基于OPTIMOOR軟件的船岸兼容性分析

楊 波，朱永凱，楊 靜，周 斌，斯園園

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司 天津 300452)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對(duì)天然氣的需求不斷增加[1]，國內(nèi)的天然氣資源儲(chǔ)量十分有限，將在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)依賴國外進(jìn)口。由于大型LNG運(yùn)輸船只能將天然氣運(yùn)至沿海大型LNG接收站，很多重要城市或經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)覆蓋不到，為維持天然氣持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)，必須使用小型LNG運(yùn)輸船進(jìn)行二次運(yùn)輸，液化天然氣的二程轉(zhuǎn)運(yùn)必將迎來一個(gè)非常廣闊的發(fā)展前景[2]。

小型LNG運(yùn)輸船一般指艙容＜4萬m3、液貨艙型式為獨(dú)立C型的LNG運(yùn)輸船[3]。目前國內(nèi)正在運(yùn)營的小型LNG運(yùn)輸船為中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司建造的“海洋石油301”號(hào)LNG運(yùn)輸船，主要用于國內(nèi)大型LNG接收站向中小型LNG接收站的二次運(yùn)輸。LNG運(yùn)輸船靠泊LNG接收站前需與LNG接收站進(jìn)行船岸兼容性研究，只有滿足條件后，LNG運(yùn)輸船才可以靠泊LNG接收站[4]。

以“海洋石油301”船與國內(nèi)某LNG接收站為例，利用OPTIMOOR軟件進(jìn)行有限元計(jì)算，開展船岸兼容性研究，確認(rèn)“海洋石油301”船是否可靠泊LNG接收站。

1 計(jì)算基本條件

1.1 船舶基本參數(shù)

“海洋石油301”船是由上海船舶設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)、江南船廠為中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司建造的國內(nèi)首艘30000m3LNG運(yùn)輸船，該船于2015年5月 8日正式投入運(yùn)營。船舶配置4個(gè)雙耳獨(dú)立C型液貨艙、雙燃料電力推進(jìn)(DFDE)系統(tǒng)、全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，艏部采用大功率可變螺距側(cè)推，具備自行靠離泊碼頭能力，可有效降低運(yùn)營成本。船舶主要服務(wù)于我國沿海大型LNG接收站與小型LNG接收站之間的LNG二程轉(zhuǎn)運(yùn)。海洋石油301船總長(zhǎng)度為184.7m，垂線間長(zhǎng)為175.0m，型寬為28.1m，型深為18.7m，壓載吃水為6.0m，結(jié)構(gòu)吃水為7.6m，可裝載3萬m3的LNG，服務(wù)航速為16.5kn。

1.2 LNG接收站基本參數(shù)

國內(nèi)LNG接收站碼頭布置如圖1所示。

圖1 LNG 接收站碼頭布置 Fig.1 Layout of LNG terminal jetty

LNG接收站天然條件良好，擁有獨(dú)立的進(jìn)港航道。LNG接收站的設(shè)計(jì)水位為：設(shè)計(jì)高水位為水深基準(zhǔn)點(diǎn)+2.28m，設(shè)計(jì)低水位為水深基準(zhǔn)點(diǎn)+0.35m。系纜樁和碼頭系纜鉤的數(shù)據(jù)見表1，護(hù)舷墊的數(shù)據(jù)見 表2。

表1 吊鉤/帶纜樁 Tab.1 Hook/bollard

表2 護(hù)舷墊 Tab.2 Fender pad

2 OPTIMOOR系泊計(jì)算分析

2.1 模型建立

利用有限元分析軟件OPTIMOOR分別建立船舶和碼頭模型，軟件模型見圖2。

圖2 OPTIMOOR軟件模型 Fig.2 OPTIMOOR software model

經(jīng)過優(yōu)化布置，“海洋石油301”船靠泊該碼頭的最優(yōu)系纜方案如表3。

表3 船舶系纜方式 Tab.3 Ship mooring mode

2.2 工況條件

工況選擇時(shí)，參考《石油公司國際海事論壇(OCIMF)規(guī)范、規(guī)則》，對(duì)LNG運(yùn)輸船系泊進(jìn)行分析，分為以下幾種情況：洋流的方向與LNG運(yùn)輸船的夾角為0°或180°時(shí)[5]，流速選取3kn(節(jié))，折算約為1.54m/s；洋流的方向與LNG運(yùn)輸船的夾角為10°或170°時(shí)，流速選取2kn(節(jié))，折算約為1.03m/s；洋流的方向與LNG運(yùn)輸船的夾角為其他角度時(shí)，流速選取0.75kn(節(jié))，折算約為0.39m/s。船岸兼容性研究是對(duì)最危險(xiǎn)的情況進(jìn)行計(jì)算分析，從石油公司國際海事論壇(OCIMF)規(guī)范、規(guī)則中選取洋流方向與LNG運(yùn)輸船的夾角為0°、180°、90°、10°或170° 5種情況。

“海洋石油301”船的系泊布置應(yīng)滿足在風(fēng)速達(dá)到60節(jié)(任何方向的風(fēng))[6]并伴隨下列5種水流的條件下仍能保證船舶的系泊：水流來自船艏或船艉時(shí)流速3節(jié)；水流來自船艏或船艉10°方位時(shí)流速2節(jié)；水流來自船舶正橫方位時(shí)流速為0.75節(jié)。

利用OPTIMOOR有限元軟件進(jìn)行系泊計(jì)算時(shí)需考慮2種極端條件下的情況，分別為滿載吃水和最低潮位，以及壓在吃水和最高潮位。

綜上，LNG運(yùn)輸船的設(shè)計(jì)工況包括表4所列 10種工況。

表4 工況條件 Tab.4 Operating conditions

2.3 系泊計(jì)算

應(yīng)用OPTIMOOR軟件計(jì)算在不同風(fēng)速、流向和流速情況下LNG運(yùn)輸船的系泊狀況、船舶平行中體和護(hù)舷墊受力、船舶的位移。LNG運(yùn)輸船系泊纜繩能承受的最大負(fù)荷需根據(jù)系泊纜繩的材質(zhì)和纜繩的最小破斷力來決定。如果LNG運(yùn)輸船系泊纜繩為鋼絲繩，系泊纜繩可承受最大的系泊負(fù)荷不得超過纜繩最小破斷力的55%[7]；如果LNG運(yùn)輸船系泊纜繩為合成纖維纜繩，系泊纜繩可承受最大的系泊負(fù)荷不得超過纜繩最小破斷力的50%，本次計(jì)算的船舶“海洋石油301”船系泊纜繩為迪尼瑪Dyneema高強(qiáng)度聚乙烯纖維，為合成纖維纜繩，因此，系泊纜繩可承受最大的系泊負(fù)荷不得超過纜繩最小破斷力的50%。LNG運(yùn)輸船平行中體至少與2個(gè)以上護(hù)舷墊接觸，且護(hù)舷墊的變形在有效范圍內(nèi)。

分別對(duì)不同工況條件下LNG運(yùn)輸船和LNG接收站的兼容情況進(jìn)行計(jì)算。工況1：吃水6.0m；潮高2.28m；水流方向船艏，流速3.0knots；風(fēng)速為60knots。OPTIMOOR軟件計(jì)算出纜繩的受力情況如表5，護(hù)舷墊的受力情況如表6。

表5 工況1條件下纜繩受力的受力情況 Tab.5 Force of cable under condition 1

表6 工況1條件下護(hù)舷墊的變形 Tab.6 Deformation of fender pad under condition 1

工況2：吃水6.0m；潮高2.28m；水流方向船艉，流速3.0knots；風(fēng)速為60knots。OPTIMOOR軟件計(jì)算出纜繩的受力情況如表7。護(hù)舷墊的受力情況如表8。

表7 工況2條件下纜繩受力的受力情況 Tab.7 Force of cable under condition 2

表8 工況2條件下護(hù)舷墊的變形 Tab.8 Deformation of fender pad under condition 2

工況3：吃水6.0m；潮高2.28m；水流方向船艏10°，流速2.0knots；風(fēng)速為60knots。OPTIMOOR軟件計(jì)算出纜繩的受力情況如表9。OPTIMOOR軟件 計(jì)算出護(hù)舷墊的受力情況如表10。工況4：吃水6.0m；潮高2.28m；水流方向船艏10°，流速2.0knots；風(fēng)速為60knots。OPTIMOOR纜繩的受力情況如表11所示。

表9 工況3條件下纜繩受力的受力情況 Tab.9 Force of cable under condition 3

表10 工況3條件下護(hù)舷墊的變形 Tab.10 Deformation of fender pad under condition 3

表11 工況4條件下纜繩受力的受力情況 Tab.11 Force of cable under condition 4

工況5至工況10采用上述同樣方法，計(jì)算出纜繩和護(hù)舷墊的受力情況。將每種工況下LNG運(yùn)輸船和LNG接收站兼容性最差的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，得出不同工況條件下纜繩受力、船舶位移及護(hù)舷墊的變形情況，見表12。

表12 計(jì)算結(jié)果 Tab.12 Calculation results

通過上述數(shù)據(jù)可以看出，系泊纜受力最大為29.1t，小于纜繩破斷力的50%，護(hù)舷墊的最大變形在允許范圍內(nèi)，對(duì)船舶的作用力滿足規(guī)范受力的要求。因此，文中所述的系泊布置方案可以應(yīng)用于船舶實(shí)際靠泊。

3 結(jié) 語

LNG運(yùn)輸船靠泊LNG接收站前，除需進(jìn)行上述系泊計(jì)算外，還應(yīng)進(jìn)行卸料臂和管匯、登船梯的位置和支撐、應(yīng)急關(guān)斷、纜繩張力檢測(cè)等匹配確認(rèn)性。其中，卸料臂與管匯的匹配包括卸料臂與管匯對(duì)接法蘭的匹配性，即卸料臂的個(gè)數(shù)、管匯距離水面的距離等。登船梯的匹配應(yīng)在所有海況和LNG運(yùn)輸船裝載(滿載和壓載)的條件下，登船梯所在甲板的高度在登船梯的活動(dòng)范圍內(nèi)。

基于OPTIMOOR軟件的船岸兼容性計(jì)算可以解決LNG運(yùn)輸船和接收站安全性問題。在LNG船舶和接收站設(shè)計(jì)階段進(jìn)行必要的船岸兼容性計(jì)算有利于船舶和接受站后期的運(yùn)營?！?/p>