大型LNG船系泊安全分析

李永福，梁圣熒，矯珊珊，楊瑞玲

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

0 引 言

液化天然氣（Liquefied Nature Gas, LNG）作為一種清潔能源，已成為國家優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略性能源。LNG海上運(yùn)輸作為 LNG產(chǎn)業(yè)鏈中的重要一環(huán)，其安全性受船廠、船東和船舶管理公司的高度重視。系泊作為LNG船與岸站終端的連接方式，對(duì)實(shí)現(xiàn)LNG在船舶與岸站之間的安全傳輸有著至關(guān)重要的作用。在建造LNG船過程中，由于?？看a頭舾裝的周期較長，加上碼頭處于無遮蔽的海岸線上，LNG船經(jīng)常會(huì)受臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣的影響。同時(shí)，船舶吃水較淺，受風(fēng)面積較大，碼頭水深較淺，船底與水底的空間相對(duì)較小，水流對(duì)船舶的作用力較大。此外，碼頭帶纜樁位置相對(duì) LNG船較低，造成帶纜高度差較大，纜繩仰角較大，相應(yīng)的水平約束力較小，工作效率較低，LNG船的碼頭系泊存在較大不可控的安全風(fēng)險(xiǎn)。

面對(duì)上述風(fēng)險(xiǎn)，目前一些船廠仍依靠系纜工人的經(jīng)驗(yàn)帶纜，存在較大的安全隱患，船舶在強(qiáng)風(fēng)天氣下有被吹離碼頭的危險(xiǎn)。學(xué)術(shù)上對(duì)載荷分析方法的基礎(chǔ)性研究關(guān)注較多，對(duì)實(shí)際應(yīng)用關(guān)注較少。目前業(yè)內(nèi)已有部分用于確定系泊力的經(jīng)驗(yàn)公式，但這些經(jīng)驗(yàn)公式各有特點(diǎn)和相應(yīng)的局限性，所得結(jié)果差異較大，會(huì)給實(shí)際碼頭帶纜方案的制訂帶來困擾。本文擬對(duì)主要的系泊力計(jì)算方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件進(jìn)行分析，深入了解各計(jì)算方法的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上推薦一種適用于大型 LNG船的系泊力分析計(jì)算方法。重點(diǎn)通過實(shí)例對(duì)推薦的計(jì)算方法進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)影響系泊安全的其他因素進(jìn)行分析，以確定滿足船舶實(shí)際靠泊安全需求的系泊方案。

1 系泊力的主要計(jì)算方法及其特點(diǎn)

船舶系泊力的大小取決于其受到的環(huán)境外力。確定船舶系泊力的方法主要有：

1) 按照船級(jí)社規(guī)范的要求計(jì)算船舶舾裝數(shù)的方法；

2) 按照日本《JSDS 造船舾裝設(shè)計(jì)基準(zhǔn)》推薦公式計(jì)算系泊力的方法；

3) 采用專業(yè)的系泊力分析軟件計(jì)算系泊力的方法;

4) 按照石油公司國際海事論壇（Oil Companies International Marine Forum, OCIMF）規(guī)范《系泊設(shè)備指南》推薦的公式計(jì)算系泊力的方法。

上述方法的主要特點(diǎn)如下。

1.1 按照船級(jí)社規(guī)范的要求計(jì)算船舶舾裝數(shù)的方法

國際船級(jí)社協(xié)會(huì)（International Association of Classification Societies, IACS）規(guī)定的海船舾裝數(shù)NEN的計(jì)算式為

式(1)中：Δ為夏季載重線下的型排水量，t；B為船寬，m；h為從夏季載重水線到最上層艙室頂部的有效高度，m；A為船長L范圍內(nèi)夏季載重線以上的船體部分、上層建筑和各層寬度大于B/4甲板室的側(cè)投影面積的總和，m2。

上述舾裝數(shù)計(jì)算式是基于水流為2.5m/s和風(fēng)速為25m/s的環(huán)境下船舶受到的外力得到的，主要用來確定錨系的規(guī)格。此外，船級(jí)社規(guī)范根據(jù)舾裝數(shù)給出了對(duì)應(yīng)推薦系泊索的最小破斷拉力（MBL）的大小和系泊索的數(shù)量。由于在對(duì)LNG船進(jìn)行船-岸兼容匹配時(shí)通常需詳細(xì)地進(jìn)行系泊力分析，因此這種計(jì)算方法對(duì)LNG船來說作用不大，僅供常規(guī)系泊配置參考使用。

1.2 按照日本《JSDS 造船舾裝設(shè)計(jì)基準(zhǔn)》推薦公式計(jì)算系泊力的方法

按照日本《JSDS造船舾裝設(shè)計(jì)基準(zhǔn)》推薦公式計(jì)算系泊力的方法多用于計(jì)算移船時(shí)的拖航阻力，也可用于計(jì)算碼頭系泊時(shí)所需的系泊力。在該方法中，船舶所受外力由風(fēng)阻力Ra、潮流阻力RW、和推進(jìn)器阻力Rp組成。在計(jì)算系泊力時(shí)，考慮到在碼頭系泊狀態(tài)下風(fēng)可能來自于不同方向，應(yīng)分別對(duì)橫向和縱向的風(fēng)阻進(jìn)行計(jì)算；由于碼頭大多沿河岸或海岸布置，潮流方向一般僅取船長方向，波浪的影響不予考慮。風(fēng)阻力Ra、潮流阻力RW和推進(jìn)器阻力Rp的計(jì)算式分別表示為

式(2)～式(4)中：Ka取0.0735（橫向）或0.0429（縱向）；Aa為水線以上風(fēng)壓方向的投影面積，m2；va為相對(duì)風(fēng)速，m/s；vW為潮流速度，m/s；AW為船的浸水面積，m2；D為推進(jìn)器直徑，m。

上述計(jì)算式中，Ka是通用的經(jīng)驗(yàn)值，不能反映不同船型風(fēng)阻的差異。在風(fēng)速較大時(shí)，船舶受到的環(huán)境外力主要來自于風(fēng)阻，其計(jì)算結(jié)果會(huì)存在較大的偏差，相應(yīng)所需系泊力也會(huì)存在較大的偏差。

1.3 采用專業(yè)的系泊力分析軟件計(jì)算系泊力的方法

目前已有的系泊力分析軟件較多，主要包括ALYON公司的Ship-mooring、MARINE公司的TermSim和TTI（Tension Technology International）公司的Optimoor等。

1) Ship-mooring是典型的動(dòng)力模型分析軟件，考慮風(fēng)、水流和波浪作用力的非線性及船舶運(yùn)動(dòng)，主要適用于深海，如靠泊海上平臺(tái)等；

2) TermSim是基于動(dòng)力分析的軟件；

3) TTI的Optimoor采用的是靜力模型，將一切外載荷按等效靜力考慮，風(fēng)載荷和水流力按OCIMF的推薦公式和圖譜系數(shù)計(jì)算，適用于近海遮蔽碼頭。此外，Optimoor還可用來計(jì)算波浪載荷，根據(jù)用戶給定的波高計(jì)算出波浪作用在船上的近似靜力，然后疊加到總載荷中。計(jì)算出外載荷之后，可根據(jù)纜繩的長度、空間幾何位置管系和纜繩的伸縮特性，通過數(shù)值模擬計(jì)算出每根纜繩的受力。

1.4 按照OCIMF規(guī)范《系泊設(shè)備指南》推薦的公式計(jì)算系泊力的方法

根據(jù)OCIMF規(guī)范《系泊設(shè)備指南》的規(guī)定，對(duì)無限航區(qū)船舶系泊力的計(jì)算應(yīng)基于以下標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件進(jìn)行，即來自任何方向的風(fēng)的速度為60kn（即30.9m/s），同時(shí)具有以下水流中的1種：

1) 3kn水流，來自前方或后方；

2) 2kn水流，來自偏離船首或船尾10°的方向；

3) 0.75kn水流，來自最大橫向水流載荷方向。作用在船舶上的外力主要來自風(fēng)和水流，其參考坐標(biāo)系見圖1，風(fēng)作用力與風(fēng)速和風(fēng)向角的關(guān)系見圖2和圖3。

圖1 參考坐標(biāo)系

圖2 風(fēng)作用力與風(fēng)速的關(guān)系

圖3 風(fēng)作用力與風(fēng)向角的關(guān)系

船舶受到的風(fēng)在x方向和y方向的力的計(jì)算式為

式(5)和式(6)中：Cxw和Cyw為x方向和y方向的風(fēng)阻系數(shù)；wρ為空氣的密度。1.28kg/m3；vw為風(fēng)速，m/s；AL和AT分別為側(cè)向和艏向的受風(fēng)面積，m2。

船舶受到的流載荷的計(jì)算式為

式(7)和式(8)中：Cxc和Cyc分別為x方向和y方向水流的阻力系數(shù)；cρ為水的密度，海水取1025kg/m3；vc為水流速度，m/s；LBP為兩柱間長，m；d為平均吃水，m。

除了上述計(jì)算式以外，還可計(jì)算風(fēng)和流在水平面上對(duì)船舶的偏轉(zhuǎn)力矩?！断挡丛O(shè)備指南》給出了相應(yīng)的計(jì)算公式，其偏轉(zhuǎn)力矩不會(huì)改變船舶受到的總外力，但會(huì)影響船舶在艏艉處橫纜的受力。此外，《系泊設(shè)備指南》還分別提供了一套液貨船和氣體運(yùn)輸船通用的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)阻系數(shù)、水流阻力系數(shù)和相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)力矩系數(shù)圖譜，在計(jì)算船舶系泊力時(shí)，可從中查閱選取相應(yīng)的風(fēng)、水流阻力和水平面的偏轉(zhuǎn)力矩系數(shù)。

根據(jù)上述分析，用于計(jì)算船舶舾裝數(shù)的方法僅供常規(guī)系泊配置參考使用，日本《JSDS造船舾裝設(shè)計(jì)基準(zhǔn)》推薦的方法在應(yīng)用到大型LNG船這種以風(fēng)阻為主要外力的船舶上時(shí)會(huì)存在較大的偏差，而采用專業(yè)系泊力分析軟件的方法相對(duì)可靠，但會(huì)受到公司購買軟件使用版權(quán)的約束。鑒于大型LNG船需滿足OCIMF規(guī)范的要求，其《系泊設(shè)備指南》中提供的系泊力計(jì)算方法在業(yè)內(nèi)的認(rèn)可度較高，推薦在計(jì)算LNG船的系泊力時(shí)采用該方法。對(duì)于大型LNG船適用的氣體運(yùn)輸船風(fēng)阻圖譜系數(shù)，本文利用實(shí)船風(fēng)洞試驗(yàn)得到的風(fēng)阻系數(shù)進(jìn)行校核。

2 實(shí)船的系泊力分析方法校核比較

在建造船舶過程中，先后有多型LNG船委托第三方對(duì)實(shí)船等比例縮小的模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，所得風(fēng)阻系數(shù)都比較接近。下面以其中一艘174000m3LNG船為例，先用《系泊設(shè)備指南》中提供的風(fēng)阻圖譜系數(shù)計(jì)算系泊力，再將其與通過風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)阻系數(shù)計(jì)算得到的系泊力相對(duì)比。表1為實(shí)例LNG船的主要技術(shù)參數(shù)，圖4為該船在碼頭帶纜的典型纜繩布置。

表1 船舶主要參數(shù)

圖4 LNG船典型碼頭系泊布置

2.1 采用OCIMF推薦的風(fēng)和水流阻力系數(shù)計(jì)算系泊力

在滿載吃水情況下，船舶側(cè)向受風(fēng)面積AL=6599.4m2，艏向迎風(fēng)面積AT=1464.1 m2；在壓載吃水情況下，船舶側(cè)向受風(fēng)面積AL=7266.6m2，艏向迎風(fēng)面積AT=1573.5 m2。

根據(jù)式(5)和式(6)，查詢《系泊設(shè)備指南》中的圖譜A17和A18，計(jì)算出速度為60kn的風(fēng)從不同角度對(duì)船的作用力，結(jié)果見表2。

表2 根據(jù)圖譜系數(shù)計(jì)算出的風(fēng)作用力

除了風(fēng)作用力以外，船舶還受水流的作用力。查詢《系泊設(shè)備指南》中液貨船的水流阻力系數(shù)圖譜A5、A10、A12和A13，在OCIMF規(guī)定的環(huán)境水流條件下，按式(7)和式(8)計(jì)算出水流的作用力，結(jié)果見表3。

表3 水流的作用力

根據(jù)表2和表3，分別比較實(shí)例LNG船在x方向和y方向上受到的最大風(fēng)作用力和水流阻力，可看出風(fēng)的作用力均遠(yuǎn)大于水流阻力，風(fēng)的作用力起主導(dǎo)作用。系泊力是船舶抵抗環(huán)境外力所需的約束力，因此計(jì)算船舶受到的環(huán)境外力即可得到其系泊力。下面采用風(fēng)洞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)對(duì)起主導(dǎo)作用的風(fēng)作用力進(jìn)行驗(yàn)證，水流作用力仍采用表3中的計(jì)算結(jié)果。

2.2 采用風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)阻系數(shù)校核

委托Force Technology公司對(duì)實(shí)例中的船舶進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，所得風(fēng)阻系數(shù)見表4。

表4 風(fēng)洞試驗(yàn)所得風(fēng)阻系數(shù)

采用上述風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)阻系數(shù)，根據(jù)式(5)和式(6)，得到風(fēng)速為60kn（即vw=30.9m/s）時(shí)風(fēng)在不同方向?qū)Υ淖饔昧ΓY(jié)果見表5。

表5 采用風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)阻系數(shù)計(jì)算出的風(fēng)作用力

2.3 作用力特點(diǎn)比較分析

將上述采用OCIMF標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)阻，根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)阻系數(shù)得到的風(fēng)向角與對(duì)船的作用力相比較。圖5為船舶在滿載狀態(tài)下受到的各方向風(fēng)的作用力對(duì)比。圖6為船舶在壓載狀態(tài)下受到的各方向風(fēng)的作用力對(duì)比。

圖5 船舶在滿載狀態(tài)下受到的各方向風(fēng)的作用力對(duì)比

圖6 船舶在壓載狀態(tài)下受到的各方向風(fēng)的作用力對(duì)比

由圖5和圖6可知，風(fēng)對(duì)船的作用力Fyw在風(fēng)向角為90°時(shí)達(dá)到最大，在風(fēng)向角為0°和180°時(shí)達(dá)到各自方向的最大值。表6為采用圖譜風(fēng)阻系數(shù)和試驗(yàn)風(fēng)阻系數(shù)計(jì)算出的風(fēng)作用力最大值。

表6 采用圖譜系數(shù)和試驗(yàn)風(fēng)阻系數(shù)計(jì)算出的風(fēng)作用力最大值 單位：kN

從表6中可看出，無論是滿載狀態(tài)還是壓載狀態(tài)，實(shí)例船舶采用圖譜風(fēng)阻系數(shù)和試驗(yàn)風(fēng)阻系數(shù)計(jì)算出的風(fēng)作用力的最大值都很接近。采用圖譜計(jì)算所得結(jié)果總體上偏大。這里對(duì)另外3組LNG船風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)阻系數(shù)進(jìn)行計(jì)算比較，結(jié)果驗(yàn)證了上述結(jié)論。

風(fēng)和水流對(duì)船的作用力是相互獨(dú)立的，因此將表6中風(fēng)作用力Fyw和Fxw的最大值分別與表3中相同方向上的水流作用力Fyc和Fxc的最大值相加，可得到船舶受到的總外力載荷Fx和Fy。對(duì)于Fx，應(yīng)分別計(jì)算其在0°和180°方向上的最大值。

在根據(jù)OCIMF規(guī)范計(jì)算出船舶受到的總外力載荷之后，還需計(jì)算每根纜繩的拉力，確保其不超過安全工作載荷?？筛鶕?jù)船舶碼頭系泊布置中每根纜繩的實(shí)際角度，利用三角函數(shù)計(jì)算出每根纜繩在圖1所示的參考坐標(biāo)系中90°和0°或180°方向上的效率系數(shù)，分別用計(jì)算出的總外力載荷除以相應(yīng)方向上的纜繩效率系數(shù)之和，計(jì)算出所需纜繩的平均拉力。若纜繩的平均拉力均不大于其初始預(yù)緊力，則該計(jì)算結(jié)果是比較準(zhǔn)確的。由于纜繩的初始預(yù)緊力的大小一般取決于絞車卷筒的工作拉力，每根纜繩的長度都不一樣，彈性系數(shù)也不一樣，當(dāng)平均拉力大于絞車卷筒的工作拉力時(shí)，其拉力將不再一致。

相比上述OCIMF規(guī)范給出的計(jì)算方法，采用Optimoor等專業(yè)系泊力計(jì)算軟件可更精細(xì)地計(jì)算出每根纜繩的受力，在實(shí)際應(yīng)用中更為簡(jiǎn)單。圖7為該船在壓載情況下停靠青島岸站時(shí)的纜繩布置情況。表7為計(jì)算出的每根纜繩的拉力，纜繩初始預(yù)緊力為196kN。

圖7 LNG船在壓載情況下?？壳鄭u岸站時(shí)的纜繩布置情況

表7 纜繩拉力

Optimoor軟件雖不直接輸出總環(huán)境外力載荷，但可通過計(jì)算各系纜樁的受力之和得到相應(yīng)總環(huán)境外力載荷，表8為采用OCIMF圖譜和Optimoor軟件計(jì)算出的環(huán)境總外力載荷最大值。

表8 采用OCIMF圖譜和Optimoor軟件計(jì)算出的環(huán)境總外力載荷最大值 單位：kN

由表8可知，采用2種方法計(jì)算出的船舶所受總外力載荷非常接近。

2.4 影響系泊安全的其他因素

從船舶所受環(huán)境力來看，除了來自風(fēng)和水流的這些持續(xù)時(shí)間較長的環(huán)境力之外，船舶系泊安全還受波浪和船舶自身運(yùn)動(dòng)等因素的影響。由于這些外力持續(xù)的時(shí)間較短，系泊纜繩的彈性性能既可補(bǔ)償船舶短時(shí)運(yùn)動(dòng)的影響，又能避免船舶有過大的位移。設(shè)計(jì)的纜繩最大載荷應(yīng)不超過纜繩破斷強(qiáng)度MBL的50%。日常系泊中所采用纜繩的規(guī)格和長度應(yīng)盡可能相近，帶纜時(shí)盡可能多地使用艏艉離碼頭較遠(yuǎn)的導(dǎo)纜孔，可減小纜繩的仰角，從而有效提高系泊纜繩的效率。同時(shí)，在風(fēng)暴來臨時(shí)，額外增加圖4中的風(fēng)暴纜，可較為有效地提高船舶的系泊安全性。

3 結(jié) 語

從上述比較分析中可看出，采用OCIMF規(guī)范《系泊設(shè)備指南》推薦的公式和圖譜計(jì)算得到的船舶所受環(huán)境外力和通過風(fēng)洞試驗(yàn)計(jì)算得到的船舶所受環(huán)境外力非常接近。利用OCIMF圖譜計(jì)算得到的結(jié)果略偏保守，推薦在實(shí)際計(jì)算碼頭系纜系泊力時(shí)使用。在計(jì)算出船舶需要的總系泊力之后，根據(jù)初步系纜方案中每根纜繩的空間位置關(guān)系計(jì)算出每根纜繩的效率，從而手動(dòng)計(jì)算出纜繩的平均拉力。Optimoor或類似的軟件可用來精細(xì)計(jì)算每根纜繩的拉力，有條件時(shí)建議使用。當(dāng)纜繩拉力超過其安全工作載荷時(shí)，應(yīng)調(diào)整帶纜方案，直到纜繩的拉力不大于其安全工作載荷為止。最終的帶纜方案應(yīng)單船形成標(biāo)準(zhǔn)，用于指導(dǎo)、規(guī)范碼頭的系纜，提高大型LNG船碼頭系泊的安全性。