基于AWQA的LNG浮式转接驳真空;吸附装置吸附力模拟计算

吴昊,夏华波,周毅,李萌,蒙学昊

(中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司,天津 300452)

LNG浮式转接驳是一种新型LNG传输装置,具有建造成本低、建设周期短、经济效益高、作业方式灵活等特点。在进行LNG过驳作业时转接驳由拖轮顶推至LNG运输船旁,使用真空吸附装置同LNG运输船进行系泊,以减小LNG浮式转接驳与LNG船之间的相对运动。为确定真空吸附装置在作业过程中的受力情况,以3万m3LNG运输船“海洋石油301”为例对其进行计算,由于目前尚无法直接计算二者间各方向上的最大作用力,故考虑通过将真空吸附装置在AQWA中以护舷的方式进行定义,并在转接驳两端设置缆绳,计算护舷碰撞力与缆绳张力得到系泊过程中两船间的相互作用力,据此为真空吸附装置的选型提供参考。

1 环境条件及船型主尺度

预设典型作业海况环境条件如下。

1)作业水深:15 m。

2)风:作业工况风速15 m/s。

3)波浪:波浪谱为JONSWAP(Hs),谱峰因子为3.3,作业工况有义波高H1/3=1 m。

4)流:作业工况流速1 m/s。

在此环境条件下,以3万m3LNG运输船为设计目标,进行靠泊安全分析。3万m3以及LNG浮式转接驳的主尺度见表1、2。

表1 3万m3LNG运输船主要尺寸 m

表2 LNG浮式转接驳主要尺寸 m

2 坐标系及船体模型的建立

在靠泊安全分析数值计算中,坐标原点为LNG船舯位置,对于3万m3LNG船,原点相对于船艉坐标系的位置为(92.35,0,吃水)。坐标系X轴方向由船艉指向船艏、Y轴方向由船舶右舷指向左舷和Z轴方向沿船舶型深方向向上,风、浪、流环境载荷方向0°为从船艉指向船艏,按照顺时针方向依次增加到360°。

根据3万m3LNG的船体型线相关数据以及自主设计的浮式转接驳型线,利用Catia对模型进行构建[1],通过放样命令模块,对船体型线进行放样,初步生成船体模型,之后对生成的模型进行曲率分析、曲面缝合等技术操作,在这过程中,适度的对船体型线进行微调,实现船体型线光滑过渡等要求,并最终对船体曲面曲率进行分析,得到最终的模型。LNG运输船使用的系泊浮筒,在AQWA中将其简化成圆柱体,位置以3万m3LNG船系泊缆绳长度在100 m左右为标准进行设置,计算模型见图1、2。

图1 3万m3LNG运输船-浮筒系泊模型

图2 3万m3LNG-浮式转接驳模型(正视)

将建好的模型导入到ANSYS中,将模型进行水线及网格划分后进行静水力分析[2],得到LNG运输船与浮式转接驳的重量中心数据,见表3。

表3 LNG运输船与转接驳重心浮心位置 m

3 风流力系数的计算

船舶在系泊时会受到风场和水流的作用,对船舶承受的风载荷和流载荷准确评估可以预报船舶的运动,确保船舶良好的系泊性能。通常来说,对风载荷和流载荷评估的传统处理方法是进行风洞试验或直接采用经验公式估算,从而获得风载荷系数和流载荷系数。但风洞试验方法花费的费用较高,在某些工程应用中往往由于经费的限制无法实施,且经验公式估算法也有一定的局限性,导致估算结果精度不高。再加上研究对象为浮式转接驳,由于其特殊性,缺乏相关规范的指导。因此,结合现有成熟的CFD计算方法,对不同环境角的风流载荷系数进行数值计算。

由于AQWA软件在计算风流载荷时是通过输入的载荷系数进行计算的,并没有考虑双船系泊中大船对小船的遮蔽效应,不考虑遮蔽效应的计算结果更为保守,但同时也会使得计算值与实际值存在误差。为了让计算更准确,本文利用STAR-CCM+软件计算双船并靠时转接驳的风流载荷系数[3]。双船耦计算模型见图3,在正迎风、迎流工况下船体压力分布见图4。

图3 双船并靠计算模型

图4 正迎风、迎流工况下船体压力分布

通过计算过程中发现转接驳对LNG船载荷系数的影响非常小,可以忽略,因此系泊计算过程中仍然使用OCIMF规范定义的风流载荷系数。

风力计算如下。

(1)

式中:Cxw、Cyw、Cxyw代表x、y方向风力系数以及xy平面内的风力矩系数[4];ρw为空气密度;Vw为风速;AT、AL为横向和纵向投影面积;LBP为船的垂线间长。

流力计算公式如下。

(2)

式中:Cxc、Cyc、Cxyc代表x、y方向流力系数以及xy平面内的流力矩系数;ρc为海水密度;Vc为流速;T为船的吃水。

以y方向转接驳流载荷系数为例,见图5,LNG船对转接驳的风流载荷影响非常明显,并且不同流向角下大船的影响不同,在流向角为负时,转接驳的流载荷相比于对称正方向的流载荷更小,这是因为流向角为负时,大船在转接驳的上流位置,遮蔽效应更明显。

图5 y方向转接驳流载荷系数

为使船舶RAO响应曲线更加接近实际值,依据频域计算结果对船舶阻尼进行修正。横摇阻尼修正后3万m3LNG船RX=557 510 N·m/(°/s),此时横摇峰值为4.027 m,较为接近实际情况。修正后的横摇数据见图6。

图6 阻尼修正后的横摇数据

4 LNG船-浮式转接驳系泊力计算

系泊方案采用LNG运输船采用多点浮筒系泊方式[5],船艉1、2号浮筒缆绳角度为45°,船艏3、4号浮筒缆绳角度为60°,命名规则按船艏艉和左右舷分为4组,每组三根缆绳编号依次为1、2、3,LNG运输船与浮式转接驳间通过2根缆绳以及2个吸附装置连接,缆绳、锚链、护舷、吸附装置命名见图7,其中护舷位置与吸附装置重叠,在图中用括号标出。锚链及缆绳长度参数见表4～6。

图7 浮筒系泊及双船固定缆绳布置示意

表4 LNG运输船缆绳长度

表5 浮筒锚链长度

表6 缆绳布置

作业工况下,浮式转接驳靠泊于LNG船舷侧,LNG运输船浮筒系泊布置及浮式转接驳在舷侧的系泊布置见图8、9。

图8 LNG运输船浮筒系泊布置示意

浮式转接驳作业工况计算结果见表7,根据计算结果对LNG船运动幅值进行统计,并与规范做对比。

在指定环境下双船系泊中,3万m3LNG船的x方向(纵移)最大位移为0.81 m,满足要求,y方向(横移)最大位移为1.58 m,三向转动响应分别为0.42°(横摇)、0.03°(纵摇)、0.7°(首摇),均满足规范PIANC规范《Criteria for Movements of Moored Ships in Harbours》要求。

对转接驳上的缆绳及吸附装置受力进行计算,护舷、缆绳及吸附装置受力在x方向(船长方向)和y方向(船宽方向)的受力情况见表8。

表8 与3万m3LNG船系泊时转接驳护舷、缆绳及吸附装置受力

浮式转接驳与3万m3LNG系泊驳船缆绳最大受力为37 kN,对应工况为工况1。

对表9中的数据进行处理,以3万m3LNG与浮式转接驳系泊工况1为例,各方向受力由吸附装置和浮式转接驳缆绳的对应方向受力组合,X+代表x正方向,X-代表x负方向。

X+方向合力为

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

(BA-L2X)=6+0+37=43 kN。

X-方向仅有BA-L1一根缆绳受力,则X-受力为

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根缆绳和2个吸附装置共同承载,则Y方向受力为

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

计算结果数据舍去了小数部分(四舍五入),因此计算合力得到结果可能会与分力之和有些许误差。

结果见表9,由表中数据可知3万m3LNG系泊驳船在x方向和y方向承受的最大载荷分别为45.1 kN和94.8 kN,对应工况分别为工况8和工况10。

表9 转接驳缆绳及吸附装置受力坐标转换;(3万m3LNG船)

综合以上计算结果,转接驳与3万m3LNG运输船在x方向和y方向的最大承载为45.1 kN和94.8 kN,取安全系数为2.5,则真空吸附装置在x方向和y方向上可提供112.75 kN和237 kN即可保证LNG浮式转接驳与3万m3LNG运输船在作业过程中相对位置保持稳定。

5 结论

通过使用护舷及缆绳代替真空吸附装置进行所需吸附力进行计算,通过护舷碰撞力与缆绳张力组合得到系泊过程中两船间的最大相互作用力,该计算结果是基于预设典型作业海况环境条件得出的,据此可为真空吸附装置的选型提供参考依据,在保证安全作业的前提下避免过大冗余,提高转接驳作业的经济性。

若LNG浮式转接驳实际作业环境条件更为恶劣则需根据实际工况调整模型和海况参数进行针对性计算,以保证LNG传输过程的安全。

所提出的真空吸附装置模拟计算方法可用于项目前期估算LNG浮式转接驳与LNG运输船之前所需的吸附力大小,可用于真空吸附选型参考。后续工作中若能获取到具体参数可对本方法进行进一步优化,提高精确度。