某小型LNG船系泊布置數(shù)值計算分析

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

由于液化天然氣(LNG)的特殊性、LNG碼頭選址特點和船舶大型化趨勢，使其對碼頭布局和水深的要求越來越高，LNG碼頭較多采取開敞式布置形式[1]。LNG船是危險品運輸船，對系泊布置要求較高[2-3]部分船東需要船舶設(shè)計方提供系泊布置的可行性分析，目前國際上研究的主要方法是物理模型試驗和數(shù)值計算[4]。數(shù)值計算的原理是對系泊系統(tǒng)建立合理的數(shù)學(xué)模型，數(shù)學(xué)模型包含動力和靜力模型兩種，用數(shù)值模擬的方法對系泊體系的內(nèi)力進行分析預(yù)報，從而選擇最合理的設(shè)計方案。本文針對某小型LNG船選用其中的靜力模型進行系泊布置可行性分析。計算時，將外載荷按照靜力考慮，風(fēng)和水流載荷采用石油公司國際海事論壇(OCIMF)所推薦的環(huán)境條件標準或碼頭推薦的運營標準；對于波浪載荷，采用的方法是，通過給定的波高計算出波浪作用在船上的近似靜力，然后把波浪力疊加到風(fēng)載荷中[5]。

1 系泊分析概述

1.1 系泊布置主要原則

一般來說，包括LNG船在內(nèi)的液貨船的系泊模式布置主要參照OCIMF的相關(guān)要求，包括如下原則性建議。

1)系泊纜繩盡可能對稱布置于船舯附近。

2)纜繩的布置，應(yīng)使作用相同的纜繩在船上絞車和岸上系纜樁直接的長度大致相等。

3)橫纜盡量垂直于船的縱向中心線并盡可能靠近船艉和船艏。

4)倒纜盡量與船的中縱剖面平行。

5)盡量減少系泊纜繩的垂直角。

對于具有平甲板的LNG船，倒纜和相關(guān)絞車的布置可以近似于油輪布置。而對球形艙或具有凸起甲板的LNG船，在貨艙區(qū)域的主甲板上布置絞車是不現(xiàn)實的，倒纜必須從上建后面和主甲板前端或艏樓處的絞車導(dǎo)出來。這種船型，干舷高，水線上受風(fēng)面積大，水線下受流面積較油輪小，受風(fēng)力影響較大，容易向下風(fēng)飄移[6]，對系泊的要求更高。 凸起甲板的小型LNG船見圖1。

圖1 具有凸起甲板的LNG船舶

1.2 設(shè)計衡準

從LNG船舶港內(nèi)作業(yè)期間的安全角度考慮，船舶相對于碼頭的位移是影響裝卸臂正常工作與否的控制因素，也是系泊作業(yè)期間最容易引起泄露的關(guān)鍵，因此在系纜和護舷的負荷沒有超出設(shè)計承載前提下，船舶運動量較小的方案將更為理想。對LNG安全裝卸作業(yè)影響較大的是橫移、縱移，國際航運協(xié)會PIANC規(guī)定最大為2.0 m，英國規(guī)范BS6349-1規(guī)定最大為0.5 m，各碼頭按照本地的環(huán)境條件及配備的裝載設(shè)備情況而規(guī)定。

環(huán)境條件和系纜力根據(jù)OCIMF的要求，對于無限航區(qū)的作為固定設(shè)備用于系泊和系留(保持穩(wěn)定系泊)的能力應(yīng)滿足下列條件，來自任何方向的60 kn風(fēng)速的風(fēng)力，同時包括下列任意一個條件：來自船艏0°或船艉180°方向的3 kn流速的水流；或者10°或170°流向下2 kn流速的水流；或者來自正橫最大水流載荷的0.75 kn的水流。系泊時，合成纜繩的受力不超過纜繩的最大破斷負荷的50%[1]。

2 系泊布置實例分析

2.1 船舶主要參數(shù)

分析對象為某10 000 m3LNG液化氣船，其基本參數(shù)如下。

船舶載重量：10 000 m3；柱間距長：127 m；船寬：19.8 m；型深：11.5 m；甲板以上側(cè)受風(fēng)面積：1 320 m2；甲板以上橫受風(fēng)面積：320 m2；纜繩直徑28 mm，材質(zhì)迪尼瑪，14根。

2.2 碼頭環(huán)境條件

世界上的LNG碼頭一般采用“蝶”或“一”字形離岸墩式布置形式，以蝶形碼頭居多。選擇2個典型的LNG碼頭進行分析：新加坡LNG碼頭和大連LNG碼頭，均為蝶形碼頭。二者分別是良港和環(huán)境較惡劣的外海開敞式碼頭的代表。

新加坡的首個LNG碼頭是亞洲天然氣貿(mào)易新中心，小型的LNG運輸船將LNG轉(zhuǎn)運供應(yīng)給越南等LNG需求量巨大的亞洲市場買家。該碼頭位于裕廊島，地理條件良好，水深近12 m的天然良港，碼頭區(qū)域浪涌較小，一般可以忽略其對船體運動的影響，做系泊分析時采用的環(huán)境條件可以只考慮風(fēng)和流的影響組合；一般情況下，該碼頭正常海況的最大風(fēng)速為30 kn。在設(shè)定分析環(huán)境條件時，按船東的要求，風(fēng)速只需設(shè)定為30 kn，而非OCIMF所推薦的60 kn。

大連LNG碼頭位于大連保稅區(qū)大孤山新港，是目前國內(nèi)最大、中國北方第一個LNG碼頭。大連LNG碼頭工程直接面對外海，波浪可由外海無掩護直接傳播至泊位水域，常年都有方向變換的波浪、潮流及風(fēng)等動力的共同作用。所以分析時，在OCIMF所推薦的環(huán)境條件標準之上，需要另外疊加2.0 m的浪高和涌高，平均周期均為10 s。

2.3 應(yīng)用軟件對系泊計算的分析

限于篇幅，只考慮最惡劣的情況，高水位時壓載和低水位時裝載時船受風(fēng)面積最大。

2.3.1 新加坡LNG碼頭分析

1)OPTIMOOR數(shù)據(jù)輸入。

①船舶主要參數(shù)見2.1。

②壓載吃水5.0 m， 裝載吃水6.3 m。

③碼頭：高水位4.1 m，低水位0.4 m。

④纜繩：直徑28 mm，材質(zhì)迪尼瑪，12股編，最大破斷負荷(簡稱MBL)640 kN，長度220 m，纜繩編號從船艏到船艉為1～14。

⑤環(huán)境條件見表2，風(fēng)速為30 kn，共計10個工況。

2)系泊布置。根據(jù)該船舾裝數(shù)計算結(jié)果，并按照船級社規(guī)范要求，纜繩數(shù)量為5根，纜繩的最大破斷負荷為333 kN。船級社規(guī)范中規(guī)定的系泊索數(shù)量和最大破斷負荷是最低要求，參照1.1所述纜繩布置基本原則，該船的系泊布置見圖2，7根前纜和7根后纜，采用2倒纜+3橫纜+2艏纜/2倒纜+3橫纜+2艉纜的系泊模式。

圖2 艏/艉系泊布置示意

3)OPTIMOOR數(shù)據(jù)輸出。設(shè)定好系泊絞車剎車力和纜繩的預(yù)張力，經(jīng)OPTIMOOR軟件分析結(jié)果見表1。

表1顯示最大的纜繩張力僅為纜繩MBL的15%。船舶最大的前縱移為0.8 m，最大的后縱移為0.5 m，向外的橫移為0.9 m。新加坡LNG碼頭允許的漂移值為3 m，每種工況下船舶的位移均在裝載臂工作范圍內(nèi)，且大多數(shù)工況下船舶飄移情況良好。

2.3.2 大連LNG碼頭分析

1) OPTIMOOR數(shù)據(jù)輸入。

①船船舶主要參數(shù)見2.1。

②壓載吃水5.0m，裝載吃水6.3 m。

③碼頭：高水位4.75 m，低水位-0.20 m。

④纜繩：直徑28 mm，材質(zhì)迪尼馬，12股編，最大破斷負荷640 kN，長度220 m，纜繩編號從艏到艉為1～14。

表1 新加坡LNG碼頭分析結(jié)果

⑤環(huán)境條件見表2，風(fēng)速為30 kn，浪高和涌高為2.0 m，平均周期均為10 s，共計10個工況。

2)系泊布置。先分析2+3+2模式，軟件計算結(jié)果表明，前縱移和后縱移在允許范圍內(nèi)，但向外的橫移最大達到4.1 m，大連LNG碼頭允許的漂移值也為3 m，超出了碼頭允許的范圍。多種調(diào)整，經(jīng)過軟件計算、比較發(fā)現(xiàn)，2+4+1的系泊模式最好，見圖3。

圖3 船艏/船艉系泊布置

3)OPTIMOOR數(shù)據(jù)輸出。同樣的剎車力和纜繩預(yù)張力，經(jīng)軟件分析結(jié)果見表2。

表2顯示最大的纜繩張力為MBL的41%，負荷大，但還是小于OCIMF要求的50%，符合使用要求。船舶最大的前縱移為0.8 m，最大的后縱移為0.7 m，向外的橫移從4.1 m減少到2.3 m，滿足碼頭要求，在裝載臂工作范圍內(nèi)。

3結(jié)論

在不同的外部環(huán)境條件下，船舶的運動量和系纜力有比較大的變化。在環(huán)境相對惡劣的碼頭上，需要通過調(diào)整系泊模式來滿足系泊要求。該船的系泊布置方案安全有效。

表2 大連LNG碼頭分析結(jié)果