LNG船舶系泊試驗對比分析研究

陳春升

(中海油福建漳州天然氣有限責任公司，漳州 363000)

圖1 碼頭平面布置圖Fig.1 Terminal layout

當前，中國的能源消費結構處于加速轉型中，LNG(液化天然氣)已成為中國油氣行業中發展最前沿的領域之一。LNG船舶是一種危險品運輸船，具有尺度大，吃水淺且受風面積大等特點，一旦泄露會對環境和人員造成極其嚴重的傷害，因此對其運輸和裝卸過程提出了非常高的安全要求，同時，LNG船舶主要風險存在于港內作業期間。目前為適應碼頭選址特點和運輸船舶大型化要求，在我國已建和在建的河北曹妃甸、青島董家口、浙江寧波等大型LNG碼頭泊位越來越多的采取開敞或半開敞式布置形式[1]。外海開敞式碼頭風、浪、流等動力因素極其復雜，系泊船的運動響應及受力也更為復雜，系泊安全受到廣泛重視，相關單位也取得了一些研究成果[2-6]，但是針對長度僅370 m的LNG碼頭停靠目前世界上最大的26.6萬m3船舶系泊條件開展研究相對較少，多手段的對比分析研究則更少。

本文分別從不規則波及規則波、物理模型和數學模型、船艏、艉對調方面深入研究了不同環境荷載作用下船舶運動量、系纜力和撞擊力等變化，并進行了分析對比，確定了各因素的影響，為設計方案提供參考依據。

1 工程概況

碼頭平面布置呈蝶形，主要由1個工作平臺，4個靠船墩(外側2個靠船墩中心距110 m)和6個系纜墩組成，總長度370 m。工作平臺尺度為50 m×30 m，頂高程+12.0 m。靠船墩尺度為14 m×15 m，南側3個系纜墩尺度為14 m×14 m，北側3個系纜墩與引橋墩結合，尺度為14 m×8.5 m，系纜墩前沿線與靠船墩前沿線垂直距離為34.5 m(系纜點與靠船墩前沿線垂直距離為40.0 m)，靠船墩和系纜墩頂高程均為+8.0 m。碼頭設計停靠26.6萬m3的大型LNG船。

船舶系纜方式為4:4:2方式，即艏艉纜分別系在1#和6#系纜墩上，艏、艉橫纜分別系在2#和5#系纜墩上，艏、艉倒纜分別系在外側1#和4#靠船墩上，艏、艉纜系纜點與船長之比為1.03。系纜角度與纜繩長度見表1。

表1 26.6萬m3船的系纜角度和纜繩長度Tab.1 Mooring angle and length of the 266,000 m3 LNG ship

2 模型概況

2.1 船舶模擬

物理模型比尺選為1:60，船模按重力相似設計需要滿足以下條件：

(1)幾何相似：模型船與原型船保持線性尺度相似。

(2)靜力相似：采用配重方法，在適當位置放置適當的重物，使其符合不同載重時的重量及其分布要求。

(3)動力相似：船舶的重心、橫搖及縱搖周期符合相似條件。

表2 設計船型主要尺度Tab.2 The main scale of the designed ship type

數學模型采用的軟件來自于法國船級社，分為水動力分析模擬(Hydrostar)和船舶系泊過程分析模擬(Ariane)。

26.6萬m3船型的主要尺度見表2，試驗考慮滿載和壓載。

2.2 纜繩和護舷的模擬

在4個靠船墩上分別布置 SUC2250H-R0型1鼓1板標準反力型橡膠護舷，其單鼓設計反力為3 088 kN，最大反力3 283 kN，設計吸能量3 391 kN·m，最大吸能量3 590 kN·m。

圖2 護舷和纜繩模擬結果Fig.2 Simulation results of fenders and cable

纜繩采用直徑100 mm 尼龍纜，其單根破斷力為1 880 kN，系纜方式為4:4:2，即艏、艉纜各4根，艏艉橫纜各4根，艏艉倒纜各2根。纜繩初始力設定100 kN。

纜繩模擬應考慮長度和彈性相似以及原型纜繩受力與變形關系曲線相似護舷模擬主要考慮原型、模型的護舷反力與變形關系曲線相似。從圖2纜繩和護舷的模擬結果可知，模擬效果良好。

2.3 風浪流的模擬

本研究中所進行物理模型試驗采用正態整體模型試驗。其中利用多臺大功率風機直接造風，風速通過變頻器可控，且可移動。風模擬以風壓力相似為主，兼之風速相似。

波浪按重力相似進行模擬，生成波浪為單向不規則波，波浪譜型采用常用的JONSWAP譜，其解析式為

系泊試驗開始前，先率定所需波高和周期。

水流模擬按重力相似進行模擬。試驗過程中，通過計算機控制布置于模型周邊的可逆泵生成試驗所需流速、流向。

本研究所使用Ariane模型中所需風浪流等水動力特性則通過Hydrostar獲取。

表3 風、波浪、潮流工況組合Tab.3 Combination of wind, wave and tide

3 試驗條件

設計水位包括設計高水位和設計低水位，環境荷載包括風、波浪和潮流，工況組合見表3，其中風包括橫吹開風、橫吹攏風、45°斜吹開風和45°斜吹攏風四種。表中角度是相對船軸線的。

4 試驗結果分析

4.1 規則波與不規則波試驗結果對比

對于規則波和不規則波，往往認為不同波浪條件下的模擬結果規律大體相似，但也同時具有一定的差異，為得到更加精確的試驗結果，采用規則波和不規則波分別進行試驗，表4和圖3為兩者試驗結果的對比。

表中結果表明：不規則波作用船舶運動量、系纜力和撞擊力普遍大于規則波，其中系纜力為規則波的1.04～1.48倍，撞擊力為規則波的1.15～1.25倍，兩者的船舶運動情況基本保持一致。

究其原因，主要由于規則波試驗中的波高與不規則波的H4%波高一致，在不規則波波列中還有大于H4%波高的緣故。在下文分析中主要采用不規則波作用條件進行試驗模擬。

4.2 物理模型和數學模型試驗結果對比

船舶在風、浪、流共同作用下產生運動的響應，使纜繩受到拉力，護舷受到撞擊力。此外，為對比分析模型的差異，同時采用法國船級社(BUREAU VERITAS)開發的HydroSTAR&Ariane軟件進行了數學模型的模擬計算，表5分別列出了作業條件下的船舶最大運動量、最大單根系纜力和最大撞擊力，數模與物模對比結果見圖4。試驗結果表明：

3-a 45°浪,H4%=1.2 m,Tm=7 s3-b 45°浪,H4%=1.2 m,Tm=7 s圖3 規則波與不規則波作用下船舶運動特性對比Fig.3 Comparison of ship motion characteristics under regular wave and irregular wave conditions

表4 26.6萬m3 LNG規則波與不規則波的試驗對比情況Tab.4 Comparison of the results between regular wave and irregular wave of the 266,000 m3 LNG ship

4-a 45°浪,H4%=1.2 m,Tm=7 s4-b 45°浪,H4%=1.2 m,Tm=7 s圖4 作業條件下的船舶運動特性對比Fig.4 Comparison of ship motion characteristics under operational conditions

(1)不同浪向對船舶運動量、系纜力和撞擊力的產生影響。其中，45°斜浪的作用最大，30°斜浪次之；0°順浪作用下，雖然產生的船舶撞擊力較小(故試驗未統計)，但產生的船舶縱移、縱搖和倒纜力也不容忽視。

(2)船舶運動量均滿足作業標準。其中最大橫移為0.58 m，最大橫搖為1.02°，最大橫搖一般發生船舶壓載，45°斜浪作用時；最大縱移和最大縱搖發生在順浪作用下，分別為0.92 m和0.21°。

(3)船舶系纜力和撞擊力均滿足要求。多數情況下，壓載的系纜力大于滿載。最大纜力為381 kN，發生在倒纜上，主要是因為倒纜的根數較少的緣故；最大撞擊力2 628 kN。

(4)對于船舶運動量、系纜力和撞擊力而言，物理模型與數學模型結果對比發現，兩者基本一致。

表5 作業條件下的最大運動量、最大單根系纜力和最大撞擊力Tab.5 Maximum values of motions, line tension and impact force under working conditions

5-a 45°浪,H4%=1.2 m,Tm=7 s5-b 45°浪,H4%=1.2 m,Tm=7 s圖5 艏艉對調后船舶運動特性對比Fig.5 Comparison of ship motion characteristics under the conditions of turning bow and stern

4.3 船舶艏艉對調試驗結果對比

一般LNG船舶靠泊碼頭卸貨時船艏方向是指向離港方向，但有時船長基于航行條件及環境考慮，有可能要求船艏方向背對離港方向來進行靠泊卸貨，因此需考慮船舶艏艉對調情況下LNG船舶的相關情況，將船頭朝北的試驗結果與相應船頭朝南的試驗結果的對比情況列入表6，對比結果見圖5。

結果表明：由于工程區域流速不大，船舶艏艉對調停靠時船舶運動量與未對調前的運動量相差很小，系纜力的大小也相差不大，只是對調前后的艏、艉纜受力位置變化而改變；船舶對四個護舷的撞擊力也基本相當。

表6 26.6萬m3 LNG船舶艏、艉對調試驗對比情況Tab.6 Comparison of the results under the conditions of turning bow and stern of the 266,000 m3 LNG ship

5 結論

風、浪、流多種動力作用下船舶系泊條件是一個非常復雜的問題，本次試驗研究，主要觀測了碼頭長度370 m條件下，26.6萬m3LNG船在不同風浪流組合作用下的船舶運動量、系纜力和撞擊力等，從不規則波及規則波、物理模型和數學模型、船艏艉對調方面進行了試驗結果對比，得到的主要結論如下。

(1)不規則波作用船舶運動量、系纜力和撞擊力普遍大于規則波，其中系纜力為規則波的1.04～1.48倍，撞擊力為規則波的1.15～1.25倍。主要由于規則波試驗中的波高與不規則波的H4%波高一致，而在不規則波波列中還有大于H4%波高的緣故。

(2)物理模型試驗中，45°斜浪的作用對船舶運動量、系纜力和撞擊力的影響最大，30°斜浪次之。船舶最大橫移為0.58 m，最大縱移為0.92 m，最大橫搖為1.02°，最大纜力發生在倒纜上，為381 kN，最大撞擊力2 628 kN。

(3)由于工程區域流速不大，船舶艏艉對調停靠時船舶運動量與未對調前的運動量相差很小，系纜力的大小也相差不大，只是對調前后的艏、艉纜受力位置變化而改變；船舶對四個護舷的撞擊力也基本相當。