船對船過駁作業(yè)充氣護(hù)舷強(qiáng)度校核

張南，翁振勇，謝敏，楊春華

(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司，上海 200129)

充氣護(hù)舷(以下簡稱護(hù)舷)廣泛應(yīng)用于油船、化學(xué)品船及液化天然氣(LNG)船的海上船對船過駁作業(yè)。按照石油公司國際海事論壇(OCIMF)制定的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1]，進(jìn)行海上過駁作業(yè)的船舶需配置主要護(hù)舷，并建議其型式為充氣式。目前，行業(yè)內(nèi)完整、全面介紹護(hù)舷強(qiáng)度校核的資料不多，實(shí)際操作中對導(dǎo)致護(hù)舷失效的因素也缺乏足夠的重視。故考慮以某LNG加注船對某大型LNG動力船的加注作業(yè)為分析目標(biāo)，根據(jù)作業(yè)的不同場景和階段，采用國際主流行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和方法校核選用護(hù)舷的強(qiáng)度，分析不同標(biāo)準(zhǔn)的差異，并對允許的靠泊速度給出建議。

1 目標(biāo)船型

以某LNG加注船和某大型LNG動力船為目標(biāo)船型，兩船的主要參數(shù)見表1。

表1 船型主要參數(shù) m

2 護(hù)舷參數(shù)

LNG加注船共配備4只采用BS ISO 17357-1:2014[2]標(biāo)準(zhǔn)制造的主要護(hù)舷，主要參數(shù)見表2，性能見圖1。加注作業(yè)時(shí)，3只護(hù)舷(另1只備用)會提前布置在LNG加注船舷側(cè)平行中體范圍內(nèi)，見圖2。

表2 護(hù)舷主要參數(shù)

圖1 護(hù)舷性能

圖2 護(hù)舷舷側(cè)布置

3 作業(yè)場景

對LNG加注船作業(yè)，設(shè)計(jì)兩種作業(yè)場景:①LNG受注船系泊于碼頭時(shí)進(jìn)行加注作業(yè)，這種狀態(tài)下認(rèn)為LNG受注船已經(jīng)與碼頭有效系泊，其運(yùn)動可忽略并按靜止?fàn)顟B(tài)考慮，稱之為碼頭作業(yè)；②LNG受注船錨泊于錨地時(shí)進(jìn)行加注作業(yè)，兩船同時(shí)受到風(fēng)、浪、流等外部環(huán)境條件的影響，需進(jìn)行動態(tài)分析，稱之為錨地作業(yè)。兩種作業(yè)場景均需考慮靠泊階段，及系泊階段的護(hù)舷受力情況。

3.1 靠泊階段

LNG加注船依靠自身動力機(jī)動到LNG受注船船側(cè)，然后以一法向靠泊速度緩速向LNG受注船平行靠攏。LNG加注船舷側(cè)懸掛的靠艏或靠艉的一個(gè)主要護(hù)舷會首先與LNG受注船發(fā)生接觸，然后船體轉(zhuǎn)動，剩余的護(hù)舷再發(fā)生接觸。這種情況下，第一個(gè)接觸的護(hù)舷要有足夠的強(qiáng)度吸收初始接觸階段全部的靠泊能量。

3.2 系泊階段

LNG加注船和受注船按照設(shè)計(jì)的系泊方案有效系泊在一起，并受風(fēng)、浪、流等環(huán)境條件影響發(fā)生位移和運(yùn)動，所有護(hù)舷均有可能擠壓受力，其受力或變形量應(yīng)小于額定值。

4 碼頭作業(yè)

碼頭作業(yè)時(shí)將LNG受注船考慮為靜態(tài)，即等同于固定的碼頭。護(hù)舷的強(qiáng)度校核可參照常規(guī)的船舶靠泊碼頭、與碼頭系泊情形以及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

4.1 靠泊階段

國際航運(yùn)協(xié)會(PIANC)以及英國標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(BSI)均對護(hù)舷的設(shè)計(jì)制定的指南[3]和規(guī)則[4]是目前國際通用的參考標(biāo)準(zhǔn)。二者對靠泊階段靠泊能量的計(jì)算方法基本一致，均采用式(1)進(jìn)行計(jì)算。

E=0.5CMMDVB2CECSCC

(1)

式中：E為靠泊能量，kN·m；CM為水動力質(zhì)量系數(shù)，考慮了船舶周圍水體的運(yùn)動，即將整個(gè)體系的質(zhì)量計(jì)入動能計(jì)算；MD為船舶排水量，t；VB為靠泊速度，m/s；CE為偏心系數(shù)，考慮了接觸點(diǎn)船舶質(zhì)量中心偏離碰撞點(diǎn)時(shí)傳遞至護(hù)舷的能量的減少；CS為柔性系數(shù)，考慮了船體對碰撞能量的吸收；CC為泊位形狀系數(shù)，考慮了部分靠泊能量被船體與碼頭之間水墊的緩沖作用吸收。

不同靠泊速度時(shí)LNG加注船的靠泊能量的計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 靠泊能量計(jì)算結(jié)果

需要注意的是，式(1)對靠泊能量的計(jì)算僅適用于正常情況，而對于發(fā)生諸如船舶推進(jìn)系統(tǒng)故障、纜繩斷裂、風(fēng)或潮流突然變化，以及人為過失等意外情況時(shí)，靠泊能量可能過大，因此需要考慮必要的安全系數(shù)。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[3]建議的安全系數(shù)范圍為1.1～2.0，考慮到LNG加注船需要頻繁進(jìn)行靠泊作業(yè)，發(fā)生危險(xiǎn)的概率較高，因此安全系數(shù)取1.75。

由式(1)可知靠泊能量的大小與靠泊速度的平方成正比關(guān)系，顯然靠泊速度是影響靠泊能量大小的關(guān)鍵因素。OCIMF相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)船型大小給出了0.15～0.30 m/s的靠泊速度典型值，理論上船舶越小，靠泊速度越大，目標(biāo)船型靠泊速度按OCIMF建議的0.25 m/s考慮。

根據(jù)表3計(jì)算結(jié)果，在安全系數(shù)為1.75，靠泊速度為0.25 m/s時(shí)，靠泊能量為1 233 kN·m，小于LNG加注船船配備的主要護(hù)舷的額定吸能(3 696 kN·m)，據(jù)此認(rèn)為該階段LNG加注船配備的主要護(hù)舷強(qiáng)度滿足要求。在安全系數(shù)1.75，靠泊速度0.40 m/s時(shí)，靠泊能量3 157 kN·m已接近護(hù)舷±10%的性能公差范圍，據(jù)此認(rèn)為，LNG加注船的靠泊速度要控制在0.25 m/s以內(nèi)并盡可能小，極端情況下不能超過0.40 m/s。

4.2 系泊階段

當(dāng)LNG加注船完成與受注船的纜繩系泊后，外界風(fēng)、浪、流等環(huán)境條件的作用會引起船體的運(yùn)動，進(jìn)而導(dǎo)致纜繩和護(hù)舷受力。采用計(jì)算機(jī)模擬或者水力模型試驗(yàn)是校核纜繩和護(hù)舷受力的通用做法。由于受注船按靜態(tài)考慮，因此采用OPTIMOOR軟件并按照表4所示的外界環(huán)境條件進(jìn)行計(jì)算。

表4 外界環(huán)境條件

考慮到LNG加注船在輕載吃水時(shí)有更大的受風(fēng)面積，故基于LNG加注船輕載而受注船滿載的情況進(jìn)行計(jì)算。LNG加注船與受注船按照如圖3所示方案系泊時(shí)護(hù)舷受力的OPTIMOOR計(jì)算結(jié)果見表5。

圖3 LNG加注船與受注船系泊方案

表5 OPTIMOOR計(jì)算結(jié)果

可以看出在表4所示的環(huán)境條件下，護(hù)舷的最大受力為216 kN，變形量約為6.4%，遠(yuǎn)小于護(hù)舷的額定反力4 469 kN。

5 錨地作業(yè)

錨地作業(yè)時(shí)，LNG受注船按動態(tài)考慮，其與LNG加注船系泊在一起后，由于兩船之間的耦合運(yùn)動及水動力干擾作用，兩船的相對運(yùn)動會更為復(fù)雜。護(hù)舷的強(qiáng)度校核需按照船對船過駁情形及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

5.1 靠泊階段

PIANC和OCIMF均有涉及船對船作業(yè)階段護(hù)舷設(shè)計(jì)的指南，認(rèn)為影響靠泊能量最為重要的參數(shù)為排水量和靠泊速度，并且排水量參數(shù)需計(jì)入船舶附連水質(zhì)量，其計(jì)算基于基礎(chǔ)動能方程。

(2)

式中：E為靠泊能量，kN·m；MA、MB分別為LNG加注船和受注船的排水量，t；CMA、CMB分別為LNG加注船和受注船的水動力質(zhì)量系數(shù)。

考慮LNG加注船和受注船均處于滿載狀態(tài)，不同靠泊速度時(shí)的靠泊能量計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 靠泊能量計(jì)算結(jié)果

OCIMF于2013年發(fā)布了全新的《石油、化學(xué)品、液化天然氣船對船過駁指南》，對護(hù)舷的選取、布置、強(qiáng)度等提出了明確的要求，認(rèn)為在靠泊過程中，周圍海水會推動兩船向?qū)Ψ娇繑n，因此在計(jì)算靠泊能量時(shí)，引入系數(shù)1.8以計(jì)入海水產(chǎn)生的額外作用力。

(3)

考慮LNG加注船和受注船均處于滿載狀態(tài)，不同靠泊速度時(shí)的靠泊能量計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 靠泊能量計(jì)算結(jié)果

比較表6和表7，PIANC計(jì)算方法明顯比OCIMF保守，對護(hù)舷的強(qiáng)度要求更高，考慮采納PIANC計(jì)算結(jié)果。在安全系數(shù)為1.75，靠泊速度為0.25 m/s的情況下，靠泊能量為1 364 kN·m，小于LNG加注船船配備的主要護(hù)舷的額定吸能(3 696 kN·m)，認(rèn)為在此階段，LNG加注船配備的主要護(hù)舷強(qiáng)度滿足要求。在安全系數(shù)1.75，靠泊速度0.40 m/s時(shí)，靠泊能量為3 491 kN·m，已進(jìn)入護(hù)舷±10%的性能公差范圍，同樣認(rèn)為，LNG加注船的靠泊速度要控制在0.25 m/s以內(nèi)并盡可能小，極端情況下不能超過0.40 m/s。

5.2 系泊階段

如圖4所示，LNG受注船處于錨泊狀態(tài)，LNG加注船通過纜繩和護(hù)舷與受注船約束在一起。二者共同受到來自任何方向的環(huán)境外力(風(fēng)、浪、流)及相互間作用力的影響。由于涉及變量多、復(fù)雜程度高，一般采用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算的方法對纜繩、護(hù)舷等受力情況進(jìn)行動態(tài)分析。這里采用瑞典水池(SSPA)的SEAMAN軟件進(jìn)行計(jì)算。

圖4 錨泊狀態(tài)船船系泊示意

模擬計(jì)算基于LNG加注船輕載而受注船滿載的情況。考慮風(fēng)、浪、流外部條件及對應(yīng)的護(hù)舷最大變形計(jì)算結(jié)果見表8，可知護(hù)舷最大受力為934 kN，變形量約為16.3%，遠(yuǎn)小于護(hù)舷的額定反力4 469 kN。

表8 模擬分析結(jié)果

6 結(jié)論

1)LNG加注船進(jìn)行海上船對船過駁作業(yè)需要全面考慮其在各種作業(yè)場景以及不同階段的護(hù)舷受力情況。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算方法中，PIANC相關(guān)指南對護(hù)舷設(shè)計(jì)的考慮更為全面和保守。

2)無論是碼頭作業(yè)場景還是錨地作業(yè)場景，靠泊階段護(hù)舷的受力變形明顯高于系泊階段，因此當(dāng)需要快速校核護(hù)舷強(qiáng)度時(shí)，可以僅考慮靠泊階段。

3)靠泊速度始終是影響靠泊能量大小的關(guān)鍵因素，在護(hù)舷強(qiáng)度校核時(shí)需要重點(diǎn)考慮。同時(shí)，考慮到LNG加注船作業(yè)頻繁的特性以及由此增加的風(fēng)險(xiǎn)，在確定允許的最大靠泊速度時(shí)，必須要考慮一定的安全系數(shù)。

4)護(hù)舷強(qiáng)度僅僅是整個(gè)船對船過駁作業(yè)安全分析的因素之一，在決定風(fēng)、浪、流等外界環(huán)境條件的限值時(shí)，仍需考慮纜繩強(qiáng)度、集管相對運(yùn)動、船體橫搖碰撞等其他方面因素的影響。