)FLNG開(kāi)發(fā)海上氣田Fig. 2 Development of offshore gas fields by FLNG

開(kāi)發(fā)海上天然氣整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈需要經(jīng)歷以下幾個(gè)工程階段：勘探氣田和可行性研究；預(yù)先前端工程設(shè)計(jì)（pre front-end engineering design，Pre-FEED）；前端工程設(shè)計(jì)（front-end engineering design，F(xiàn)EED）；4. 詳細(xì)工程設(shè)計(jì)。FEED對(duì)于確定特定氣田開(kāi)發(fā)的可行性更為關(guān)鍵，根據(jù)探明的氣田產(chǎn)量，對(duì)特定氣田的開(kāi)發(fā)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析。根據(jù)分析結(jié)果，如果開(kāi)發(fā)價(jià)值足夠大，將執(zhí)行詳細(xì)的工程設(shè)計(jì)階段。

2 FLNG設(shè)計(jì)過(guò)程中的技術(shù)要點(diǎn)

2.1 轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)

由于FLNG體型龐大，LNG作業(yè)的危險(xiǎn)性，若用多點(diǎn)系泊，對(duì)作業(yè)環(huán)境的要求會(huì)更高。因此，F(xiàn)LNG的系泊方式應(yīng)該主要是單點(diǎn)系泊，包括內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)和外轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)，內(nèi)轉(zhuǎn)塔一般設(shè)在船首，而外轉(zhuǎn)塔則設(shè)在外懸臂上[3]。

FLNG的系泊采用轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)，以減少橫搖運(yùn)動(dòng)，保證上部模塊的作業(yè)要求，根據(jù)波浪、水流和風(fēng)向來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)向標(biāo)，減少船體運(yùn)動(dòng)，在現(xiàn)場(chǎng)特定生存條件下的系泊設(shè)計(jì)是最重要的設(shè)計(jì)考慮之一，更惡劣的環(huán)境需要內(nèi)轉(zhuǎn)塔。在颶風(fēng)（臺(tái)風(fēng)）或冰山發(fā)生的地區(qū)，可能需要選擇一個(gè)帶有水下浮標(biāo)的可解脫轉(zhuǎn)塔[4]。

經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的系泊系統(tǒng)允許FLNG自由地旋轉(zhuǎn)360°，使得能夠在中度甚至惡劣天氣條件下連續(xù)操作，因?yàn)檗D(zhuǎn)塔布置可以允許FLNG采用對(duì)波浪、風(fēng)和流阻力最小的方向。轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)一般布置在船體結(jié)構(gòu)的前部。轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)由固定轉(zhuǎn)塔柱組成，該固定轉(zhuǎn)塔柱由內(nèi)部或外部結(jié)構(gòu)通過(guò)軸承布置支撐，用于在轉(zhuǎn)塔周?chē)杂傻剡M(jìn)行旋轉(zhuǎn)。此外，轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)成確保立管系統(tǒng)從海底到轉(zhuǎn)塔的安全工作。對(duì)于轉(zhuǎn)塔，可以考慮不同的設(shè)計(jì)布局，如使用固定在海床上的多條懸鏈線或半緊固系泊線。

2.2 LNG裝卸系統(tǒng)

在海上2艘船之間卸載液化天然氣也是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的作業(yè)，在惡劣天氣條件下也很困難。因此，提供安全和高效卸載的特種設(shè)備對(duì)操作非常重要。它是FLNG行業(yè)中未經(jīng)驗(yàn)證的技術(shù)之一。有許多類(lèi)型的卸載設(shè)備和卸載方法，介紹2種主要的卸載設(shè)備（裝載臂和低溫軟管）和2種主要的卸載方法（并排轉(zhuǎn)移和串聯(lián)卸載）[5]。

裝載臂：在液化天然氣的卸載過(guò)程中，需要采用一種安裝在船側(cè)的裝卸臂。船用裝卸臂有幾個(gè)部件，如底座立管、內(nèi)側(cè)臂和外側(cè)臂。低溫軟管：作為裝卸臂的替代品，低溫軟管是在FLNG和液化天然氣運(yùn)輸船之間輸送液化天然氣的隔熱保溫軟管。軟管用于惡劣的海洋條件下，船舶之間很難緊密接觸的情況。

并排傳送（旁靠）：系泊并排作業(yè)是FLNG卸載的重要選擇。在操作過(guò)程中，最重要的是2艘船之間系泊纜的負(fù)載和浮動(dòng)靠幫的負(fù)載。除了2艘船上的負(fù)載外，這些都是由天氣狀況（如波浪和風(fēng)）決定的。因此，這種并列系泊只在溫和環(huán)境中有效。并排卸載是通過(guò)使用裝載臂來(lái)操作的，長(zhǎng)期以來(lái)，原油和液化石油氣一直采用裝卸臂的并排卸油方式。如果采用旁靠的方式卸貨，則需要通過(guò)非線性水動(dòng)力學(xué)或者水池試驗(yàn)預(yù)報(bào)兩船之間的相互運(yùn)動(dòng)和影響，防止兩船相互碰撞。串聯(lián)卸載（尾輸）：在惡劣的海況下，并排卸載變得不太適合，串聯(lián)卸載變得非常有用。由于兩船的船首和船尾距離較短，波浪和風(fēng)向不穩(wěn)定，這是一項(xiàng)非常復(fù)雜的作業(yè)。尾輸作業(yè)時(shí)，輸氣軟管始終漂浮在海面上，軟管必須承受-163 ℃的低溫，而且如何使軟管長(zhǎng)時(shí)間保持低溫隔熱狀態(tài)也是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，還要考慮兩船之間的相互運(yùn)動(dòng)。

2.3 FLNG工藝技術(shù)

液化天然氣預(yù)處理和液化工藝是FLNG的核心，需要優(yōu)化液化工藝設(shè)備的模塊化設(shè)計(jì)。模塊化設(shè)計(jì)優(yōu)化使得相應(yīng)設(shè)備的安裝和調(diào)試更易于管理。模塊化設(shè)計(jì)的主要步驟是氣體預(yù)處理和液化。在天然氣預(yù)處理過(guò)程中，由于現(xiàn)場(chǎng)特征和地理位置不同，天然氣輸送至液化終端的質(zhì)量不穩(wěn)定。除甲烷外，天然氣還含有許多重?zé)N成分，如水、二氧化碳、硫化氫、氮和重金屬（如汞）以及有毒的酸性氣體。因此，在天然氣液化之前，去除非甲烷組分部分有助于提高液化天然氣的純度。特別是應(yīng)去除有毒的硫化氫和二氧化碳，去除有毒成分的過(guò)程稱為“氣體脫硫”。此外，還應(yīng)消除天然氣中的汞、酸性氣體和重?zé)N（從乙烷到更多含碳成分，尤其是C5+組分），因?yàn)楣退嵝詺怏w腐蝕金屬單元，如鋁熱交換器和重?zé)N（C5+組分）在液化過(guò)程中被凍結(jié)并損壞相關(guān)設(shè)備。在氣體預(yù)處理工藝之后，進(jìn)行液化工藝操作。在液化技術(shù)方面，液化終端由一列或多列平行裝置組成。使用制冷劑循環(huán)熱交換器、壓縮機(jī)和膨脹閥，氣體在-163 ℃下液化。

天然氣液化工藝完成后，形成的液化天然氣在進(jìn)入終端用戶之前轉(zhuǎn)化為氣態(tài)。液化天然氣從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)需要再氣化。該工藝主要在由液化天然氣接收船、液化天然氣卸載、液化天然氣儲(chǔ)存、計(jì)量和輸出等組成的液化天然氣接收碼頭內(nèi)進(jìn)行，再氣化通過(guò)提高溫度將液化天然氣轉(zhuǎn)化為天然氣。在相變方面，有兩種類(lèi)型的液化天然氣氣化方法：開(kāi)架氣化器和浸沒(méi)燃燒氣化器。液化天然氣最初從儲(chǔ)罐泵入氣化器，然后通過(guò)由散熱片組成的管道，以最大化加熱區(qū)域。這些管子被浸泡在繞著管子流動(dòng)的海水中，液化天然氣經(jīng)過(guò)時(shí)被加熱。在浸沒(méi)式燃燒氣化器中，水用來(lái)燃燒氣化氣體。這種蒸發(fā)被認(rèn)為是主海水汽化器的輔助或備用裝置，因?yàn)樗嘿F，而且設(shè)計(jì)允許快速啟動(dòng)裝置[6]。

3 前期預(yù)研過(guò)程中遇到的技術(shù)問(wèn)題解決方案

FLNG技術(shù)是建立在陸上液化天然氣工廠、液化天然氣運(yùn)輸船和浮式生產(chǎn)、儲(chǔ)油、卸油裝置（floating production storage and offloading，F(xiàn)PSO）的現(xiàn)有生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的，因?yàn)榻ㄔ礻懮弦夯烊粴夤S、液化天然氣運(yùn)輸船和FPSO的經(jīng)驗(yàn)相對(duì)成熟。然而，這并非沒(méi)有挑戰(zhàn)，因?yàn)椴荒芎?jiǎn)單地在一艘海運(yùn)駁船上建造陸上液化天然氣工廠或僅僅在FPSO上添加液化天然氣設(shè)施上部模塊。因此，有必要指出FLNG在前期開(kāi)發(fā)過(guò)程中遇到的技術(shù)問(wèn)題的解決方法。

3.1 貨物圍護(hù)系統(tǒng)的選擇

液化天然氣儲(chǔ)罐類(lèi)型是FLNG首先要考慮的問(wèn)題。隨著材料和制造技術(shù)的發(fā)展，LNG貨物圍護(hù)系統(tǒng)已發(fā)展成為多種類(lèi)型：薄膜式系統(tǒng)和獨(dú)立式系統(tǒng)。有4種類(lèi)型的圍護(hù)系統(tǒng)可用于大型FLNG液貨艙貨物圍護(hù)系統(tǒng)，分別為石川島播磨重工業(yè)（Ishikawajima-Harima Heavy Industries，IHI）開(kāi)發(fā)的自支撐棱柱形IMO B型（self-supporting prismatic shape IMO type B，SPB）獨(dú)立液艙，稱為IHI-SPB艙；由挪威Moss Rosenberg造船公司1970年提出，隨后該被Kvaerner公司收購(gòu)并由其取得專利由于MOSS型艙；法國(guó)GTT（Gaztransport and Technigaz）公司研制的NO96薄膜艙；法國(guó)GTT（Gaztransport and Technigaz）公司研制的Mark-III薄膜艙。

分別比較MOSS型、SP B型和薄膜型貨物圍護(hù)系統(tǒng)的適用性。首選棱柱形和薄膜型貨物圍護(hù)系統(tǒng)，因?yàn)樗鼈冊(cè)试S生產(chǎn)工藝設(shè)備置于露天平坦的主甲板上，這就首先排除了MOSS型獨(dú)立罐，因?yàn)镸OSS型凸出主甲板面使得主甲板無(wú)法布置上部工藝模塊。其他的貨物圍護(hù)系統(tǒng)如C型獨(dú)立罐主要用于3萬(wàn)立方米以下的小型LNG船，GTT公司的第三種貨物圍護(hù)系統(tǒng)CS1目前很少采用，缺少大量的實(shí)船營(yíng)運(yùn)經(jīng)驗(yàn)支撐，所以C型獨(dú)立罐和CS1不適合在大型FLNG船上的貨物圍護(hù)系統(tǒng)上采用。

為了確定本FLNG項(xiàng)目最合適的圍護(hù)系統(tǒng)，分別基于薄膜型以及SPB型圍護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行典型橫剖面的設(shè)計(jì)與計(jì)算，針對(duì)2套方案進(jìn)行深入研究，并針對(duì)以下幾個(gè)重要問(wèn)題進(jìn)行對(duì)比：船體總強(qiáng)度分析，船體結(jié)構(gòu)重量，上部模塊支撐問(wèn)題，圍護(hù)系統(tǒng)可靠性，圍護(hù)系統(tǒng)的建造、檢驗(yàn)及維修，圍護(hù)系統(tǒng)的晃蕩問(wèn)題，船體結(jié)構(gòu)鋼級(jí)及加熱系統(tǒng)。匯總?cè)绫?所示，最終選擇GTT NO96型圍護(hù)系統(tǒng)。

表 1 LNG貨物圍護(hù)系統(tǒng)方案比較結(jié)果匯總Tab. 1 Comparing results of LNG cargo containment system schemes

3.2 上部模塊支墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

FLNG的主甲板上設(shè)有種類(lèi)繁多的工藝模塊，模塊和主甲板通過(guò)模塊支墩連接。為了最大程度地減少船體梁縱向和橫向變形對(duì)模塊的影響，總體上采用4點(diǎn)支撐形式。由于工藝模塊重量巨大，因此支墩采用承載能力較強(qiáng)的箱式結(jié)構(gòu)，并與主甲板下的強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)齊。為了使模塊和支墩接觸面的受力更加均勻，在兩者之間設(shè)有彈性橡膠襯墊。模塊支墩結(jié)構(gòu)及其附近的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)均屬于特殊結(jié)構(gòu)。船級(jí)社對(duì)特殊結(jié)構(gòu)的定義為：鄰近載荷傳遞和應(yīng)力集中區(qū)域的結(jié)構(gòu)，并對(duì)特殊結(jié)構(gòu)的選材、焊接和探傷有明確規(guī)定。模塊支墩是FLNG結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵的技術(shù)，它的可靠與否，直接影響整個(gè)FLNG的生產(chǎn)流程系統(tǒng)。

模塊支墩作為界面結(jié)構(gòu)，與上部模塊的界限，F(xiàn)LNG設(shè)計(jì)之初需要確定。一般來(lái)說(shuō)，模塊支墩頂板的上表面會(huì)作為設(shè)計(jì)界面，定義為距基線高度。其上為上部模塊設(shè)計(jì)范圍，其下包含模塊支墩頂板均為船體的設(shè)計(jì)范圍。該高度保證主甲板到模塊甲板之間有足夠的通過(guò)、管線空間，又能保證不會(huì)太高從而影響FLNG的初穩(wěn)性。模塊支墩頂板的尺寸、形狀可在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段確定，頂板的尺寸隨著上部模塊在支墩界面的形狀確定。有些使用圓管，圓管根部直接與支墩頂板焊接；有些會(huì)在圓管底部增加一塊底封板，底封板與支墩頂板焊接。這種做法各有利弊，直接焊接對(duì)彎矩、力傳遞較好，底封板焊接則便于生產(chǎn)。

模塊支墩布置圖是在基本設(shè)計(jì)階段，根據(jù)模塊布置，重量控制報(bào)告數(shù)據(jù)，作業(yè)海域環(huán)境條件，結(jié)合船體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)得到的，反映模塊與船體之間的連接結(jié)構(gòu)——模塊支墩在主甲板上的布置。模塊支墩的位置，需和上部模塊設(shè)計(jì)方配合確定。根據(jù)模塊大小，確定模塊的支墩數(shù)量；根據(jù)變形數(shù)據(jù)，確定模塊支墩與模塊的連接方式，即確定哪些為固定式支墩，哪些為滑動(dòng)式支墩及可滑移方向；充分考慮是否與逃生通道干涉，是否與起重設(shè)備、系泊設(shè)備、人孔蓋干涉等，初步確定模塊支墩的大小。另外，基本設(shè)計(jì)階段，應(yīng)初步考慮好支墩的具體形式，是做成開(kāi)式，還是封閉式，滑動(dòng)式支墩如何實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)都應(yīng)初步確定。支墩定位原則是上下一致，即上部模塊對(duì)模塊支墩的定位必須與船體對(duì)支墩的定位一致。因此，繪制模塊支墩布置圖時(shí)要特別注意兩方模塊支墩的理論線。上部模塊通常將定位點(diǎn)選取為模塊支墩頂板中心點(diǎn)，而船體的理論線偏向一側(cè)。

單個(gè)模塊下面需要設(shè)置幾個(gè)模塊支墩的問(wèn)題，也應(yīng)遵循盡量減少船體總強(qiáng)度參與度的原則。如果1個(gè)模塊下設(shè)置的支墩較多，則單個(gè)支墩承受的載荷會(huì)小，船體局部受力較好；但支墩設(shè)置太多，船體和上部模塊間的聯(lián)系會(huì)更加緊密，就是說(shuō)模塊支墩的設(shè)置將船體的變形和運(yùn)動(dòng)傳遞更多到上部模塊上，對(duì)模塊本身的強(qiáng)度和變形不利。且設(shè)置過(guò)多支墩，本身有一定剛度的模塊也會(huì)影響船體的局部變形，引起模塊支墩局部剛度過(guò)大，尤其是同一個(gè)模塊沿船長(zhǎng)方向設(shè)置的第一排和最后一排支墩，極易發(fā)生裂紋損傷。對(duì)于作業(yè)環(huán)境較好的FLNG，單個(gè)模塊下的支墩數(shù)量可以考慮多布置一些，環(huán)境條件本身較差的海域，盡量避免此類(lèi)形式。一般來(lái)說(shuō)，海況較差的區(qū)域，為避免支墩設(shè)置過(guò)多造成的剛度太大影響，1個(gè)模塊會(huì)設(shè)置4個(gè)模塊支墩給予支撐。但是對(duì)于比較大，且比較重的模塊，4個(gè)支墩會(huì)造成局部載荷過(guò)大的現(xiàn)象，此時(shí)會(huì)采用6個(gè)支墩支撐。支墩設(shè)置較少，必須考慮單個(gè)支墩承受的力和彎矩會(huì)很大，局部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度需要格外注意。支墩設(shè)置總體來(lái)說(shuō)是向數(shù)量越來(lái)越少的方向發(fā)展的，這樣可以更好地保證上部模塊不受船體結(jié)構(gòu)的變形及運(yùn)動(dòng)的影響，能更平穩(wěn)地進(jìn)行生產(chǎn)?，F(xiàn)有的分析技術(shù)也允許對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理加強(qiáng)，保證模塊支墩的局部強(qiáng)度滿足支撐上部模塊的要求。

單個(gè)模塊的支墩可分為固定式支墩和滑動(dòng)式支墩。在設(shè)計(jì)之初，應(yīng)對(duì)模塊支腿與模塊支墩頂板的連接方式有大致規(guī)劃。應(yīng)確定支腿如何與固定式支墩連接，支腿的形式如何。還應(yīng)確定模塊支腿如何實(shí)現(xiàn)在滑動(dòng)式支墩上滑動(dòng)，是鋼板在支墩頂板上滑動(dòng)，還是增加特殊材料實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)。西非海域一些模塊支墩采用的方式并不是滑動(dòng)式，而是通過(guò)是否設(shè)置某方向的肘板，限制或放松該方向上支腿的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)某方向上的位置釋放的。

3.3 LNG晃蕩計(jì)算方法

在長(zhǎng)期的生產(chǎn)開(kāi)發(fā)氣田周期中，F(xiàn)LNG地處偏遠(yuǎn)海洋地區(qū)，通常受到復(fù)雜的遠(yuǎn)洋環(huán)境條件的影響。FLNG的裝載條件在生產(chǎn)和卸載過(guò)程中不斷變化。因此，與典型的穿梭式液化天然氣運(yùn)輸船相比，F(xiàn)LNG必須面對(duì)更復(fù)雜的內(nèi)部LNG的晃動(dòng)。在FLNG生產(chǎn)過(guò)程中，不受限制的充裝是必要的。因此，晃蕩可能是更重要的設(shè)計(jì)考慮因素，有時(shí)會(huì)考慮采用SPB型或雙排薄膜艙等抗晃動(dòng)結(jié)構(gòu)[7]。

液艙內(nèi)LNG晃蕩產(chǎn)生的作用力將直接作用在貨物圍護(hù)系統(tǒng)上，進(jìn)而傳遞給與之接觸的船體內(nèi)殼結(jié)構(gòu)上。隨著LNG船的大型化，如Qflex，Qmax型的不斷出現(xiàn)，貨艙容積變得越來(lái)越大，貨艙的尺度（寬度或長(zhǎng)度）也變得越來(lái)越大，因此導(dǎo)致貨艙運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的晃蕩作用力也越來(lái)越大，特別是沖擊壓力對(duì)貨艙角隅處影響特別大[8]。

近些年，對(duì)于大型薄膜型LNG船，無(wú)論是采用NO96型還是MARK III型，均有主屏蔽因晃蕩作用發(fā)生損傷的案例。經(jīng)實(shí)際檢查發(fā)現(xiàn)，對(duì)于NO96型LNG船，損傷通常發(fā)生在下斜邊上方區(qū)域，包括Invar鋼膜的變形或者主絕緣箱的變形。產(chǎn)生這些損傷的原因，是船舶在橫浪情況下，橫搖較為嚴(yán)重，同時(shí)艙內(nèi)裝載水平較低，LNG發(fā)生晃蕩直接沖擊所造成的。雖然主屏蔽并沒(méi)有破裂，僅僅是發(fā)生變形，但表明針對(duì)貨物圍護(hù)系統(tǒng)，F(xiàn)LNG船的LNG液艙和大型薄膜型LNG船液艙是一樣的，與LNG船不同的是，LNG船在運(yùn)輸過(guò)程中通常是裝滿的，而FLNG船在海上作業(yè)時(shí)需要考慮任意高度的充裝量，所以FLNG船的在海上作業(yè)時(shí)出現(xiàn)晃蕩問(wèn)題尤為突出，需要引起重視。

目前，大型薄膜型LNG船的晃蕩問(wèn)題集中反映在貨物圍護(hù)系統(tǒng)。因此，從各主要船級(jí)社出版的關(guān)于薄膜型LNG船晃蕩強(qiáng)度評(píng)估指南來(lái)看，無(wú)一例外都是針對(duì)貨物圍護(hù)系統(tǒng)的。英國(guó)勞氏船級(jí)社（Lloyd's Register of Shipping，LR）[9]給出關(guān)于薄膜型LNG液貨艙貨物圍護(hù)系統(tǒng)的晃蕩強(qiáng)度評(píng)估方法，其它船級(jí)社的評(píng)估方法都與之相似。LR船級(jí)社關(guān)于薄膜型LNG船液艙晃蕩的指導(dǎo)性文件[10]包括：

1）薄膜型LNG船在實(shí)際營(yíng)運(yùn)中為防止因晃蕩引起危險(xiǎn)的操作指南，其中，提出了一些綱領(lǐng)性的指導(dǎo)意見(jiàn)[11]，也對(duì)薄膜型LNG船的裝載高度進(jìn)行了限制。2）晃蕩的特性及其與液艙形狀和裝載高度的關(guān)系。3）入LR船級(jí)的薄膜型LNG船實(shí)船營(yíng)運(yùn)中減小晃蕩危險(xiǎn)的實(shí)用指導(dǎo)。

4）當(dāng)LNG船部分裝載，且需要緊急離岸時(shí)，對(duì)船東、營(yíng)運(yùn)者或承租方如何進(jìn)行LNG岸站管理及如何移動(dòng)LNG貨物等提出了指導(dǎo)意見(jiàn)。

5）對(duì)如何在早期鑒別因晃蕩引起的損傷提出了指導(dǎo)意見(jiàn)。

6）對(duì)在設(shè)計(jì)階段如何避免晃蕩問(wèn)題提出了指導(dǎo)意見(jiàn)，如增加加強(qiáng)型貨物圍護(hù)系統(tǒng)的面積、在船上安裝實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)等。

7）薄膜型液貨艙LNG操作時(shí)的晃蕩評(píng)估指南文件。這是LR船級(jí)社為貨物圍護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供的晃蕩評(píng)估的最新設(shè)計(jì)指南。其中給出了目前用于薄膜型LNG船液艙晃蕩評(píng)估的各種方法和計(jì)算流程。

8）載液化氣的船舶貨物圍護(hù)系統(tǒng)的批準(zhǔn)計(jì)劃。對(duì)晃蕩載荷的研究普遍采用模型試驗(yàn)方法和數(shù)值計(jì)算方法，但通常模型試驗(yàn)更為可靠，而計(jì)算流體力學(xué)僅作為輔助方法。目前大部分船級(jí)社都有晃蕩計(jì)算的軟件，如LR船級(jí)社的Shipright-Sloshing軟件基于二維有限差分法，結(jié)果如圖3所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

圖 3 不同裝載下縱向晃蕩時(shí)某一時(shí)刻壓力分布圖Fig. 3 Pressure distribution at a time of longitudinal sloshing under different loading

FLNG項(xiàng)目設(shè)計(jì)接口多，范圍廣，難度大，可參考經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范有限。本文論述了FLNG的概念與前端工程設(shè)計(jì)周期。在此基礎(chǔ)上，介紹和解釋了FLNG典型的技術(shù)，對(duì)于在前期設(shè)計(jì)中遇到的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了指導(dǎo)性的分析，為今后設(shè)計(jì)大型FLNG提供幫助與指導(dǎo)。國(guó)內(nèi)尚未正式建造過(guò)實(shí)船F(xiàn)LNG，F(xiàn)LNG的其他技術(shù)問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。此外，大型FLNG同LNG運(yùn)輸船和FPSO設(shè)計(jì)理念迥異，船型系統(tǒng)繁雜，設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)手段都需要更新適應(yīng)。