大型開敞式油氣碼頭系纜墩布置研究

張云峰 孔令臣 王琦

摘要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，對原油及LNG的需求將不斷增加，大型開敞式油碼頭及LNG碼頭的建設(shè)也將迎來更加廣闊的市場。系纜墩布置是大型開敞式油氣碼頭設(shè)計的重點和難點，本文基于前輩們的相關(guān)經(jīng)驗，總結(jié)出了針對大型開敞式油碼頭及LNG碼頭系纜墩布置的一些基本規(guī)律，同時分別提出了一個較有代表性的可供進(jìn)行模型試驗的初始布置方案，以供參考。

關(guān)鍵詞：開敞式、液體散貨碼頭、油碼頭、LNG碼頭、系纜墩、布置

中圖分類號：U65文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006—7973（2022）05-0090-04

系纜墩布置是大型開敞式油碼頭及LNG碼頭設(shè)計的重點和難點。合理的系纜墩布置，可以在不增加工程投資的前提下，有效提高船舶系纜安全性，改善裝卸作業(yè)條件。

目前，雖然大型開敞式油碼頭及LNG碼頭的系纜墩布置還需主要依賴模型試驗進(jìn)行最終確定，但通過對其中一些基本規(guī)律的總結(jié)和提煉，可以幫助設(shè)計人員快速發(fā)現(xiàn)問題，降低試錯次數(shù)，更加高效地完成碼頭設(shè)計。本文依據(jù)若干前輩們的經(jīng)驗，總結(jié)出了針對大型開敞式油碼頭及LNG碼頭系纜墩布置的一些基本規(guī)律，同時分別提出了一個較有代表性的可供進(jìn)行模型試驗的初始布置方案，以供后人參考。

1國內(nèi)外規(guī)范建議及基本規(guī)律分析

1.1國內(nèi)外規(guī)范建議的系纜墩布置

指導(dǎo)開敞式油碼頭及LNG碼頭系纜墩布置的常用規(guī)范有《海港總體設(shè)計規(guī)范》（JTS165-2013）、BS6349及OCIMF等。對比其中規(guī)定如下。

1.2艏艉纜墩布置基本規(guī)律分析

對比上表可以看出，國內(nèi)外規(guī)范對于倒纜和橫纜的功能定位和要求均是一致的;即倒纜主要承擔(dān)縱向力，故希望它盡量平行于碼頭前沿線;橫纜主要承擔(dān)橫向力，故希望它盡量垂直于碼頭前沿線。國內(nèi)外規(guī)范的主要區(qū)別在于對艏艉纜的功能定位和要求上。BS6349及OCIMF對艏艉纜的功能定位與橫纜基本相當(dāng)，認(rèn)為它應(yīng)盡量垂直于碼頭前沿線去承擔(dān)橫向力。而《海港總體設(shè)計規(guī)范》對艏艉纜的考量更加全面些，它認(rèn)為艏艉纜的功能應(yīng)該與系泊環(huán)境相適應(yīng)，若橫向力為主導(dǎo)，則應(yīng)取較大的系纜水平角，使其更多去分擔(dān)橫向力;反之則應(yīng)減小其系纜水平角，使其更多去分擔(dān)縱向力。

從平面布置角度，可以通過調(diào)整艏艉纜墩間距（除特殊說明，本文所指墩間距均為中心距，下同）和前后平移艏艉纜墩兩種方法來改變艏艉纜的系纜水平角。由此，可以得到進(jìn)行大型開敞式油氣碼頭艏艉纜墩布置的一個重要規(guī)律，即艏艉纜墩的布置主要應(yīng)根據(jù)系泊環(huán)境決定，橫向力為主導(dǎo)時更宜采取一字型短泊位布置，以增大艏艉纜的系纜水平角，使艏艉纜可以幫助橫纜分擔(dān)較大的橫向力，使整個系泊系統(tǒng)纜力分布更加均衡。反之，縱向力為主導(dǎo)時宜采取蝶形布置或適當(dāng)增大艏艉纜墩間距，以減小艏艉纜的系纜水平角使其更多地分擔(dān)縱向力。

至于何種風(fēng)浪流環(huán)境會使得橫向力或縱向力成為主導(dǎo)，對于油船和LNG船有所不同，對此將在下文分別具體分析。

1.3橫纜墩布置基本原則分析

大型開敞式油氣碼頭通常需布置內(nèi)外兩組橫纜墩。對于橫纜墩的布置，主要需確定布置間距及較碼頭前沿線的后移距離兩個問題。對于布置間距，其需要循序如下的基本原則。

（1）遵守《海港總體設(shè)計規(guī)范》、BS6349及OCIMF的建議，橫纜的系纜水平角宜為75°～105°。

（2）當(dāng)需向下兼顧較小噸級船舶靠泊時，需要以外橫纜墩作為艏艉纜墩，此時橫纜墩的布置應(yīng)滿足上述分析的艏艉纜墩的功能定位和要求。

而對于橫纜墩較碼頭前沿線的后移距離，通過吳澎等人進(jìn)行過的模型試驗可以得到如下結(jié)論。當(dāng)橫纜長度在35～65m范圍內(nèi)時，增加纜繩長度可以減少整個靠泊系統(tǒng)的剛度，從而降低橫纜纜力，但卻會使得船體的運動量進(jìn)一步增加;反之亦然。吳澎等人建議，考慮波浪作用下船體對纜繩的沖擊作用，宜使纜繩張力不超過破斷力的40%[1]。考慮到對于系纜墩布置的評判，需由纜繩受力和船舶運動量兩個指標(biāo)均滿足規(guī)范要求共同決定。因此可得到?jīng)Q定橫纜墩較碼頭前沿線后移距離的基本規(guī)律，即應(yīng)在船舶運動量滿足規(guī)范要求的前提下，盡量后移橫纜墩。

在明確上述規(guī)律的前提下，對大型開敞式油碼頭及LNG碼頭的系纜墩布置，分別研究如下。

2大型開敞式油碼頭系纜墩布置研究

2.1系泊環(huán)境分析及艏艉纜墩布置

如前所述，進(jìn)行大型開敞式油碼頭系纜墩布置的重要工作之一，便是根據(jù)系泊環(huán)境確定橫向力和縱向力的主導(dǎo)情況。通常情況下，船舶系泊于開敞式碼頭時的橫風(fēng)、橫浪和橫流對船舶的作用力是順風(fēng)、順浪、順流時的幾倍甚至十幾倍。所以絕大多數(shù)情況下，大型開敞式油碼頭靠泊的船舶均處在橫向力主導(dǎo)的情況下。但當(dāng)滿載工況下船舶受到較高流速的小角度開流作用時，此時船舶將可能會處在縱向力主導(dǎo)情況下。

林尚飛等人利用模型試驗分析了30萬噸級油船在2.0m波高，6s周期的橫浪作用下，從無流、到1.45m/s 的6°開流，再到1.7m/s的6°開流三種情況下的受力變化。發(fā)現(xiàn)在1.7m/s+6°開流情況下，縱向力的作用程度已基本超過了橫向力，成為了主導(dǎo)作用[2]。張宏等人利用模型試驗對30萬噸級油船進(jìn)行了相似的試驗，發(fā)現(xiàn)對滿載工況，當(dāng)0°頂流流速大于1.5m/s時，產(chǎn)生的縱向力將十分可觀，接近1萬kN[3]。從上述試驗可得，在滿載工況下，若存在流速大于1.0m/s的0°流或大于1.5m/s的小角度開流，則應(yīng)考慮艏艉纜墩采取蝶形布置或適當(dāng)增大艏艉纜墩間距;反之，則為典型的橫向力主導(dǎo)情況，采用短泊位一字型布置更加適宜。

此外，張宏等人利用物模試驗，還分析了設(shè)計高水位壓載+1.5m9s橫浪+0.91m/s10°開流+22m/s開風(fēng)工況下艏艉纜墩間距在1.1倍、1.2倍及1.3倍船長3種布置方案下30萬噸級油船的系纜情況。結(jié)果表明艏艉纜墩間距在1.2倍船長時纜力最均勻，船體運動量也最小[3]。這是因為，1.1倍船長方案因艏艉纜水平夾角較大，艏艉纜承擔(dān)了更多的橫向約束作用，加上本身還要分擔(dān)一定縱向力，因此造成了艏艉纜纜力過大的情況;反之，1.3倍船長方案中艏艉纜水平夾角較小，使得艏艉纜承擔(dān)的橫向約束作用較小，因此造成了橫纜纜力過大的情況。

該試驗工況是一個非常有代表性的工況組合，考慮到作業(yè)條件的限制及合理布置碼頭軸線的作用，很多大型開敞式油碼頭都處于相似的工況中，所以該試驗結(jié)果也有一定的廣泛適用性。

綜上所述，可以明確大型開敞式油碼頭艏艉纜墩布置的基本規(guī)律如下。若沒有大于1.0m/s的0°流或1.5m/s的小角度開流存在，大型開敞式油碼頭宜采用短泊位一字型布置，艏艉纜墩的間距以1.2倍船長為宜。若存在上述情況，應(yīng)調(diào)整為蝶形布置或適當(dāng)增加泊位長度。

2.2橫纜墩布置

如前所述的橫纜墩布置基本原則，橫纜墩布置主要需分析設(shè)計船型的橫纜出纜點位置、兼靠船型尺度及船舶纜力與運動量的平衡關(guān)系，通過總結(jié)工程經(jīng)驗，有如下建議。

（1）橫纜墩前沿線較碼頭前沿線后移距離建議首先取為50m。若模型試驗反饋需進(jìn)一步約束船體運動量，則宜以5m作為基準(zhǔn)逐漸前移嘗試。

（2）外側(cè)橫纜墩的間距建議取為318m左右。一方面，對VLCC 318m的墩間距可將外側(cè)橫纜的系纜水平角控制在105°，另一方面，318m是15萬噸級/8萬噸級油船總長的1.16倍/1.31倍，基本滿足作為艏艉纜兼靠8～15萬噸級油船的需求。

（3）內(nèi)側(cè)橫纜墩的間距建議取為220m左右。對VLCC 220m的墩間距基本可使內(nèi)側(cè)橫纜水平角為75°，且220m是3萬噸級油船總長的1.19倍，基本滿足作為艏艉纜兼靠3萬噸級油船的需求。

2.3倒纜墩布置

根據(jù)工程經(jīng)驗，大型開敞式油碼頭大多以主靠船墩兼做倒纜墩。主靠船墩布置以壓載工況下至少有2個靠船墩可與船體平直段完全接觸為原則，對靠泊VLCC的大型開敞式油碼頭可取為110m～120m。對大型開敞式油碼頭靠船墩的布置，可詳見相關(guān)學(xué)術(shù)文獻(xiàn)，在此不再贅述。

3大型開敞式LNG碼頭系纜墩布置研究

區(qū)別于油船，因LNG船自重較輕，干舷較高，其對橫向力非常敏感，靠泊系纜時幾乎不會出現(xiàn)以縱向力為主導(dǎo)的情況。國內(nèi)某LNG項目的試驗資料表明，即便在縱向最不利荷載（0°2.32m/s頂流、30°20m/s風(fēng)，1.5m波高8s周期波浪）作用下，系泊船舶的橫移量通常比縱移量還要大[4]。因此，目前的研究成果和工程實踐都更傾向于LNG碼頭采取短泊位一字型布置。

沈文君等人通過數(shù)模實驗分析了單獨0.8m波高、6～36s周期橫浪作用下的艏艉纜墩間距在370m、390m、410m、430m四個方案的26.6萬m3LNG船的船體運動量和纜力，最后建議LNG碼頭艏艉纜墩間距在370m～390m之間布置是較為適宜的[5]。蔡長泗通過物模實驗分析了1.5m橫浪、20m/s開風(fēng)加0.5m/s頂流作用下不同泊位長度方案的26.6萬m3 LNG船運動量和纜力，最終推薦開敞式LNG碼頭的泊位長度為1.1倍設(shè)計船長（折算艏艉纜墩間距約370m）[4]?？紤]到艙容14.7萬～17.5萬m3LNG船是LNG運輸?shù)慕^對主力船型[6]，耿寶磊等人以17.2萬m3LNG船為試驗對象，分析了多種風(fēng)浪流組合作用工況，同樣建議LNG碼頭艏艉纜墩間距在370m～390m之間選取[7]。

綜合上述分析，可以總結(jié)大型開敞式LNG碼頭艏艉纜墩布置的基本規(guī)律如下。宜采用短泊位一字型布置，艏艉纜墩間距宜在370m～390m之間選取，若靠泊工況存在較大順（頂）流或模型試驗出現(xiàn)艏艉纜力過大、倒纜力過大、船舶縱向運動量過大等情況應(yīng)取大值，否則取小值。

對LNG碼頭，其橫纜墩布置同樣應(yīng)遵循如前所述的基本原則。通過調(diào)研諸多近年來已建成的大型開敞式LNG碼頭，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)碼頭的艏艉纜墩及內(nèi)外橫纜墩均為等間距布置。據(jù)此，在缺乏詳細(xì)LNG船出纜點位置資料的情況下，也可考慮采用等間距原則布置內(nèi)外橫纜墩，再根據(jù)模型試驗反饋結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。據(jù)此，當(dāng)LNG碼頭艏艉纜墩間距為370m時，其橫纜墩間距為295m，220m;為390m時，其橫纜墩間距為305m，220m。

與油碼頭相同，大型開敞式LNG碼頭同樣大多以主靠船墩兼做倒纜墩，對靠泊10萬噸級及以上LNG船的大型開敞式LNG碼頭，其主靠船墩間距可取為116m左右[8]。對此可詳見相關(guān)學(xué)術(shù)文獻(xiàn)，在此不再贅述。

4結(jié)論

通過上述分析，本文得到如下結(jié)論可供今后進(jìn)行大型開敞式油氣碼頭設(shè)計時參考，或作為初始的模型試驗計算模型使用。

（1）對大型開敞式油氣碼頭，其艏艉纜墩的布置主要由系泊環(huán)境決定，橫向力為主導(dǎo)時更宜采取一字型短泊位布置，以增大艏艉纜的系纜水平角，使艏艉纜可以幫助橫纜分擔(dān)較大的橫向力，使整個系泊系統(tǒng)纜力分布更加均衡。反之，縱向力為主導(dǎo)時宜采取蝶形布置或適當(dāng)增大艏艉纜墩間距，以減小艏艉纜的系纜水平角使其更多地分擔(dān)縱向力。

（2）對大型開敞式油氣碼頭，其橫纜墩的布置應(yīng)遵循三項基本原則，即：①使得橫纜的系纜水平角位于規(guī)范建議的范圍內(nèi);②滿足向下兼顧較小噸級船舶靠泊時作為艏艉纜墩的需求;③使得船舶橫纜力與船體運動量均能滿足規(guī)范要求并盡量減小船舶橫纜力。

（3）增加橫纜的纜繩長度可以減少整個靠泊系統(tǒng)的剛度，從而降低橫纜纜力，但卻會使得船體的運動量進(jìn)一步增加;反之亦然。對大型開敞式油氣碼頭，其橫纜墩前沿線較碼頭前沿線后移距離建議首先取為50m。若模型試驗反饋需進(jìn)一步約束船體運動量，則宜以5m作為基準(zhǔn)逐漸前移嘗試。

（4）對大型開敞式油碼頭，滿載工況下，若存在流速大于1.0m/s的0°流或1.5m/s的小角度開流，則應(yīng)考慮艏艉纜墩采取蝶形布置或適當(dāng)增大艏艉纜墩間距;反之，則為典型的橫向力主導(dǎo)情況，采用短泊位一字型布置更加適宜。

（5）一般情況下，大型開敞式油碼頭，艏艉纜墩的間距以1.2倍船長為宜。橫纜墩的間距建議取為外側(cè)318m左右，內(nèi)側(cè)220m左右。在此基礎(chǔ)上可根據(jù)模型試驗反饋結(jié)果進(jìn)一步調(diào)整。

（6）大型開敞式LNG碼頭普遍適宜短泊位一字型布置。艏艉纜墩間距宜在370m～390m之間選取，若靠泊工況存在較大順（頂）流或模型試驗出現(xiàn)艏艉纜力過大、倒纜力過大、船舶縱向運動量過大等情況應(yīng)取大值，否則取小值。可考慮采用等間距原則布置LNG碼頭內(nèi)外橫纜墩，當(dāng)LNG碼頭艏艉纜墩間距為370m時，其橫纜墩間距為295m，220m;為390m時，其橫纜墩間距為305m，220m。

（7）大型開敞式油氣碼頭大多以主靠船墩兼做倒纜墩，對靠泊VLCC的大型開敞式油碼頭主靠船墩間距可取為110～120m，對靠泊10萬噸級及以上LNG船的大型開敞式LNG碼頭主靠船墩間距可取為116m。

參考文獻(xiàn)：

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