LNG船岸系泊軟件應(yīng)用

梁斌，朱永凱，張海濤，周毅，李萌，張榮

(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)

LNG船舶靠泊期間,為保證其有效系泊、同時船舶能夠安全穩(wěn)定靠泊在LNG接收站，確保LNG船舶和接收站碼頭的安全和LNG裝卸貨作業(yè)的順利進行，有必要對船岸系泊系統(tǒng)進行分析，指導(dǎo)實際的操作。目前國內(nèi)外LNG接收站普遍接受和認(rèn)可的計算結(jié)果是采用仿真的OPTIMOOR系泊軟件分析結(jié)果，該軟件的使用過程中有一些使用基本操作以及誤區(qū)需要注意。

1 數(shù)據(jù)輸入

1.1 船舶狀態(tài)

需要根據(jù)船舶的實際吃水狀態(tài)、首尾傾狀態(tài)、穩(wěn)性(GM)以及LNG接收站的極端潮位進行輸入，見表1。一般需要輸入兩個極端狀態(tài)。這兩個極端狀態(tài)是船舶在碼頭靠泊時可能遇到的最不利的狀態(tài)。

表1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1)LNG船舶空載吃水狀態(tài)疊加LNG接收站最高潮位以及船舶的縱傾值，計算船舶理論最高的位置值。這一數(shù)值主要考量輸料臂的最高點與船舶接口是否兼容。

2)LNG船舶滿載吃水狀態(tài)疊加LNG接收站最低潮位以及船舶的縱傾值，計算出船舶理論最低的位置值。這一數(shù)值考量輸料臂所能下探到的最低點與船舶接口是否兼容。

OCIMF推薦在全風(fēng)向60kn風(fēng)速下，在上文所述的兩種極端狀態(tài)，疊加左右舷、加上下面不同方向流的工況進行計算，共20種工況，每一種工況都需要合格，才能確保LNG船在接收站的穩(wěn)定靠泊。

1)對船逆流，流速3 kn。

2)對船順流，流速3 kn。

3)對船順流向碼頭外偏10°，流速2 kn。

4)對船逆流向碼頭外偏10°，流速2 kn。

5)對船橫流，流速0.75kn。

1.2 船型及受風(fēng)因素的選擇

首先需設(shè)置好船長、船寬、基線的位置、管匯接口距甲板的高度等基本參數(shù)。對于船舶受風(fēng)流影響的因素，必須要根據(jù)船舶的實際情況合理選擇。一般LNG船都是固定的艙型，都屬于系列船型，按照如下原則選擇。

1)LNG船是菱形，則選擇OCIMF Gas Carrier (prismatic)1。作為主流船型，貨艙采用薄膜型的維護系統(tǒng)，有14.7萬m、17.4萬m及26萬m的的QMAX型。

2)MOSS型LNG船選擇OCIMF Gas Carrier (spherical)。這種船一般為13.8萬m，多為日本制造，目前該船型的占有率逐年下降。

3)對于非標(biāo)準(zhǔn)船型，普通船一般為V型船頭，則可以選擇OCIMF Tanker (V-shaped Bow)。

2 碼頭碰墊及LNG船船舷受力分析

由于LNG船舶追求快速性，線型阻力小，平邊線較短，然而碼頭的碰墊的間距較大，一般標(biāo)準(zhǔn)間距為64 m，大型LNG接收站的間距甚至超過72 m。這是因為接收站主要是為了大型LNG運輸船靠泊進行的配置，伴隨著LNG貿(mào)易的逐步細(xì)化，中小型和非標(biāo)準(zhǔn)型LNG船逐步增多，原有的接收站的設(shè)施配置就不一定滿足新的發(fā)展需求了。需要仔細(xì)進行計算。

碰墊剛度會影響船舶向碼頭的橫向偏移。

如圖1、2所示，該船僅有3個碰墊受力，但是并不是完全貼合，軟件計算結(jié)果如下。

圖1 LNG船舶系泊示意

1)碰墊bb：接觸面35%，壓力520 kN。

2)碰墊cc：接觸面84%，壓力112 kN。

3)碰墊dd：接觸面31%，壓力值303 kN。

圖2 LNG船與碰墊位置示意

以碰墊bb為例，船舶的貼合度即接觸面僅為35%，該碰墊受到船舶給與的壓力為520 kN。

根據(jù)LNG接收站的碰墊數(shù)據(jù)，該碰墊的最大許用力為12.6 MN(見表2)，實際值為520 kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于碼頭碰墊的許用值，不會發(fā)生報警。這時，一般分析人員會忽略此項數(shù)值。實際上該值很有可能已經(jīng)超過了船舶的舷側(cè)外板的結(jié)構(gòu)強度，需要現(xiàn)場人員進一步審核。

表2 碼頭碰墊受力情況

查證示例船的船舷外板的結(jié)構(gòu)強度，參考DNV關(guān)于頂推區(qū)域結(jié)構(gòu)強度的要求，許用應(yīng)力取0.8倍的屈服強度。該船的主肋骨材質(zhì)為235鋼，許用應(yīng)力取188 MPa700 kN力作用于2根主肋骨的計算結(jié)果見圖3，最大彎曲應(yīng)力為281 MPa；如果作用于3根主肋骨，最大彎曲應(yīng)力為187 MPa，剛好滿足許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)?？繅|和主肋骨接觸的兩種情況見圖4。

圖3 肋骨彎曲情況

圖4 兩種受力工況

基于以上結(jié)果，可減小作用力，使其不大于600 kN。另外，1 450 kN的力由于作用于示例船底邊艙頂?shù)乃借?，屬于強?gòu)件，結(jié)構(gòu)強度也可滿足結(jié)構(gòu)強度的要求。

經(jīng)過結(jié)構(gòu)計算，鑒于碰墊與船舶的相對位置，得出船舶受局部力不大于600 kN就可以接受，實際計算最大受力為520 kN，不會對船舶造成不可接受的影響。

計算者在使用軟件時，不能只簡單看單一數(shù)據(jù)，單純以報警作為唯一的判斷依據(jù)；而是需要總體考慮，結(jié)合實際經(jīng)驗，確保LNG船舶以及碼頭設(shè)施整體的安全性。

3 系泊數(shù)據(jù)的正確選擇及注意事項

對于船舶的系泊設(shè)備的數(shù)據(jù)選取需要根據(jù)船舶的實際設(shè)備配置情況進行選取，需要輸入的數(shù)據(jù)包括：

1)船中距纜樁的距離。

2)中心線到纜樁距離。

3)剎車極限(超過此數(shù)值纜繩會滑出)。

4)剎車預(yù)緊目標(biāo)。

5)纜繩直徑。

6)纜繩種類。

7)纜繩強度。

8)尾纜的長度、類型、強度。

OPTIMOOR包含有關(guān)鋼絲繩和合成纖維繩的斷裂強度和彈性的數(shù)據(jù)，當(dāng)選擇系泊繩的材料和尺寸時，相關(guān)數(shù)據(jù)將自動生成。 許多彈性數(shù)據(jù)是基于Tension Technology International的知識，并基于對新舊合成纖維繩的實際測試得出的。其中最重要的是要選擇正確的纜繩類型，一般選擇迪尼瑪型高分子纜繩。迪尼瑪繩是采用迪尼瑪高強度聚乙烯纖維，強度高，其強力是優(yōu)質(zhì)鋼的10余倍，密度小于水，能漂浮于水面，伸縮率低，可以有效減小船舶因纜繩的伸縮而引起橫移及縱移。尾纜的選擇一般為“pe”，就是聚乙烯纜繩，有較好的強度和韌性，耐磨，重量較輕，能夠作為尾纜。尾纜相當(dāng)于整根纜繩的“彈簧”彌補高分子纜繩低伸縮性的不足，給與船舶適當(dāng)?shù)倪\動，抵消風(fēng)浪流帶來的運動。由于尾纜材質(zhì)不如高分子纜強度高，顧其纜繩直徑會是高分子纜的3倍以上，長度一般為11 m。

對于超大型的LNG船，由于需要的系泊力巨大，一般需要20根纜繩，如果使用高分子纜繩，成本太高，常常選用鋼絲纜作為主纜。另外對于船舶的絞車，絞盤制動器滑動時的張力可以輸入為絞盤制動器限制。如果使用恒張力絞盤，纜繩自動拉入或放出，以保持規(guī)定的張力值。當(dāng)在系泊分析期間超出此限制時，系泊纜線長度將增加以使張力低于此限制，但是可能會造成船舶離開泊位，或者超出裝卸臂允許的滑動值。

4 纜樁選擇及纜鉤受力

如果來自同一船舶的多條纜繩放置在同一系泊點上，則會自動計算總作用力；如果多個系泊點安裝在同一個系船柱上，則需要將各自的力相加，以確定系船柱的總力。因此，最好將單個系船柱上的幾個系船柱或吊鉤指定為單個系泊點。每個系泊樁上有2～3個帶纜鉤，可以同時帶2～3根纜繩?？傮w每根纜繩的受力不能超過纜繩許可受力的50%(40%～50%顯示黃色，50%～55%顯示橙色，高于55%顯示紅色)，否則需要重新調(diào)整出纜的位置。這里需要注意纜繩的長度不可過短，角度不可太大，兩根纜繩之間盡量避免交叉，尤其是前后倒纜和首尾纜之間，防止纜繩之間摩擦或者改變受力方向。

超過裝載臂包絡(luò)或?qū)Υ昂桶渡掀绻苤g的相對運動的類似限制通常是管理LNG船的一個問題。 裝載臂或貨物軟管過度伸展會導(dǎo)致?lián)p壞，甚至漏油、火災(zāi)或爆炸。顧需要控制船舶的多維運動。船舶移動值依次表示縱蕩、橫蕩、偏航和垂蕩。這些值位于船舶上的目標(biāo)位置(通常為船舶中部或歧管處)。搖擺值后的“out”表示船舶遠(yuǎn)離碼頭，“inw”表示船舶向碼頭移動。

如果多個系船柱或吊鉤安排在同一個纜柱上，且該系船柱上的極限荷載是一個問題，則有必要手動匯總該系船柱上所有系船柱的力。如果一條以上的系泊纜穿過同一導(dǎo)纜孔，則必須為每條系泊纜單獨說明并計算。

為了降低纜繩張力，可增加纜繩長度；降低系泊鋼纜的動力負(fù)荷，以及減少船舶的運動量的最佳方法是增加一段尾纜。施加合理的預(yù)張力能有效降低船舶的位移量，均衡纜繩張力。

5 風(fēng)浪流數(shù)據(jù)的選擇

潮汐數(shù)據(jù)的使用有3個選項，可從“常規(guī)環(huán)境”或“泊位”窗口上的選項下拉菜單中獲得。如果選擇“忽略潮汐”，則OPTIMOOR不考慮潮汐，即使可能已輸入潮汐數(shù)據(jù)。也可以單獨輸入作為計算現(xiàn)場潮汐高程和海流基礎(chǔ)的適當(dāng)潮汐表，當(dāng)使用潮汐數(shù)據(jù)時，泊位位置的基準(zhǔn)和調(diào)整后的潮汐數(shù)據(jù)也將顯示在時間、潮汐界面中?？梢詫嫉某毕珨?shù)據(jù)進行調(diào)整，以便與特定泊位位置的潮汐相對應(yīng)。這些調(diào)整可以在右上角輸入。潮汐和水流之間的關(guān)系也可以在此處輸入。

可以輸入具體的時間，水位由上一個和下一個潮位時間的潮汐高程之間的正弦插值得出，然后用于系泊計算。平均風(fēng)速以kn為單位輸入，OCIMF建議使用30 s的平均風(fēng)速。風(fēng)向輸入為風(fēng)向真北(相對于北)或與泊位軸的角度。正北以泊位窗口上定義的北向為基礎(chǔ)，應(yīng)注意，因為此泊位方向可能基于正北、指南針北。

流的數(shù)據(jù)可以輸入當(dāng)前方向真值或與泊位角度。另一個值則由程序計算，當(dāng)前到泊位的角度基于泊位的(縱向)軸。船舶位移值依次表示縱蕩、橫蕩和偏航，這些測量值在船的中間位置。

6 結(jié)論

使用OPTIMOOR分析、規(guī)劃和管理實際系泊情況需要有足夠的經(jīng)驗，應(yīng)了解OPTIMOOR中使用的數(shù)據(jù)和公式并不適用于所有情況和條件。

由于該軟件僅為靜態(tài)的模擬分析，采用靜力模型計算船舶在靜力荷載作用下的纜繩內(nèi)力、防護舷受到的擠靠力、碼頭上的系船柱受到的力等，可以給出每根纜繩在最不利風(fēng)向時的內(nèi)力。該靜力模型在計算外荷載時，將外荷載按照靜力考慮而實際操作中風(fēng)浪流均為變量，并且會疊加，需要使用者在實際工作中結(jié)合實際根據(jù)經(jīng)驗留有余量。另外一方面，由于該軟件模擬的風(fēng)為60 kn，是遠(yuǎn)超過LNG接收站所允許船舶靠泊的風(fēng)速，故計算結(jié)果有個別項超過設(shè)定警報值，對具體問題具體分析，采取可靠的補救措施。