大型LNG船舶系泊條件試驗(yàn)研究

李 焱，鄭寶友，陳漢寶，高 峰

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)試驗(yàn)室，天津 300456）

0 引言

天然氣作為一種潔凈、高效能源，已成為世界油氣工業(yè)新的熱點(diǎn)，開發(fā)和利用天然氣對(duì)改善能源結(jié)構(gòu)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和對(duì)能源需求日益擴(kuò)大，我國(guó)正在加快擴(kuò)大液化天然氣（LNG）的進(jìn)口貿(mào)易[1]。LNG船是一種危險(xiǎn)品運(yùn)輸船，具有尺度大、吃水淺、受風(fēng)面積大等特點(diǎn)[2]。由于LNG的泄漏會(huì)對(duì)周圍環(huán)境和人員造成巨大危害，因此對(duì)其運(yùn)輸和裝卸的安全性要求極高，有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料表明[3]，LNG船舶的主要風(fēng)險(xiǎn)存在于港內(nèi)作業(yè)期間，約80%的事故是發(fā)生在港內(nèi)作業(yè)期間。當(dāng)前，隨著船舶大型化、專業(yè)化以及開敞式碼頭的增多，船舶在風(fēng)、浪、流作用下的系泊安全日益受到重視，我國(guó)有關(guān)單位針對(duì)大型油輪、散貨船的系泊條件進(jìn)行了一些研究，取得了一些有價(jià)值的成果[4-8]，但針對(duì)大型LNG船舶的研究則相對(duì)較少。

1 工程概況

某LNG碼頭為開敞式碼頭，處在岬角灣附近，潮流流速較大，碼頭前沿地形高程-17~-24 m，設(shè)計(jì)最大?？?66 000 m3的大型LNG船。為確保LNG船舶系泊安全，滿足工程設(shè)計(jì)需要，開展了風(fēng)、浪、流共同作用下LNG船舶系泊條件試驗(yàn)研究，通過優(yōu)化系纜墩的布置和系纜方式，達(dá)到LNG船舶安全系泊要求。

1.1 工程布置

碼頭平面布置呈蝶形狀，由工作平臺(tái)、靠船墩、系纜墩及引橋組成，總長(zhǎng)440 m（圖1）。工作平臺(tái)尺度為51 m×27 m（長(zhǎng)×寬），頂面標(biāo)高+8.5 m，采用高樁梁板結(jié)構(gòu)，排架間距8 m。主靠船墩2個(gè)，尺度為20 m×14 m（長(zhǎng)×寬），中心間距116 m，副主靠船墩2個(gè)，尺度為13 m×11 m（長(zhǎng)×寬），系纜墩為6個(gè)直徑13 m的圓形墩臺(tái)，靠船墩和系纜墩的頂面標(biāo)高均為+6.5 m，均采用高樁墩式結(jié)構(gòu)。引橋采用高樁梁板結(jié)構(gòu)。

圖1 LNG接收站碼頭工程平面布置圖

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

1）測(cè)定系泊船舶在風(fēng)、浪、流共同作用下，不同水位、不同載度時(shí)的船舶系纜力、撞擊力和撞擊能量。

2）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)碼頭平面布置和系纜方式進(jìn)行優(yōu)化，以滿足船舶系泊安全的要求。

2 試驗(yàn)條件

2.1 試驗(yàn)水位

設(shè)計(jì)高水位為3.65 m；設(shè)計(jì)低水位為0.37 m；平均水位為2.02 m。

2.2 環(huán)境荷載

主要包括風(fēng)、波浪和潮流，工況組合見表1，表中的角度是以船軸線為基準(zhǔn)，詳見圖2。

表1 風(fēng)、浪、流工況組合情況

圖2 荷載組合和系纜方式

2.3 船型

266 000 m3LNG船型主尺度和運(yùn)動(dòng)性能參數(shù)見表2。試驗(yàn)考慮滿載和壓載。

表2 試驗(yàn)船型主要尺度及有關(guān)參數(shù)

2.4 纜繩和護(hù)舷

原體纜繩采用直徑為44 mm的8股超高分子量聚乙烯纜繩，伸長(zhǎng)率為4%，最小破斷力為1 021 kN。

主靠船墩上護(hù)舷為SUC2000H（標(biāo)準(zhǔn)反力型） 二鼓一板護(hù)舷，設(shè)計(jì)反力和設(shè)計(jì)吸能量分別為3 562 kN和3 128 kJ，最大反力和最大吸能量分別為3 786 kN和3 312 kJ；副靠船墩上護(hù)舷為SUC2000H（標(biāo)準(zhǔn)反力型）一鼓一板護(hù)舷，設(shè)計(jì)反力和設(shè)計(jì)吸能量分別為1 781 kN和1 564 kJ，最大反力和最大吸能量分別為1 893 kN和1 656 kJ。

2.5 系纜方式

船舶系纜纜繩通常包括艏纜、橫纜、倒纜和艉纜，266 000 m3LNG船舶最大可用纜繩數(shù)量為20根。設(shè)計(jì)系纜方式為4222，其中倒纜系在主靠船墩（BD1和BD4） 上，長(zhǎng)度為37 m，詳見圖2。試驗(yàn)時(shí)每根纜繩初始力為137 kN。

3 模型概況

模型幾何比尺λL為1∶60。試驗(yàn)港池面積45m×40m×1.5 m（長(zhǎng)×寬×水深），配有國(guó)內(nèi)目前最先進(jìn)的造波、生流和造風(fēng)系統(tǒng)，港池邊界配有消波材料，能充分滿足本項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容的需要。整個(gè)物理模型模擬了工作平臺(tái)、靠船墩、系纜墩、棧橋及地形等，模型照片見圖3。

圖3 模型照片

3.1 波浪模擬

波浪力按重力相似進(jìn)行模擬，用單向不規(guī)則波進(jìn)行試驗(yàn)，譜型為JONSWAP譜。采用L型造波機(jī)造波，該造波系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)第一臺(tái)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)式可吸收式造波機(jī)，由144個(gè)造波單元板組成，每塊造波單元板規(guī)格寬0.5 m，高1.0 m，呈L型布置，其中長(zhǎng)邊38 m，短邊33 m（圖3），可模擬規(guī)則波、單向不規(guī)則波、斜向波、多向不規(guī)則波，最大試驗(yàn)周期為5 s，最大試驗(yàn)波高為0.35 m。模型特征波高和周期在碼頭模型布置之后進(jìn)行率定，采用SG200型波高測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量，當(dāng)測(cè)量特征波高和周期與目標(biāo)值相同時(shí)，則以對(duì)應(yīng)的造波參數(shù)作為正式試驗(yàn)參數(shù)。

3.2 水流模擬

水流力按重力相似進(jìn)行模擬。生流系統(tǒng)由分布在港池四周的22臺(tái)調(diào)速可逆水泵組成，計(jì)算機(jī)控制，可根據(jù)需求開啟不同位置的水泵及其轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流速、流向，同時(shí)造波與生流系統(tǒng)互不干擾。水流率定時(shí)選取船艏、船中和船艉三點(diǎn)位置控制流速大小和流向，采用挪威生產(chǎn)的多普勒三維流速儀測(cè)量。

3.3 風(fēng)模擬

采用多臺(tái)風(fēng)機(jī)直接造風(fēng)，風(fēng)速可變頻控制，可任意排列組合，實(shí)現(xiàn)局部風(fēng)場(chǎng)控制。風(fēng)模擬以風(fēng)壓力相似為主、風(fēng)速相似為輔的原則進(jìn)行驗(yàn)證。

3.4 船舶模擬

按重力相似模擬，滿足幾何相似、靜力相似和動(dòng)力相似。模擬時(shí)采用配重方法，使其符合不同載重時(shí)的重量及其分布要求，達(dá)到船舶的重心、橫搖及縱搖周期相似，船舶上部結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確模擬，以滿足風(fēng)壓面積相似。

3.5 纜繩和護(hù)舷模擬

纜繩模擬主要考慮長(zhǎng)度和彈性相似，即原模型船舶上帶纜點(diǎn)和碼頭上帶纜點(diǎn)之間的距離相似，以及原模型纜繩受力與變形關(guān)系曲線相似，圖4為纜繩彈性模擬結(jié)果的示例。護(hù)舷模擬主要考慮原型、模型的護(hù)舷反力與變形關(guān)系曲線相似。主靠船墩二鼓一板護(hù)舷的模擬結(jié)果見圖5。從纜繩和護(hù)舷的模擬結(jié)果可知，模擬效果良好。

系纜力、撞擊力和護(hù)舷變形采用水工船模力測(cè)試系統(tǒng)同步測(cè)量。該測(cè)試系統(tǒng)2008年由北京水利水電科學(xué)研究院研制，其中撞擊能量可根據(jù)實(shí)測(cè)的撞擊力和變形計(jì)算得到。

表3 平均水位條件下的最大系纜力

圖4 纜繩受力與變形關(guān)系曲線模擬結(jié)果

圖5 護(hù)舷反力與變形關(guān)系曲線模擬結(jié)果

4 試驗(yàn)分析

4.1 系纜力分析

風(fēng)、浪、流共同作用下，船舶產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，使纜繩受到拉力，護(hù)舷受到撞擊力。由于試驗(yàn)內(nèi)容較多，表3僅列出了設(shè)計(jì)方案在平均水位條件下的系纜力試驗(yàn)成果。試驗(yàn)表明：

1）不同工況下，各纜繩的受力狀態(tài)不同。單橫浪作用時(shí)，橫纜受力最大；單潮流作用時(shí)，倒纜受力較大?？傮w來看，橫纜和倒纜是主要受力纜繩，艏、艉纜受力則要小于前兩者。

2）吹開風(fēng)對(duì)纜繩受力產(chǎn)生明顯影響，使得纜力增加，尤其在橫吹開風(fēng)（270°）。吹開風(fēng)的風(fēng)速和船舶受風(fēng)面積越大，纜力增加越大，因此吹開風(fēng)作用時(shí)，船舶壓載時(shí)的纜繩受力大于船舶滿載。吹攏風(fēng)不僅不會(huì)增加纜繩受力，相反對(duì)橫浪作用下的纜繩受力有抵消的作用。

3）橫浪作用下，船舶產(chǎn)生的橫移、橫搖和系纜力均大于順浪，因此橫浪為控制浪向。橫浪作用下，船舶壓載時(shí)的系纜力要大于滿載，主要因?yàn)椴ɡ俗饔孟麓皦狠d時(shí)的運(yùn)動(dòng)量更大。

4）潮流對(duì)滿載船舶的作用力大于船舶壓載，相應(yīng)滿載的系纜力也要大。開流使得纜繩受力大于順流。應(yīng)該指出的是，當(dāng)潮流與順浪方向相反時(shí)，對(duì)船舶的系纜力并不會(huì)產(chǎn)生抵消作用。

5）在不同水位條件下系纜力相差不大，但本試驗(yàn)條件下低水位時(shí)略大。隨波高和周期增大，系纜力增大。

6）不同工況條件下，各組橫纜受力不均，其中系在MD2和MD5系纜墩上的橫纜受力大于系在MD3和MD4系纜墩上的橫纜受力，主要原因是MD2、MD3、MD4和MD5這4個(gè)橫纜系纜墩不在同一水平線上，使得各組橫纜纜繩長(zhǎng)度不同，從而造成短的纜繩受力大。

7）橫纜最大受力控制工況為船舶壓載、落潮開流，流速1.4 m/s，橫浪1.5 m，周期8 s，吹開風(fēng)（270°），風(fēng)速20 m/s條件，單根橫纜受力最大為842 kN；

倒纜最大受力控制工況為船舶滿載、落潮順流，流速1.61 m/s，橫浪1.5 m，周期8 s，斜吹開風(fēng)（315°），風(fēng)速20 m/s條件，單根倒纜受力最大為733 kN。

8）根據(jù)參考文獻(xiàn) [9]，為確保船舶系泊安全，通常單根最大纜繩受力不應(yīng)大于纜繩最小破斷強(qiáng)度的55%，即應(yīng)小于561 kN。本次試驗(yàn)條件下，最大橫纜和倒纜受力均大于561 kN，因此需對(duì)碼頭平面布置和系纜方式進(jìn)行優(yōu)化。

4.2 撞擊力分析

表4列出了各工況下，4組護(hù)舷所受撞擊力和撞擊能量的最大值。試驗(yàn)表明：

表4 各工況下4組護(hù)舷所受撞擊力和撞擊能量的最大值

1）橫浪作用下，護(hù)舷所受的撞擊力和撞擊能量最大；波高和周期越大，撞擊力越大；吹開風(fēng)和開流將部分抵消橫浪作用下船舶對(duì)護(hù)舷的撞擊力；撞擊力和撞擊能量的最不利工況為船舶壓載、橫浪、順流和吹攏風(fēng)條件。

2）兩鼓一板護(hù)舷最大撞擊力為3 556 kN，最大撞擊能量為1 258 kJ，撞擊能量約為設(shè)計(jì)吸能量的40%；一鼓一板護(hù)舷最大撞擊力為1 792 kN，最大撞擊能量為930 kJ，撞擊能量約為設(shè)計(jì)吸能量的59%，因此，護(hù)舷的選擇可行。

5 優(yōu)化方案試驗(yàn)

5.1 平面布置方案的優(yōu)化

原布置方案中的MD2和MD5系纜墩在MD3和MD4系纜墩前方，垂直距離20 m，造成4組橫纜長(zhǎng)度不等，從而受力不均，其中短的橫纜受力過大。為此，在優(yōu)化方案試驗(yàn)中，將MD2和MD5系纜墩后移至和MD3、MD4系纜墩在同一直線上，4組橫纜的長(zhǎng)度基本相同。

同時(shí)鑒于設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)中倒纜受力也較大，為改善倒纜的系纜條件，將倒纜系纜點(diǎn)由BD1和BD4主靠船墩移至BD2和BD3副靠船墩上，倒纜長(zhǎng)度由原來的37 m增加至57 m，見圖6。

5.2 系纜方式的優(yōu)化

為探求橫纜不同位置的變化對(duì)船舶系泊條件的影響，在上述優(yōu)化方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了不同系纜方式的對(duì)比試驗(yàn)，包括以下3種情況：

1）系纜方式仍為4222，即每個(gè)系纜墩均系纜，見圖6（a）。

2）系纜方式為4402，即MD3和MD4系纜墩不系纜，將其上的纜繩分別增加至MD2和MD5系纜墩上，纜繩總數(shù)仍為20根，見圖6（b）。

3）系纜方式為4042，即MD2和MD5系纜墩不系纜，將其上的纜繩分別增加至MD3和MD4系纜墩，纜繩總數(shù)仍為20根，見圖6（c）。

5.3 優(yōu)化方案試驗(yàn)成果分析

各優(yōu)化方案各組纜繩最大系纜力比較見表5，可知：

表5 平均水位條件下優(yōu)化方案最大系纜力成果表

1）優(yōu)化方案試驗(yàn)中各組纜繩的受力性質(zhì)不變，橫纜和倒纜仍是主要受力纜繩；單橫浪作用時(shí)，橫纜受力最大；單流作用時(shí)，倒纜受力最大；吹開風(fēng)使得纜繩受力增大；最大橫纜力和倒纜力發(fā)生的工況條件也與設(shè)計(jì)方案相同。

2）碼頭平面布置優(yōu)化后，橫纜受力較設(shè)計(jì)方案均勻，其最大單根橫纜受力由設(shè)計(jì)方案的842 kN減小為635 kN，可見優(yōu)化方案對(duì)均化并減小橫纜受力效果明顯。

3）比較相同的4222系纜方式，倒纜系在副靠船墩上后，倒纜纜繩增長(zhǎng)，纜力減小，最大單根倒纜受力由設(shè)計(jì)方案的733 kN減小為494 kN。

4） 4222、4402、4042三種系纜方式的最大單根橫纜力分別為635 kN、532 kN和632 kN，相比之下，4402的帶纜方式的最大系纜力最小，好于其它兩種方式，其大小為破斷力的52%，滿足要求，因此橫纜布置盡可能靠近船艏和船艉。

5）優(yōu)化方案試驗(yàn)中，船舶對(duì)護(hù)舷的撞擊力和撞擊能量與設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)相差不大，說明優(yōu)化后的碼頭平面布置和系纜方式對(duì)撞擊力和撞擊能量影響不大。

圖6 3種系纜方式布置圖

6 主要結(jié)論

風(fēng)、浪、流共同作用下船舶系泊條件的變化是個(gè)十分復(fù)雜的問題，船舶的運(yùn)動(dòng)、系纜力和撞擊力對(duì)三種荷載的響應(yīng)并不相同，其大小還與船舶的船型、載度、系纜方式和碼頭平面布置等有密切的關(guān)系，通過本次試驗(yàn)，得到以下認(rèn)識(shí)：

1）不同工況下，各纜繩的受力狀態(tài)不同?？傮w來看，橫纜和倒纜是主要受力纜繩，艏、艉纜受力則要小于前兩者。

2）吹開風(fēng)和開流使得纜繩受力增大，但使得船舶撞擊力減小。纜繩受力的最不利工況為船舶壓載、開流、橫浪、吹開風(fēng)條件；船舶撞擊力和撞擊能量的最不利工況為船舶壓載、順流、橫浪、吹攏風(fēng)條件。

3）優(yōu)化碼頭平面布置和系纜方式可有效改善纜繩受力。增加橫纜纜繩長(zhǎng)度，并使各組橫纜長(zhǎng)度基本相同，可使橫纜受力均勻并減小，同時(shí)橫纜布置盡可能靠近船艏和船艉。系纜方式4402的最大系纜力最小，可滿足船舶系纜要求。

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