大型液化天然氣碼頭船舶系纜力的影響分析

陳祥 宓寶勇 李家華

摘 要：通過(guò)OPTIMOOR軟件建立大型液化天然氣碼頭船舶在港系泊模型，對(duì)風(fēng)、浪、流要素單一和聯(lián)合作用下的船舶系纜力進(jìn)行影響分析。研究結(jié)果表明：在規(guī)范規(guī)定的LNG船舶作業(yè)條件標(biāo)準(zhǔn)限制工況下，波浪對(duì)船舶系纜力的影響最大，風(fēng)其次，流最小;受縱向作用顯著時(shí)，單側(cè)倒纜纜繩張力為控制;受橫向作用顯著時(shí)，橫纜或艏艉纜纜繩張力為控制;在港卸船時(shí)，船舶載重量變小，風(fēng)、浪作用可能會(huì)引起更大的船舶系纜力，應(yīng)關(guān)注滿載與壓載時(shí)系纜力的變化，必要時(shí)可通過(guò)調(diào)整系纜方案或纜繩預(yù)張力來(lái)均勻各纜繩受力，以達(dá)到較好的系泊效果。

關(guān)鍵詞：液化天然氣碼頭;系泊分析;系纜力;風(fēng)浪流影響

中圖分類號(hào)：U656.1+39 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006—7973（2021）07-0133-04

風(fēng)、浪、流水文氣象要素對(duì)船舶系纜力的影響是液化天然氣碼頭（簡(jiǎn)稱LNG碼頭，下同）系泊分析的主要內(nèi)容之一，是確定LNG碼頭泊位長(zhǎng)度、系纜墩布置、系泊條件和船舶系纜方式的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)?！兑夯烊粴獯a頭設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]指出LNG碼頭平面布置應(yīng)充分考慮風(fēng)、浪、流和泥沙回淤等自然因素對(duì)船舶航行、靠泊、裝卸作業(yè)和系泊的影響，并給出了各作業(yè)階段允許風(fēng)、浪、流的標(biāo)準(zhǔn)建議值。時(shí)恩哲等通過(guò)物理模型試驗(yàn)，在不同泊位長(zhǎng)度和帶纜方式下，針對(duì)LNG船進(jìn)行了多種環(huán)境荷載作用下纜繩張力及船舶運(yùn)動(dòng)量的研究，以減小系泊船舶運(yùn)動(dòng)量和均化各纜力為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)開(kāi)敞式碼頭泊位系靠泊狀態(tài)時(shí)的運(yùn)動(dòng)量和系纜力進(jìn)行了分析[2]。楊興晏等對(duì)不同泊位長(zhǎng)度下風(fēng)浪流綜合作用的船舶系纜力進(jìn)行了分析，認(rèn)為短泊位纜繩受力更為均勻，系纜系統(tǒng)對(duì)抵御惡劣環(huán)境條件更為有利[3]。夏賢斌從大型船舶在系泊時(shí)受到風(fēng)、流作用后發(fā)生斷纜險(xiǎn)情的案例出發(fā)，分析斷纜原因，并提出增加纜繩和拖輪協(xié)助等預(yù)防斷纜的措施[4]。本文結(jié)合某沿海LNG碼頭工程案例[5]，應(yīng)用國(guó)際通用系泊分析軟件OPTIMOOR，對(duì)風(fēng)浪流水文氣象要素作用下的船舶系纜力進(jìn)行影響分析，重點(diǎn)探討風(fēng)、浪、流要素單一和聯(lián)合作用下船舶系纜力分布及優(yōu)化系纜方式的對(duì)策，供不同水文氣象條件下類似LNG碼頭工程的設(shè)計(jì)及營(yíng)運(yùn)管理作參考。

1基礎(chǔ)資料

1.1船型資料

1.1.1船型主尺度

本工程LNG碼頭設(shè)計(jì)船型采用艙容為21.7萬(wàn)m3LNG船（Q-Flex船），船型主尺度參數(shù)詳見(jiàn)表1。

1.1.2纜繩規(guī)格

21.7萬(wàn)m3 LNG船纜繩包括主纜和尾索，纜繩規(guī)格參數(shù)詳見(jiàn)表2。

據(jù)OCIMF《Mooring Equipment Guidelines Fourth Edition》[6]規(guī)定：HMPE纜單根纜繩最大拉力不應(yīng)超過(guò)纜繩強(qiáng)度的50%。據(jù)調(diào)研資料，21.7萬(wàn)m3 LNG船，纜繩預(yù)張力可取10～20t，系泊纜繩數(shù)量為16～20根。

1.2碼頭平面布置方案簡(jiǎn)述

本工程所在海域常浪向、強(qiáng)浪向均為SE向，全年波向主要集中在SE、ESE、SSE和S四個(gè)方向。為形成有效掩護(hù)水域，在新建島式防波堤內(nèi)側(cè)布置LNG碼頭，見(jiàn)圖1（a）。LNG碼頭最大設(shè)計(jì)船型為21.7萬(wàn)m3 LNG船，采用“一字形”布置，泊位長(zhǎng)度340m，碼頭面高程11.8m，碼頭前沿設(shè)計(jì)水深14m，由1個(gè)工作平臺(tái)、4個(gè)靠船墩、6個(gè)系纜墩和聯(lián)系橋組成，碼頭結(jié)構(gòu)采用高樁墩式結(jié)構(gòu)，護(hù)舷采用SUC2250H一鼓一板標(biāo)準(zhǔn)反力型橡膠護(hù)舷，見(jiàn)圖1（b）。

2不同風(fēng)浪流條件下船舶系纜力的影響分析

本文依據(jù)《液化天然氣碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]第4.0.2條規(guī)定的LNG船舶作業(yè)條件標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合工程案例，應(yīng)用OPTIMOOR軟件，對(duì)風(fēng)、浪、流要素單一和聯(lián)合作用下船舶系纜力進(jìn)行計(jì)算，在此基礎(chǔ)上，深入分析不同風(fēng)、浪、流條件對(duì)LNG船舶系纜力的影響。

2.1單一風(fēng)作用

2.1.1計(jì)算工況

規(guī)范規(guī)定，大型LNG船舶在港系泊時(shí)，允許風(fēng)速≤20m/s。本計(jì)算工況取20m/s作為計(jì)算風(fēng)速，選取與船舶夾角為0°、45°、90°（吹開(kāi)風(fēng)）、-90°（吹攏風(fēng)）4種典型風(fēng)向，計(jì)算單一風(fēng)作用滿載、壓載工況下的船舶系纜力。

2.1.2計(jì)算結(jié)果

單一風(fēng)作用，21.7萬(wàn)m3 LNG船舶在港系泊時(shí)，典型風(fēng)向工況下船舶系纜力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。圖中考慮同組纜繩張力基本一致，同組纜繩均選擇單根大值給出（下同）;縱向風(fēng)代表0°風(fēng)向、斜向風(fēng)代表45°風(fēng)向、吹開(kāi)風(fēng)代表90°風(fēng)向、吹攏風(fēng)代表-90°風(fēng)向。

由圖可知，單一風(fēng)作用，在規(guī)范規(guī)定的允許極限風(fēng)速情況下，船舶系纜力在壓載工況下整體較大，纜繩最大張力21.1t，為纜繩破斷力的15.4%，滿足系泊作業(yè)要求。

考慮工程中可能出現(xiàn)的突發(fā)陣風(fēng)，進(jìn)一步分析了風(fēng)速至25m/s、30m/s時(shí)，較不利吹開(kāi)風(fēng)作用滿載、壓載工況下船舶系纜力的變化情況，船舶系纜力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖可知，在25m/s吹開(kāi)風(fēng)壓載工況下，最大船舶系纜力30.4t，為纜繩破斷力的22.2%;在30m/s吹開(kāi)風(fēng)壓載工況下，最大船舶系纜力44.3t，為纜繩破斷力的32.3%。

2.1.3簡(jiǎn)要分析及小結(jié)

（1）壓載和滿載比較，壓載時(shí)船舶受風(fēng)面積大，在單一風(fēng)作用下，纜繩張力更大;

（2）短泊位情況，橫向風(fēng)作用下纜繩張力分布相對(duì)均勻，縱向風(fēng)作用下單側(cè)倒纜纜繩張力顯著增加;

（3）壓載狀態(tài)下風(fēng)速至25m/s、30m/s時(shí)，最大纜繩張力較20m/s風(fēng)速時(shí)增加較顯著，在港系泊過(guò)程中應(yīng)關(guān)注突發(fā)陣風(fēng)的出現(xiàn)。

2.2單一浪作用

2.2.1計(jì)算工況

規(guī)范規(guī)定，大型LNG船舶在港系泊時(shí)，允許橫浪波高H4%≤1.5m、順浪波高H4%<2.0m，波浪平均周期T≤7s。結(jié)合本工程波浪觀測(cè)資料，計(jì)算工況選取重現(xiàn)期2年一遇條件下對(duì)應(yīng)波浪平均周期6.9s，與船舶夾角為0°、45°、90°的3種典型波浪入射角，計(jì)算單一浪作用滿載、壓載工況下的船舶系纜力。

2.2.2計(jì)算結(jié)果

單一浪作用，21.7萬(wàn)m3 LNG船舶在港系泊時(shí)，典型波向工況下船舶系纜力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。圖中順浪代表0°波向、H4%=2.0m，斜向浪代表45°波向、H4%=1.5m，橫浪代表90°波向、H4%=1.5m。

由圖可知，單一浪作用下，在規(guī)范規(guī)定的允許極限波高情況下，船舶系纜力在橫浪壓載工況下整體較大，纜繩最大張力67.5t，為纜繩破斷力的49.3%，滿足系泊作業(yè)要求，但已基本接近容許纜繩張力值。

2.2.3簡(jiǎn)要分析及小結(jié)

（1）橫浪作用下，艏纜、艉纜及橫纜張力較大，倒纜張力較小;順浪、斜向浪作用下，各系泊纜繩張力相對(duì)均勻;順浪情況下，單側(cè)倒纜纜繩張力為控制。

（2）橫浪作用下，船舶壓載工況纜繩張力更大;順浪、斜向浪作用下，船舶滿載和壓載工況纜繩張力差別不明顯;因此，橫浪作用時(shí)，應(yīng)關(guān)注在港卸船過(guò)程中，載重量變化對(duì)船舶系纜力的影響。

（3）纜繩張力隨浪向變化影響較顯著，橫浪作用下最大纜繩張力約為順浪作用下的2～3倍，因此在確定碼頭前沿線時(shí)，應(yīng)盡量減小與浪的夾角，避免出現(xiàn)橫浪。

2.3單一流作用

2.3.1計(jì)算工況

規(guī)范規(guī)定，大型LNG船舶在港系泊時(shí)，允許橫流≤1.0m/s、順流<2.0m/s。本計(jì)算工況選取與船舶夾角為0°、45°、90°的3種典型潮流方向，計(jì)算單一流作用滿載、壓載工況下的船舶系纜力。

2.3.2計(jì)算結(jié)果

單一流作用，21.7萬(wàn)m3LNG船舶在港系泊時(shí)，典型流向工況下船舶系纜力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。圖中順流代表流向0°、流速2.0m/s，斜向流代表流向45°、流速1.0m/s，橫流代表流向90°、流速1.0m/s。

從圖可知，單一流作用下，在規(guī)范規(guī)定的允許極限流速情況下，船舶系纜力在橫流滿載工況下整體較大，纜繩最大張力18.8t，為纜繩破斷力的13.7%，滿足作業(yè)要求。

2.3.3簡(jiǎn)要分析及小結(jié)

（1）滿載和壓載比較，滿載時(shí)船舶吃水大，在單一流作用下，纜繩張力更大;

（2）橫流作用下，船舶受水流力較順流作用下大，船舶系纜力整體較順流作用下大;

（3）在規(guī)范規(guī)定的允許流速范圍內(nèi)，考慮到LNG船吃水相對(duì)較小，扣除纜繩預(yù)張力后，潮流對(duì)系泊船舶纜繩張力影響相對(duì)小。

2.4風(fēng)浪流聯(lián)合作用

2.4.1計(jì)算工況

本工程布置反L型島式防波堤，港內(nèi)波浪受繞射影響，LNG碼頭處波向?yàn)镾向，船舶主要受斜向浪作用，允許波高H4%取1.5m;碼頭前沿停泊水域漲落潮流方向與防波堤軸線方向一致，與碼頭前沿線一致，為順流，流速0.34m/s;風(fēng)速選取規(guī)范規(guī)定的允許風(fēng)速20m/s，考慮全風(fēng)向。

在以上風(fēng)浪流聯(lián)合作用下，計(jì)算滿載、壓載工況下的船舶系纜力。

2.4.2計(jì)算結(jié)果

在“風(fēng)+斜向浪+順流”聯(lián)合作用下，21.7萬(wàn)m3 LNG船舶在港系泊時(shí)，船舶系纜力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6。

由圖可知，本工程在“風(fēng)+斜向浪+順流”聯(lián)合作用下，船舶系纜力在壓載工況下整體較大，纜繩最大張力41.8t，為纜繩破斷力的30.5%，滿足系泊作業(yè)要求。各類型纜繩張力與纜繩破斷力比值在21.8%～30.5%之間，各纜繩受力整體較均勻。

2.4.3簡(jiǎn)要分析及小結(jié)

（1）通過(guò)對(duì)比漲落潮流下纜繩張力，發(fā)現(xiàn)各纜繩張力變化較小，說(shuō)明流引起的纜繩張力相對(duì)小，與單一流作用下分析結(jié)論一致;考慮到本工程流為順流，艏倒纜、艉倒纜纜繩張力變化相對(duì)大，艏纜、艉纜、橫纜纜繩張力變化相對(duì)小。

（2）通過(guò)對(duì)比船舶滿載、壓載下纜繩張力，壓載工況下略大，主要原因在于壓載時(shí)船舶受風(fēng)面積增加，風(fēng)荷載增大引起的纜繩張力增加。

（3）本工程泊位長(zhǎng)度取1.08倍船長(zhǎng)，計(jì)算結(jié)果揭示該平面布置下各纜繩受力均勻，整體受力效果好，與楊興晏[3]、蔡長(zhǎng)泗[7]、高峰[8]等人研究表明短泊位下纜繩受力分布更加均勻、系泊效果好結(jié)論一致。

3結(jié)論

本文基于某沿海LNG碼頭船舶在港系泊模型，對(duì)在風(fēng)、浪、流要素單一和聯(lián)合作用下的船舶系纜力進(jìn)行影響分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論，可供類似LNG碼頭工程設(shè)計(jì)及營(yíng)運(yùn)管理作參考。

（1）在規(guī)范規(guī)定的LNG船舶作業(yè)條件標(biāo)準(zhǔn)限制工況下，波浪對(duì)LNG船舶系纜力的影響最大，風(fēng)其次，流最小。因此，在開(kāi)展LNG碼頭設(shè)計(jì)時(shí)，碼頭前沿線宜與風(fēng)浪流方向一致，主要矛盾為浪。

（2）在短泊位情況下，船舶受縱向作用顯著時(shí)，一般為單側(cè)倒纜纜繩張力為控制;受橫向作用顯著時(shí)，一般為橫纜及艏纜、艉纜纜繩張力為控制。在碼頭運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，可結(jié)合船舶在港時(shí)風(fēng)浪流條件，調(diào)整系纜方案，加強(qiáng)主導(dǎo)受力方向的系泊纜繩。

（3）模型試驗(yàn)計(jì)算中，一般壓載情況下風(fēng)、浪會(huì)引起更大的船舶纜繩張力，因此，在港系泊過(guò)程中應(yīng)關(guān)注船舶載重量變化對(duì)船舶系纜力的影響，必要時(shí)可通過(guò)調(diào)整系纜方案或纜繩預(yù)張力來(lái)均勻各纜繩受力，以達(dá)到較好的系泊效果。

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[4] 夏賢斌.大型船舶安全系泊斷纜原因分析與預(yù)防[J].中國(guó)水運(yùn)，2016，16（10）：53-55.

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[8] 高峰，王煒正，李焱.大型LNG船舶在風(fēng)浪流共同作用下的系泊試驗(yàn)研究[J].水道港口，2013，34（5）：398-402.