10 000 m3 LNG加注船與VLOC加注兼容性評估

(中國船級社武漢規(guī)范研究所，武漢 430022)

船舶間海上貨物傳輸通常采用旁靠和串靠兩種形式，由于LNG具有深冷易燃易爆特性，目前LNG低溫漂浮軟管實(shí)際工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)十分有限，可行方案是LNG加注船旁靠LNG動力船采用LNG柔性軟管進(jìn)行加注作業(yè)[1]。現(xiàn)在國際氣體燃料船協(xié)會(SGMF)針對以氣體作為船舶燃料的IGF規(guī)則、國內(nèi)外主要船級社的LNG加注船和LNG動力船規(guī)范都已成熟，石油公司國際海事論壇(OCIMF)、國際氣體運(yùn)輸船與碼頭經(jīng)營者協(xié)會(SIGTTO)和中國船級社等的行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[2-4]要求，加注作業(yè)前，兩船應(yīng)進(jìn)行兼容性評估[5]。對于尺度和干舷差異較大的兩船，采用LNG軟管進(jìn)行旁靠加注作業(yè)時(shí)，兼容性評估尤為重要。目前全球LNG動力船和LNG加注船加注作業(yè)兼容性評估還未形成完善的評估體系和成熟的評估方法，考慮根據(jù)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對相關(guān)兼容性內(nèi)容進(jìn)行評估。以10 000 m3LNG加注船為VLOC加注燃料作業(yè)為目標(biāo)，10 000 m3LNG加注船采用首部加注站、采取LNG加注船船首靠泊VLOC船尾的方式為VLOC進(jìn)行燃料加注作業(yè)，選定2船分別處于滿載和壓載工況的4種場景，對2船加注作業(yè)兼容性進(jìn)行分析，采用可參考的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)分析評估兩船尺度、管匯布置及高度差、碰墊、軟管長度和軟管吊工作范圍及能力是否滿足加注作業(yè)要求。

1 背景介紹

兩船分別簡稱LNG加注船和LNG動力船，主要參數(shù)見表1。

表1 LNG加注船和動力船主要參數(shù)

LNG加注船設(shè)計(jì)目標(biāo)是為該LNG動力船加注補(bǔ)給燃料，加注作業(yè)水域擬定為國內(nèi)某近海錨地。

LNG動力船受注站位于船中靠近船尾區(qū)域甲板上；LNG加注船甲板上有2處加注站，分別位于船首和船中。LNG加注船采用船首加注站為LNG動力船加注燃料；加注作業(yè)時(shí)，LNG加注船采取船首靠泊LNG動力船船尾的方式靠泊LNG動力船左舷或者右舷，即LNG加注船左舷(或右舷)靠泊LNG動力船左舷(或右舷)。在兩船建造完成前，應(yīng)對加注作業(yè)相關(guān)布置和設(shè)備等進(jìn)行兼容性評估，以確保LNG加注船達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，能夠?yàn)長NG動力船提供加注服務(wù)。

2 加注作業(yè)兼容性

2.1 碰墊

根據(jù)國際行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[3]，船對船靠泊時(shí)，兩船間需要布置主碰墊和輔助碰墊。主碰墊沿船體平行部分放置，對船體提供最大限度的保護(hù)。輔助碰墊布置在船艏和船艉，避免在系泊和作業(yè)期間兩船發(fā)生意外碰撞。同理，LNG加注船應(yīng)配備一定數(shù)量主碰墊輔助碰墊。主碰墊和輔助碰墊通常采用充氣式橡膠碰墊，應(yīng)滿足國際浮式碰墊標(biāo)準(zhǔn)[6]。

2.1.1 主碰墊

主碰墊選取，先計(jì)算靠泊系數(shù)C。

(1)

式中：DSA和DSB分別為船A和船B排水量。

靠泊系數(shù)計(jì)算工況和結(jié)果見表2。

表2 靠泊系數(shù)計(jì)算工況和結(jié)果

表2顯示,靠泊系數(shù)最大值為25 662 t。由此根據(jù)OCIMF碰墊快速選取表[3]，可選擇3個充氣壓力為80 kPa的 2.5 m×5.5 m碰墊，LNG加注船抵靠速度為0.25 m/s。

此外，根據(jù)我國液化氣體船舶安全作業(yè)國標(biāo)建議的計(jì)算方法、碰墊推薦規(guī)格和數(shù)量要求[7]，靠泊系數(shù)計(jì)算方法與前述OCIMF方法相同，可選擇3個充氣壓力為80 kPa的3.3 m×4.5 m碰墊，LNG加注船抵靠速度為0.25 m/s。

兩船靠泊加注作業(yè)期間，相互平行接觸較少，單個碰墊更有可能吸收初始碰撞能量，故應(yīng)校核單個碰墊作用時(shí)能否滿足吸收碰撞能量的要求?？坎磁鲎材芰坑?jì)算通常采用1.8倍船舶排水量(船舶調(diào)整排水量)的方式考慮靠泊額外力的作用，即

DSAA=1.8·DSA

(2)

DSBA=1.8·DSB

(3)

式中：DSAA和DSBA分別為船A和船B調(diào)整排水量。

兩船總調(diào)整排水量為

(4)

單個碰墊作用時(shí)靠泊碰撞能量為

E1=0.025×DTA·V2

(5)

其中：V為抵靠速度，m/s。

2船平行靠泊時(shí)，靠泊載荷和碰撞能量均勻分布在所有碰墊上，應(yīng)校核所有碰墊同時(shí)作用時(shí)能否滿足吸收碰撞能量的要求，所有碰墊同時(shí)作用時(shí)靠泊碰撞能量為

EN=0.051·DTA·V2

(6)

充氣壓力為80 kPa的2.5 m×5.5 m碰墊，壓縮60%時(shí)典型吸收能量值為1 316.14 kN·m，充氣壓力為80 kPa的3.3 m×4.5 m碰墊壓縮60%時(shí)典型吸收能量值為1 638.56 kN·m[3]，前述OCIMF和國標(biāo)方法選取碰墊均滿足吸收碰撞能量要求，校核結(jié)果見表3。

表3 碰墊碰撞能量吸收能力校核

液化氣體船安全作業(yè)國標(biāo)在國內(nèi)屬于強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，故選擇3個充氣壓力為80 kPa的 3.3 m×4.5 m碰墊作為船-船加注作業(yè)時(shí)的防撞措施，抵靠速度為0.25 m/s，充氣橡膠碰墊最大外形尺寸為3.74 m×4.94 m，單個碰墊重量約為3.5 t。

我國液化氣體船舶安全作業(yè)國標(biāo)與國際行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)更新步伐不一致，上述碰墊碰撞能量吸收能力校核方法可解決國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)不一致問題。

2.1.2 輔助碰墊

目前未見輔助碰墊選取方法，參考主碰墊的計(jì)算選取方法，靠泊速度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取為0.1 m/s，根據(jù)公式(5)計(jì)算得到單個輔助碰墊作用時(shí)碰撞能量為56.55 kN·m。為更有效提高兩船在較大干舷差情況下的防撞效能和現(xiàn)有物料吊起重能力，選擇2個充氣壓力為50 kPa的2.0 m×3.5 m碰墊作為船-船加注作業(yè)時(shí)的輔助碰墊。該碰墊壓縮60%時(shí)典型吸收能量值為307.72 kN·m，滿足單個輔助碰墊作用時(shí)碰撞能量的吸收要求，單個碰墊質(zhì)量約1.4 t。

2.2 船舶尺度

涉及兩船尺度兼容性評估的主要參數(shù)見表4。

表4 LNG加注船和動力船尺度評估相關(guān)參數(shù)

注:L為液相，V為氣相；PS為左舷，SB為右舷。

根據(jù)SGMF對氣體燃料動力船管匯布置要求[8]，LNG動力船受注站氣液接口應(yīng)按圖1進(jìn)行布置，并推薦采用直徑8 in軟管進(jìn)行加注，軟管間距建議不小于1 250 mm，LNG動力船受注站管口間距為1.25 m，管匯距離甲板高度1.00 m，管口端面距離舷側(cè)2.20 m，LNG動力船受注管匯位置和布置、管匯連接位置和連接方向、接口間距和受注接口尺寸等滿足SGMF相關(guān)要求。

圖1 LNG動力船受注站氣液接口布置

由表4可知，兩船LNG加注船采用船首加注站、采取LNG加注船船首靠泊LNG動力船船尾方式為LNG動力船加注燃料，兩船加注/受注站接口排列布置兼容滿足要求。兩船LNG儲罐均為C型艙，氣相管連通可自動達(dá)到艙內(nèi)蒸氣壓力平衡，滿足LNG儲罐蒸氣平衡要求。兩船LNG管匯高度差在LNG動力船壓載、LNG加注船滿載時(shí)最大，最大值為9.00 m；兩船LNG管匯高度差在LNG動力船滿載、LNG加注船滿載時(shí)最小，最小值為4.90 m。在上述兩種極限情形下，兩船間平邊線范圍內(nèi)能夠布置3個3.3 m×4.5 m主碰墊，兩船的尺度兼容性滿足要求，其中LNG動力船壓載、LNG加注船滿載加注作業(yè)位置情況見圖2。

圖2 LNG動力船壓載、LNG加注船滿載時(shí)船-船加注位置示意

2.3 加注軟管

LNG加注船首部加注站管匯距甲板高度為10.30 m，管口間距為1.35 m，管口端面距離舷側(cè)1.35 m。LNG加注船首部加注站和LNG動力船受注站管匯高度差見表5。

中國船級社(CCS)LNG加注作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建議軟管長度取為最大高度差的2倍，但是該要求在兩船管匯高度差較大情況下可能要求軟管長度超過單根軟管可制造最大長度，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算軟管最小長度。LNG傳輸軟管的長度選取必須考慮兩船最極端管匯高度差、軟管最小彎曲半徑、船舶垂向和橫向運(yùn)動等因素。LNG動力船壓載、LNG加注船滿載情形下兩船管匯高度差絕對值最大，選取該情形作為軟管長度選取的分析場景，考慮兩種工況：①兩船位置使得軟管彎曲部分均呈現(xiàn)最小彎曲圓弧形狀；②考慮兩船最大安全相對運(yùn)動值時(shí)，兩船位置使得軟管彎曲部分均呈現(xiàn)最小彎曲圓弧形狀。其中，LNG軟管廠商產(chǎn)品手冊[9]顯示直徑8 in低溫LNG軟管最小彎曲圓弧半徑為0.91 m。國際航運(yùn)協(xié)會(PIANC)在1995年對系泊碼頭液化氣體船的允許運(yùn)動量要求[10]見表6。

表5 加注站/受注站管匯高度差

注:加注站管匯高于受注站管匯時(shí)的高度差值為正，反之高度差值為負(fù)。

表6 液化氣體船允許運(yùn)動量(PIANC,1995)

根據(jù)該要求，LNG加注船與LNG動力船之間的相對運(yùn)動應(yīng)滿足上述允許運(yùn)動量要求，工況②保守考慮兩船間發(fā)生2 m升沉運(yùn)動和2 m外飄橫蕩運(yùn)動，此時(shí)兩船管匯間軟管長度最長。

兩種工況下，兩船間軟管長度于圖3和圖4，軟管長度計(jì)算結(jié)果見表7。

圖4 加注作業(yè)8 in直徑軟管長度示意(考慮兩船最大安全相對運(yùn)動時(shí))

表7 軟管計(jì)算長度

工況①兩船間距為3.64 m，略小于主碰墊最大外形直徑3.74 m，由于差值較小，對軟管長度影響較小，故以工況①軟管長度計(jì)算結(jié)果代替兩船間距為主碰墊最大外形直徑時(shí)計(jì)算結(jié)果。生產(chǎn)廠商可生產(chǎn)單根軟管最大長度為30.00 m[9]，軟管長度選取范圍為19.51～30.00 m，LNG加注船配備軟管長度為25.00 m。

LNG加注船采用長25.00 m軟管進(jìn)行加注作業(yè)時(shí)，參考圖3布置。軟管從LNG動力船受注站管匯處最大下垂距離為14.20 m，該距離小于LNG動力船管匯距水線距離22.90 m，軟管不存在浸沒海水中的問題。同樣，LNG動力船滿載、LNG加注船滿載時(shí)，軟管從LNG動力船受注站管匯處最大下垂距離為7.24 m，該距離小于LNG動力船管匯距水線距離9.00 m，軟管不存在浸沒海水中的問題，見圖5。故LNG加注船配備25.00 m長度軟管可滿足為LNG動力船加注作業(yè)使用要求。

圖5 采用25.00 m長度軟管加注作業(yè)時(shí)軟管形態(tài)示意

2.4 起吊能力

LNG加注船首部起吊設(shè)備見表8。軟管吊射擊滿足運(yùn)送安置軟管鞍座和軟管使用，還需要滿足收放主碰墊和移動輔助碰墊的工作要求。

表8 艏部起吊設(shè)備

根據(jù)前述主碰墊和輔助碰墊選取結(jié)果，單個主碰墊重量約為4 t，直徑為3.74 m，單個輔助碰墊重量約1.4 t，直徑為2.0 m。LNG加注船軟管吊起吊能力為5 t，可到舷外最遠(yuǎn)9.00 m的位置，滿足吊放和回收主碰墊的要求。

3 結(jié)論

1)結(jié)合加注作業(yè)中碰墊和軟管的選型，擬定加注兼容性分析的具體實(shí)施內(nèi)容為碰墊選型、兩船尺度兼容性檢查、軟管選型和軟管吊起吊能力檢查等內(nèi)容，其中兩船管匯兼容性檢查包含了IGC規(guī)則對LNG運(yùn)輸船貨物圍護(hù)系統(tǒng)要求、OCIMF對LNG 運(yùn)輸船管匯布置要求和SGMF對LNG動力船管匯布置要求。

2)綜合考慮現(xiàn)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和分析方法，采用OCIMF和GB行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)確定了加注作業(yè)兩船間碰墊配備和LNG加注船抵靠速度限制，并提供了碰墊碰撞能量吸收能力校核方法；利用工程經(jīng)驗(yàn)開展了兩船尺度兼容性分析和軟管吊收放碰墊能力分析；結(jié)合相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)選取合適軟管布置和長度，并提供軟管最小長度計(jì)算方法。

3)本文軟管長度計(jì)算方法是基于兩船相對運(yùn)動滿足PIANC關(guān)于液化氣體船系泊碼頭的允許運(yùn)動量情況計(jì)算軟管最小長度，該方法可用于評估和替代CCS關(guān)于LNG加注軟管最小長度的要求。下一步將基于兩船加注作業(yè)系泊布置情況校核兩船相對運(yùn)動是否滿足液化氣體船系泊碼頭的允許運(yùn)動量要求。