張東偉，胡志強(qiáng)，陳 剛，趙晶瑞

(1. 上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，上海 200240；2. 中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院， 上海 200011； 3. 中國(guó)海洋石油總公司研究總院， 北京 100027)

FLNG液艙晃蕩壓力影響因素及安全性評(píng)估研究

張東偉1，胡志強(qiáng)1，陳 剛2，趙晶瑞3

(1. 上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，上海 200240；2. 中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院， 上海 200011； 3. 中國(guó)海洋石油總公司研究總院， 北京 100027)

針對(duì)大型浮式液化天然氣儲(chǔ)卸生產(chǎn)裝置FLNG的液艙晃蕩壓力變化特征，在深水試驗(yàn)池中開展帶液艙模型的FLNG水池模型試驗(yàn)研究。通過試驗(yàn)，獲得了FLNG在風(fēng)浪流聯(lián)合作用下的浮體六自由度運(yùn)動(dòng)，以及相應(yīng)的液面高度變化數(shù)據(jù)。通過液艙的液面高度變化數(shù)據(jù)，提出平液面假設(shè)，并在此基礎(chǔ)上，求得液艙晃蕩引起的艙壁壓力變化結(jié)果。研究中進(jìn)一步討論了液艙晃蕩壓力的影響因素，并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與CCS船級(jí)社規(guī)范計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，為FLNG液艙晃蕩壓力引起的結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估提供技術(shù)支持。

FLNG；液艙晃蕩壓力；平液面假設(shè)；安全性評(píng)估；影響因素；液面高度

隨著陸上可開采天然氣資源逐漸減少，開發(fā)海上天然氣田特別是深遠(yuǎn)海天然氣田已成為天然氣資源勘探和開發(fā)的必然趨勢(shì)[1]。大型浮式液化天然氣船F(xiàn)LNG(Floating Liquid Natural Gas)是用于深遠(yuǎn)海氣田開發(fā)的工程裝備。該裝備是集海上天然氣的液化、儲(chǔ)存和裝卸為一體的新型裝置，具有開采周期短、開采靈活、可獨(dú)立開發(fā)、可運(yùn)移、無需管道輸送等特點(diǎn)，是我國(guó)開發(fā)南海深水氣田的重要工程應(yīng)用模式之一[2]。由于FLNG長(zhǎng)期定位于南海惡劣海域，運(yùn)動(dòng)性能復(fù)雜，而其LNG液艙的大型化、結(jié)構(gòu)和布置的特殊性，使得LNG液艙晃蕩問題成為FLNG發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。世界上多家船級(jí)社，包括LR[3]、ABS[4]、CCS[5]等紛紛出臺(tái)了相關(guān)規(guī)范。與普通LNGC船相比，F(xiàn)LNG船體積更大，內(nèi)部LNG液艙布置通常采用雙排艙形式，長(zhǎng)期承受惡劣的海洋環(huán)境載荷作用。當(dāng)FLNG承受惡劣海況作用時(shí)，其液艙可能處于任何一種裝載率水平，因而液艙晃蕩問題復(fù)雜，所以對(duì)FLNG進(jìn)行液艙晃蕩壓力變化規(guī)律的研究顯得尤為重要。

關(guān)于LNG液艙晃蕩問題，國(guó)內(nèi)外已有一定的研究。祁恩榮和龐建華等[6]通過不同載液水平的系列規(guī)則和不規(guī)則運(yùn)動(dòng)激勵(lì)的LNG液艙晃蕩試驗(yàn)來研究晃蕩壓力，發(fā)現(xiàn)晃蕩沖擊壓力幅值均表現(xiàn)出明顯的隨機(jī)性，多自由度工況可能產(chǎn)生遠(yuǎn)大于單自由度運(yùn)動(dòng)工況的晃蕩沖擊壓力。汪雪良和顧學(xué)康等[7]通過某大型LNG船自航模型在波浪中的帶液艙運(yùn)動(dòng)和波浪載荷試驗(yàn),研究了液艙有水狀態(tài)下的液艙內(nèi)液體的運(yùn)動(dòng)周期。佟姝茜[8]進(jìn)行了FLNG內(nèi)LNG液艙大尺度模型的單自由度晃蕩試驗(yàn)研究，給出薄膜型液艙一般性的晃蕩載荷分析規(guī)律及危險(xiǎn)載液工況預(yù)估方法。LU等[9]不僅通過LNG液艙模型試驗(yàn)測(cè)得晃蕩壓力，并使用有限元方法對(duì)液艙圍護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了強(qiáng)度校核。Hakan Akyildiz和Erdem ünal[10]通過試驗(yàn)研究了矩形液艙晃蕩時(shí)的壓力分布，發(fā)現(xiàn)液艙在小幅度低頻晃蕩激勵(lì)下，液艙上的壓力隨時(shí)間基本呈線性變化。Pal[11]研究了液艙在水平運(yùn)動(dòng)激勵(lì)下液面晃蕩高度和激勵(lì)頻率、激勵(lì)幅度以及裝載率的關(guān)系。但是，以上的研究仍存在一些局限性，主要集中在液艙晃蕩的試驗(yàn)研究多采用單自由度運(yùn)動(dòng)激勵(lì)，且激勵(lì)的幅度、頻率等參數(shù)與實(shí)際工況相差較大，無法真正反映FLNG在復(fù)雜海況下液艙的晃蕩問題。通過帶液艙模型的FLNG模型試驗(yàn)，研究液艙內(nèi)液面及壓力的變化狀態(tài)，從而較真實(shí)地分析FLNG液艙晃蕩動(dòng)力特性。

首先簡(jiǎn)介帶液艙的FLNG模型試驗(yàn)研究，重點(diǎn)分析了2個(gè)代表性液艙的液面高度變化數(shù)據(jù)，研究了液艙固有周期對(duì)液艙晃蕩的影響規(guī)律。其次，分別研究了場(chǎng)景、載況、海況、浪向等因素對(duì)液艙晃蕩壓力的影響規(guī)律。最后將試驗(yàn)結(jié)果和船級(jí)社的規(guī)范計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，為FLNG液艙晃蕩壓力安全性評(píng)估提供技術(shù)依據(jù)。

1 FLNG液艙系統(tǒng)及模型試驗(yàn)介紹

1.1FLNG模型試驗(yàn)介紹

研究中采用的FLNG 為中海油研究總院和708所聯(lián)合設(shè)計(jì)方案，限于篇幅，試驗(yàn)詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)見參考文獻(xiàn)[12]。試驗(yàn)中選用了三種典型載況，F(xiàn)LNG的主要參數(shù)如表1所示。單點(diǎn)距離船尾304.5 m，系泊系統(tǒng)采用3×6形式。試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂s尺比為1∶60。

表1 FLNG主要參數(shù)表

FLNG船體共設(shè)有十個(gè)相同的LNG液艙，采用雙排艙形式對(duì)稱排列，如圖1所示。液艙采用法國(guó)GTT公司NO.96薄膜型液艙，長(zhǎng)度為37 m，橫截面為八邊形，詳細(xì)尺寸如圖2所示。

圖1 FLNG液艙布置示意Fig. 1 Arrangement of the liquid tanks in FLNG

圖2 LNG液艙橫截面尺寸Fig. 2 Dimensions of the cross section of LNG tank

為了測(cè)量液艙內(nèi)的液面高度變化，在圖1中的No.1 Tank(R)和No.5 Tank(L)上分別布置了3個(gè)浪高儀。浪高儀相對(duì)于液艙No.1 Tank(R)和No.5 Tank(L)的位置如圖3、圖4所示，其中wave1-wave3，wave6-wave8為浪高儀標(biāo)號(hào)，且每個(gè)液艙的三個(gè)浪高儀分別沿液艙長(zhǎng)和寬對(duì)稱分布。

1.2試驗(yàn)工況

試驗(yàn)中選取25%、50%、75%三個(gè)載況研究液艙晃蕩的動(dòng)力特性。這里，載況的百分?jǐn)?shù)代表了LNG在艙內(nèi)的液體體積占全艙容積的比例值。

試驗(yàn)?zāi)M了3種不規(guī)則波海洋環(huán)境條件，如表2所示。

圖3 浪高儀相對(duì)于No.1 Tank(R)位置Fig. 3 Relative position of wave probes in No.1 Tank(R)

圖4 浪高儀相對(duì)于No.5 Tank(L)位置Fig. 4 Relative position of wave probes in No.5 Tank(L)

海況有義波高/m譜峰周期/s風(fēng)速/(m·s-1)流速/(m·s-1)一年一遇6．211．119．31．05十年一遇7．511．822．01．37百年一遇15．018．049．51．95

根據(jù)FLNG與錨鏈相對(duì)位置以及海洋環(huán)境載荷方向，試驗(yàn)中定義了4個(gè)場(chǎng)景，如圖5所示。其中，場(chǎng)景3與場(chǎng)景4的區(qū)別在于浪向不同。

圖5 FLNG單點(diǎn)系統(tǒng)海洋環(huán)境場(chǎng)景Fig. 5 Ocean environment scenarios of the single turret-moored FLNG system

2 液艙固有周期對(duì)液艙晃蕩的影響

2.1船體與液艙晃蕩運(yùn)動(dòng)的固有周期

液艙在不同裝載率下晃蕩的固有周期不同，根據(jù)CCS的規(guī)范[5]可以計(jì)算出液艙的固有周期，船體橫縱搖固有周期則使用水池模型試驗(yàn)中的橫縱搖衰減試驗(yàn)結(jié)果。

液艙縱搖周期Tx按下式計(jì)算：

式中：π為圓周率，g為重力加速度，m/s2；l為液艙長(zhǎng)度，m；hf為相應(yīng)裝載率下的液面高度，m；bf為相應(yīng)裝載率下的液面寬度，m。

由此可以得到液艙和船體的固有周期，如表3所示。

表3 船體和液艙固有周期Tab. 3 Natural periods of the hull and liquid tanks

2.2液艙固有周期對(duì)液面晃蕩幅度的影響

選取一年一遇場(chǎng)景1下wave1的液面高度變化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如表4所示。

表4 一年一遇場(chǎng)景1下wave1浪高儀測(cè)量值Tab. 4 Measured values of wave 1 under scenario 1 of one year return period

從表4中可以發(fā)現(xiàn)25%裝載時(shí)液艙晃蕩最劇烈，50%次之，75%最小，這和不同裝載率下艙內(nèi)液體的晃蕩狀況有關(guān)。從表3可以看出， FLNG在25%裝載時(shí)船體與液艙的縱搖固有周期相對(duì)接近，而FLNG由于風(fēng)標(biāo)效應(yīng)船體縱搖明顯，所以船體縱搖運(yùn)動(dòng)容易激發(fā)液艙晃蕩共振，艙內(nèi)液體晃蕩相對(duì)比較劇烈，隨著裝載率的提高，固有周期差距變大，發(fā)生共振的幾率減小，艙內(nèi)液體晃蕩變的平緩。所以25%裝載時(shí)液艙受共振影響導(dǎo)致艙內(nèi)液體晃蕩幅度較大，75%裝載時(shí)晃蕩幅度最小。

3 液艙晃蕩壓力研究

3.1理論基礎(chǔ)

洪亮[13]研究了船體運(yùn)動(dòng)和液艙晃蕩耦合時(shí)發(fā)現(xiàn)液艙內(nèi)液體的晃蕩壓力基本呈線性變化，并且艙內(nèi)自由液面變化平緩，未發(fā)現(xiàn)自由液面破碎，水躍等非線性現(xiàn)象。Hakan Akyildiz等[10]通過液艙模型試驗(yàn)得到了晃蕩壓力時(shí)歷曲線,同樣發(fā)現(xiàn)了晃蕩壓力在小幅度低頻的外部激勵(lì)下，晃蕩壓力基本呈線性變化。另外，從表3和表4可以發(fā)現(xiàn)，雖然艙內(nèi)液體晃蕩受到共振效應(yīng)的影響，但是液艙和船體的縱搖固有周期在3種載況下都相差到20%以上，遠(yuǎn)離共振影響最明顯的范圍，所以艙內(nèi)液體晃蕩不會(huì)非常劇烈。同時(shí)在試驗(yàn)中，液艙內(nèi)放入攝像機(jī)記錄了艙內(nèi)液體的晃蕩情況。根據(jù)錄像發(fā)現(xiàn)，在各種海況條件下，液面晃蕩較為平緩，絕大部分區(qū)域和時(shí)間段內(nèi)，液面近似于平面狀態(tài)，無明顯的強(qiáng)非線性沖擊現(xiàn)象，這反映了FLNG艙內(nèi)液體在實(shí)際海況下的運(yùn)動(dòng)特性。綜上所述，提出平液面假設(shè)：

1)液面在晃蕩過程中基本保持為平面狀態(tài)，即假設(shè)液面是線性變化的；

2)艙壁所承受的晃蕩壓力計(jì)算可以不考慮沖擊作用，按艙壁處的靜壓力變化計(jì)算，即P=ρgh，ρ為液體密度，h為某時(shí)刻艙壁處的液面高度，液化天然氣密度為500 kg/m3。

圖6 液艙No.5 Tank(L)坐標(biāo)系Fig. 6 Coordinate System in No. 5 Tank(L)

根據(jù)以上假設(shè)，可以通過液艙內(nèi)任意時(shí)刻三個(gè)浪高儀測(cè)出的液面高度求出液面方程，然后代入艙壁上某一點(diǎn)的坐標(biāo)，從而得到某時(shí)刻該點(diǎn)處的液面高度，求得該時(shí)刻該處的晃蕩壓力。下面以液艙No.5 Tank(L)為例具體說明。

首先建立坐標(biāo)系，分別以液艙的長(zhǎng)寬高方向?yàn)樽鴺?biāo)系的XYZ軸，取船首、右舷、向上為正方向，原點(diǎn)在艙底中心點(diǎn)處。設(shè)wave1、wave2、wave3測(cè)得的液面高度分別為Z1、Z2、Z3，則液面在三個(gè)浪高儀處的坐標(biāo)分別為(-14.18，6，Z1)，(-14.18，-6，Z2)，(14.18，6，Z3)，如圖6所示。

液面上的兩個(gè)向量：

a=(-14.18,6,Z2)-(-14.18,-6,Z1)=(0.12,Z2-Z1)

b=(-14.18,-6,Z2)-(-14.18,-6,Z3)=(-28.36,0,Z2-Z3)

由這兩個(gè)向量叉乘得到液面的法向量：

n=a×b

從而可以得到液面方程：

由于三個(gè)測(cè)量液面高度變化的浪高儀關(guān)于液艙的長(zhǎng)和寬對(duì)稱分布，可以分解出液面晃蕩運(yùn)動(dòng)的縱搖和橫搖角度：

在液面方程中帶入艙壁上點(diǎn)的坐標(biāo)X，Y可求出該點(diǎn)處的液面高度Z，然后由P=ρgZ即可求得該點(diǎn)處艙壁的晃蕩壓力。利用Matlab編程對(duì)各個(gè)工況進(jìn)行處理得到晃蕩壓力時(shí)歷以及統(tǒng)計(jì)值。

3.2場(chǎng)景對(duì)液艙晃蕩壓力的影響

由圖6可知，場(chǎng)景1和場(chǎng)景2均是風(fēng)浪流同向，只是錨鏈相對(duì)于FLNG的位置不同。75%載況一年一遇和百年一遇海況下均進(jìn)行了場(chǎng)景1和場(chǎng)景2的試驗(yàn)，并得到最大晃蕩壓力值，如表5所示。

表5 場(chǎng)景1、2下液艙晃蕩壓力對(duì)比Tab. 5 Sloshing-induced-pressure in liquid tanks under scenarios 1 and 2

從表5可以看出，在兩種海況中，場(chǎng)景1下兩個(gè)液艙最大晃蕩壓力都比場(chǎng)景2要小，這是因?yàn)椴煌腻^鏈布置對(duì)FLNG運(yùn)動(dòng)的限制效果是不同的。風(fēng)浪流同向時(shí)船首處于迎浪狀態(tài)，船體縱搖運(yùn)動(dòng)最明顯，艙內(nèi)液體晃蕩也主要受到縱搖影響。場(chǎng)景1中FLNG前方正對(duì)船首的6根錨鏈處于拉緊狀態(tài)，更大的限制了船體的縱搖運(yùn)動(dòng)；而場(chǎng)景2中對(duì)船體縱搖限制最大的6根錨鏈布置在了風(fēng)浪流的反方向，處于放松狀態(tài)，因此對(duì)船體縱搖限制沒有場(chǎng)景1大。所以場(chǎng)景1下液艙內(nèi)的液體晃蕩沒有場(chǎng)景2劇烈，晃蕩壓力相對(duì)較小。

3.3裝載率對(duì)液艙晃蕩壓力的影響

從表4可知，裝載率對(duì)液艙內(nèi)自由液面的晃蕩幅度影響較明顯。以No.1 Tank(R)液艙晃蕩壓力為研究對(duì)象，統(tǒng)計(jì)出一年一遇場(chǎng)景1不同裝載率下艙壁處的最大晃蕩壓力，如表6所示。

表6 不同裝載率對(duì)液艙No.1 Tank(R)晃蕩壓力的影響Tab. 6 Influence of different filling ratios on the sloshing-induced-pressure in No. 1 Tank(R)

由表6發(fā)現(xiàn)，25%載況下晃蕩壓力變化范圍明顯比另外兩個(gè)載況大，這和不同裝載率下液艙的固有周期相關(guān)。正如表3所示，25%載況時(shí)液艙與船體的縱搖固有周期相對(duì)接近，受共振影響艙內(nèi)液體晃蕩相對(duì)比另外兩個(gè)載況劇烈，艙壁處的自由液面高度變化明顯，從而造成此時(shí)液艙晃蕩壓力變化較大。同樣No.5 Tank(L)有相同的現(xiàn)象和結(jié)論。

3.4海況對(duì)液艙晃蕩壓力的影響

FLNG在75%載況場(chǎng)景2下分別進(jìn)行了一年一遇、十年一遇、百年一遇的試驗(yàn)，研究不同海況對(duì)于液艙晃蕩壓力的影響，表7給出了NO.1 Tank(R)在三種海況下液艙內(nèi)的最大晃蕩壓力值。

表7 不同海況對(duì)液艙No.1 Tank(R)晃蕩壓力的影響Tab. 7 Influence of different sea states on the sloshing-induced-pressure in No. 1 Tank(R)

由表7可知，隨著海況越來越惡劣，液艙晃蕩壓力逐漸增大，但一年一遇和十年一遇之間相差不大，而百年一遇增加較為明顯，這是因?yàn)槭暌挥鰰r(shí)的海洋環(huán)境與一年一遇時(shí)相差不大，而百年一遇時(shí)的海洋環(huán)境明顯變得惡劣。如表2所示，十年一遇時(shí)的波高、風(fēng)速、流速相對(duì)于一年一遇增加很小，但是百年一遇時(shí)這些環(huán)境參數(shù)都出現(xiàn)了成倍的增加，海況明顯惡劣，所以各海況下的晃蕩壓力的增加幅度與環(huán)境載荷的增加幅度同方向變化。

3.5浪向?qū)σ号摶问帀毫Φ挠绊?/p>

FLNG在不同浪向下運(yùn)動(dòng)響應(yīng)不同，從而影響液艙晃蕩壓力，這里分析了75%裝載一年一遇海況時(shí)FLNG在場(chǎng)景2、3、4下的液艙晃蕩壓力。為了更精確地反映液艙在不同浪向下晃蕩壓力間的相互關(guān)系，避免單個(gè)壓力峰值帶來的偶然性，統(tǒng)計(jì)出每個(gè)工況前100個(gè)極大值的平均值。除了液艙晃蕩壓力的統(tǒng)計(jì)值以外，同時(shí)給出了液面晃蕩縱搖和橫搖的統(tǒng)計(jì)值，以此來分析晃蕩壓力隨浪向變化的原因，液艙No. 1 Tank(R)的統(tǒng)計(jì)值如表8所示。

表8 液艙No.1 Tank(R)在不同浪向下的晃蕩壓力Tab. 8 Influence of different wave directions on the sloshing-induced-pressure in No. 1 Tank(R)

從表8可以發(fā)現(xiàn)隨著浪向角度的增加，液艙No.1 Tank(R)內(nèi)的縱搖和橫搖先減小后增大；而液艙的晃蕩壓力變化趨勢(shì)雖然也是先減小后增大，但是變化幅度較小。從表2和表3可以發(fā)現(xiàn)一年一遇時(shí)波浪的譜峰周期和船體及液艙的縱搖固有周期接近，導(dǎo)致在浪向0°時(shí)縱搖和橫搖都較大；而船舶在30°斜浪時(shí)，船體及液艙受到的激勵(lì)方向發(fā)生改變，液艙在該方向的晃蕩固有周期發(fā)生改變，剛好偏離共振范圍，所以橫搖和縱搖反而減小；當(dāng)浪向繼續(xù)增加，船體與風(fēng)流和波浪之間的它們的夾角都較大，受到橫向激勵(lì)較大，所以40°浪向時(shí)，液面橫搖明顯增大。

晃蕩壓力主要取決于兩個(gè)因素：第一個(gè)因素是縱搖和橫搖的數(shù)值，即上表中的統(tǒng)計(jì)值，數(shù)值越大，晃蕩壓力就越大；第二個(gè)因素是縱搖和橫搖能否在同一時(shí)間點(diǎn)都出現(xiàn)比較大的值，這是統(tǒng)計(jì)值無法表現(xiàn)出來的。但很明顯的是，浪向越大，二者同時(shí)出現(xiàn)較大值的概率越大，所以30°時(shí)縱搖和橫搖雖然都比0°時(shí)減小很多，而晃蕩壓力卻基本不變。40°浪向時(shí)晃蕩壓力最大是因?yàn)閮蓚€(gè)因素都起到了很大作用。

3.6液艙相對(duì)船體位置對(duì)液艙晃蕩的影響

FLNG是排水量非常龐大的海洋工程浮式結(jié)構(gòu)物，采用單點(diǎn)系泊，在風(fēng)浪流作用下船體各個(gè)部分的運(yùn)動(dòng)不相同，因此不同位置的液艙內(nèi)的晃蕩也是有區(qū)別的。統(tǒng)計(jì)出75%載況一年一遇海況時(shí)No.5 Tank(L)的晃蕩壓力數(shù)據(jù)(見表9)與No.1 Tank(R)的數(shù)據(jù)(見表8)進(jìn)行比較。

表9 液艙No.5 Tank(L)在不同浪向下的晃蕩壓力Tab. 9 Influence of different wave directions on the sloshing-induced-pressure in No. 5 Tank(L)

對(duì)比表8和表9可以發(fā)現(xiàn)，No.5 Tank(L)內(nèi)液面的縱搖要比No.1 Tank(R)大，而橫搖卻比No.1 Tank(R)小，這和FLNG錨泊單點(diǎn)的位置有關(guān)。FLNG遭遇波浪時(shí)船首主要承擔(dān)了波浪沖擊，且船首兩側(cè)受到的沖擊不均勻，同時(shí)船首中間又受到單點(diǎn)的約束，造成靠近船首的液艙No.1 Tank(R)的橫搖較大；由于單點(diǎn)的影響，船舶縱搖中心移動(dòng)到靠近船首的位置，F(xiàn)LNG船體可能會(huì)出現(xiàn)甩尾的現(xiàn)象，導(dǎo)致距離縱搖中心較遠(yuǎn)的液艙No.5 Tank(L)內(nèi)的液面縱搖運(yùn)動(dòng)幅度比No.1 Tank(R)要大，所以液艙No.5 Tank(L)的縱搖值較大。

由上可知，液艙No.1 Tank(R)的晃蕩壓力受橫搖影響較大，液艙No.5 Tank(L)則受縱搖的影響較大，所以液艙No.1 Tank(R)在40°時(shí)晃蕩壓力和橫搖同時(shí)取得最大值，液艙No.5 Tank(L)則在0°時(shí)晃蕩壓力和縱搖同時(shí)取得最大值。液艙No.5 Tank(L)中液面的橫搖角在浪向0°時(shí)是最大的，這和風(fēng)浪流同向時(shí)船尾容易漂移有關(guān)，船尾的橫向漂移會(huì)造成靠后的液艙內(nèi)的液面橫搖加劇，而斜浪時(shí)船體在風(fēng)流力與波浪力間更容易形成平衡狀態(tài)，漂移沒有浪向0°時(shí)明顯。

4 利用船級(jí)社規(guī)范對(duì)FLNG液艙晃蕩壓力的安全性評(píng)估

CCS的《薄膜型液化天然氣運(yùn)輸船檢驗(yàn)指南》[5]中對(duì)于LNG液艙晃蕩運(yùn)動(dòng)水平及晃蕩壓力的計(jì)算做了詳細(xì)的定義和規(guī)定。FLNG與LNG船有類似之處，因此這里借用該規(guī)范進(jìn)行安全性評(píng)估研究。該規(guī)范規(guī)定，晃蕩運(yùn)動(dòng)水平定義為三類：

1)水平一，僅考慮靜載荷，忽略動(dòng)載荷；

2)水平二，考慮靜載荷和動(dòng)載荷，但動(dòng)載荷還未達(dá)到?jīng)_擊載荷形式；

3)水平三，考慮靜載荷和動(dòng)載荷，動(dòng)載荷為主要載荷，達(dá)到?jīng)_擊載荷形式。

這三種晃蕩水平都有相應(yīng)的應(yīng)用條件和晃蕩載荷計(jì)算公式，根據(jù)FLNG船及其液艙的主尺度，按規(guī)范要求只需考慮水平一的晃蕩運(yùn)動(dòng)，為了進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)計(jì)算了水平一、二晃蕩運(yùn)動(dòng)的最大晃蕩壓力和試驗(yàn)液面最大晃蕩壓力，如表10所示。

表10 不同載況下液艙晃蕩壓力規(guī)范計(jì)算值和試驗(yàn)值Tab. 10 Calculated values based on CCS rules and measured values of thesloshing-induced-pressure under different filling ratios

從表10可以發(fā)現(xiàn)，25%和50%裝載率下試驗(yàn)值都比水平一計(jì)算值要大，這和FLNG與普通LNGC存在較大差別有關(guān)，F(xiàn)LNG的雙排艙結(jié)構(gòu)、具有錨泊系統(tǒng)等特點(diǎn)導(dǎo)致其內(nèi)部液艙晃蕩和普通的LNGC不盡相同，所以按照規(guī)范僅僅考慮水平一晃蕩運(yùn)動(dòng)對(duì)液艙進(jìn)行安全性評(píng)估是不夠的，如果考慮水平二晃蕩運(yùn)動(dòng)，安全度則足夠滿足。因此建議使用CCS規(guī)范對(duì)FLNG晃蕩壓力進(jìn)行安全評(píng)估時(shí)，考慮前兩個(gè)水平的晃蕩運(yùn)動(dòng)，能夠更好地滿足安全度要求。

5 結(jié) 語

通過FLNG模型試驗(yàn)，研究了FLNG液艙晃蕩的特點(diǎn)，同時(shí)研究了場(chǎng)景、裝載率、海況、浪向等因素對(duì)晃蕩壓力的影響，將晃蕩壓力的試驗(yàn)值與規(guī)范計(jì)算值進(jìn)行了對(duì)比分析，得到了如下結(jié)論：

1)裝載率25%時(shí)，液艙與船體接近共振，艙內(nèi)液體晃蕩幅度較大。隨著裝載率提升，共振效應(yīng)下降。

2)場(chǎng)景1比場(chǎng)景2下的液艙晃蕩壓力要?。灰号撗b載率越高，晃蕩壓力變化則越?。换问帀毫Φ脑黾臃扰c環(huán)境載荷的增加幅度同方向變化；不同浪向下晃蕩壓力和液面橫搖縱搖的數(shù)值大小及二者同時(shí)取得較大值的概率均有關(guān)；單點(diǎn)系泊會(huì)對(duì)不同位置處的液艙晃蕩壓力產(chǎn)生影響。

3)使用CCS規(guī)范對(duì)FLNG液艙晃蕩壓力安全性評(píng)估時(shí)，同時(shí)考慮水平一和水平二的晃蕩運(yùn)動(dòng)能夠更好地保證安全性。

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Research on influencing factors and safety evaluation for sloshing-induced-pressure in FLNG liquid tanks

ZHANG Dongwei1, HU Zhiqiang1, CHEN Gang2, ZHAO Jingrui3

(1. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China; 3. CNOOC Research Institute, Beijing 100027, China)

On purpose of mastering the variation characteristics of sloshing-induced-pressure in liquid tanks of Floating Liquid Natural Gas (FLNG), a model test with liquid tanks was fulfilled in the Deepwater Offshore Basin in Shanghai Jiao Tong University. The 6-DOF motion of FLNG and the variation data of liquid surface height were obtained. A plane liquid surface hypothesis is proposed based on the test results, and then sloshing-induced-pressure on the liquid tank bulkhead can be carried out. The influencing factors of sloshing-induced-pressure in liquid tanks are analyzed and discussed. Furthermore, the experimental data and calculated results based on CCS rules are compared to provide technical support for the structural safety evaluation induced by sloshing pressure in FLNG tanks.

FLNG; sloshing-induced-pressure; plane liquid surface hypothesis; safety evaluation; influencing factor; liqvid surface height

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2015.06.004

胡志強(qiáng)，男，副教授，博士，從事船舶與海洋結(jié)構(gòu)物動(dòng)力學(xué)研究。E-mail: zhqhu@sjtu.edu.cn

1005-9865(2015)06-026-09

2014-09-22

國(guó)家科學(xué)技術(shù)重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2011ZX05026-006-05)；國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51239007)

張東偉(1990-)，男，江蘇南通人，碩士，主要從事海洋結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究。E-mail: zuoshen@sjtu.edu.cn