液化天然氣碼頭拖輪配置的計(jì)算分析

谷文強(qiáng)，李芙蓉

（1.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230；2.中交四航局港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510290）

0 引言

液化天然氣碼頭的LNG運(yùn)輸船舶在進(jìn)出港時(shí)，需要使用拖輪協(xié)助，包括護(hù)航進(jìn)港、回旋、靠泊、裝卸、離泊、護(hù)航出港。每項(xiàng)作業(yè)的時(shí)間取決于拖輪的大小、船舶的型號(hào)與尺寸、港區(qū)布置以及裝卸系統(tǒng)能力。在LNG船舶進(jìn)出港和靠離泊過程中，同時(shí)承受橫風(fēng)、風(fēng)流和橫浪的情況一般出現(xiàn)在船舶在回旋水域回旋調(diào)頭的時(shí)候，因此使用拖輪數(shù)量最多的時(shí)段一般為L(zhǎng)NG運(yùn)輸船在回旋水域進(jìn)行回旋作業(yè)的時(shí)候。如圖1所示。

1 國(guó)內(nèi)外規(guī)范中拖輪配置計(jì)算方法概述

《基于國(guó)內(nèi)外規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的海港工程總平面設(shè)計(jì)指南》[1]給出了國(guó)內(nèi)外規(guī)范中拖輪配置計(jì)算的詳細(xì)計(jì)算方法。

根據(jù)JTS 165-5—2016《液化天然氣碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]要求，液化天然氣船舶在進(jìn)出航道航行時(shí)，應(yīng)實(shí)行交通管制并配備護(hù)航船舶。液化天然氣船舶靠泊和離泊時(shí)應(yīng)配備全回轉(zhuǎn)型拖輪協(xié)助作業(yè)。液化天然氣船舶靠泊時(shí)，可配備4艘拖輪協(xié)助作業(yè)，離泊時(shí)，可配置2艘拖輪協(xié)助作業(yè)，拖輪的總功率應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀粭l件和船型等因素綜合確定，且單船最小功率不應(yīng)小于3 000 kW。

JTJ 165—2013《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]附錄G給出的拖輪拖力計(jì)算方法是引用自國(guó)際海事組織IMO規(guī)范《Tug use in port》[4]，而《Tug use in port》中的風(fēng)力和水流力計(jì)算方法引用自石油公司國(guó)際海事論壇（OCIMF）規(guī)范《Mooring equipment guidelines》[5]并將公式進(jìn)行了簡(jiǎn)化，為了得到更準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，建議作用在船舶上的風(fēng)力和水流力計(jì)算將直接參照OCIMF規(guī)范《Mooring equipment guidelines》[5]進(jìn)行計(jì)算，而作用在船舶上的波浪力的計(jì)算方法建議使用西班牙規(guī)范ROM 3.1-99《Recommendations for the design of the maritime configuration of ports，approach channels and harbour basins》[6]中的計(jì)算公式。

2 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料分析和計(jì)算工況選取

2.1 LNG船型資料分析

目前最大的LNG船是26.6萬m3LNG運(yùn)輸船，26.6萬m3LNG運(yùn)輸船的船型資料如表1所示。

表1 26.6萬m3LNG運(yùn)輸船船型資料Table 1 The ship data of 266 000 m3 LNG carrier

目前全世界大約有15艘26.6萬m3LNG船，根據(jù)國(guó)際航運(yùn)協(xié)會(huì)PIANC規(guī)范《Harbour approach channels design guidelines》[7]，LNG運(yùn)輸船屬于操縱性能中等的船舶，一般在船舶側(cè)邊配置側(cè)推器。需要慎重考慮是否用艏、艉推進(jìn)器來替代拖輪。在船舶到港之前如果能確定推進(jìn)器的可靠性，才能減少拖輪的數(shù)量，否則任何失效情況，都會(huì)增加作業(yè)的危險(xiǎn)性。從另一方面而言，如果不將艏、艉推進(jìn)器計(jì)入總拖力中，那么在拖輪失效的情況下，將能大大提高富裕安全性。

2.2 自然條件分析和計(jì)算工況選取

1）風(fēng)

根據(jù)《液化天然氣碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]，8萬m3以上LNG船的靠泊操作作業(yè)的風(fēng)速條件，標(biāo)準(zhǔn)為15 m/s，相當(dāng)于7級(jí)風(fēng)，而規(guī)范中對(duì)于LNG船舶在回旋水域中的作業(yè)條件標(biāo)準(zhǔn)沒有相關(guān)規(guī)定。根據(jù)PIANC規(guī)范《Harbour approach channels design guidelines》[7]，制動(dòng)水域和回旋水域中允許的船舶操縱作業(yè)條件標(biāo)準(zhǔn)為10 m/s?？紤]到中國(guó)沿海地區(qū)出現(xiàn)較大風(fēng)速天數(shù)較多，10 m/s的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)較為嚴(yán)格，考慮作業(yè)條件標(biāo)準(zhǔn)為6級(jí)風(fēng)（蒲福風(fēng)級(jí)）比較合適，即額外考慮13.8 m/s的工況。綜上，作用在船舶上的風(fēng)力計(jì)算考慮10 m/s、13.8 m/s和15 m/s 3種工況。

中國(guó)規(guī)范沒有對(duì)風(fēng)速時(shí)距給出相關(guān)規(guī)定或者要求，一般默認(rèn)采用10 min平均風(fēng)速作為港池泊位、系泊分析等設(shè)計(jì)風(fēng)速。但是國(guó)外規(guī)范一般認(rèn)為能夠克服船舶慣性的設(shè)計(jì)風(fēng)速應(yīng)是陣風(fēng)風(fēng)速，即接近船舶運(yùn)動(dòng)自有周期的風(fēng)速時(shí)距，其中OCIMF規(guī)范《Mooring equipment guidelines》[5]中建議采用30 s平均風(fēng)速。在PIANC規(guī)范《Safety aspects affecting the berthing operations of tankers to oil and gas terminals》[8]中給出的風(fēng)速轉(zhuǎn)換方法，則從10 min平均風(fēng)速轉(zhuǎn)換為30 s平均風(fēng)速的陣風(fēng)系數(shù)約為1.23，從10 min平均風(fēng)速轉(zhuǎn)換為60 s平均風(fēng)速的陣風(fēng)系數(shù)約為1.19。蒲福風(fēng)級(jí)的風(fēng)速為10 min平均風(fēng)速，因此如采用國(guó)外規(guī)范計(jì)算船舶風(fēng)荷載時(shí)應(yīng)進(jìn)行風(fēng)速換算計(jì)算。

在船舶風(fēng)荷載計(jì)算中考慮的風(fēng)速一般是指水平面或者地面上10 m處的風(fēng)速。

在液化天然氣碼頭拖輪配置計(jì)算中，一般考慮設(shè)計(jì)風(fēng)速橫向作用于LNG船舶。

2）水流

根據(jù)《液化天然氣碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]，8萬m3以上LNG船的靠泊操作作業(yè)的水流流速條件標(biāo)準(zhǔn)為小于0.5 m/s。對(duì)于有防波堤掩護(hù)的碼頭，往往流速可以降低到0.25 m/s以下，因此水流荷載計(jì)算考慮0.25 m/s和0.5 m/s兩種工況。

3）波浪

根據(jù)《液化天然氣碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]，8萬m3以上LNG船的靠泊操作作業(yè)的波浪條件標(biāo)準(zhǔn)為不大于1.2 m，該波高為波列累積頻率4%的波高，但是在國(guó)外船舶波浪力荷載計(jì)算中往往使用的是有效波高，因此在計(jì)算時(shí)應(yīng)注意進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

3 拖輪配置的計(jì)算分析

3.1 橫風(fēng)作用下LNG船所受風(fēng)作用力

橫風(fēng)作用下船舶所需拖輪拖力按照OCIMF規(guī)范《Mooring equipment guidelines》[5]的計(jì)算公式為：

式中：FYW為橫向風(fēng)力，kN；CYW為橫向風(fēng)力系數(shù)，對(duì)于棱柱型LNG運(yùn)輸船，受到側(cè)向橫風(fēng)時(shí)取為1.05；ρA為空氣的密度，在20℃時(shí)，取為1.223 kg/m3；AL為船舶水面以上縱向投影面積，m2；VW為設(shè)計(jì)風(fēng)速，kn。

按照最大設(shè)計(jì)船型為26.6萬m3LNG船計(jì)算橫風(fēng)作用下船舶所需拖輪拖力，計(jì)算結(jié)果如下：

工況A：26.6萬m3LNG船滿載時(shí)在10 m/s橫風(fēng)作用下船舶所需拖輪拖力為76 t；

工況B：26.6萬m3LNG船壓載時(shí)在10 m/s橫風(fēng)作用下船舶所需拖輪拖力為84 t；

工況C：26.6萬m3LNG船滿載時(shí)在13.8 m/s橫風(fēng)作用下船舶所需拖輪拖力為146 t；

工況D：26.6萬m3LNG船壓載時(shí)在13.8 m/s橫風(fēng)作用下船舶所需拖輪拖力為160 t；

工況E：26.6萬m3LNG船滿載時(shí)在15 m/s橫風(fēng)作用下船舶所需拖輪拖力為172 t；

工況F：26.6萬m3LNG船壓載時(shí)在15 m/s橫風(fēng)作用下船舶所需拖輪拖力為189 t。

3.2 橫流作用下LNG船所受到的水流作用力

根據(jù)OCIMF規(guī)范《Mooring Equipment Guidelines》[5]計(jì)算橫流作用下船舶所需拖輪拖力FYC的公式為：

式中：CYC為船舶橫向水流力系數(shù)，對(duì)于26.6萬m3LNG運(yùn)輸船，滿載情況下水深與船舶吃水比值約為1.2（一般LNG碼頭港池水域水深約為14.5～15.0 m，滿載吃水12.0 m），考慮水流與船夾角為90°時(shí)，CYC取2.3；壓載情況下水深與船舶吃水比值約為1.5（壓載吃水9.8 m），考慮水流與船夾角為90°時(shí)，CYC取0.8；ρV為水的密度，在20 °C時(shí)密度為1 025 kg/m3；LBP為船舶雙垂線間長(zhǎng)度，m；VC為流速，kn；T為船舶吃水。

按照最大設(shè)計(jì)船型為26.6萬m3LNG船計(jì)算橫流作用下船舶所需拖輪拖力，計(jì)算結(jié)果如下：

26.6萬m3LNG船滿載時(shí)在0.25 m/s橫流作用下船舶所需拖輪拖力為30 t；

26.6萬m3LNG船壓載時(shí)在0.25 m/s橫流作用下船舶所需拖輪拖力為9 t；

26.6萬m3LNG船滿載時(shí)在0.5 m/s橫流作用下船舶所需拖輪拖力為120 t；

26.6萬m3LNG船壓載時(shí)在0.5 m/s橫流作用下船舶所需拖輪拖力為34 t。

3.3 橫浪作用下LNG船所受波浪作用力

根據(jù)西班牙規(guī)范ROM 3.1-99《Recommendations for the design of the maritime configuration of ports，approach channels and harbour basins》[6]計(jì)算作用在船舶上的橫浪作用力計(jì)算公式為：

式中：FT為橫向波浪力，kN；α為波浪傳播方向相對(duì)于船舶長(zhǎng)度方向的夾角，（°）；γw為水的密度，為1 030 kg/m3；Cf為水線面系數(shù)，由圖2查得，取為0.065；Cd為深度系數(shù)，查圖3，取為1.1；HS為有效波高，m；D′為船舶在波浪方向上的投影長(zhǎng)度，m。

圖2 、圖3中：h為水深，m；Lwr為計(jì)算區(qū)域水深處的相對(duì)波長(zhǎng)，在回旋水域位置船舶速度為0，Lwr可取為計(jì)算區(qū)域的絕對(duì)波長(zhǎng)，m；D為船舶吃水深度，m。

圖2 水線面系數(shù)Cf取值Fig.2 Water plane coefficient Cf value

圖3 深度系數(shù)Cd取值Fig.3 Depth coefficient Cd value

由于26.6萬m3LNG船舶在滿載和壓載情況下的水線面系數(shù)相同，因此滿載和壓載情況受到的波浪力相同，計(jì)算得出約為25 t。

3.4 環(huán)境荷載作用下LNG船操縱所需拖輪總拖力

根據(jù)《Safety aspects affecting the berthing operations of tankers to oil and gas terminals》[8]對(duì)于拖輪配置進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹，由于在幾艘船舶同時(shí)作業(yè)時(shí)可能出現(xiàn)的拖拽力不平衡的情況，以及在計(jì)算拖輪力時(shí)的不精確性，建議增加一個(gè)拖輪拖力系數(shù)Sf，取值在1.2～1.5之間。由于實(shí)際可用的總拖輪力與克服自然條件所需有效總拖力之間的區(qū)別，推薦增加一個(gè)作業(yè)安全系數(shù)SO，取值在1.1～1.25之間，具體數(shù)值由拖纜長(zhǎng)度、是否頂推、拖拽或者頂推的方向、涌浪情況以及水流速度綜合確定。

對(duì)于26.6萬m3LNG船舶，考慮環(huán)境荷載、拖輪拖力系數(shù)和作業(yè)安全系數(shù)后得出的拖輪配置計(jì)算結(jié)果如表2和表3所示。

表2 設(shè)計(jì)流速0.25 m/s、H4%波高1.2 m時(shí)26.6萬m3LNG船所需拖輪總拖力Table 2 Total towing force of 266 000 m3 LNG carrier at design current speed of 0.25 m/s and H4% wave height of 1.2 m

表3 設(shè)計(jì)流速為0.5 m/s、H4%波高1.2 m時(shí)26.6萬m3LNG船所需拖輪總拖力Table 3 Total towing force of 266 000 m3 LNG carrier at design current speed of 0.5 m/s and H4% wave height of 1.2 m

3.5 計(jì)算結(jié)果分析和拖輪配置方案

由風(fēng)、波浪和水流作用下LNG船舶回旋作業(yè)所需拖輪總拖力計(jì)算結(jié)果表2和表3可以看出，26.6萬m3LNG船舶在回旋水域時(shí)承受的最大環(huán)境荷載中，風(fēng)荷載和水流力荷載是主要影響因素，滿載所受到的環(huán)境荷載比壓載大，因此滿載情況為控制工況。

如果回旋水域作業(yè)設(shè)計(jì)風(fēng)速13.8 m/s，流速0.25 m/s，H4%波高1.2 m，則所需最大拖輪總拖力約為265 t，可以考慮配置3艘4 000 kW（5 200 HP）全回旋拖輪（每艘拖力65 t）和1艘4 000 kW（5 200 HP）消拖兩用全回旋拖輪（每艘拖力65 t）。

如果回旋水域作業(yè)設(shè)計(jì)風(fēng)速15 m/s，流速0.25 m/s，H4%波高1.2 m，則所需最大拖輪總拖力約為300 t，可以考慮配置3艘5 500 kW（6 800 HP）全回旋拖輪（每艘拖力75 t）和1艘5 500 kW（6 800 HP）消拖兩用全回旋拖輪（每艘拖力75 t）。

如果回旋水域作業(yè)設(shè)計(jì)風(fēng)速15 m/s，流速0.5 m/s，H4%波高1.2 m，則所需最大拖輪總拖力約為418 t，需要配置5艘5 000 kW（6 000 HP）全回旋拖輪（每艘拖力70 t）和1艘5 000 kW（6 000 HP）消拖兩用全回旋拖輪（每艘拖力70 t），但是6艘拖輪數(shù)量已經(jīng)是引航員所能指揮的最大數(shù)量，對(duì)于引航員的指揮能力和指揮系統(tǒng)的先進(jìn)程度要求非常高，為保證操縱安全，不建議停靠作業(yè)。

如果回旋水域作業(yè)設(shè)計(jì)風(fēng)速10 m/s，流速0.5 m/s，H4%波高1.2 m，則所需最大拖輪總拖力約為229 t，可以考慮配置3艘4 000 kW（5 200 HP）全回旋拖輪（每艘拖力65 t）和1艘4 000 kW（5 200 HP）消拖兩用全回旋拖輪（每艘拖力65 t）。

4 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

根據(jù)Carl A.Thoresen的《Port designer’s handbook》[9]，在靠離泊作業(yè)過程中，需要考慮拖輪失效的可能性。當(dāng)拖輪失效時(shí)，靠泊作業(yè)應(yīng)該能夠被剩余的拖輪繼續(xù)完成或者安全的中斷。

為了簡(jiǎn)化和展示風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，可建議一個(gè)如圖4所示的關(guān)系矩陣，其中橫軸為可能性，縱軸為結(jié)果。

圖4 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣Fig.4 Risk assessment matrix

對(duì)于油氣船舶，船舶失去控制的可能性應(yīng)該小于等于等級(jí)3。一般不接受2艘拖輪的配置，即使拖輪拖力已經(jīng)足夠。因?yàn)槿绻凰彝陷喪?，船舶失去控制的可能性就非常大?/p>

對(duì)于油氣船舶，在靠泊過程中船舶失去控制的后果是非常嚴(yán)重的。它不僅會(huì)損壞船舶本身，還會(huì)對(duì)其他船舶以及港口建筑物產(chǎn)生破壞。在實(shí)踐中，油氣船舶的操作結(jié)果應(yīng)該保持在等級(jí)3或者更小。

圖4 中的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣給出了在作業(yè)過程中，一艘拖輪失效后，配置不同數(shù)量拖輪的情況下船舶失控的可能性與后果。由于對(duì)于事件發(fā)生可能性和后果嚴(yán)重性都需要控制在一定范圍內(nèi)，因此圖4中淡灰色部分為可接受的風(fēng)險(xiǎn)范圍。

在計(jì)算拖輪拖力之前就需要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[10]，而且最終確定的拖輪數(shù)量必須大于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估得出的拖輪數(shù)量。

5 結(jié)語

拖輪配置的合理性以及拖輪作業(yè)的安全性對(duì)整個(gè)港口運(yùn)作至關(guān)重要，一般的配置計(jì)算需要考慮到多種因素的影響，包括港口總體布置、環(huán)境條件、被拖船的船型特性、拖輪操作方法、安全因素等。

本文使用國(guó)內(nèi)外規(guī)范中給出的LNG船舶操縱的環(huán)境作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和常規(guī)的作業(yè)條件作為輸入條件，通過計(jì)算方法分析液化天然氣碼頭的拖輪配置方法，綜合考慮了環(huán)境條件、安全因素和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等因素，針對(duì)不同的環(huán)境作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)給出不同的拖輪配置方案，可供相關(guān)項(xiàng)目參考使用。