10 000 m3 LNG加注船與VLOC加注兼容性評估

(中國船級社武漢規范研究所，武漢 430022)

船舶間海上貨物傳輸通常采用旁靠和串靠兩種形式，由于LNG具有深冷易燃易爆特性，目前LNG低溫漂浮軟管實際工程應用經驗十分有限，可行方案是LNG加注船旁靠LNG動力船采用LNG柔性軟管進行加注作業[1]。現在國際氣體燃料船協會(SGMF)針對以氣體作為船舶燃料的IGF規則、國內外主要船級社的LNG加注船和LNG動力船規范都已成熟，石油公司國際海事論壇(OCIMF)、國際氣體運輸船與碼頭經營者協會(SIGTTO)和中國船級社等的行業規范標準[2-4]要求，加注作業前，兩船應進行兼容性評估[5]。對于尺度和干舷差異較大的兩船，采用LNG軟管進行旁靠加注作業時，兼容性評估尤為重要。目前全球LNG動力船和LNG加注船加注作業兼容性評估還未形成完善的評估體系和成熟的評估方法，考慮根據相關行業標準對相關兼容性內容進行評估。以10 000 m3LNG加注船為VLOC加注燃料作業為目標，10 000 m3LNG加注船采用首部加注站、采取LNG加注船船首靠泊VLOC船尾的方式為VLOC進行燃料加注作業，選定2船分別處于滿載和壓載工況的4種場景，對2船加注作業兼容性進行分析，采用可參考的相關行業標準分析評估兩船尺度、管匯布置及高度差、碰墊、軟管長度和軟管吊工作范圍及能力是否滿足加注作業要求。

1 背景介紹

兩船分別簡稱LNG加注船和LNG動力船，主要參數見表1。

表1 LNG加注船和動力船主要參數

LNG加注船設計目標是為該LNG動力船加注補給燃料，加注作業水域擬定為國內某近海錨地。

LNG動力船受注站位于船中靠近船尾區域甲板上；LNG加注船甲板上有2處加注站，分別位于船首和船中。LNG加注船采用船首加注站為LNG動力船加注燃料；加注作業時，LNG加注船采取船首靠泊LNG動力船船尾的方式靠泊LNG動力船左舷或者右舷，即LNG加注船左舷(或右舷)靠泊LNG動力船左舷(或右舷)。在兩船建造完成前，應對加注作業相關布置和設備等進行兼容性評估，以確保LNG加注船達到設計目標，能夠為LNG動力船提供加注服務。

2 加注作業兼容性

2.1 碰墊

根據國際行業標準[3]，船對船靠泊時，兩船間需要布置主碰墊和輔助碰墊。主碰墊沿船體平行部分放置，對船體提供最大限度的保護。輔助碰墊布置在船艏和船艉，避免在系泊和作業期間兩船發生意外碰撞。同理，LNG加注船應配備一定數量主碰墊輔助碰墊。主碰墊和輔助碰墊通常采用充氣式橡膠碰墊，應滿足國際浮式碰墊標準[6]。

2.1.1 主碰墊

主碰墊選取，先計算靠泊系數C。

(1)

式中：DSA和DSB分別為船A和船B排水量。

靠泊系數計算工況和結果見表2。

表2 靠泊系數計算工況和結果

表2顯示,靠泊系數最大值為25 662 t。由此根據OCIMF碰墊快速選取表[3]，可選擇3個充氣壓力為80 kPa的 2.5 m×5.5 m碰墊，LNG加注船抵靠速度為0.25 m/s。

此外，根據我國液化氣體船舶安全作業國標建議的計算方法、碰墊推薦規格和數量要求[7]，靠泊系數計算方法與前述OCIMF方法相同，可選擇3個充氣壓力為80 kPa的3.3 m×4.5 m碰墊，LNG加注船抵靠速度為0.25 m/s。

兩船靠泊加注作業期間，相互平行接觸較少，單個碰墊更有可能吸收初始碰撞能量，故應校核單個碰墊作用時能否滿足吸收碰撞能量的要求。靠泊碰撞能量計算通常采用1.8倍船舶排水量(船舶調整排水量)的方式考慮靠泊額外力的作用，即

DSAA=1.8·DSA

(2)

DSBA=1.8·DSB

(3)

式中：DSAA和DSBA分別為船A和船B調整排水量。

兩船總調整排水量為

(4)

單個碰墊作用時靠泊碰撞能量為

E1=0.025×DTA·V2

(5)

其中：V為抵靠速度，m/s。

2船平行靠泊時，靠泊載荷和碰撞能量均勻分布在所有碰墊上，應校核所有碰墊同時作用時能否滿足吸收碰撞能量的要求，所有碰墊同時作用時靠泊碰撞能量為

EN=0.051·DTA·V2

(6)

充氣壓力為80 kPa的2.5 m×5.5 m碰墊，壓縮60%時典型吸收能量值為1 316.14 kN·m，充氣壓力為80 kPa的3.3 m×4.5 m碰墊壓縮60%時典型吸收能量值為1 638.56 kN·m[3]，前述OCIMF和國標方法選取碰墊均滿足吸收碰撞能量要求，校核結果見表3。

表3 碰墊碰撞能量吸收能力校核

液化氣體船安全作業國標在國內屬于強制性標準，故選擇3個充氣壓力為80 kPa的 3.3 m×4.5 m碰墊作為船-船加注作業時的防撞措施，抵靠速度為0.25 m/s，充氣橡膠碰墊最大外形尺寸為3.74 m×4.94 m，單個碰墊重量約為3.5 t。

我國液化氣體船舶安全作業國標與國際行業標準更新步伐不一致，上述碰墊碰撞能量吸收能力校核方法可解決國內外標準不一致問題。

2.1.2 輔助碰墊

目前未見輔助碰墊選取方法，參考主碰墊的計算選取方法，靠泊速度根據經驗取為0.1 m/s，根據公式(5)計算得到單個輔助碰墊作用時碰撞能量為56.55 kN·m。為更有效提高兩船在較大干舷差情況下的防撞效能和現有物料吊起重能力，選擇2個充氣壓力為50 kPa的2.0 m×3.5 m碰墊作為船-船加注作業時的輔助碰墊。該碰墊壓縮60%時典型吸收能量值為307.72 kN·m，滿足單個輔助碰墊作用時碰撞能量的吸收要求，單個碰墊質量約1.4 t。

2.2 船舶尺度

涉及兩船尺度兼容性評估的主要參數見表4。

表4 LNG加注船和動力船尺度評估相關參數

注:L為液相，V為氣相；PS為左舷，SB為右舷。

根據SGMF對氣體燃料動力船管匯布置要求[8]，LNG動力船受注站氣液接口應按圖1進行布置，并推薦采用直徑8 in軟管進行加注，軟管間距建議不小于1 250 mm，LNG動力船受注站管口間距為1.25 m，管匯距離甲板高度1.00 m，管口端面距離舷側2.20 m，LNG動力船受注管匯位置和布置、管匯連接位置和連接方向、接口間距和受注接口尺寸等滿足SGMF相關要求。

圖1 LNG動力船受注站氣液接口布置

由表4可知，兩船LNG加注船采用船首加注站、采取LNG加注船船首靠泊LNG動力船船尾方式為LNG動力船加注燃料，兩船加注/受注站接口排列布置兼容滿足要求。兩船LNG儲罐均為C型艙，氣相管連通可自動達到艙內蒸氣壓力平衡，滿足LNG儲罐蒸氣平衡要求。兩船LNG管匯高度差在LNG動力船壓載、LNG加注船滿載時最大，最大值為9.00 m；兩船LNG管匯高度差在LNG動力船滿載、LNG加注船滿載時最小，最小值為4.90 m。在上述兩種極限情形下，兩船間平邊線范圍內能夠布置3個3.3 m×4.5 m主碰墊，兩船的尺度兼容性滿足要求，其中LNG動力船壓載、LNG加注船滿載加注作業位置情況見圖2。

圖2 LNG動力船壓載、LNG加注船滿載時船-船加注位置示意

2.3 加注軟管

LNG加注船首部加注站管匯距甲板高度為10.30 m，管口間距為1.35 m，管口端面距離舷側1.35 m。LNG加注船首部加注站和LNG動力船受注站管匯高度差見表5。

中國船級社(CCS)LNG加注作業標準建議軟管長度取為最大高度差的2倍，但是該要求在兩船管匯高度差較大情況下可能要求軟管長度超過單根軟管可制造最大長度，需要根據實際情況進行計算軟管最小長度。LNG傳輸軟管的長度選取必須考慮兩船最極端管匯高度差、軟管最小彎曲半徑、船舶垂向和橫向運動等因素。LNG動力船壓載、LNG加注船滿載情形下兩船管匯高度差絕對值最大，選取該情形作為軟管長度選取的分析場景，考慮兩種工況：①兩船位置使得軟管彎曲部分均呈現最小彎曲圓弧形狀；②考慮兩船最大安全相對運動值時，兩船位置使得軟管彎曲部分均呈現最小彎曲圓弧形狀。其中，LNG軟管廠商產品手冊[9]顯示直徑8 in低溫LNG軟管最小彎曲圓弧半徑為0.91 m。國際航運協會(PIANC)在1995年對系泊碼頭液化氣體船的允許運動量要求[10]見表6。

表5 加注站/受注站管匯高度差

注:加注站管匯高于受注站管匯時的高度差值為正，反之高度差值為負。

表6 液化氣體船允許運動量(PIANC,1995)

根據該要求，LNG加注船與LNG動力船之間的相對運動應滿足上述允許運動量要求，工況②保守考慮兩船間發生2 m升沉運動和2 m外飄橫蕩運動，此時兩船管匯間軟管長度最長。

兩種工況下，兩船間軟管長度于圖3和圖4，軟管長度計算結果見表7。

圖4 加注作業8 in直徑軟管長度示意(考慮兩船最大安全相對運動時)

表7 軟管計算長度

工況①兩船間距為3.64 m，略小于主碰墊最大外形直徑3.74 m，由于差值較小，對軟管長度影響較小，故以工況①軟管長度計算結果代替兩船間距為主碰墊最大外形直徑時計算結果。生產廠商可生產單根軟管最大長度為30.00 m[9]，軟管長度選取范圍為19.51～30.00 m，LNG加注船配備軟管長度為25.00 m。

LNG加注船采用長25.00 m軟管進行加注作業時，參考圖3布置。軟管從LNG動力船受注站管匯處最大下垂距離為14.20 m，該距離小于LNG動力船管匯距水線距離22.90 m，軟管不存在浸沒海水中的問題。同樣，LNG動力船滿載、LNG加注船滿載時，軟管從LNG動力船受注站管匯處最大下垂距離為7.24 m，該距離小于LNG動力船管匯距水線距離9.00 m，軟管不存在浸沒海水中的問題，見圖5。故LNG加注船配備25.00 m長度軟管可滿足為LNG動力船加注作業使用要求。

圖5 采用25.00 m長度軟管加注作業時軟管形態示意

2.4 起吊能力

LNG加注船首部起吊設備見表8。軟管吊射擊滿足運送安置軟管鞍座和軟管使用，還需要滿足收放主碰墊和移動輔助碰墊的工作要求。

表8 艏部起吊設備

根據前述主碰墊和輔助碰墊選取結果，單個主碰墊重量約為4 t，直徑為3.74 m，單個輔助碰墊重量約1.4 t，直徑為2.0 m。LNG加注船軟管吊起吊能力為5 t，可到舷外最遠9.00 m的位置，滿足吊放和回收主碰墊的要求。

3 結論

1)結合加注作業中碰墊和軟管的選型，擬定加注兼容性分析的具體實施內容為碰墊選型、兩船尺度兼容性檢查、軟管選型和軟管吊起吊能力檢查等內容，其中兩船管匯兼容性檢查包含了IGC規則對LNG運輸船貨物圍護系統要求、OCIMF對LNG 運輸船管匯布置要求和SGMF對LNG動力船管匯布置要求。

2)綜合考慮現有行業標準和分析方法，采用OCIMF和GB行業標準確定了加注作業兩船間碰墊配備和LNG加注船抵靠速度限制，并提供了碰墊碰撞能量吸收能力校核方法；利用工程經驗開展了兩船尺度兼容性分析和軟管吊收放碰墊能力分析；結合相關行業標準選取合適軟管布置和長度，并提供軟管最小長度計算方法。

3)本文軟管長度計算方法是基于兩船相對運動滿足PIANC關于液化氣體船系泊碼頭的允許運動量情況計算軟管最小長度，該方法可用于評估和替代CCS關于LNG加注軟管最小長度的要求。下一步將基于兩船加注作業系泊布置情況校核兩船相對運動是否滿足液化氣體船系泊碼頭的允許運動量要求。