大型LNG船舶系泊条件试验研究

李 焱，郑宝友，陈汉宝，高 峰

（交通运输部天津水运工程科学研究所，工程泥沙交通行业重点试验室，天津 300456）

0 引言

天然气作为一种洁净、高效能源，已成为世界油气工业新的热点，开发和利用天然气对改善能源结构，保护生态环境具有深远的战略意义。近年来，随着经济的快速发展和对能源需求日益扩大，我国正在加快扩大液化天然气（LNG）的进口贸易[1]。LNG船是一种危险品运输船，具有尺度大、吃水浅、受风面积大等特点[2]。由于LNG的泄漏会对周围环境和人员造成巨大危害，因此对其运输和装卸的安全性要求极高，有关统计资料表明[3]，LNG船舶的主要风险存在于港内作业期间，约80%的事故是发生在港内作业期间。当前，随着船舶大型化、专业化以及开敞式码头的增多，船舶在风、浪、流作用下的系泊安全日益受到重视，我国有关单位针对大型油轮、散货船的系泊条件进行了一些研究，取得了一些有价值的成果[4-8]，但针对大型LNG船舶的研究则相对较少。

1 工程概况

某LNG码头为开敞式码头，处在岬角湾附近，潮流流速较大，码头前沿地形高程-17~-24 m，设计最大停靠266 000 m3的大型LNG船。为确保LNG船舶系泊安全，满足工程设计需要，开展了风、浪、流共同作用下LNG船舶系泊条件试验研究，通过优化系缆墩的布置和系缆方式，达到LNG船舶安全系泊要求。

1.1 工程布置

码头平面布置呈蝶形状，由工作平台、靠船墩、系缆墩及引桥组成，总长440 m（图1）。工作平台尺度为51 m×27 m（长×宽），顶面标高+8.5 m，采用高桩梁板结构，排架间距8 m。主靠船墩2个，尺度为20 m×14 m（长×宽），中心间距116 m，副主靠船墩2个，尺度为13 m×11 m（长×宽），系缆墩为6个直径13 m的圆形墩台，靠船墩和系缆墩的顶面标高均为+6.5 m，均采用高桩墩式结构。引桥采用高桩梁板结构。

图1 LNG接收站码头工程平面布置图

1.2 试验内容

1）测定系泊船舶在风、浪、流共同作用下，不同水位、不同载度时的船舶系缆力、撞击力和撞击能量。

2）根据试验结果，对码头平面布置和系缆方式进行优化，以满足船舶系泊安全的要求。

2 试验条件

2.1 试验水位

设计高水位为3.65 m；设计低水位为0.37 m；平均水位为2.02 m。

2.2 环境荷载

主要包括风、波浪和潮流，工况组合见表1，表中的角度是以船轴线为基准，详见图2。

表1 风、浪、流工况组合情况

图2 荷载组合和系缆方式

2.3 船型

266 000 m3LNG船型主尺度和运动性能参数见表2。试验考虑满载和压载。

表2 试验船型主要尺度及有关参数

2.4 缆绳和护舷

原体缆绳采用直径为44 mm的8股超高分子量聚乙烯缆绳，伸长率为4%，最小破断力为1 021 kN。

主靠船墩上护舷为SUC2000H（标准反力型） 二鼓一板护舷，设计反力和设计吸能量分别为3 562 kN和3 128 kJ，最大反力和最大吸能量分别为3 786 kN和3 312 kJ；副靠船墩上护舷为SUC2000H（标准反力型）一鼓一板护舷，设计反力和设计吸能量分别为1 781 kN和1 564 kJ，最大反力和最大吸能量分别为1 893 kN和1 656 kJ。

2.5 系缆方式

船舶系缆缆绳通常包括艏缆、横缆、倒缆和艉缆，266 000 m3LNG船舶最大可用缆绳数量为20根。设计系缆方式为4222，其中倒缆系在主靠船墩（BD1和BD4） 上，长度为37 m，详见图2。试验时每根缆绳初始力为137 kN。

3 模型概况

模型几何比尺λL为1∶60。试验港池面积45m×40m×1.5 m（长×宽×水深），配有国内目前最先进的造波、生流和造风系统，港池边界配有消波材料，能充分满足本项目研究内容的需要。整个物理模型模拟了工作平台、靠船墩、系缆墩、栈桥及地形等，模型照片见图3。

图3 模型照片

3.1 波浪模拟

波浪力按重力相似进行模拟，用单向不规则波进行试验，谱型为JONSWAP谱。采用L型造波机造波，该造波系统是国内第一台伺服电机驱动式可吸收式造波机，由144个造波单元板组成，每块造波单元板规格宽0.5 m，高1.0 m，呈L型布置，其中长边38 m，短边33 m（图3），可模拟规则波、单向不规则波、斜向波、多向不规则波，最大试验周期为5 s，最大试验波高为0.35 m。模型特征波高和周期在码头模型布置之后进行率定，采用SG200型波高测试系统测量，当测量特征波高和周期与目标值相同时，则以对应的造波参数作为正式试验参数。

3.2 水流模拟

水流力按重力相似进行模拟。生流系统由分布在港池四周的22台调速可逆水泵组成，计算机控制，可根据需求开启不同位置的水泵及其转速来调节流速、流向，同时造波与生流系统互不干扰。水流率定时选取船艏、船中和船艉三点位置控制流速大小和流向，采用挪威生产的多普勒三维流速仪测量。

3.3 风模拟

采用多台风机直接造风，风速可变频控制，可任意排列组合，实现局部风场控制。风模拟以风压力相似为主、风速相似为辅的原则进行验证。

3.4 船舶模拟

按重力相似模拟，满足几何相似、静力相似和动力相似。模拟时采用配重方法，使其符合不同载重时的重量及其分布要求，达到船舶的重心、横摇及纵摇周期相似，船舶上部结构准确模拟，以满足风压面积相似。

3.5 缆绳和护舷模拟

缆绳模拟主要考虑长度和弹性相似，即原模型船舶上带缆点和码头上带缆点之间的距离相似，以及原模型缆绳受力与变形关系曲线相似，图4为缆绳弹性模拟结果的示例。护舷模拟主要考虑原型、模型的护舷反力与变形关系曲线相似。主靠船墩二鼓一板护舷的模拟结果见图5。从缆绳和护舷的模拟结果可知，模拟效果良好。

系缆力、撞击力和护舷变形采用水工船模力测试系统同步测量。该测试系统2008年由北京水利水电科学研究院研制，其中撞击能量可根据实测的撞击力和变形计算得到。

表3 平均水位条件下的最大系缆力

图4 缆绳受力与变形关系曲线模拟结果

图5 护舷反力与变形关系曲线模拟结果

4 试验分析

4.1 系缆力分析

风、浪、流共同作用下，船舶产生运动响应，使缆绳受到拉力，护舷受到撞击力。由于试验内容较多，表3仅列出了设计方案在平均水位条件下的系缆力试验成果。试验表明：

1）不同工况下，各缆绳的受力状态不同。单横浪作用时，横缆受力最大；单潮流作用时，倒缆受力较大。总体来看，横缆和倒缆是主要受力缆绳，艏、艉缆受力则要小于前两者。

2）吹开风对缆绳受力产生明显影响，使得缆力增加，尤其在横吹开风（270°）。吹开风的风速和船舶受风面积越大，缆力增加越大，因此吹开风作用时，船舶压载时的缆绳受力大于船舶满载。吹拢风不仅不会增加缆绳受力，相反对横浪作用下的缆绳受力有抵消的作用。

3）横浪作用下，船舶产生的横移、横摇和系缆力均大于顺浪，因此横浪为控制浪向。横浪作用下，船舶压载时的系缆力要大于满载，主要因为波浪作用下船舶压载时的运动量更大。

4）潮流对满载船舶的作用力大于船舶压载，相应满载的系缆力也要大。开流使得缆绳受力大于顺流。应该指出的是，当潮流与顺浪方向相反时，对船舶的系缆力并不会产生抵消作用。

5）在不同水位条件下系缆力相差不大，但本试验条件下低水位时略大。随波高和周期增大，系缆力增大。

6）不同工况条件下，各组横缆受力不均，其中系在MD2和MD5系缆墩上的横缆受力大于系在MD3和MD4系缆墩上的横缆受力，主要原因是MD2、MD3、MD4和MD5这4个横缆系缆墩不在同一水平线上，使得各组横缆缆绳长度不同，从而造成短的缆绳受力大。

7）横缆最大受力控制工况为船舶压载、落潮开流，流速1.4 m/s，横浪1.5 m，周期8 s，吹开风（270°），风速20 m/s条件，单根横缆受力最大为842 kN；

倒缆最大受力控制工况为船舶满载、落潮顺流，流速1.61 m/s，横浪1.5 m，周期8 s，斜吹开风（315°），风速20 m/s条件，单根倒缆受力最大为733 kN。

8）根据参考文献 [9]，为确保船舶系泊安全，通常单根最大缆绳受力不应大于缆绳最小破断强度的55%，即应小于561 kN。本次试验条件下，最大横缆和倒缆受力均大于561 kN，因此需对码头平面布置和系缆方式进行优化。

4.2 撞击力分析

表4列出了各工况下，4组护舷所受撞击力和撞击能量的最大值。试验表明：

表4 各工况下4组护舷所受撞击力和撞击能量的最大值

1）横浪作用下，护舷所受的撞击力和撞击能量最大；波高和周期越大，撞击力越大；吹开风和开流将部分抵消横浪作用下船舶对护舷的撞击力；撞击力和撞击能量的最不利工况为船舶压载、横浪、顺流和吹拢风条件。

2）两鼓一板护舷最大撞击力为3 556 kN，最大撞击能量为1 258 kJ，撞击能量约为设计吸能量的40%；一鼓一板护舷最大撞击力为1 792 kN，最大撞击能量为930 kJ，撞击能量约为设计吸能量的59%，因此，护舷的选择可行。

5 优化方案试验

5.1 平面布置方案的优化

原布置方案中的MD2和MD5系缆墩在MD3和MD4系缆墩前方，垂直距离20 m，造成4组横缆长度不等，从而受力不均，其中短的横缆受力过大。为此，在优化方案试验中，将MD2和MD5系缆墩后移至和MD3、MD4系缆墩在同一直线上，4组横缆的长度基本相同。

同时鉴于设计方案试验中倒缆受力也较大，为改善倒缆的系缆条件，将倒缆系缆点由BD1和BD4主靠船墩移至BD2和BD3副靠船墩上，倒缆长度由原来的37 m增加至57 m，见图6。

5.2 系缆方式的优化

为探求横缆不同位置的变化对船舶系泊条件的影响，在上述优化方案的基础上，进行了不同系缆方式的对比试验，包括以下3种情况：

1）系缆方式仍为4222，即每个系缆墩均系缆，见图6（a）。

2）系缆方式为4402，即MD3和MD4系缆墩不系缆，将其上的缆绳分别增加至MD2和MD5系缆墩上，缆绳总数仍为20根，见图6（b）。

3）系缆方式为4042，即MD2和MD5系缆墩不系缆，将其上的缆绳分别增加至MD3和MD4系缆墩，缆绳总数仍为20根，见图6（c）。

5.3 优化方案试验成果分析

各优化方案各组缆绳最大系缆力比较见表5，可知：

表5 平均水位条件下优化方案最大系缆力成果表

1）优化方案试验中各组缆绳的受力性质不变，横缆和倒缆仍是主要受力缆绳；单横浪作用时，横缆受力最大；单流作用时，倒缆受力最大；吹开风使得缆绳受力增大；最大横缆力和倒缆力发生的工况条件也与设计方案相同。

2）码头平面布置优化后，横缆受力较设计方案均匀，其最大单根横缆受力由设计方案的842 kN减小为635 kN，可见优化方案对均化并减小横缆受力效果明显。

3）比较相同的4222系缆方式，倒缆系在副靠船墩上后，倒缆缆绳增长，缆力减小，最大单根倒缆受力由设计方案的733 kN减小为494 kN。

4） 4222、4402、4042三种系缆方式的最大单根横缆力分别为635 kN、532 kN和632 kN，相比之下，4402的带缆方式的最大系缆力最小，好于其它两种方式，其大小为破断力的52%，满足要求，因此横缆布置尽可能靠近船艏和船艉。

5）优化方案试验中，船舶对护舷的撞击力和撞击能量与设计方案试验相差不大，说明优化后的码头平面布置和系缆方式对撞击力和撞击能量影响不大。

图6 3种系缆方式布置图

6 主要结论

风、浪、流共同作用下船舶系泊条件的变化是个十分复杂的问题，船舶的运动、系缆力和撞击力对三种荷载的响应并不相同，其大小还与船舶的船型、载度、系缆方式和码头平面布置等有密切的关系，通过本次试验，得到以下认识：

1）不同工况下，各缆绳的受力状态不同。总体来看，横缆和倒缆是主要受力缆绳，艏、艉缆受力则要小于前两者。

2）吹开风和开流使得缆绳受力增大，但使得船舶撞击力减小。缆绳受力的最不利工况为船舶压载、开流、横浪、吹开风条件；船舶撞击力和撞击能量的最不利工况为船舶压载、顺流、横浪、吹拢风条件。

3）优化码头平面布置和系缆方式可有效改善缆绳受力。增加横缆缆绳长度，并使各组横缆长度基本相同，可使横缆受力均匀并减小，同时横缆布置尽可能靠近船艏和船艉。系缆方式4402的最大系缆力最小，可满足船舶系缆要求。

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