LNG船舶系泊試驗(yàn)對(duì)比分析研究

陳春升

(中海油福建漳州天然氣有限責(zé)任公司，漳州 363000)

圖1 碼頭平面布置圖Fig.1 Terminal layout

當(dāng)前，中國(guó)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)處于加速轉(zhuǎn)型中，LNG(液化天然氣)已成為中國(guó)油氣行業(yè)中發(fā)展最前沿的領(lǐng)域之一。LNG船舶是一種危險(xiǎn)品運(yùn)輸船，具有尺度大，吃水淺且受風(fēng)面積大等特點(diǎn)，一旦泄露會(huì)對(duì)環(huán)境和人員造成極其嚴(yán)重的傷害，因此對(duì)其運(yùn)輸和裝卸過(guò)程提出了非常高的安全要求，同時(shí)，LNG船舶主要風(fēng)險(xiǎn)存在于港內(nèi)作業(yè)期間。目前為適應(yīng)碼頭選址特點(diǎn)和運(yùn)輸船舶大型化要求，在我國(guó)已建和在建的河北曹妃甸、青島董家口、浙江寧波等大型LNG碼頭泊位越來(lái)越多的采取開(kāi)敞或半開(kāi)敞式布置形式[1]。外海開(kāi)敞式碼頭風(fēng)、浪、流等動(dòng)力因素極其復(fù)雜，系泊船的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及受力也更為復(fù)雜，系泊安全受到廣泛重視，相關(guān)單位也取得了一些研究成果[2-6]，但是針對(duì)長(zhǎng)度僅370 m的LNG碼頭?？磕壳笆澜缟献畲蟮?6.6萬(wàn)m3船舶系泊條件開(kāi)展研究相對(duì)較少，多手段的對(duì)比分析研究則更少。

本文分別從不規(guī)則波及規(guī)則波、物理模型和數(shù)學(xué)模型、船艏、艉對(duì)調(diào)方面深入研究了不同環(huán)境荷載作用下船舶運(yùn)動(dòng)量、系纜力和撞擊力等變化，并進(jìn)行了分析對(duì)比，確定了各因素的影響，為設(shè)計(jì)方案提供參考依據(jù)。

1 工程概況

碼頭平面布置呈蝶形，主要由1個(gè)工作平臺(tái)，4個(gè)靠船墩(外側(cè)2個(gè)靠船墩中心距110 m)和6個(gè)系纜墩組成，總長(zhǎng)度370 m。工作平臺(tái)尺度為50 m×30 m，頂高程+12.0 m?？看粘叨葹?4 m×15 m，南側(cè)3個(gè)系纜墩尺度為14 m×14 m，北側(cè)3個(gè)系纜墩與引橋墩結(jié)合，尺度為14 m×8.5 m，系纜墩前沿線(xiàn)與靠船墩前沿線(xiàn)垂直距離為34.5 m(系纜點(diǎn)與靠船墩前沿線(xiàn)垂直距離為40.0 m)，靠船墩和系纜墩頂高程均為+8.0 m。碼頭設(shè)計(jì)?？?6.6萬(wàn)m3的大型LNG船。

船舶系纜方式為4:4:2方式，即艏艉纜分別系在1#和6#系纜墩上，艏、艉橫纜分別系在2#和5#系纜墩上，艏、艉倒纜分別系在外側(cè)1#和4#靠船墩上，艏、艉纜系纜點(diǎn)與船長(zhǎng)之比為1.03。系纜角度與纜繩長(zhǎng)度見(jiàn)表1。

表1 26.6萬(wàn)m3船的系纜角度和纜繩長(zhǎng)度Tab.1 Mooring angle and length of the 266,000 m3 LNG ship

2 模型概況

2.1 船舶模擬

物理模型比尺選為1:60，船模按重力相似設(shè)計(jì)需要滿(mǎn)足以下條件：

(1)幾何相似：模型船與原型船保持線(xiàn)性尺度相似。

(2)靜力相似：采用配重方法，在適當(dāng)位置放置適當(dāng)?shù)闹匚?，使其符合不同載重時(shí)的重量及其分布要求。

(3)動(dòng)力相似：船舶的重心、橫搖及縱搖周期符合相似條件。

表2 設(shè)計(jì)船型主要尺度Tab.2 The main scale of the designed ship type

數(shù)學(xué)模型采用的軟件來(lái)自于法國(guó)船級(jí)社，分為水動(dòng)力分析模擬(Hydrostar)和船舶系泊過(guò)程分析模擬(Ariane)。

26.6萬(wàn)m3船型的主要尺度見(jiàn)表2，試驗(yàn)考慮滿(mǎn)載和壓載。

2.2 纜繩和護(hù)舷的模擬

在4個(gè)靠船墩上分別布置 SUC2250H-R0型1鼓1板標(biāo)準(zhǔn)反力型橡膠護(hù)舷，其單鼓設(shè)計(jì)反力為3 088 kN，最大反力3 283 kN，設(shè)計(jì)吸能量3 391 kN·m，最大吸能量3 590 kN·m。

圖2 護(hù)舷和纜繩模擬結(jié)果Fig.2 Simulation results of fenders and cable

纜繩采用直徑100 mm 尼龍纜，其單根破斷力為1 880 kN，系纜方式為4:4:2，即艏、艉纜各4根，艏艉橫纜各4根，艏艉倒纜各2根。纜繩初始力設(shè)定100 kN。

纜繩模擬應(yīng)考慮長(zhǎng)度和彈性相似以及原型纜繩受力與變形關(guān)系曲線(xiàn)相似護(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(xiàn)相似。從圖2纜繩和護(hù)舷的模擬結(jié)果可知，模擬效果良好。

2.3 風(fēng)浪流的模擬

本研究中所進(jìn)行物理模型試驗(yàn)采用正態(tài)整體模型試驗(yàn)。其中利用多臺(tái)大功率風(fēng)機(jī)直接造風(fēng)，風(fēng)速通過(guò)變頻器可控，且可移動(dòng)。風(fēng)模擬以風(fēng)壓力相似為主，兼之風(fēng)速相似。

波浪按重力相似進(jìn)行模擬，生成波浪為單向不規(guī)則波，波浪譜型采用常用的JONSWAP譜，其解析式為

系泊試驗(yàn)開(kāi)始前，先率定所需波高和周期。

水流模擬按重力相似進(jìn)行模擬。試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制布置于模型周邊的可逆泵生成試驗(yàn)所需流速、流向。

本研究所使用Ariane模型中所需風(fēng)浪流等水動(dòng)力特性則通過(guò)Hydrostar獲取。

表3 風(fēng)、波浪、潮流工況組合Tab.3 Combination of wind, wave and tide

3 試驗(yàn)條件

設(shè)計(jì)水位包括設(shè)計(jì)高水位和設(shè)計(jì)低水位，環(huán)境荷載包括風(fēng)、波浪和潮流，工況組合見(jiàn)表3，其中風(fēng)包括橫吹開(kāi)風(fēng)、橫吹攏風(fēng)、45°斜吹開(kāi)風(fēng)和45°斜吹攏風(fēng)四種。表中角度是相對(duì)船軸線(xiàn)的。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 規(guī)則波與不規(guī)則波試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

對(duì)于規(guī)則波和不規(guī)則波，往往認(rèn)為不同波浪條件下的模擬結(jié)果規(guī)律大體相似，但也同時(shí)具有一定的差異，為得到更加精確的試驗(yàn)結(jié)果，采用規(guī)則波和不規(guī)則波分別進(jìn)行試驗(yàn)，表4和圖3為兩者試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。

表中結(jié)果表明：不規(guī)則波作用船舶運(yùn)動(dòng)量、系纜力和撞擊力普遍大于規(guī)則波，其中系纜力為規(guī)則波的1.04～1.48倍，撞擊力為規(guī)則波的1.15～1.25倍，兩者的船舶運(yùn)動(dòng)情況基本保持一致。

究其原因，主要由于規(guī)則波試驗(yàn)中的波高與不規(guī)則波的H4%波高一致，在不規(guī)則波波列中還有大于H4%波高的緣故。在下文分析中主要采用不規(guī)則波作用條件進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M。

4.2 物理模型和數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

船舶在風(fēng)、浪、流共同作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)，使纜繩受到拉力，護(hù)舷受到撞擊力。此外，為對(duì)比分析模型的差異，同時(shí)采用法國(guó)船級(jí)社(BUREAU VERITAS)開(kāi)發(fā)的HydroSTAR&Ariane軟件進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型的模擬計(jì)算，表5分別列出了作業(yè)條件下的船舶最大運(yùn)動(dòng)量、最大單根系纜力和最大撞擊力，數(shù)模與物模對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖4。試驗(yàn)結(jié)果表明：

3-a 45°浪,H4%=1.2 m,Tm=7 s3-b 45°浪,H4%=1.2 m,Tm=7 s圖3 規(guī)則波與不規(guī)則波作用下船舶運(yùn)動(dòng)特性對(duì)比Fig.3 Comparison of ship motion characteristics under regular wave and irregular wave conditions

表4 26.6萬(wàn)m3 LNG規(guī)則波與不規(guī)則波的試驗(yàn)對(duì)比情況Tab.4 Comparison of the results between regular wave and irregular wave of the 266,000 m3 LNG ship

4-a 45°浪,H4%=1.2 m,Tm=7 s4-b 45°浪,H4%=1.2 m,Tm=7 s圖4 作業(yè)條件下的船舶運(yùn)動(dòng)特性對(duì)比Fig.4 Comparison of ship motion characteristics under operational conditions

(1)不同浪向?qū)Υ斑\(yùn)動(dòng)量、系纜力和撞擊力的產(chǎn)生影響。其中，45°斜浪的作用最大，30°斜浪次之；0°順浪作用下，雖然產(chǎn)生的船舶撞擊力較小(故試驗(yàn)未統(tǒng)計(jì))，但產(chǎn)生的船舶縱移、縱搖和倒纜力也不容忽視。

(2)船舶運(yùn)動(dòng)量均滿(mǎn)足作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。其中最大橫移為0.58 m，最大橫搖為1.02°，最大橫搖一般發(fā)生船舶壓載，45°斜浪作用時(shí)；最大縱移和最大縱搖發(fā)生在順浪作用下，分別為0.92 m和0.21°。

(3)船舶系纜力和撞擊力均滿(mǎn)足要求。多數(shù)情況下，壓載的系纜力大于滿(mǎn)載。最大纜力為381 kN，發(fā)生在倒纜上，主要是因?yàn)榈估|的根數(shù)較少的緣故；最大撞擊力2 628 kN。

(4)對(duì)于船舶運(yùn)動(dòng)量、系纜力和撞擊力而言，物理模型與數(shù)學(xué)模型結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩者基本一致。

表5 作業(yè)條件下的最大運(yùn)動(dòng)量、最大單根系纜力和最大撞擊力Tab.5 Maximum values of motions, line tension and impact force under working conditions

5-a 45°浪,H4%=1.2 m,Tm=7 s5-b 45°浪,H4%=1.2 m,Tm=7 s圖5 艏艉對(duì)調(diào)后船舶運(yùn)動(dòng)特性對(duì)比Fig.5 Comparison of ship motion characteristics under the conditions of turning bow and stern

4.3 船舶艏艉對(duì)調(diào)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

一般LNG船舶靠泊碼頭卸貨時(shí)船艏方向是指向離港方向，但有時(shí)船長(zhǎng)基于航行條件及環(huán)境考慮，有可能要求船艏方向背對(duì)離港方向來(lái)進(jìn)行靠泊卸貨，因此需考慮船舶艏艉對(duì)調(diào)情況下LNG船舶的相關(guān)情況，將船頭朝北的試驗(yàn)結(jié)果與相應(yīng)船頭朝南的試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比情況列入表6，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖5。

結(jié)果表明：由于工程區(qū)域流速不大，船舶艏艉對(duì)調(diào)?？繒r(shí)船舶運(yùn)動(dòng)量與未對(duì)調(diào)前的運(yùn)動(dòng)量相差很小，系纜力的大小也相差不大，只是對(duì)調(diào)前后的艏、艉纜受力位置變化而改變；船舶對(duì)四個(gè)護(hù)舷的撞擊力也基本相當(dāng)。

表6 26.6萬(wàn)m3 LNG船舶艏、艉對(duì)調(diào)試驗(yàn)對(duì)比情況Tab.6 Comparison of the results under the conditions of turning bow and stern of the 266,000 m3 LNG ship

5 結(jié)論

風(fēng)、浪、流多種動(dòng)力作用下船舶系泊條件是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，本次試驗(yàn)研究，主要觀測(cè)了碼頭長(zhǎng)度370 m條件下，26.6萬(wàn)m3LNG船在不同風(fēng)浪流組合作用下的船舶運(yùn)動(dòng)量、系纜力和撞擊力等，從不規(guī)則波及規(guī)則波、物理模型和數(shù)學(xué)模型、船艏艉對(duì)調(diào)方面進(jìn)行了試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，得到的主要結(jié)論如下。

(1)不規(guī)則波作用船舶運(yùn)動(dòng)量、系纜力和撞擊力普遍大于規(guī)則波，其中系纜力為規(guī)則波的1.04～1.48倍，撞擊力為規(guī)則波的1.15～1.25倍。主要由于規(guī)則波試驗(yàn)中的波高與不規(guī)則波的H4%波高一致，而在不規(guī)則波波列中還有大于H4%波高的緣故。

(2)物理模型試驗(yàn)中，45°斜浪的作用對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)量、系纜力和撞擊力的影響最大，30°斜浪次之。船舶最大橫移為0.58 m，最大縱移為0.92 m，最大橫搖為1.02°，最大纜力發(fā)生在倒纜上，為381 kN，最大撞擊力2 628 kN。

(3)由于工程區(qū)域流速不大，船舶艏艉對(duì)調(diào)停靠時(shí)船舶運(yùn)動(dòng)量與未對(duì)調(diào)前的運(yùn)動(dòng)量相差很小，系纜力的大小也相差不大，只是對(duì)調(diào)前后的艏、艉纜受力位置變化而改變；船舶對(duì)四個(gè)護(hù)舷的撞擊力也基本相當(dāng)。