緬甸LNG碼頭船舶并靠和雙側靠泊動態系泊分析

黃 河，陳 謙

(中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032)

近年來LNG(liquefied natural gas)作為一種清潔能源越來越受到市場青睞，很多國家都將LNG列為首選燃料，在能源供應中的比例也迅速增加。相對于傳統的前期投資大、工期長的陸基LNG接收站，FSRU即浮式儲存及再氣化裝置(floating storage and re-gasification unit)是集LNG接收、存儲、轉運、再氣化外輸等多種功能于一體的特種裝備，具有交付時間短、成本低等特點，被越來越廣泛地采用。

天津建有FSRU項目，采用的是LNG船舶和FSRU船舶各停靠一個泊位的平面布置方式。國外目前的FSRU項目多采用雙船并靠的平面布置形態，不僅節約碼頭岸線、降低工程造價，而且由于液相管線距離的縮短而增加了安全性。FSRU和LNG采用雙船并靠及兩側靠泊的作業方式，其系纜力、靠泊力及船舶相對運動量等與常規靠泊方式存在較大差異，如果工程區域風浪條件差、水動力情況復雜，雙船靠泊的穩定性是碼頭設計的重點。本文基于孟加拉灣內的緬甸某FSRU項目，針對該區域內的復雜水動力條件，計算雙船并靠及兩側靠泊作業方式下的船舶運動量，最終確定長周期波浪條件下的作業標準，為類似自然條件下采用雙船并靠的FSRU項目建設提供參考。

1 建港條件

1.1 位置及規模

項目位于緬甸伊洛瓦底三角洲的西北部，孟加拉灣東北海岸。碼頭工程擬建設FSRU專用泊位1個，并配套建設防波堤、引橋和引堤等，以滿足17.5萬m3LNG船的停靠要求。項目區域位置見圖1[1]。

圖1 項目區域位置

1.2 氣象條件

項目區域屬于熱帶季風氣候，全年平均氣溫基本在18～29 ℃，年均降雨量約為2 760 mm，全年80%～90%降雨集中在5—10月。工程區平常期風速較小，基本為偏NW向，近岸區小于等于6級風(13.8 ms)的頻率達到99.94%。但由于擬建工程區位于孟加拉灣東側岸線，易受到熱帶氣旋影響，在熱帶氣旋影響期間風速較大，近岸區最大風速為42.39 ms(海面上10 m，時距為60 min)，風向為SSE向，熱帶氣旋影響期間，FSRU及LNG船采取離港避風的安全措施。

1.3 水文條件

1)潮位。工程區潮汐類型屬于正規半日潮，設計高水位2.58 m(海圖基面)，設計低水位0.45 m，潮差不大。

2)海流。工程區水流運動復雜多變，漲潮流主要為NNE～N向；落潮流主要為偏S向。近岸海域大潮平均流速約為0.11 ms，最大流速約為0.22 ms；小潮平均流速約為0.07 ms，最大流速約為0.14 ms。

3)波浪。工程區相對外海開敞，海浪除受臺風影響外，受北印度洋涌浪影響顯著，因此工程海域波況較為復雜，同時受到臺風浪及涌浪影響。主要受到SSW～NW向波浪影響，波型是以涌浪為主的混合浪。

統計分析近岸波浪后報資料，得到波況特征如下：①近岸區常浪向為W向、頻率為37.6%，次常浪向為WNW向、頻率為23.88%；②強浪向為W向，最大波高為6.59 m，對應譜峰周期為14.489 s；③平常期波浪波高大部分均小于2.0 m，其中Hs大于1.0 m的頻率為24.6%，大于2.0 m的頻率為2.42%，大于3.0 m的頻率為0.18%；④波浪周期相對較大譜峰周期基本集中于4～16 s，Tp大于8 s的頻率為49.47%，大于10 s的頻率為28.85%，大于12 s的頻率為22.9%，大于14 s的頻率為15.89%[2]。

2 研究目的

1)通過數學模型模擬船舶在不同作業工況組合條件下的系泊狀況，得出系泊船舶的橫移、縱移、升沉、橫搖、縱搖、回轉6個運動分量。

2)分析在不同作業工況條件下，每根纜繩承受的最大拉力和最大護舷撞擊力。

3)依據船舶作業標準，給出不同方案下船舶允許作業的水動力條件。

3 設計方案

3.1 碼頭平面布置

由于本工程所處位置水動力條件復雜，必須通過建設防波堤來改善和提高港池的泊穩條件，以達到LNG和FSRU船舶安全靠泊要求。平面布置采用半包圍島式防波堤布置形式，防波堤總長1 200 m，碼頭位于防波堤內側,FSRU和LNG船并靠或兩側靠泊。FSRU-LNG船并靠系纜布置見圖2，FSRU-LNG船兩側靠舶系纜布置見圖3。船型參數見表1。

圖2 FSRU-LNG船并靠系纜布置

圖3 FSRU-LNG船兩側靠泊系纜布置

3.2 設計船型

船型參數見表1。

表1 船型參數

3.3 設計條件參數

1)波浪。由于防波堤的掩護作用，泊位處浪向為SWS和SW向，平均周期為8、10、12、14 s。

2)海流。海流流向選取N～W的沿岸流，設計流速為0.17 ms。

4)纜繩參數。系泊時纜繩采用HMPE，尾索為尼龍纜(11 m)，初張力為98 kN，各種纜繩材質的特性參數見表2。

表2 纜繩參數

試驗結果根據石油公司國際海事論壇(OCIMF)MooringEquipmentGuidelines[3]的規定來衡量系纜力是否滿足要求，對于直徑為φ44 mm 的HMPE纜，其最小破斷力為1 370 kN，則單根纜繩所受到的最大拉力應小于685 kN(50%的最小破斷力)。

5)護舷參數。碼頭與FSRU之間采用SCN2000F1.8型號護舷，FSRU和LNG船之間采用4組φ4.5 m×9.0 m護舷、2組φ2.0 m×3.5 m護舷，參數見表3。

表3 護舷參數

當計算所得到的撞擊力和撞擊能量超過護舷的設計撞擊力和撞擊能量時，則認為護舷型號不滿足要求。

6)允許作業標準。船舶的6個運動分量須滿足BS 6349-1—21:2013Maritimeworks-Part1-1:General-Codeofpracticeforplanninganddesignforoperations[4]中的要求，并基于PIANC 的規定標準進行修訂。本文針對于FSRU和LNG船，采用的橫蕩和縱蕩運動量標準為1 m，其中橫蕩定義為零到最大值，縱蕩定義為峰值[5]。

4 系泊分析

4.1 系泊模型

動態系泊模型采用Hydorstar & Ariane軟件進行計算，該軟件可計算波-物相互作用時可以考慮多體干擾作用、航速效應以及艙內液體運動，可以評估一階和二階波浪力、運動、加速度、相對運動和波浪升高。模型在計算水動力問題時，考慮了淺水波影響及一階載荷與二階載荷的淺水效應，有效提高了淺水計算水動力的精度[6]。

采用時域分析方法求解系泊系統的響應，選取的系泊纜繩為HMPE 與尼龍纜繩組合，考慮了系泊纜繩上的載荷非線性特性，非線性特性是指采用莫里森Morison方程求解作用在系泊纜上的流體載荷效應，作用在系泊纜上的拖曳力與相對速度(流體與纜繩之間)的平方呈正比。系泊船舶在風、浪、流等環境載荷和系泊載荷的共同作用下處于平衡。在時域內，考慮系泊系統之后的平衡方程如下：

Ci×jXj=[Fwj(t)]+Fm+Fc+Fwind

(1)

4.2 計算結果

根據波浪數模結果，考慮了該工程后的幾個主要影響浪向、代表水流和風，按照本區可能出現的不同波周期代入系泊數模對FSRU和LNG船并靠的系泊方式進行分析。依據OCIMF提供的經驗公式計算船舶受到的風力系數和流力系數，通過軟件計算平均慢漂力和水動力系數、一階波浪載荷傳遞系數，并考慮風、浪、流環境力綜合作用分析系泊狀態下的運動時域，得到纜繩的受力時歷曲線，最后按照3 h回歸周期得到船舶運動量和纜繩受力最大統計值。根據得到的數值模擬結果與標準對比，得到對應的作業波高標準。

針對FSRU壓載+LNG船滿載，FSRU滿載+LNG船壓載兩種作業工況，分別計算在風、浪和流載荷作用下的FSRU與LNG船的運動響應特性，得到了兩船6自由度運動量、纜繩拉力以及護舷撞擊力。根據允許作業判斷標準，綜合考慮運動量、纜繩拉力以及護舷撞擊力，分別得到兩種裝載組合工況下的允許作業波高，見表4、5。

表4 FSRU和LNG船并靠時的允許作業波高

表5 FSRU和LNG船兩側靠泊同時作業時的允許作業波高

5 結論

1)FSRU和LNG船的6個自由度運動量、系纜力和撞擊力結果均隨波高和波周期的增大而增大。

2)在長周期波影響下，FSRU和LNG船的允許作業波高明顯降低。

3)雖然橫蕩和縱蕩運動允許作業標準對應的極限值為1 m，但由于一個為最大值，一個為峰值，所以縱蕩運動更容易超標，為影響船舶允許作業標準的重要因素。

4)LNG船舶的卸載對泊位更有利。

5)針對波浪條件相對惡劣條件下FSRU碼頭的建設，采用FSRU和LNG船兩側靠泊的平面布置形態，可以提高船舶允許作業波高，更能有效地抵御波浪影響。