LNG 船對船過駁作業(yè)配置模型與安全穩(wěn)定性分析*

石 峰 陶可健 黃立文,3▲ 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. 武漢理工大學航運學院 武漢 430063；3. 武漢理工大學內(nèi)河航運技術(shù)湖北省重點實驗室 武漢 430063）

0 引 言

隨著國際組織對環(huán)境保護要求的不斷提高，液化天然氣（LNG）作為1種清潔能源得到了廣泛關(guān)注和應用。我國作為能源消耗大國，水上運輸進口LNG的需求快速增長[1]。我國戰(zhàn)略規(guī)劃逐步在沿海及長江中下游地區(qū)修建LNG 接收站[2]，然而受到航道或港口水深、橋梁尺度和碼頭設(shè)施條件等通航條件限制，以及能源損耗、港口營運和泊位資源等經(jīng)濟因素考慮，LNG 船舶存在海進江過駁、海上過駁及事故場景下應急過駁的3個方面過駁需求[3-4]。由于LNG的特殊理化性質(zhì)，過駁往往在沿海錨地采取船對船的作業(yè)方式，因此開展LNG船對船過駁的相關(guān)研究對保障作業(yè)安全有著重要作用。

海上開闊水域環(huán)境中以錨泊方式開展船對船過駁作業(yè)時，2船通過碰墊和纜繩連接成為組合體，通過拋錨和拖船協(xié)助方法進行定位和保持2船組合體的穩(wěn)定性。Sun等[5]為評估FPSO與穿梭油船并靠系泊卸載貨物的安全特性，通過數(shù)值計算方法分析了系泊纜繩和碰墊的規(guī)格及數(shù)量對系泊系統(tǒng)安全性的影響；Gu 等[6]通過對海上平臺施加不同組合環(huán)境條件，得出了系統(tǒng)張力影響規(guī)律，為系泊布置方法提供了理論支持；徐鐵等[7]通過分析超大型船舶在靠離泊操作時對拖船需求的計算方法，對超大型LNG船舶所需拖船的配置方法給出指導和建議；張明霞等[8]建立了提油船與FPSO串靠系統(tǒng)模型，分析了為保持船舶穩(wěn)定性所需拖船作用力的變化曲線，得到了拖船的功率和數(shù)量配置要求及性能評估的方法；Yue等[9]建立了FSRU 與LNG 船舶碼頭并靠系泊模型，探究了系泊纜繩預張力對系統(tǒng)模型穩(wěn)定性的影響規(guī)律；施興華等[10]針對FPSO 與穿梭油船并靠耦合多點系泊系統(tǒng)，運用仿真試驗方法將系泊纜繩分段、比例等進行了優(yōu)化設(shè)計，分析系泊纜繩受力情況，從而進一步優(yōu)化導纜孔位置設(shè)計；張新福等[11]運用有限元分析方法對2艘并靠船舶間使用的橡膠護舷進行建模分析，分析了2 船并靠時低速碰撞對碰墊造成的影響，得出護舷壓縮變形情況，從而優(yōu)化護舷系統(tǒng)設(shè)計。目前相關(guān)研究多圍繞過駁作業(yè)中碰墊或系泊纜等設(shè)備選型配置等方面開展，尚缺乏針對LNG船對船過駁作業(yè)整體關(guān)鍵配置的系統(tǒng)性研究。

為保障海上LNG船對船過駁作業(yè)安全開展，基于作業(yè)過程保障作業(yè)安全的關(guān)鍵設(shè)備，系統(tǒng)性構(gòu)建過駁作業(yè)選型與配置模型，基于規(guī)范指南要求以及力學理論分析方法，辨析2船組合體的系泊配置、碰墊選型、錨泊方式、拖船選配，以及過駁作業(yè)區(qū)劃定方法，針對作業(yè)中的關(guān)鍵配置問題提出技術(shù)解決方案和操作控制方法。進一步通過數(shù)值計算仿真試驗方法，對基于該模型構(gòu)建的2 船組合體系統(tǒng)在典型工況條件下的設(shè)備受力情況進行定量分析[12]，評估配置模型的可行性和安全性，從而為LNG船對船過駁作業(yè)關(guān)鍵配置選型的安全性提供重要保障。

1 LNG船對船過駁選型與配置模型

1.1 模型構(gòu)建

海上開闊水域錨地環(huán)境中，LNG 船對船過駁一般由卸載船穩(wěn)定錨泊后，受載船在拖船輔助下駛近卸載船并完成并靠系泊作業(yè)，2船運動協(xié)同后連接軟管等貨物傳輸設(shè)備進行LNG過駁作業(yè)[13-14]。根據(jù)作業(yè)流程可辨識LNG 過駁作業(yè)中較為重要的關(guān)鍵節(jié)點：過駁環(huán)境適配、過駁設(shè)備適配、輔助拖船適配、過駁作業(yè)區(qū)劃定，其中，過駁設(shè)備配置又包含了系泊布置、碰墊選型，以及錨泊方式等3 個關(guān)鍵要素，為了區(qū)分各指標在船對船過駁船型匹配的重要程度和作用，較全面地吸收所有指標提供的信息，本文采取多層次模糊綜合評判分析的方法，建立LNG船對船過駁選型與配置模型。將LNG 船對船過駁選型與配置模型分為3個層次結(jié)構(gòu)（見圖1），最高層為過駁選型與配置適配度（一級指標為C1）、中間層（二級指標為Fi）、最底層（與二級指標Fi所對應三級指標為Fij）。

圖1 LNG船對船過駁選型與配置模型的層次結(jié)構(gòu)Fig.1 Hierarchical structure of LNG ship-to-ship transfer selection and configuration model

令dij為二級指標所對應的三級指標Fij的原始數(shù)值，則有矩陣見式（1）。

式中：Di為過駁選型與配置適配度；dij為第i個二級指標中第j個三級指標的原始數(shù)值；為第i個二級指標中第j個三級指標的最優(yōu)值；n為二級指標中所含三級指標的數(shù)量；ωij為第i個二級指標中第j個三級指標的權(quán)重值。

由式（1）可見：評估LNG 船對船過駁選型與配置的適配度情況主要取決于指標的實測值、最優(yōu)值和權(quán)重值。

1）實測值。實測值一般指LNG 船過船過駁作業(yè)中的3個關(guān)鍵要素的實際使用數(shù)據(jù)。

2）權(quán)重值。由于目前缺乏LNG 船對船過駁作業(yè)的相關(guān)數(shù)據(jù)，而實際數(shù)據(jù)獲取后也仍然需要標準化處理，因此采用專家打分法邀請了來自主管機關(guān)、高校和科研院所以及船舶企業(yè)的20 位專家進行打分，為了消除主觀判斷誤差，取專家打分的平均值作為三級指標Fij的權(quán)重值。權(quán)重值計算結(jié)果見表1。

表1 權(quán)重值的計算結(jié)果Tab.1 Calculation results of weight values

3）最優(yōu)值。最優(yōu)值指根據(jù)船舶自身條件參數(shù)、錨地水域環(huán)境，以及過駁布置等數(shù)據(jù)，基于數(shù)學模型計算得到的使用數(shù)據(jù)。

綜上所述，LNG 船對船過駁選型與配置模型的關(guān)鍵在于確定實測值和最優(yōu)值，其中實測值可根據(jù)實際LNG船對船過駁方案獲取，而最優(yōu)值的計算方法和計算模型如下。

1.2 過駁環(huán)境配置

在LNG運輸船的過駁作業(yè)過程中，作業(yè)環(huán)境條件的要求包括但不限制于以下3點。

1）能見度。在任何靠泊操作中，能見度應足以允許安全操縱[15]，同時應考慮安全航行和避免碰撞的要求。

2）風速和風向。主要影響船舶操縱性、靠泊速度[16]，還可能導致船舶劇烈晃蕩或出現(xiàn)自由液面效應[17]。

3）波浪和涌浪的浪高、周期和方向?？紤]到參與過駁作業(yè)船舶的相對干舷和噸位因素，天氣情況限制條件很大程度上取決于海浪和涌浪對碰墊或系泊纜的影響，以及引起參與作業(yè)船舶的橫搖運動。

1.3 過駁設(shè)備配置

1.3.1 系泊布置

LNG 卸載船和受載船在接近至并靠位置后，依靠纜繩進行相互系泊，以維持2 船距離和穩(wěn)定狀態(tài)。由于船舶在建成出塢時已裝配一定數(shù)量的纜繩，因此過駁時優(yōu)先考慮使用船舶纜繩，經(jīng)系纜力評估后考慮采用增加纜繩數(shù)量的方式確保系泊安全[18]。纜繩布置方式可根據(jù)OCIMF 規(guī)范[19]，典型LNG船對船過駁系泊配置見圖2。

圖2 LNG船對船系泊布置Fig.2 Mooring model of LNG ships combined system

系泊纜繩數(shù)量的選擇可參考《港口工程載荷規(guī)范》中對LNG船舶在碼頭的系纜力要求[20]，見式（2）。

式中：N為系纜力標準值，kN；K為系船柱受力分布不均勻系數(shù)，當實際受力的系船柱數(shù)目n=2 時，K取1.2，n＞2 時，K取1.3；α為系船纜的水平投影與碼頭前沿線所成的夾角；β為系船纜與水平面之間的夾角，（°）分別為載荷對船舶的橫向力和縱向力，kN。

1.3.2 碰墊選型

碰墊用于船對船過駁作業(yè)時吸收船舶撞擊壓力，由于大型LNG 船舶載重噸及其慣性作用力較強，正確放置碰墊對于確保2 船的船體安全至關(guān)重要。對于碰墊數(shù)量和尺寸[21]，可依據(jù)船舶排水量計算靠泊系數(shù)C后再參照表2進行選取?？坎聪禂?shù)C按照以下模型計算，見式（3）。

表2 碰墊快速選取表Tab.2 Parameters of fender selection

式中：DSA和DSB分別為LNG卸載船和受載船的排水量，t。

1.3.3 錨泊方式

一般條件下，LNG 船舶過駁作業(yè)時2 船組合體的錨泊穩(wěn)定性[22]通過由較大船舶拋單錨完成，但由于作業(yè)往往需要在沿海開闊水域開展，受風浪流等環(huán)境影響較大，因此必要時可考慮采取一字錨泊、平行錨泊等拋錨方式以加強2 船組合體的錨泊穩(wěn)定性，常見的錨泊方式見圖3。

圖3 船舶錨泊配置模型Fig.3 Anchoring stability configuration model

LNG 船對船過駁應使用專用錨地，為2 船組合體提供穩(wěn)定錨泊力，確保作業(yè)安全開展。船舶的錨泊力由錨的抓力和錨鏈的抓力共同提供，可參考以下模型進行計算[23]。

式中：P為錨泊力，是錨抓力與錨鏈摩擦力的和，kN；Wa為錨在水中的重量，即錨在空氣中重量×0.876，kg；Wc為錨鏈每米長在水中的重量，kg；L1為錨鏈臥底部分的長度，m；λa，λc為錨的抓力系數(shù)和錨鏈的摩擦系數(shù)，見表3。

表3 錨的抓力系數(shù)和錨鏈的摩擦系數(shù)Tab.3 Coefficient of anchor holding and chain friction

LNG 船舶錨和錨鏈的重量應按照船舶實際配備的參數(shù)進行計算，在參數(shù)信息未知時可參考文獻[24]中的計算模型。

式中：V為貨艙艙容，m3。

1.4 輔助拖船選配

拖船既可作用于受載船以降低抵靠卸載船時的船舶速度，減小碰撞能量，也可作用于卸載船輔助穩(wěn)定船舶狀態(tài)[25]。拖船借助其頂推和拖拽作用力，能夠協(xié)助2船組合體在遭遇環(huán)境變化或更強風浪流載荷作用下保持船體穩(wěn)定，可根據(jù)過駁水域?qū)嶋H環(huán)境狀況，通過配置不同數(shù)量和作用位置的拖船應對不同環(huán)境條件影響。LNG 船對船過駁典型拖船配置方式見圖4。

拖船在過駁作業(yè)中可以增強穩(wěn)定性，選擇拖船在作業(yè)中的配置時，拖船過駁作業(yè)所需拖船的作用力可參照《港口拖船應用指南》中的方法進行計算，見式（6）。

式中：F為拖船所需作用力，N；vw為風速，m/s；vc為流速，m/s；AL為受風面積，m2；Lbp為2柱間長，m；T為船舶吃水，m；L為水線間長，m；HS為有義波高，m。

1.5 過駁作業(yè)區(qū)劃定

考慮到LNG低溫易爆的危害特性，過駁時發(fā)生LNG泄漏擴散事故會對船舶和人員造成傷害，因此作業(yè)時需考慮劃定過駁作業(yè)區(qū)，并制定相應的保障方案。通過對LNG 泄漏擴散危險距離進行模擬仿真計算，同時考慮船舶長度及2 船組合體在海上風浪流作用下做旋回運動[26-27]，給出過駁作業(yè)安全區(qū)范圍的計算模型，見式（7）。

式中：R為過駁作業(yè)區(qū)半徑，m；l為LNG 泄漏擴散可燃濃度距離，m；Loa為船長，m；lm為船舶拋錨長度，m；Dp為水深，m。

通過以上分析，在改進現(xiàn)有定性分析方法的基礎(chǔ)上，基于所構(gòu)建的LNG船對船過駁選型與配置模型，提出計算LNG船對船過駁設(shè)備配置安全穩(wěn)定性的定量分析方法，利用該方法開展LNG船對船過駁船舶選型與設(shè)備配置分析的流程見圖5。

圖5 過駁船舶選型與設(shè)備配置流程Fig.5 The process of transfer ship selection and equipment configuration

LNG 船對船過駁設(shè)備配置安全穩(wěn)定性的定量分析過程的基本步驟如下。

1）過駁環(huán)境條件確認。開展LNG 船對船過駁作業(yè)前，對過駁環(huán)境條件進行確認，當不滿足環(huán)境條件限值時，嚴禁過駁作業(yè)。

2）實測值的確定和調(diào)整。對包括錨泊方式、碰墊選型及系泊布置在內(nèi)的過駁設(shè)備的配置與選型計算，當錨泊力、防撞能力及系泊力均滿足要求時，進行下一步拖船輔助的選型與配置；當不滿足時，重新對錨泊力、防撞能力及系泊力進行調(diào)整計算，直至錨泊力、防撞能力及系泊力均滿足要求。

3）實測值的確定和調(diào)整。進行拖船輔助的選型與配置，當拖船的布置方式滿足穩(wěn)定性評估的要求時，進行下一步過駁作業(yè)區(qū)范圍的劃定，如果不滿足，則繼續(xù)開展拖船輔助的選型與配置計算，直至拖船的布置方式滿足穩(wěn)定性評估的要求。

4）LNG 船對船過駁選型適配度的計算。基于LNG 船對船過駁選型與設(shè)備配置模型中實測值的計算調(diào)整結(jié)果，結(jié)合各最優(yōu)值的設(shè)定情況，對LNG船對船過駁選型適配度進行計算。

5）過駁作業(yè)方案的制定。當適配度滿足計算誤差要求時，方可制定最終的LNG 船對船過駁作業(yè)方案；當適配度不滿足誤差要求時，重新開展實測值的確定和調(diào)整，直至適配度的計算結(jié)果滿足要求。

2 實例驗證及仿真

根據(jù)構(gòu)建的LNG船對船過駁選型與配置模型，選擇與卸載船兼容性良好的受載船，確定2 船采用過駁設(shè)備的數(shù)量和布置方式，通過仿真試驗評估模型對過駁系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的影響。

2.1 實驗案例

選取到港我國LNG 接收站的實際船舶設(shè)計參數(shù)，以145 000 m3LNG 卸載船（LNG unloading ship,LNGU）過駁至60 000 m3LNG 受載船（LNG receiving ship,LNGR）為試驗對象，構(gòu)建LNG 船對船過駁仿真試驗模型，2船參數(shù)見表4。

表4 LNG 船舶設(shè)計參數(shù)Tab.4 Parameters of the LNG ships

2.2 試驗環(huán)境

過駁水域設(shè)定在我國東海水域沿海錨地，作業(yè)時主要受到風浪流環(huán)境條件影響。根據(jù)相關(guān)研究計算危險的環(huán)境條件組合[28]，主要環(huán)境條件參數(shù)見表5。

表5 風浪流環(huán)境條件參數(shù)Tab.5 Parameters of environmental condition

2.3 試驗配置

根據(jù)LNG船舶尺度和作業(yè)環(huán)境條件，計算過駁所需的設(shè)備配置方式，設(shè)備條件參數(shù)設(shè)定見表6。

表6 LNG 船對船過駁設(shè)備參數(shù)Tab.6 Equipment parameters of LNG ship-to-ship transfer

2.4 仿真結(jié)果和分析

應用水動力學分析軟件對過駁系統(tǒng)開展仿真試驗，試驗時長設(shè)定為3 h，時間步長為0.2 s，計算得出系泊設(shè)備受力、拖船作用力情況，通過對比仿真試驗得出各設(shè)備受力情況與實船設(shè)備的破斷強度，驗證設(shè)備配置的安全性及對船舶穩(wěn)定性的影響。同時應用流體力學仿真軟件對LNG 泄漏情況開展仿真試驗，計算得出擴散范圍從而劃定LNG 船對船過駁作業(yè)區(qū)。

2.4.1 設(shè)備受力

通過對2船組合體施加組合環(huán)境載荷，計算得到過駁使用錨鏈、纜繩和碰墊的受力情況，見圖6～8。

圖6 纜繩受力情況Fig.6 The force of the cable

圖7 碰墊受力情況Fig.7 The force of the fenders

圖8 錨鏈拉力時歷曲線Fig.8 Time series of the anchor forces

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果顯示，纜繩中受力最大值均未超過纜繩最小破斷載荷值1 315 kN，未超過最大載荷1 770 kN，可保障2 船系泊穩(wěn)定；4 個碰墊中受到的最大壓力為2 145 kN，不超過可承受最大撞擊壓力2 460 kN，可保障全過程作業(yè)安全；錨鏈拉力最大值為817 kN，能夠保證2 船組合體的錨泊穩(wěn)定性。

2.4.2 拖船輔助

在LNG 受載船配置3 艘拖船輔助船舶穩(wěn)定，在試驗過程中各拖船作用力時歷曲線見圖9。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果顯示，該布置方式下為維持船舶穩(wěn)定性所需拖船作用力最大值約為845 kN，相比式(6)計算得出的所需拖船作用力942 kN 約小10%，證明根據(jù)模型配置的拖船對2船組合體有良好的穩(wěn)定作用。

圖9 拖船作用力時歷曲線Fig.9 Time series of the tug forces

2.4.3 過駁作業(yè)區(qū)范圍

通過計算流體力學仿真軟件對333 mm 軟管發(fā)生100 mm 泄漏的場景進行模擬，得到的泄漏擴散LNG濃度隨距離變化的情況見圖10。

圖10 LNG泄漏擴散濃度隨距離變化情況Fig.10 Change of LNG leakage diffusion concentration with distance

根據(jù)模擬結(jié)果，在333 mm 的LNG 低溫軟管100 mm泄漏場景下，氣體隨風擴散距離為753 m時達到氣體最遠的可燃距離。根據(jù)式（9），按照拋6節(jié)錨鏈計算，得到安全作業(yè)區(qū)半徑為1 210 m，因此在LNG STS過駁作業(yè)過程中，過駁作業(yè)區(qū)應劃定為以錨抓地位置為中心、半徑為1 210 m的圓形區(qū)域，見圖11。

圖11 LNG STS過駁作業(yè)區(qū)示意圖Fig.11 Operation area of LNG STS transfer operation

2.4.3 過駁環(huán)境條件

基于上述模擬試驗，通過改變環(huán)境條件中風速、流速及能見度利用上述計算模型和計算方法，得到不同工況下的LNG 過駁選型與配置適配度與最優(yōu)值之間的誤差，從而確定LNG過駁安全作業(yè)環(huán)境條件。所設(shè)置的模擬工況情況見表7。

表7 模擬工況設(shè)置情況Tab.7 Simulate settings of each scenarios

13組模擬工況所對應的LNG 過駁選型與配置適配度與最優(yōu)值之間的誤差對比情況見圖2。由圖2 可見：當風力超過5 級時，適配度實測值與最優(yōu)值之間的誤差值較風力5 級以下時明顯增大，當風力為7 級時誤差可達28%；通過不同流速下的誤差分析可知，當流速較小時，LNG 船過船過駁選型與配置適配度的誤差值均穩(wěn)定在5%以內(nèi)，而當流速增加到2.5 n mile/h 時誤差顯著增加；而對于能見度而言，能見度低于1 000 m 為誤差顯著增大的節(jié)點。

圖12 不同模擬方案下適配度誤差情況Fig.12 Error of goodness of fit under different simulation scenarios

綜上所述，通過對不同風力等級、流速及能見度下LNG船對船過駁進行仿真試驗，并對其選型與配置適配度的誤差情況進行分析，明確了LNG過駁安全作業(yè)和系泊作業(yè)條件的環(huán)境條件。

1）進行LNG STS錨泊過駁作業(yè)時，劃定以2船組合體為中心，1 210 m半徑范圍的水域作為過駁作業(yè)安全區(qū)，區(qū)域內(nèi)嚴禁其它船舶駛近或通行。

2）夜晚或能見度小于1 000 m 時，LNG 受載船禁止靠近卸載船及進行靠泊作業(yè)。能見度低于500 m，LNG STS過駁作業(yè)應停止。

3）過駁作業(yè)期間，包括靠泊作業(yè)，應在風力小于6級（且波高一般小于1.5 m）時進行。

4）大潮汛期間，流速超過2.5 n mile/h時，不能進行LNG STS過駁作業(yè)。

綜上所述，在此模擬條件下基于1.1中所構(gòu)建的LNG船對船過駁選型與配置模型，開展LNG船對船過駁選型與配置適配度的計算，該模擬工況下實測值與最優(yōu)值的計算結(jié)果見表8。經(jīng)計算，LNG 船對船過駁選型與配置適配度的最優(yōu)值為1.00，在此工況下LNG 船對船過駁選型與配置適配度為0.85，與最優(yōu)值1.00 的誤差為15%，誤差在20%可接受范圍內(nèi)[29]，這也驗證了本文所提出的LNG 船對船過駁作業(yè)選型與配置模型的有效性。

表8 適配度的計算結(jié)果Tab.8 Calculation results of goodness of fit

3 結(jié)束語

基于所構(gòu)建的LNG 船對船過駁選型與配置模型，根據(jù)LNG船對船過駁作業(yè)實例驗證及仿真結(jié)果和分析可以得出以下結(jié)論。

1）綜合考慮過駁作業(yè)所需的過駁設(shè)備配置、拖船選型，以及作業(yè)區(qū)劃定的關(guān)鍵配置，逐步構(gòu)建過駁作業(yè)選型與配置模型，提出模型對應的系統(tǒng)性解決方案和控制方法，并基于仿真試驗方法對配置模型的安全性與穩(wěn)定性進行評估，結(jié)果驗證了由配置模型確定的系統(tǒng)布置能夠保障2船組合體系泊與錨泊安全以及并靠穩(wěn)定性，過駁作業(yè)區(qū)可減小LNG泄漏擴散對周圍環(huán)境造成危害影響的范圍，保障過駁作業(yè)安全。

2）由于在海上錨地開展過駁作業(yè)是1 個實時動態(tài)變化的過程，隨著貨物在2 船間轉(zhuǎn)移，船舶吃水變化及液體晃蕩等因素對船舶穩(wěn)定性的影響變化仍需開展進一步研究。此外，LNG船對船過駁作業(yè)的安全性涉及范圍較廣，對過駁軟管等連接設(shè)備失效、通航船舶等因素對作業(yè)安全性的影響等還有待深入研究。