LNG船用裝卸臂的包絡面設計

李俊宏，李 恬，覃 杰，陳良志

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東廣州 510230）

LNG裝卸臂是LNG裝卸船過程中最重要的設備，LNG裝卸臂的設計，應確保其操作可靠性，尤其是確保船岸連接的兼容性。裝卸臂船岸連接的兼容性即裝卸臂的包絡面的兼容性[1]。

影響裝卸臂包絡面的因素眾多，如碼頭設計參數、港口潮汐參數、船舶倉容、管匯參數等[2]。因此，裝卸臂包絡面的研究設計，應充分考慮各種影響因素。然而，許多LNG港口裝卸臂的設計常常對影響參數考慮不充分，或者過分依賴操作經驗，使得其設置的裝卸臂無法完全滿足船舶裝卸的正常要求，如船舶在正常運動范圍內產生報警、裝卸臂PERC斷開，甚至船舶到港后無法正常與裝卸臂連接，這嚴重影響了裝卸船工作效率，甚至碼頭作業的安全性。

目前，Choi等[3]對裝卸臂的包絡面設計進行了研究，但其方案模擬參數極多，實際工程運用存在一定困難。國內還鮮見對裝卸臂包絡面設計的報道，尤其是針對LNG裝卸臂的包絡面設計。本文將充分考慮影響LNG裝卸臂包絡面的各種因素，并以海外某大型LNG裝船項目為工程實例，研究包絡面的設計方案及適用于該項目的包絡面，以期為類似項目提供參考依據。

1 LNG船管匯特性

LNG船管匯是用于連接位于碼頭的裝卸臂，以進行流體輸送。通常LNG船管匯位于船舶中段，船兩側均有相同配置的管匯，以適用于不同碼頭的裝卸功能。典型的LNG船管匯特性如圖1所示。

圖1 LNG船管匯特性參數

其中，a為干舷高度，mm；b為船圍欄高度，mm；c為船管匯離水面高度，mm；d為船管匯法蘭縮進長度，mm；e為相鄰管匯法蘭中心距離，mm。

根據OCIMF Recommendation[4]，管匯接口法蘭個數及布置參數取決于LNG船的倉容，LNG船艙容分類如表1所示：

表1 LNG 船艙容類型

對于小型LNG船的管匯，通常為3個法蘭接口，其中兩個為液相連接口，一個為氣相接口，法蘭布置為LVL模式（L為液相，V為氣相，下同）。而對于大型LNG船，管匯法蘭接口增至5個，4個液相接口，1個氣相接口，管匯布置為LLVLL模式。無論LNG船艙容的大小，氣相接口均位于中心，液相接口位于兩側，如圖2所示（單位為mm）。

圖2 LNG船管匯布置

根據OCIMF Recommendation[4]，針對不同倉容的LNG船管匯尺寸及相鄰管匯間距，如表2所示。

表2 LNG船管匯尺寸及間距

管匯高度方面，不同倉容LNG船的管匯高度如表3所示。表3反映了管匯在船壓載及滿載狀態時距離水面的高度范圍。

表3 LNG 船管匯高度

上述LNG船參數，如管匯特性參數、不同狀態下管匯距離水面高度等信息為裝卸臂包絡面的設計提供了參考依據。

2 船舶運動

LNG港口通常選址在水文條件適宜的地方，為滿足停泊作業要求，通常還會設置防波堤，作業過程中，船舶將會被纜繩系住。盡管如此，隨著裝卸作業的進行，由于波浪的作用，船舶將會產生一定的運動。

影響包絡面的設計的主要船舶運動參數通常包括surge，sway及heave，如圖3所示。船舶運動參數可以通過物模試驗獲得，但考慮到LNG裝卸臂的重要性，可按規范設計值保守考慮[5]。

圖3 LNG船運動示意圖

3 包絡面設計

3.1 正常操作包絡面

正常操作時，由于海上船舶受港口水文條件及裝卸狀態的影響，裝卸臂包絡面設計需確定的參數包括：管匯距離碼頭前沿最小距離（LMin），最大距離（LMax），管匯最低點（HMin，含船舶升沉），最高點等（HMax，含船舶升沉），以上參數的計算公式如下：

LMin（Minimum Reach）=護 舷 壓 縮 厚 度（Compressed Fender Thickness）+管匯法蘭最小縮進（Minimum Flange Setback）-大小頭長度（Reducer，注1）；

LMax（Maximum Reach）=護舷自由厚度（Free Fender Thickness）+管匯法蘭最大縮進（Maximum Flange Setback）+船舶向外漂移（Sway）；

HMin（Lowest Point）= 船 管 匯 離 水 面 最 低點（Minimum Distance Between Manifold and Water Level）-船舶升沉（Heave）；

HMax（Highest Point）= 船 管 匯 離 水 面 最 高點（Maximum Distance Between Manifold and Water Level）+ 船舶升沉（Heave）。

注1：裝卸臂接口法蘭（QC/DC）為固定尺寸，通常船的管匯尺寸隨船艙容變化，某些小船連接裝卸臂時候可能會借助于大小頭，長度按500mm考慮。

其中，管匯離水面最高點為最大船型在壓載狀態下，且水位最高時的高度。管匯離水面的最低點為最小船型在滿載狀態下，且水位最低時的高度。

3.2 ESD包絡面

考慮到安全性，通常LNG裝卸臂會設置ERC。ERC包括兩級ESD報警，一級報警啟動ESD-1，將關閉ERS閥門、管路設施ESD閥及輸送泵；二級報警啟動ESD-2，同時也觸發ESD-1操作，PERC將會斷開[2]。兩級ESD系統將充分保護裝卸臂操作安全。

ESD包絡面設計取決于船舶漂移速度、ERS閥門關閉時間及裝卸臂緊急脫離裝置（PERC）的脫離時間。計算公式如下：

ESD-1（First Stage Alarm）=v（船舶漂移速度）×t1（ERS閥關閉時間）；

ESD-2（Second Stage Alarm）=v（船舶漂移速度）×t2（PERC斷開時間）；

造成緊急狀態的情況較多，如地震、海嘯等導致船舶纜繩意外斷開，火災情況下船舶緊急離港等。OCIMF建議船泊漂移速度為0.1~0.15m/s[2]，具體設計參數值可采用供應商過往項目經驗或模型試驗值。針對LNG裝卸臂方面，根據相關規范，ERS閥門關閉時間應設定在5~10s，PERC斷開時間為2s[6–7]。

4 實例研究

根據以上對LNG裝卸臂包絡面設計方案的分析與研究，以海外某設計船型范圍為10 000~220 000m3的LNG裝船項目為例，并選取設計范圍內的典型船型，其管匯參數歸納如表4所示：

表4 不同倉容的LNG船管匯參數

由表4可見，該項目管匯距離水面最小距離為7.72m，最大距離為22.8m，這與表3所示LNG船管匯距水面高度范圍一致。

采用PIANC規范值[5]，船舶運動參數如表5所示。

表5 LNG船舶運動參數

基于以上分析，該LNG碼頭裝卸臂的包絡面計算方案如下：

注2：碼頭操作平臺前沿線與靠泊前沿線距離為2.5m；護舷壓縮狀態下厚度為0.962m，自由狀態下厚度為1.97m，不同項目的參數有差異。

注3：本項目船在正常操作包絡面外漂移速度選取為0.125m/s，不同項目有差異；根據操作經驗及供應商建議，ESD-2包絡面可考慮一定余量，實際取值按0.5m。

通過以上計算，并考慮最苛刻工況下LNG船與碼頭裝卸臂的連接方案，該LNG裝卸臂的包絡面如圖4所示：

圖4 某海外項目LNG裝卸臂包絡面

本項目選取典型LNG船型做研究，然而LNG船型眾多，不排除某些老舊船型不滿足規范參數，因此應盡可能多分析船型庫中的參數，以進一步降低裝卸臂與船管匯不兼容的概率。本文設計的包絡面為正常操作的最小要求，供應商應根據承包商提出的具體要求，設計滿足全部操作參數的裝卸臂。通常，最終設計結果會留有一定的余量。

5 結語

以海外某LNG碼頭項目為例，通過對LNG船用裝卸臂的影響因素如管匯特性、港口水文特性、船舶運動情況、LNG船艙容及碼頭水工結構等的詳細分析，闡述了LNG裝卸臂包絡面的設計方案，結論如下：

1）LNG裝卸臂包絡面的設計應充分考慮港口水文條件、船的管匯特性及船舶運動參數等；

2）LNG船舶運動參數可采用PIANC參考值；

3）LNG裝卸臂ESD包絡面的設計主要依據OCIMF規范及供應商的經驗，ESD-2包絡面宜考慮一定余量；

4）包絡面分析應盡可能選取設計范圍內更多的船型，以盡可能減少設計偏差；

5）裝卸臂包絡面的設計應考慮最苛刻工況下管匯與裝卸臂的連接方案，確保在最苛刻工況下船岸連接的可靠性。