LNG 加注船旁靠作業(yè)時的水動力性能試驗

樓丹平， 陳曉瑩， 袁紅良

（滬東中華造船（集團）有限公司，上海200129）

0 引 言

隨著能源發(fā)展方式的轉變和生態(tài)環(huán)保訴求的增強，國際液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）需求量持續(xù)攀升。為符合國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）越來越嚴格的污染物排放要求，將LNG作為船用燃料是一種現(xiàn)實可行的方案，提供安全可行的海上LNG加注方式是確保LNG動力船發(fā)展的前提。船-船加注（STS）方式因具有機動性好、加注效率高和加注范圍廣等優(yōu)點而被應用于長江、珠江和近海、湖泊、庫區(qū)等水域。

船舶卸載通常采用并靠和串靠2種形式，由于LNG具有低溫特性（-162℃），較長的輸送管道無法滿足安全操作的要求，因此可行的方案是加注船旁靠受注船進行卸載作業(yè)，即兩船并排平行，通過若干根系泊纜和護舷聯(lián)系在一起并保持一定的相對距離，加注船通過裝卸臂將LNG卸載到受注船的燃料艙中。受傳送速度的限制，旁靠作業(yè)時間較長，作業(yè)期間難免會遇到惡劣的海況，加上兩船之間的水動力干擾耦合運動，會直接影響兩船的相對運動狀態(tài)，進而對作業(yè)效率和安全性產生很大的影響。

國內外相關學者已對多浮體間的耦合運動和水動力干擾作用開展一些研究。BECHNER等[1]建立未考慮黏性流體影響的LNG運輸船旁靠FLNG數(shù)值分析模型，并在兩船之間的自由液面上人為引入阻尼蓋，使二階漂移力和相對橫蕩、艏搖運動的計算結果更合理。CHEN[2]在近場法的基礎上應用Stokes公式的變體形式開發(fā)出基于控制面的中場法，大大簡化計算。KOOP等[3]采用計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）模擬與模型試驗相結合的方法對尾輸作業(yè)系統(tǒng)中風力的遮蔽效應進行預報。ILLUMINATI等[4]采用CFD模擬FLNG尾輸作業(yè)中流的遮蔽效應。FANG等[5]對兩船波浪中的相對運動和波面升高進行數(shù)值計算和物模試驗研究。HONG等[6]對單浮體與多浮體的響應曲線進行對比分析，并采用耦合分析方法對多浮體和系泊系統(tǒng)進行時域分析和物模試驗研究。FOURNIER等[7]對兩船并靠狀態(tài)進行數(shù)值計算和物模試驗研究。趙文華等[8]對FLNG系統(tǒng)應用于旁靠卸載作業(yè)時的水動力性能進行物模試驗研究。

多浮體水動力耦合運動具有強非線性特點，理論研究仍有待完善。物模試驗雖然存在尺度效應的影響，但相對來說更能反映多浮體間的水動力耦合作用，可獲得更準確的預報結果。本文以5 000 m3LNG加注船旁靠9 400 TEU集裝箱受注船為研究對象，在上海船舶運輸科學研究所風浪流水池開展物模試驗，綜合考慮風、浪、流共同作用下兩船互相干擾的耦合水動力性能，通過模型試驗獲得兩船的六自由度運動、相對運動、系泊纜繩及護舷的受力特征值。

1 試驗模型

試驗選取5 000 m3LNG船作為加注船，選取9 400 TEU集裝箱船作為受注船。綜合考慮船體主尺度、試驗水池的造風、造波、造流能力和試驗測量儀器的精度，選取試驗模型縮尺比為1∶50。加注船和受注船主要參數(shù)見表1。

1.1 單點系泊系統(tǒng)模型

受注船采用艏部拋錨的方式單點系泊定位，錨鏈選用3級有檔錨鏈，直徑為111 mm，破斷負荷為8 480 k N。錨地水深約24 m。系泊布置圖及纜繩編號見圖1。

1.2 連接系統(tǒng)

加注船與受注船之間的系泊纜繩為高性能尼龍單絲復合繩，直徑為56 mm，單位長度質量為2.0 kg/m，破斷負荷為651 k N，其張力特性曲線見圖2。艏纜2根，艏倒纜2根，艉纜2根，艉倒纜2根，共8根。充氣式橡膠護舷（靠球）長2.0 m，直徑3.5 m，共布置4個，其性能曲線見圖3。

圖2 兩船之間系泊纜繩張力特性曲線

圖3 充氣式橡膠護舷性能曲線

2 海況環(huán)境和試驗工況

試驗中的風和流采用定場風、定場流模擬，選擇風、浪、流同向的試驗工況（見圖4和表2），不規(guī)則波譜采用JONSWAP譜，譜峰因子取γ=3.3，模型試驗模擬3 h的實際海況，采樣頻率為50 Hz。

圖4 風、浪、流同向工況示意

表2 風、浪、流環(huán)境組合

3 試驗結果與分析

3.1 兩船六自由度運動及相對運動

圖5為兩船六自由度運動曲線。由圖5可知：加注船與受注船并靠作業(yè)時，兩船的縱蕩運動響應和橫蕩運動響應高度一致；由于兩船的主尺度相差太大，加注船在縱蕩方面以高頻成分居多；在橫蕩方面因充氣橡膠護舷的可壓縮性，運動幅值略有差異，但相位是一致的。相對于受注船來說，加注船的噸位太小，在同等海況下其垂蕩、橫搖和縱搖運動幅度較大，相應最大值分別為0.6 m、1.58°和2.95°（見表3）。

圖6為兩船相對運動時歷曲線。由圖6可知：在兩船的相對運動中，相對縱蕩占主導地位，其時歷曲線中低頻成分更多一些；相對而言，相對橫蕩和相對垂蕩有更多的高頻成分；增大兩船之間系泊纜的預緊力可有效降低相對縱蕩，但這勢必造成護舷碰撞次數(shù)增多（見表5）。

圖5 兩船六自由度運動曲線

表3 加注船與受注船運動統(tǒng)計值

圖6 兩船相對運動時歷曲線

表5 兩船相對運動結果

3.2 系泊纜與橡膠護舷受力特性

通過試驗獲得并靠系統(tǒng)系泊纜和橡膠護舷的受力統(tǒng)計值，以長度最短的6#纜繩為代表，在迎風、迎流、迎浪工況下，風力和流力迫使兩船縱向產生相對位移，兩船之間存在相互排斥的二階波漂力。圖7為系泊纜及護舷受力時歷曲線。

圖7 系泊纜及護舷受力時歷曲線

表6為系泊纜受力統(tǒng)計特征值，纜繩最大伸長量約為21%，5#纜繩和6#纜繩較短，6#纜繩最大受力為240 k N，相對于該纜繩的最小破斷負荷651 k N來說，安全系數(shù)為2.71，大于法國船級社相關系泊指南[9]的最小安全系數(shù)1.67，因此系泊系統(tǒng)是安全的。

由于單點系泊系統(tǒng)具有風標效應，系泊船舶會停泊在環(huán)境力最小的方位上，試驗中發(fā)現(xiàn)兩船會在橫向上發(fā)生較大的偏蕩。表7為充氣式橡膠護舷反力統(tǒng)計值，1#護舷反力最大值為315 k N，變形量約為20%，護舷選型也滿足安全要求。

表6 兩船之間系泊纜受力統(tǒng)計特征值

表7 充氣式橡膠護舷反力統(tǒng)計值

4 結 語

1）兩船之間的相對運動是影響加注船并靠受注船安全作業(yè)的最主要因素，其中：相對縱蕩運動占主導地位，具有明顯的低頻運動特性，會使系泊纜受力增大；在橫蕩方面，由于橡膠護舷的可壓縮性，兩船的運動幅值略有差異，但相位是一致的，相對橫蕩運動中以高頻成分居多。

2）兩船噸位相差較大，在相同海況下加注船的運動幅值比受注船更明顯，處于不利的狀態(tài)。加注船運動過大是兩船發(fā)生碰撞的主要原因，且運動幅值過大會對安全加注作業(yè)產生很大的影響，在實際工程中應特別注意。

3）兩船之間的系泊纜受力最大的是艏倒纜5#和6#，最大受力約為240 k N，相對于纜繩的最小破斷負荷651 k N來說，安全系數(shù)為2.71，滿足相關指南[9]的要求。橡膠護舷最大反力位于艏部4#，變形量約為25%，也滿足安全要求。