大型LNG船舶在風(fēng)浪流共同作用下的系泊試驗(yàn)研究

高 峰，王煒正，李 焱

（1.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)實(shí)驗(yàn)室，天津300456；

2.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，武漢430071）

大型船舶吃水深、干舷受風(fēng)面大，受風(fēng)浪的影響尤為顯著，因此安全系泊一直都是船舶運(yùn)輸業(yè)務(wù)中比較復(fù)雜的問(wèn)題［1］。特別是對(duì)于正在進(jìn)行裝卸的大型船舶來(lái)說(shuō)，船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值過(guò)大，會(huì)使裝卸作業(yè)難以進(jìn)行，更嚴(yán)重的還可能造成系纜因受力過(guò)大而繃斷，以至于造成難以彌補(bǔ)的損失［2］，而液化天然氣（LNG）船是一種危險(xiǎn)品貨物運(yùn)輸船舶，其主要風(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。雖然LNG 接卸港的投資占接收站的總投資不足10%，但它在保證接收站安全營(yíng)運(yùn)中所起的作用至關(guān)重要［3-4］。因此，根據(jù)各港口布置的狀況對(duì)安全程度要求更高的大型LNG 船舶在各種風(fēng)、浪、流作用下的系泊安全分析更為重要。

擬建LNG 接收站及碼頭工程整體平面布置如圖1 所示。設(shè)計(jì)?？孔畲蟠蜑?6.6 萬(wàn)m3。港區(qū)包括航道、防波堤、護(hù)岸、LNG 泊位、取排水口等水工建筑物。其中，LNG 碼頭為蝶形布置括工作平臺(tái)、4 個(gè)系靠船墩、8 個(gè)系纜墩及棧橋等組成，碼頭結(jié)構(gòu)型式為墩柱式結(jié)構(gòu)，軸線走向?yàn)槟媳毕?。泊位處海底高程約為-15.0 m。本次研究即通過(guò)船模系泊物理模型，分別對(duì)不同泊位長(zhǎng)度、不同風(fēng)浪流組合以及系纜方式等進(jìn)行了試驗(yàn)研究，為碼頭布置方案和安全系泊條件的確定提供了科學(xué)依據(jù)。

圖1 工程平面布置示意圖Fig.1 Sketch of project layout

1 試驗(yàn)內(nèi)容與條件

1.1 研究?jī)?nèi)容

在不同作業(yè)工況組合條件下，通過(guò)試驗(yàn)得出系泊船舶運(yùn)動(dòng)分量和每根纜繩承受的最大拉力及各個(gè)墩臺(tái)每組護(hù)舷承受到最大撞擊力，推薦合理的系纜布置方式。另外，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)碼頭長(zhǎng)度帶來(lái)的變化進(jìn)行分析，并提出合理化建議。

1.2 船型尺度與碼頭長(zhǎng)度

主要試驗(yàn)船型為26.6 萬(wàn)m3（Membrane 膜式），船型主尺度參數(shù)如下表1 所示。試驗(yàn)包含390 m 和370 m兩個(gè)長(zhǎng)度（碼頭最外側(cè)系纜點(diǎn)間距），詳見(jiàn)圖2。

表1 26.6 萬(wàn)m3LNG 試驗(yàn)船型主尺度表Tab.1 Dimension series of 26.6×104 LNG ship

1.3 風(fēng)浪流條件

（1）風(fēng)：以20 m/s 為主，風(fēng)向包括艏來(lái)順風(fēng)0°、離岸艏來(lái)風(fēng)45°、離岸橫風(fēng)90°，離岸艉來(lái)風(fēng)20°。試驗(yàn)中主要采用了直接模擬風(fēng)動(dòng)力的方式，因此船模按照原型比例概化受風(fēng)面積模擬了上層建筑物（包括上艙蓋、駕駛樓等），并以風(fēng)壓力為主、風(fēng)速為輔的原則進(jìn)行驗(yàn)證，以確保要求的風(fēng)速能夠在船模上形成相應(yīng)的風(fēng)力。

（2）波浪：包括艏來(lái)浪45°，波高：1.2 m、1.5 m、1.8 m、2.0 m；波浪平均周期：7 s、8 s、10 s、12 s，以及90°橫向浪進(jìn)行典型工況的試驗(yàn)。試驗(yàn)采用不規(guī)則波，以JONSWAP 譜進(jìn)行模擬。

（3）潮流：試驗(yàn)?zāi)M最大垂線平均流速，參考潮流數(shù)學(xué)模型結(jié)果的最大值流速V=0.11 m/s，流向與碼頭呈8°夾角（自船艉來(lái)攏流）。流向誤差控制在3°范圍內(nèi)，分別在船舶停泊位置的艏、舯、艉三點(diǎn)布置流速測(cè)點(diǎn)以控制碼頭前流場(chǎng)。

圖2 兩種泊位長(zhǎng)度系泊布置示意圖Fig.2 Layout of two different kinds of berth length

1.4 系纜設(shè)施

系纜纜繩采用高分子量高密度聚乙烯纜（HMPE）及11 m 長(zhǎng)的尼龍纜尾索。相關(guān)資料表明，HMPE 纜繩的延長(zhǎng)率ε 為3%，設(shè)計(jì)考慮26.6 萬(wàn)m3船型最大纜數(shù)20 根，直徑44 mm 的HMPE 最大破斷力1 370 kN，直徑89 mm 尼龍尾索最大破斷力1 870 kN。4 個(gè)系靠船墩上分別布置了SUC2500H 一鼓一板低反力型橡膠護(hù)舷，設(shè)計(jì)反力2 625 kN，設(shè)計(jì)吸收能量2 882 kN-M。

2 船模試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

采用正態(tài)整體物理模型，結(jié)合試驗(yàn)?zāi)康囊蟛⒔Y(jié)合試驗(yàn)場(chǎng)地和設(shè)備，依據(jù)規(guī)范要求船模試驗(yàn)長(zhǎng)度比尺不超過(guò)80 的原則［5］，確定模型幾何比尺為λ＝60。模型整體平面布置滿足幾何相似和運(yùn)動(dòng)相似等條件，同時(shí)船舶模擬還滿足靜力（配載與吃水等）、動(dòng)力相似（浮心、重心與縱橫搖周期等）。

2.1 纜繩與護(hù)舷

（1）纜繩模擬。纜繩相似主要應(yīng)滿足以下條件：

①幾何相似：即原模型船舶上的帶纜點(diǎn)和碼頭上的帶纜點(diǎn)之間的距離相似。

②彈性相似：原、模型纜繩的受力-變形曲線滿足相似條件。

由于系泊纜繩由HMPE 纜和11 m 長(zhǎng)的尼龍纜尾索組成，而尼龍纜尾索可有效增加纜繩的彈性和降低系泊纜的動(dòng)力負(fù)荷，因此纜繩彈性模擬考慮將HMPE 纜繩彈性和尼龍纜尾索彈性線性合成，以考慮他們的混合影響，其中HMPE 纜繩的受力-變形計(jì)算中纜繩長(zhǎng)度減去了纜尾索的長(zhǎng)度，而11 m 長(zhǎng)尼龍纜尾索的受力-變形計(jì)算采用Wilson 公式計(jì)算。

（2）護(hù)舷模擬。護(hù)舷模擬模塊主要保證護(hù)舷的反力-變形曲線相似。試驗(yàn)中，每個(gè)系靠船墩上安裝一個(gè)護(hù)舷模型，四個(gè)系靠船墩共安裝四個(gè)。

2.2 系纜布置方式

試驗(yàn)包含兩種系纜方式，即4222（艏艉各4 根、倒纜各2 根、其他橫纜各2 根）和3322（艏艉各3 根、倒纜各2 根、艏艉橫纜1 各3 根、艏艉橫纜2 各2 根），通過(guò)改變模型系纜點(diǎn)位置來(lái)實(shí)現(xiàn)不同系纜方式的模擬。

2.3 系泊安全依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）運(yùn)動(dòng)量標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際航運(yùn)協(xié)會(huì)（PIANC）于1995 年推薦了可接受的船舶最大運(yùn)動(dòng)量值供參考，英國(guó)海工標(biāo)準(zhǔn)（BS6349-2000）亦有相關(guān)規(guī)定［6］。由于BS6349 規(guī)定值過(guò)高，不適于我國(guó)建港環(huán)境，本次試驗(yàn)研究主要以PIANC（1995）年推薦允許值作為依據(jù)，即：縱移、橫移均不超過(guò)2.0 m，縱搖、橫搖與回轉(zhuǎn)均不超過(guò)2.0°。

（2）系纜力標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)石油公司國(guó)際海事論壇（OCIMF）相關(guān)規(guī)定，對(duì)于合成纖維纜（Synthetic Rope），其纜繩所受拉力不應(yīng)大于其最小破斷力的50%，如超過(guò)則認(rèn)為纜繩直徑不滿足安全系泊要求［7］。因此，對(duì)直徑44 mm 的HMPE 纜，其最小破斷力為1 370 kN，則單根纜繩所受到的最大拉力應(yīng)小于685 kN（50%的最小破斷力）。

（3）護(hù)舷標(biāo)準(zhǔn)。最大撞擊力和最大撞擊能量應(yīng)小于SUC2500H 一鼓一板低反力型護(hù)舷的設(shè)計(jì)反力：2 625 KN 和設(shè)計(jì)吸收能量：2 882 kN-m。當(dāng)實(shí)測(cè)撞擊力和撞擊能量超過(guò)護(hù)舷的設(shè)計(jì)撞擊力和撞擊能量時(shí)，則認(rèn)為護(hù)舷型號(hào)不能滿足要求。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

表2 各泊位長(zhǎng)度下系泊結(jié)果最大值Tab.2 The Max.mooring results of different berth lengths

3.1 碼頭長(zhǎng)度對(duì)比試驗(yàn)

碼頭不同長(zhǎng)度（390 m 和370 m）對(duì)于系泊狀態(tài)而言，改變了艏艉纜及橫纜的長(zhǎng)度與系泊角度。由于碼頭兩種碼頭長(zhǎng)度差值20 m，370 m 長(zhǎng)度的各帶纜點(diǎn)相對(duì)于390 m 長(zhǎng)度向碼頭中心各自平移10 m。由于碼頭長(zhǎng)度差異不大，因此運(yùn)動(dòng)量整體變化不大，相對(duì)而言短泊位比長(zhǎng)泊位略小，變化幅度10%左右，但各運(yùn)動(dòng)量的最大值多出現(xiàn)在長(zhǎng)泊位試驗(yàn)期間，不同泊位長(zhǎng)度下最大運(yùn)動(dòng)量比較見(jiàn)表2 船舶運(yùn)動(dòng)量統(tǒng)計(jì)值。當(dāng)縮短碼頭長(zhǎng)度，系纜力有所減少，泊位在370 m 時(shí)的系纜力平均約為390 m 時(shí)的89%～96%。當(dāng)橫浪作用時(shí)，縮短碼頭長(zhǎng)度對(duì)減小系纜力的效果要更明顯些。而兩種長(zhǎng)度下的撞擊力互有大小，規(guī)律不明顯，但撞擊能量短泊位總體上略要小。系纜力、撞擊力與撞擊能量最大值比較見(jiàn)表2。

因此，從上述運(yùn)動(dòng)量、系纜力、撞擊力和撞擊能量的綜合對(duì)比，短泊位整體效果略好于長(zhǎng)泊位。本泊位受防波堤的掩護(hù)后，主要影響浪向?yàn)榻茩M浪的繞射波，而水流相對(duì)較弱，因此船舶系泊受橫向荷載主導(dǎo)，縮短泊位長(zhǎng)度，對(duì)改善船舶運(yùn)動(dòng)量更有效果。

3.2 風(fēng)浪流共同作用下系泊條件

該試驗(yàn)均在370 m 泊位長(zhǎng)度條件下進(jìn)行，系纜方式采用4222，各主要工況組合條件下的船舶最大運(yùn)動(dòng)量與纜繩、護(hù)舷受力情況見(jiàn)表3所示。

結(jié)果表明，各主要運(yùn)動(dòng)量均能滿足PIANC（1995）推薦值；當(dāng)與橫浪組合下更易接近或超過(guò)PIANC（1995）推薦值。其中，當(dāng)與順風(fēng)組合時(shí)對(duì)縱移運(yùn)動(dòng)量的影響較大，船舶各運(yùn)動(dòng)量相對(duì)均有增大，特別是橫移，其他離岸斜風(fēng)時(shí)的情況介于之間。波周期對(duì)運(yùn)動(dòng)量的影響較顯著，其中周期10 s、12 s 與該船型自搖周期（10.8～15.6 s）較為接近，如縱移在12 s 周期下最大可達(dá)到1.52 m、10 s 周期時(shí)也可達(dá)到1.41 m；而橫移可達(dá)到0.89 m、10 s 周期時(shí)也超過(guò)了0.5 m，達(dá)到0.76 m。不同波向?qū)\(yùn)動(dòng)量的影響也有較大差異，橫浪作用時(shí)的運(yùn)動(dòng)量最大，為控制浪向，此時(shí)橫移、橫搖都接近標(biāo)準(zhǔn)極限。

表3 船舶各運(yùn)動(dòng)量、系纜力與撞擊力最大值（4222 系纜方式）Tab.3 The Max.motion & force of lines & fenders(4222 mooring type)

從船舶系纜力結(jié)果看，各橫纜、倒纜的受力較為顯著，其中橫纜之間的不均勻系數(shù)為1.04～1.78（平均1.39），橫纜與艏、艉纜之間的不均勻系數(shù)為1.23～2.2（平均1.65）。當(dāng)波浪周期增加到12 s 時(shí)，系纜力和撞擊力明顯增加。安全系泊條件：H4%=1.2 m，TP=12 s，大部分工況超標(biāo)；H4%=1.5 m，TP=12 s 時(shí)，纜力基本均超標(biāo)；H4%=1.8 m，TP=10 s 時(shí)，艏離岸45°和90°吹開(kāi)風(fēng)的纜力超標(biāo)。如果在波浪周期12 s 條件下，只有當(dāng)波高降低至0.6 m 時(shí)，方可滿足系纜要求。對(duì)護(hù)舷而言，撞擊力和撞擊能量均滿足設(shè)計(jì)選型要求。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，表4 給出了不同風(fēng)速、不同系纜方式和不同浪向條件下試驗(yàn)船型（26.6 萬(wàn)m3）的安全控制標(biāo)準(zhǔn)推薦值。由于90°橫向浪即W 向波浪（小風(fēng)區(qū)成浪）年發(fā)生頻率為0.13%，且波高均小于0.5 m，對(duì)港內(nèi)波浪條件影響不大，因此系纜力控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以艏來(lái)浪45°為主。

表4 船舶系泊安全控制波高Tab.4 Wave height for ship mooring safety

3.3 系纜方式對(duì)比與優(yōu)化系纜試驗(yàn)

（1）系纜方式對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)中還進(jìn)行3322 系纜方式的對(duì)比，不同波浪條件作用時(shí)的結(jié)果不同。以45°斜浪作用為主時(shí)，從運(yùn)動(dòng)量和系纜力、撞擊力都相差不大。而橫浪90°作用下，3322 方式則整體略優(yōu)于4222方式，如表5 所示。這與橫向束縛的分布均勻程度有關(guān)，而4222 主要集中于艏艉兩端，因此對(duì)整體的平穩(wěn)而言略差一些，因此推薦纜力分布相對(duì)均勻的3322 系纜方式。

（2）調(diào)整系纜點(diǎn)試驗(yàn)。將原方案中系在外側(cè)兩系靠船墩上的倒纜分別中心線移至內(nèi)側(cè)系靠船墩，此舉將增加倒纜長(zhǎng)度，從而一定程度改善受力，起到優(yōu)化倒纜目的。結(jié)果表明：運(yùn)動(dòng)量整體上比原方案略有少幅度減小，倒纜系纜力有所改善，特別對(duì)降低艉倒纜的效果略明顯，其纜力降低約14%，艏倒纜降低約5%～10%，因此推薦采用內(nèi)移倒纜系纜點(diǎn)的優(yōu)化措施。

表5 兩種系纜方式在橫浪作用為主時(shí)的對(duì)比Tab.5 Comparison between 4222 and 3322 mooring types under the action of transverse wave

4 結(jié)語(yǔ)

（1）不同碼頭泊位長(zhǎng)度的對(duì)比中，船舶運(yùn)動(dòng)量和系纜力隨著泊位長(zhǎng)度的縮短有整體減小趨勢(shì)，特別對(duì)偏橫向作用為主時(shí)的改善優(yōu)勢(shì)相對(duì)顯著；

（2）試驗(yàn)條件下的船舶運(yùn)動(dòng)量均能滿足PIANC 推薦值，系纜力分配更均勻的3322 系纜方式比4222 要略好一些，但按照50%安全量（MBL）考慮在波周期10 s 和12 s 時(shí)均有個(gè)別工況有斷纜風(fēng)險(xiǎn)。撞擊力和撞擊能量均小于護(hù)舷設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值，滿足選型要求。

（3）橫浪作用下的系泊條件相對(duì)略差，但由于工程區(qū)橫浪（W 向）年發(fā)生頻率僅為0.13%，且波高均小于0.5 m，對(duì)港內(nèi)波浪條件影響不大，因此系纜力控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以艏來(lái)浪45°為主，此時(shí)安全系泊最大波高H4%=2.0 m，T平均=7 s。

（4）目前試驗(yàn)條件中的風(fēng)浪流三個(gè)要素中，LNG 船型本身吃水相對(duì)較淺，因此主要將是風(fēng)、浪共同作用的影響為主，試驗(yàn)中出現(xiàn)了10 s、12 s 波周期系纜力超標(biāo)情況，因此波周期是船舶系泊影響較大的因素，因此在下一階段工作中進(jìn)一步掌握該區(qū)常年的波浪代表情況，可以有針對(duì)性的了解波周期在常年及一年內(nèi)的分布及變化規(guī)律，有利于更合理確定港口系泊安全標(biāo)準(zhǔn)。

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