基于OPTIMOOR軟件的船岸兼容性分析

楊 波，朱永凱，楊 靜，周 斌，斯園園

(中海油能源發(fā)展采油服務公司 天津 300452)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展，對天然氣的需求不斷增加[1]，國內(nèi)的天然氣資源儲量十分有限，將在很長一段時間內(nèi)依賴國外進口。由于大型LNG運輸船只能將天然氣運至沿海大型LNG接收站，很多重要城市或經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)覆蓋不到，為維持天然氣持續(xù)穩(wěn)定供應，必須使用小型LNG運輸船進行二次運輸，液化天然氣的二程轉(zhuǎn)運必將迎來一個非常廣闊的發(fā)展前景[2]。

小型LNG運輸船一般指艙容＜4萬m3、液貨艙型式為獨立C型的LNG運輸船[3]。目前國內(nèi)正在運營的小型LNG運輸船為中海油能源發(fā)展采油服務公司建造的“海洋石油301”號LNG運輸船，主要用于國內(nèi)大型LNG接收站向中小型LNG接收站的二次運輸。LNG運輸船靠泊LNG接收站前需與LNG接收站進行船岸兼容性研究，只有滿足條件后，LNG運輸船才可以靠泊LNG接收站[4]。

以“海洋石油301”船與國內(nèi)某LNG接收站為例，利用OPTIMOOR軟件進行有限元計算，開展船岸兼容性研究，確認“海洋石油301”船是否可靠泊LNG接收站。

1 計算基本條件

1.1 船舶基本參數(shù)

“海洋石油301”船是由上海船舶設計院設計、江南船廠為中海油能源發(fā)展采油服務公司建造的國內(nèi)首艘30000m3LNG運輸船，該船于2015年5月 8日正式投入運營。船舶配置4個雙耳獨立C型液貨艙、雙燃料電力推進(DFDE)系統(tǒng)、全回轉(zhuǎn)推進器，艏部采用大功率可變螺距側(cè)推，具備自行靠離泊碼頭能力，可有效降低運營成本。船舶主要服務于我國沿海大型LNG接收站與小型LNG接收站之間的LNG二程轉(zhuǎn)運。海洋石油301船總長度為184.7m，垂線間長為175.0m，型寬為28.1m，型深為18.7m，壓載吃水為6.0m，結(jié)構(gòu)吃水為7.6m，可裝載3萬m3的LNG，服務航速為16.5kn。

1.2 LNG接收站基本參數(shù)

國內(nèi)LNG接收站碼頭布置如圖1所示。

圖1 LNG 接收站碼頭布置 Fig.1 Layout of LNG terminal jetty

LNG接收站天然條件良好，擁有獨立的進港航道。LNG接收站的設計水位為：設計高水位為水深基準點+2.28m，設計低水位為水深基準點+0.35m。系纜樁和碼頭系纜鉤的數(shù)據(jù)見表1，護舷墊的數(shù)據(jù)見 表2。

表1 吊鉤/帶纜樁 Tab.1 Hook/bollard

表2 護舷墊 Tab.2 Fender pad

2 OPTIMOOR系泊計算分析

2.1 模型建立

利用有限元分析軟件OPTIMOOR分別建立船舶和碼頭模型，軟件模型見圖2。

圖2 OPTIMOOR軟件模型 Fig.2 OPTIMOOR software model

經(jīng)過優(yōu)化布置，“海洋石油301”船靠泊該碼頭的最優(yōu)系纜方案如表3。

表3 船舶系纜方式 Tab.3 Ship mooring mode

2.2 工況條件

工況選擇時，參考《石油公司國際海事論壇(OCIMF)規(guī)范、規(guī)則》，對LNG運輸船系泊進行分析，分為以下幾種情況：洋流的方向與LNG運輸船的夾角為0°或180°時[5]，流速選取3kn(節(jié))，折算約為1.54m/s；洋流的方向與LNG運輸船的夾角為10°或170°時，流速選取2kn(節(jié))，折算約為1.03m/s；洋流的方向與LNG運輸船的夾角為其他角度時，流速選取0.75kn(節(jié))，折算約為0.39m/s。船岸兼容性研究是對最危險的情況進行計算分析，從石油公司國際海事論壇(OCIMF)規(guī)范、規(guī)則中選取洋流方向與LNG運輸船的夾角為0°、180°、90°、10°或170° 5種情況。

“海洋石油301”船的系泊布置應滿足在風速達到60節(jié)(任何方向的風)[6]并伴隨下列5種水流的條件下仍能保證船舶的系泊：水流來自船艏或船艉時流速3節(jié)；水流來自船艏或船艉10°方位時流速2節(jié)；水流來自船舶正橫方位時流速為0.75節(jié)。

利用OPTIMOOR有限元軟件進行系泊計算時需考慮2種極端條件下的情況，分別為滿載吃水和最低潮位，以及壓在吃水和最高潮位。

綜上，LNG運輸船的設計工況包括表4所列 10種工況。

表4 工況條件 Tab.4 Operating conditions

2.3 系泊計算

應用OPTIMOOR軟件計算在不同風速、流向和流速情況下LNG運輸船的系泊狀況、船舶平行中體和護舷墊受力、船舶的位移。LNG運輸船系泊纜繩能承受的最大負荷需根據(jù)系泊纜繩的材質(zhì)和纜繩的最小破斷力來決定。如果LNG運輸船系泊纜繩為鋼絲繩，系泊纜繩可承受最大的系泊負荷不得超過纜繩最小破斷力的55%[7]；如果LNG運輸船系泊纜繩為合成纖維纜繩，系泊纜繩可承受最大的系泊負荷不得超過纜繩最小破斷力的50%，本次計算的船舶“海洋石油301”船系泊纜繩為迪尼瑪Dyneema高強度聚乙烯纖維，為合成纖維纜繩，因此，系泊纜繩可承受最大的系泊負荷不得超過纜繩最小破斷力的50%。LNG運輸船平行中體至少與2個以上護舷墊接觸，且護舷墊的變形在有效范圍內(nèi)。

分別對不同工況條件下LNG運輸船和LNG接收站的兼容情況進行計算。工況1：吃水6.0m；潮高2.28m；水流方向船艏，流速3.0knots；風速為60knots。OPTIMOOR軟件計算出纜繩的受力情況如表5，護舷墊的受力情況如表6。

表5 工況1條件下纜繩受力的受力情況 Tab.5 Force of cable under condition 1

表6 工況1條件下護舷墊的變形 Tab.6 Deformation of fender pad under condition 1

工況2：吃水6.0m；潮高2.28m；水流方向船艉，流速3.0knots；風速為60knots。OPTIMOOR軟件計算出纜繩的受力情況如表7。護舷墊的受力情況如表8。

表7 工況2條件下纜繩受力的受力情況 Tab.7 Force of cable under condition 2

表8 工況2條件下護舷墊的變形 Tab.8 Deformation of fender pad under condition 2

工況3：吃水6.0m；潮高2.28m；水流方向船艏10°，流速2.0knots；風速為60knots。OPTIMOOR軟件計算出纜繩的受力情況如表9。OPTIMOOR軟件 計算出護舷墊的受力情況如表10。工況4：吃水6.0m；潮高2.28m；水流方向船艏10°，流速2.0knots；風速為60knots。OPTIMOOR纜繩的受力情況如表11所示。

表9 工況3條件下纜繩受力的受力情況 Tab.9 Force of cable under condition 3

表10 工況3條件下護舷墊的變形 Tab.10 Deformation of fender pad under condition 3

表11 工況4條件下纜繩受力的受力情況 Tab.11 Force of cable under condition 4

工況5至工況10采用上述同樣方法，計算出纜繩和護舷墊的受力情況。將每種工況下LNG運輸船和LNG接收站兼容性最差的數(shù)據(jù)進行匯總，得出不同工況條件下纜繩受力、船舶位移及護舷墊的變形情況，見表12。

表12 計算結(jié)果 Tab.12 Calculation results

通過上述數(shù)據(jù)可以看出，系泊纜受力最大為29.1t，小于纜繩破斷力的50%，護舷墊的最大變形在允許范圍內(nèi)，對船舶的作用力滿足規(guī)范受力的要求。因此，文中所述的系泊布置方案可以應用于船舶實際靠泊。

3 結(jié) 語

LNG運輸船靠泊LNG接收站前，除需進行上述系泊計算外，還應進行卸料臂和管匯、登船梯的位置和支撐、應急關斷、纜繩張力檢測等匹配確認性。其中，卸料臂與管匯的匹配包括卸料臂與管匯對接法蘭的匹配性，即卸料臂的個數(shù)、管匯距離水面的距離等。登船梯的匹配應在所有海況和LNG運輸船裝載(滿載和壓載)的條件下，登船梯所在甲板的高度在登船梯的活動范圍內(nèi)。

基于OPTIMOOR軟件的船岸兼容性計算可以解決LNG運輸船和接收站安全性問題。在LNG船舶和接收站設計階段進行必要的船岸兼容性計算有利于船舶和接受站后期的運營。■