LNG船岸系泊軟件應用

梁斌，朱永凱，張海濤，周毅，李萌，張榮

(中海油能源發展股份有限公司 采油服務分公司，天津 300452)

LNG船舶靠泊期間,為保證其有效系泊、同時船舶能夠安全穩定靠泊在LNG接收站，確保LNG船舶和接收站碼頭的安全和LNG裝卸貨作業的順利進行，有必要對船岸系泊系統進行分析，指導實際的操作。目前國內外LNG接收站普遍接受和認可的計算結果是采用仿真的OPTIMOOR系泊軟件分析結果，該軟件的使用過程中有一些使用基本操作以及誤區需要注意。

1 數據輸入

1.1 船舶狀態

需要根據船舶的實際吃水狀態、首尾傾狀態、穩性(GM)以及LNG接收站的極端潮位進行輸入，見表1。一般需要輸入兩個極端狀態。這兩個極端狀態是船舶在碼頭靠泊時可能遇到的最不利的狀態。

表1 基礎數據

1)LNG船舶空載吃水狀態疊加LNG接收站最高潮位以及船舶的縱傾值，計算船舶理論最高的位置值。這一數值主要考量輸料臂的最高點與船舶接口是否兼容。

2)LNG船舶滿載吃水狀態疊加LNG接收站最低潮位以及船舶的縱傾值，計算出船舶理論最低的位置值。這一數值考量輸料臂所能下探到的最低點與船舶接口是否兼容。

OCIMF推薦在全風向60kn風速下，在上文所述的兩種極端狀態，疊加左右舷、加上下面不同方向流的工況進行計算，共20種工況，每一種工況都需要合格，才能確保LNG船在接收站的穩定靠泊。

1)對船逆流，流速3 kn。

2)對船順流，流速3 kn。

3)對船順流向碼頭外偏10°，流速2 kn。

4)對船逆流向碼頭外偏10°，流速2 kn。

5)對船橫流，流速0.75kn。

1.2 船型及受風因素的選擇

首先需設置好船長、船寬、基線的位置、管匯接口距甲板的高度等基本參數。對于船舶受風流影響的因素，必須要根據船舶的實際情況合理選擇。一般LNG船都是固定的艙型，都屬于系列船型，按照如下原則選擇。

1)LNG船是菱形，則選擇OCIMF Gas Carrier (prismatic)1。作為主流船型，貨艙采用薄膜型的維護系統，有14.7萬m、17.4萬m及26萬m的的QMAX型。

2)MOSS型LNG船選擇OCIMF Gas Carrier (spherical)。這種船一般為13.8萬m，多為日本制造，目前該船型的占有率逐年下降。

3)對于非標準船型，普通船一般為V型船頭，則可以選擇OCIMF Tanker (V-shaped Bow)。

2 碼頭碰墊及LNG船船舷受力分析

由于LNG船舶追求快速性，線型阻力小，平邊線較短，然而碼頭的碰墊的間距較大，一般標準間距為64 m，大型LNG接收站的間距甚至超過72 m。這是因為接收站主要是為了大型LNG運輸船靠泊進行的配置，伴隨著LNG貿易的逐步細化，中小型和非標準型LNG船逐步增多，原有的接收站的設施配置就不一定滿足新的發展需求了。需要仔細進行計算。

碰墊剛度會影響船舶向碼頭的橫向偏移。

如圖1、2所示，該船僅有3個碰墊受力，但是并不是完全貼合，軟件計算結果如下。

圖1 LNG船舶系泊示意

1)碰墊bb：接觸面35%，壓力520 kN。

2)碰墊cc：接觸面84%，壓力112 kN。

3)碰墊dd：接觸面31%，壓力值303 kN。

圖2 LNG船與碰墊位置示意

以碰墊bb為例，船舶的貼合度即接觸面僅為35%，該碰墊受到船舶給與的壓力為520 kN。

根據LNG接收站的碰墊數據，該碰墊的最大許用力為12.6 MN(見表2)，實際值為520 kN，遠遠小于碼頭碰墊的許用值，不會發生報警。這時，一般分析人員會忽略此項數值。實際上該值很有可能已經超過了船舶的舷側外板的結構強度，需要現場人員進一步審核。

表2 碼頭碰墊受力情況

查證示例船的船舷外板的結構強度，參考DNV關于頂推區域結構強度的要求，許用應力取0.8倍的屈服強度。該船的主肋骨材質為235鋼，許用應力取188 MPa700 kN力作用于2根主肋骨的計算結果見圖3，最大彎曲應力為281 MPa；如果作用于3根主肋骨，最大彎曲應力為187 MPa，剛好滿足許用應力標準。靠墊和主肋骨接觸的兩種情況見圖4。

圖3 肋骨彎曲情況

圖4 兩種受力工況

基于以上結果，可減小作用力，使其不大于600 kN。另外，1 450 kN的力由于作用于示例船底邊艙頂的水平桁，屬于強構件，結構強度也可滿足結構強度的要求。

經過結構計算，鑒于碰墊與船舶的相對位置，得出船舶受局部力不大于600 kN就可以接受，實際計算最大受力為520 kN，不會對船舶造成不可接受的影響。

計算者在使用軟件時，不能只簡單看單一數據，單純以報警作為唯一的判斷依據；而是需要總體考慮，結合實際經驗，確保LNG船舶以及碼頭設施整體的安全性。

3 系泊數據的正確選擇及注意事項

對于船舶的系泊設備的數據選取需要根據船舶的實際設備配置情況進行選取，需要輸入的數據包括：

1)船中距纜樁的距離。

2)中心線到纜樁距離。

3)剎車極限(超過此數值纜繩會滑出)。

4)剎車預緊目標。

5)纜繩直徑。

6)纜繩種類。

7)纜繩強度。

8)尾纜的長度、類型、強度。

OPTIMOOR包含有關鋼絲繩和合成纖維繩的斷裂強度和彈性的數據，當選擇系泊繩的材料和尺寸時，相關數據將自動生成。 許多彈性數據是基于Tension Technology International的知識，并基于對新舊合成纖維繩的實際測試得出的。其中最重要的是要選擇正確的纜繩類型，一般選擇迪尼瑪型高分子纜繩。迪尼瑪繩是采用迪尼瑪高強度聚乙烯纖維，強度高，其強力是優質鋼的10余倍，密度小于水，能漂浮于水面，伸縮率低，可以有效減小船舶因纜繩的伸縮而引起橫移及縱移。尾纜的選擇一般為“pe”，就是聚乙烯纜繩，有較好的強度和韌性，耐磨，重量較輕，能夠作為尾纜。尾纜相當于整根纜繩的“彈簧”彌補高分子纜繩低伸縮性的不足，給與船舶適當的運動，抵消風浪流帶來的運動。由于尾纜材質不如高分子纜強度高，顧其纜繩直徑會是高分子纜的3倍以上，長度一般為11 m。

對于超大型的LNG船，由于需要的系泊力巨大，一般需要20根纜繩，如果使用高分子纜繩，成本太高，常常選用鋼絲纜作為主纜。另外對于船舶的絞車，絞盤制動器滑動時的張力可以輸入為絞盤制動器限制。如果使用恒張力絞盤，纜繩自動拉入或放出，以保持規定的張力值。當在系泊分析期間超出此限制時，系泊纜線長度將增加以使張力低于此限制，但是可能會造成船舶離開泊位，或者超出裝卸臂允許的滑動值。

4 纜樁選擇及纜鉤受力

如果來自同一船舶的多條纜繩放置在同一系泊點上，則會自動計算總作用力；如果多個系泊點安裝在同一個系船柱上，則需要將各自的力相加，以確定系船柱的總力。因此，最好將單個系船柱上的幾個系船柱或吊鉤指定為單個系泊點。每個系泊樁上有2～3個帶纜鉤，可以同時帶2～3根纜繩。總體每根纜繩的受力不能超過纜繩許可受力的50%(40%～50%顯示黃色，50%～55%顯示橙色，高于55%顯示紅色)，否則需要重新調整出纜的位置。這里需要注意纜繩的長度不可過短，角度不可太大，兩根纜繩之間盡量避免交叉，尤其是前后倒纜和首尾纜之間，防止纜繩之間摩擦或者改變受力方向。

超過裝載臂包絡或對船舶和岸上歧管之間的相對運動的類似限制通常是管理LNG船的一個問題。 裝載臂或貨物軟管過度伸展會導致損壞，甚至漏油、火災或爆炸。顧需要控制船舶的多維運動。船舶移動值依次表示縱蕩、橫蕩、偏航和垂蕩。這些值位于船舶上的目標位置(通常為船舶中部或歧管處)。搖擺值后的“out”表示船舶遠離碼頭，“inw”表示船舶向碼頭移動。

如果多個系船柱或吊鉤安排在同一個纜柱上，且該系船柱上的極限荷載是一個問題，則有必要手動匯總該系船柱上所有系船柱的力。如果一條以上的系泊纜穿過同一導纜孔，則必須為每條系泊纜單獨說明并計算。

為了降低纜繩張力，可增加纜繩長度；降低系泊鋼纜的動力負荷，以及減少船舶的運動量的最佳方法是增加一段尾纜。施加合理的預張力能有效降低船舶的位移量，均衡纜繩張力。

5 風浪流數據的選擇

潮汐數據的使用有3個選項，可從“常規環境”或“泊位”窗口上的選項下拉菜單中獲得。如果選擇“忽略潮汐”，則OPTIMOOR不考慮潮汐，即使可能已輸入潮汐數據。也可以單獨輸入作為計算現場潮汐高程和海流基礎的適當潮汐表，當使用潮汐數據時，泊位位置的基準和調整后的潮汐數據也將顯示在時間、潮汐界面中。可以對公布的潮汐數據進行調整，以便與特定泊位位置的潮汐相對應。這些調整可以在右上角輸入。潮汐和水流之間的關系也可以在此處輸入。

可以輸入具體的時間，水位由上一個和下一個潮位時間的潮汐高程之間的正弦插值得出，然后用于系泊計算。平均風速以kn為單位輸入，OCIMF建議使用30 s的平均風速。風向輸入為風向真北(相對于北)或與泊位軸的角度。正北以泊位窗口上定義的北向為基礎，應注意，因為此泊位方向可能基于正北、指南針北。

流的數據可以輸入當前方向真值或與泊位角度。另一個值則由程序計算，當前到泊位的角度基于泊位的(縱向)軸。船舶位移值依次表示縱蕩、橫蕩和偏航，這些測量值在船的中間位置。

6 結論

使用OPTIMOOR分析、規劃和管理實際系泊情況需要有足夠的經驗，應了解OPTIMOOR中使用的數據和公式并不適用于所有情況和條件。

由于該軟件僅為靜態的模擬分析，采用靜力模型計算船舶在靜力荷載作用下的纜繩內力、防護舷受到的擠靠力、碼頭上的系船柱受到的力等，可以給出每根纜繩在最不利風向時的內力。該靜力模型在計算外荷載時，將外荷載按照靜力考慮而實際操作中風浪流均為變量，并且會疊加，需要使用者在實際工作中結合實際根據經驗留有余量。另外一方面，由于該軟件模擬的風為60 kn，是遠超過LNG接收站所允許船舶靠泊的風速，故計算結果有個別項超過設定警報值，對具體問題具體分析，采取可靠的補救措施。