LNG應(yīng)急過駁船舶選型與兼容性分析

時(shí)光志，朱明昌，石峰，黃立文，謝澄*

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司 天津 300452；2.武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院,武漢 430063)

隨著我國LNG進(jìn)口量的逐年增加，LNG運(yùn)輸船運(yùn)輸業(yè)務(wù)大幅增長，潛在的LNG運(yùn)輸船事故發(fā)生數(shù)量也相對(duì)提升。由于LNG貨物的冷態(tài)液體特殊性，LNG貨物不能維持過長時(shí)間保存，LNG運(yùn)輸船貨品特性要求必須及時(shí)采取海上應(yīng)急過駁救助措施進(jìn)行處理以避免造成貨物損失和海事安全風(fēng)險(xiǎn)隱患，這給我國LNG船舶安全監(jiān)管和應(yīng)急救援保障提出巨大的挑戰(zhàn)。關(guān)于LNG船對(duì)船過駁作業(yè)，OCIMF、IACS、SIGGTO等國際組織現(xiàn)已出臺(tái)相關(guān)的指導(dǎo)文件，我國交通運(yùn)輸部也發(fā)布了天然氣的過駁標(biāo)準(zhǔn)。已有的研究涉及LNG運(yùn)輸船過駁安全問題，如，碰墊和軟管的選取和兼容性分析[1]；LNG加注作業(yè)時(shí)的兩船兼容性問題，兩船間碰墊配備、兩船船舶尺度、加注軟管和軟管吊起吊能力分析[2]。目前國內(nèi)對(duì)LNG船舶應(yīng)急救援技術(shù)相關(guān)研究尚處于起步階段，對(duì)大型LNG運(yùn)輸船在海上發(fā)生應(yīng)急事故時(shí)的貨物轉(zhuǎn)運(yùn)研究不足，需進(jìn)一步對(duì)LNG應(yīng)急過駁船舶選型和兼容性進(jìn)行研究，滿足國內(nèi)LNG船舶安全保障需求。為此，考慮對(duì)國內(nèi)到港主要LNG運(yùn)輸船的船舶參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定在海上應(yīng)急情況發(fā)生時(shí)，LNG應(yīng)急過駁受載船的可選船型。通過參照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及計(jì)算方法，對(duì)LNG應(yīng)急過駁船舶船型、艙型、艙容、軟管連接、防撞設(shè)備、系泊條件等方面兼容性進(jìn)行分析，提出17萬m3卸載船過駁匹配方案，以初步解決兩船的匹配問題。

1 國內(nèi)到港LNG運(yùn)輸船現(xiàn)狀

1.1 基本情況

目前國內(nèi)外LNG運(yùn)輸船數(shù)量相對(duì)較少，截止到2019年，全球LNG船舶數(shù)量僅598艘[4]，見表1。

表1 2019年全球LNG船舶狀況

我國目前現(xiàn)已建成并投入營運(yùn)的接收站共有22座，根據(jù)近10個(gè)月對(duì)我國到港LNG運(yùn)輸船的統(tǒng)計(jì)可知，容積小于10萬m3的中小型LNG船舶數(shù)量最少，貨艙容積在區(qū)間10萬～20萬m3的大型LNG船舶數(shù)量最多；除此之外，超大型LNG船舶也服務(wù)于我國進(jìn)口LNG的運(yùn)輸。將LNG運(yùn)輸船按艙容大小分為4個(gè)范圍[5]，占比情況見表2。

表2 國內(nèi)到港船型尺度統(tǒng)計(jì)表(2020年8月—2021年4月)

1.2 典型主力船型

統(tǒng)計(jì)分析可知，22萬m3、17萬m3、14萬m3、3萬m3的LNG運(yùn)輸船是國內(nèi)到港的LNG運(yùn)輸船中的典型主力船型。22萬、17萬、14萬m3的LNG運(yùn)輸船代表船有TEMBEK、PAN AFRICA、DAPENG STAR等，其液貨艙艙型大都采用NO. 96薄膜型和Mark III薄膜型，少數(shù)采用Mark II薄膜型和MOSS型。3萬m3的代表船是中國船東的海洋石油301號(hào)，其液貨艙采用獨(dú)立C型液貨艙。具體的參數(shù)及17萬m3典型船型布置見表3。

表3 典型主力船型參數(shù)

1.3 應(yīng)急過駁船舶選型

由于LNG貨物特性，發(fā)生應(yīng)急情況時(shí)需及時(shí)過駁轉(zhuǎn)運(yùn)至就近的LNG接收站，受載船要滿足船型、艙型的兼容性，配備與卸載船能夠相互匹配的低溫軟管設(shè)備、防撞設(shè)備、系泊設(shè)備等，同時(shí)應(yīng)急過駁船舶選型也要考慮經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保因素。

選用中國船東的LNG運(yùn)輸船進(jìn)行應(yīng)急過駁作業(yè)的備選受載船船型，表4是中國船東的應(yīng)急過駁LNG受載船可選船型參數(shù)見表4。

表4 LNG受載船選型表

2 兼容性分析

2.1 船型

在船型匹配方面，原則上進(jìn)行LNG應(yīng)急過駁作業(yè)兩船尺度相近為宜。目前國內(nèi)到港主要是17萬m3LNG運(yùn)輸船，尺度參數(shù)為長290 m、寬45 m左右的大型LNG運(yùn)輸船居多，可進(jìn)行相近尺度的兩船進(jìn)行匹配，要求兩船型線不能差別太大，否則會(huì)導(dǎo)致兩船舶靠泊無法靠至正常過駁距離，軟管長度不夠，碰墊無法正常發(fā)揮作用。

兩船能夠容許的最大干舷差受于軟管的長度限制，若兩船的干舷差過大，傳輸系統(tǒng)的垂向距離不能滿足其正常水平狀態(tài)系泊的連接傳輸，橫向距離導(dǎo)致軟管的位移極限難以滿足船駁組合體受風(fēng)浪的影響；同時(shí)干舷差過大，會(huì)使軟管內(nèi)LNG的流速過大過急，過大的流速會(huì)導(dǎo)致難以控制和易生靜電，使軟管容易脫落，發(fā)生泄漏。經(jīng)實(shí)驗(yàn)計(jì)算，得出兩船的干舷差應(yīng)不大于10 m。卸載船、受載船軟管輸氣口前后差距不應(yīng)大于5 m。

2.2 艙型及艙容

對(duì)于兩船艙型，由于液態(tài)LNG溫度高于該壓力下的沸點(diǎn)，LNG就會(huì)迅速沸騰汽化，使液態(tài)LNG內(nèi)部產(chǎn)生大量的氣泡，液貨艙產(chǎn)生高壓，所以要采用壓力、保冷效果相近的液貨艙類型進(jìn)行過駁作業(yè)，在過駁過程中就不會(huì)發(fā)生類似C型艙對(duì)薄膜艙過駁時(shí)熱液進(jìn)入冷液的閃蒸現(xiàn)象[3]。

對(duì)于兩船艙容的大小，因?yàn)樾遁d船應(yīng)急情況緊急，不允許長時(shí)間的過駁作業(yè)，應(yīng)盡量保證兩船具有相同的艙容大小，在盡量少的次數(shù)完成對(duì)卸載船的應(yīng)急過駁作業(yè)，使液貨處于安全裝載狀態(tài)。在分多次轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)也要避免因艙容的大小出現(xiàn)的半艙裝載的情況。同時(shí)艙容大小相近的LNG運(yùn)輸船，在船型尺度方面，如在線型、干舷差、管匯位置、系泊方案等方面也能達(dá)到基本吻合，能滿足兼容性條件。

2.3 低溫軟管

通常在進(jìn)行大型LNG運(yùn)輸船過駁作業(yè)時(shí)，船舶管路布置4根液相管和1根氣相管，5根管道的位置為氣相管居中，兩邊各布置兩根液相管，低溫軟管通過Y形變徑和絕緣法蘭與船舶管路進(jìn)行連接，低溫軟管管徑及布置滿足OCIMF要求，氣相和液相軟管可為8、10、16、20 in，間距一般為3 m。軟管長度必須考慮最小彎曲半徑要求、船舶受風(fēng)浪流影響的垂向和橫向運(yùn)動(dòng)幅度等因素，防止過駁過程中干舷差過大而導(dǎo)致及管匯拉斷，一般取最大高度差的2倍[6]。

2.4 碰墊及系泊

國際行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，為了保證過駁兩船靠泊時(shí)安全，LNG應(yīng)急過駁作業(yè)應(yīng)配備一定數(shù)量主碰墊、輔助碰墊，主碰墊沿船體平行部分放置，對(duì)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。主碰墊和輔助碰墊通常采用充氣式橡膠碰墊，滿足國際浮式碰墊標(biāo)準(zhǔn)[9]。

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。

通過式(1)計(jì)算，再根據(jù)OCIMF碰墊快速選取表，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)量要求選擇主碰墊。

考慮到兩船靠泊過駁作業(yè)期間，相互平行接觸較少，單個(gè)碰墊更有可能吸收初始碰撞能量，故應(yīng)校核單個(gè)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倍船舶排水量的方式考慮靠泊額外力的作用，即

DSAA=1.8·DSADSBA=1.8·DSB

(2)

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

(3)

單個(gè)碰墊作用時(shí)靠泊碰撞能量為

E1=0.025DTA·V2

(4)

式中：V為抵靠速度，m/s。

兩船平行靠泊時(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=0.051DTA·V2

(5)

(6)

式中：EN為撞擊能量；DTA為系統(tǒng)調(diào)整排水量；c為調(diào)和系數(shù)，取1.8；Wa、Wb為船舶排水量[7]。

兩船通過系泊設(shè)備穩(wěn)定地系靠在一起，視為一個(gè)組合體進(jìn)行過駁作業(yè)。兩船應(yīng)根據(jù)船舶噸級(jí)及風(fēng)浪流對(duì)兩船的影響水動(dòng)力計(jì)算，結(jié)合不同的規(guī)格纜繩的參數(shù)表，配置合適的纜繩，做好系泊方案。

所需纜繩的系纜力為

(7)

式中:F為船舶因風(fēng)浪流的影響所受到的總荷載的縱向分力,kN；n為系泊船纜繩同時(shí)受力時(shí)計(jì)算得到的系船柱數(shù)目，K為系船柱受力不均勻系數(shù)；當(dāng)實(shí)際受力的系船柱數(shù)目，n等于2時(shí)，K取1.2；當(dāng)n大于2時(shí)，K取1.3；α為系泊船纜繩的水平投影與水平面所成的夾角；β為系泊船纜繩與水平面之間的夾角。受載船的船舶縱向系纜力的標(biāo)準(zhǔn)值N可以通過式(7)求取。

FL=λL·Φ2

(8)

(9)

式中:FL為系泊纜繩的破斷力,kN；λL為系泊纜繩的破斷力系數(shù)；Φ為系泊纜繩直徑,mm；nL為同一個(gè)系纜樁(墩)上纜繩的根數(shù)[8-9]。

3 典型案例匹配方案

3.1 案例船型及參數(shù)

以卸載船為17萬m3LNG運(yùn)輸船為典型案例進(jìn)行匹配，如國內(nèi)到港MARAN GAS LINDOS、BORIS DAVYDOV的174 000 m3船舶為NO.96薄膜式LNG運(yùn)輸船，船長為294 m，船寬為44 m，繩數(shù)18根，纜繩型號(hào)為HMPE，纜繩直徑68，纜繩強(qiáng)度達(dá)1 370 kN，管匯中心線至滿載水面高度為19.5 m，管匯中心線至壓載水面高度為22.1 m，液/氣相管在平臺(tái)上之高為1.4 m，管匯至船邊3.5 m，船舷配有5根總管，其中4根液相、1根氣相，尺寸16 in，間距3 m。

受載船方案選擇一艘艙容為174 000 m3NO.96薄膜型的PAN AFRICA、PAN EUROPE，船長290 m，船寬47 m，纜繩數(shù)18根，纜繩型號(hào)為HMPE，纜繩直徑68 mm，纜繩強(qiáng)度達(dá)1 370 kN，管匯中心線至滿載水面高度為19.3 m，管匯中心線至壓載水面高度為22.2 m，液/氣相管在平臺(tái)上之高為1.4 m，管匯至船邊3.5 m，船舷配有5根總管，其中4根液相、1根氣相，尺寸16 in，間距3 m。

3.2 匹配結(jié)果

通過對(duì)17萬～17.4萬m3LNG運(yùn)輸船應(yīng)急過駁作業(yè)在船舶尺度兼容性、連接系統(tǒng)兼容性、系泊方案等進(jìn)行評(píng)估分析，匹配結(jié)果如下。

1)碰墊。采用5個(gè)3.3 m×6.5 m的初始內(nèi)壓80 kPa典型高壓碰墊，建議靠泊速度不超過0.2 m/s，輔助碰墊使用2個(gè)2.2 m×5.5 m的初始內(nèi)壓50 kPa典型高壓碰墊。

2)管匯位置。卸載船、受載船的管匯中心在船舯附近，匹配良好。

3)管匯。受載船和卸載船的管匯布置方式均為L-L-V-L-L形式，2船過駁管匯布置是兼容的；過駁過程中將采用Y形變徑接頭連接8 in軟管，共需配備8根液相軟管、2根氣相軟管。

4)過駁軟管。配備8 in連接軟管，長度至少18.8 m。

5)船/船連接系統(tǒng)(SSL)2船均配備光纖、氣動(dòng)和電纜3種連接方式，SSL連接系統(tǒng)的兼容性良好。

6)系泊方案。過駁作業(yè)系泊方案采取船艏對(duì)船艏的方式，卸載船拋受載船靠泊另一側(cè)的錨進(jìn)行錨泊，系泊布置采用艏部4根系泊纜，艉部4根纜，船中部分靠近首尾部分各設(shè)置2根倒纜，纜繩型號(hào)為HMPE，纜繩直徑68 mm，盡量使纜繩出纜長度接近，受力均勻。

匹配方案中船型、艙型、過駁用軟管的位置布置及尺寸、系泊設(shè)備等條件計(jì)算匹配良好，見圖1。

圖1 17萬m3卸載船與17.4萬m3受載船過駁布置設(shè)計(jì)方案

4 結(jié)論

統(tǒng)計(jì)分析國內(nèi)到港主要LNG運(yùn)輸船的船舶參數(shù)，典型主力船型為10萬～20萬m3LNG運(yùn)輸船，提出典型船型數(shù)據(jù)參數(shù)。當(dāng)應(yīng)急情況發(fā)生時(shí)，考慮到方便調(diào)用的條件下，有18艘中國船東的LNG運(yùn)輸船可供進(jìn)行受載船選型。通過對(duì)兩船兼容性的分析計(jì)算，在船型方面，兩船尺度應(yīng)相近為宜，最大干舷差應(yīng)不大于10 m；艙型應(yīng)具有接近的保冷效果和液貨艙壓力，兩船的艙容應(yīng)相近，保證能在安全有效的次數(shù)下，高效地完成過駁作業(yè)；過駁作業(yè)所用低溫軟管一般采用四氣一液方式布置，長度考慮軟管最小彎曲半徑要求、船舶垂向和橫向運(yùn)動(dòng)幅度等因素，一般取最大高度差的2倍；碰墊及系泊方案選擇通過船舶排水量、抵靠能量及水動(dòng)力等條件，提出一般的計(jì)算方法。并通過典型案例分析，得出匹配結(jié)果，兼容性良好，能夠?yàn)長NG應(yīng)急過駁作業(yè)中的船舶選型和兼容性分析提供理論支撐。