大型LNG船舶在风浪流共同作用下的系泊试验研究

高 峰，王炜正，李 焱

（1.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实验室，天津300456；

2.中交第二航务工程勘察设计院有限公司，武汉430071）

大型船舶吃水深、干舷受风面大，受风浪的影响尤为显著，因此安全系泊一直都是船舶运输业务中比较复杂的问题［1］。特别是对于正在进行装卸的大型船舶来说，船体运动响应幅值过大，会使装卸作业难以进行，更严重的还可能造成系缆因受力过大而绷断，以至于造成难以弥补的损失［2］，而液化天然气（LNG）船是一种危险品货物运输船舶，其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。虽然LNG 接卸港的投资占接收站的总投资不足10%，但它在保证接收站安全营运中所起的作用至关重要［3-4］。因此，根据各港口布置的状况对安全程度要求更高的大型LNG 船舶在各种风、浪、流作用下的系泊安全分析更为重要。

拟建LNG 接收站及码头工程整体平面布置如图1 所示。设计停靠最大船型为26.6 万m3。港区包括航道、防波堤、护岸、LNG 泊位、取排水口等水工建筑物。其中，LNG 码头为蝶形布置括工作平台、4 个系靠船墩、8 个系缆墩及栈桥等组成，码头结构型式为墩柱式结构，轴线走向为南北向。泊位处海底高程约为-15.0 m。本次研究即通过船模系泊物理模型，分别对不同泊位长度、不同风浪流组合以及系缆方式等进行了试验研究，为码头布置方案和安全系泊条件的确定提供了科学依据。

图1 工程平面布置示意图Fig.1 Sketch of project layout

1 试验内容与条件

1.1 研究内容

在不同作业工况组合条件下，通过试验得出系泊船舶运动分量和每根缆绳承受的最大拉力及各个墩台每组护舷承受到最大撞击力，推荐合理的系缆布置方式。另外，根据试验结果对码头长度带来的变化进行分析，并提出合理化建议。

1.2 船型尺度与码头长度

主要试验船型为26.6 万m3（Membrane 膜式），船型主尺度参数如下表1 所示。试验包含390 m 和370 m两个长度（码头最外侧系缆点间距），详见图2。

表1 26.6 万m3LNG 试验船型主尺度表Tab.1 Dimension series of 26.6×104 LNG ship

1.3 风浪流条件

（1）风：以20 m/s 为主，风向包括艏来顺风0°、离岸艏来风45°、离岸横风90°，离岸艉来风20°。试验中主要采用了直接模拟风动力的方式，因此船模按照原型比例概化受风面积模拟了上层建筑物（包括上舱盖、驾驶楼等），并以风压力为主、风速为辅的原则进行验证，以确保要求的风速能够在船模上形成相应的风力。

（2）波浪：包括艏来浪45°，波高：1.2 m、1.5 m、1.8 m、2.0 m；波浪平均周期：7 s、8 s、10 s、12 s，以及90°横向浪进行典型工况的试验。试验采用不规则波，以JONSWAP 谱进行模拟。

（3）潮流：试验模拟最大垂线平均流速，参考潮流数学模型结果的最大值流速V=0.11 m/s，流向与码头呈8°夹角（自船艉来拢流）。流向误差控制在3°范围内，分别在船舶停泊位置的艏、舯、艉三点布置流速测点以控制码头前流场。

图2 两种泊位长度系泊布置示意图Fig.2 Layout of two different kinds of berth length

1.4 系缆设施

系缆缆绳采用高分子量高密度聚乙烯缆（HMPE）及11 m 长的尼龙缆尾索。相关资料表明，HMPE 缆绳的延长率ε 为3%，设计考虑26.6 万m3船型最大缆数20 根，直径44 mm 的HMPE 最大破断力1 370 kN，直径89 mm 尼龙尾索最大破断力1 870 kN。4 个系靠船墩上分别布置了SUC2500H 一鼓一板低反力型橡胶护舷，设计反力2 625 kN，设计吸收能量2 882 kN-M。

2 船模试验模型设计

采用正态整体物理模型，结合试验目的要求并结合试验场地和设备，依据规范要求船模试验长度比尺不超过80 的原则［5］，确定模型几何比尺为λ＝60。模型整体平面布置满足几何相似和运动相似等条件，同时船舶模拟还满足静力（配载与吃水等）、动力相似（浮心、重心与纵横摇周期等）。

2.1 缆绳与护舷

（1）缆绳模拟。缆绳相似主要应满足以下条件：

①几何相似：即原模型船舶上的带缆点和码头上的带缆点之间的距离相似。

②弹性相似：原、模型缆绳的受力-变形曲线满足相似条件。

由于系泊缆绳由HMPE 缆和11 m 长的尼龙缆尾索组成，而尼龙缆尾索可有效增加缆绳的弹性和降低系泊缆的动力负荷，因此缆绳弹性模拟考虑将HMPE 缆绳弹性和尼龙缆尾索弹性线性合成，以考虑他们的混合影响，其中HMPE 缆绳的受力-变形计算中缆绳长度减去了缆尾索的长度，而11 m 长尼龙缆尾索的受力-变形计算采用Wilson 公式计算。

（2）护舷模拟。护舷模拟模块主要保证护舷的反力-变形曲线相似。试验中，每个系靠船墩上安装一个护舷模型，四个系靠船墩共安装四个。

2.2 系缆布置方式

试验包含两种系缆方式，即4222（艏艉各4 根、倒缆各2 根、其他横缆各2 根）和3322（艏艉各3 根、倒缆各2 根、艏艉横缆1 各3 根、艏艉横缆2 各2 根），通过改变模型系缆点位置来实现不同系缆方式的模拟。

2.3 系泊安全依据标准

（1）运动量标准。国际航运协会（PIANC）于1995 年推荐了可接受的船舶最大运动量值供参考，英国海工标准（BS6349-2000）亦有相关规定［6］。由于BS6349 规定值过高，不适于我国建港环境，本次试验研究主要以PIANC（1995）年推荐允许值作为依据，即：纵移、横移均不超过2.0 m，纵摇、横摇与回转均不超过2.0°。

（2）系缆力标准。根据石油公司国际海事论坛（OCIMF）相关规定，对于合成纤维缆（Synthetic Rope），其缆绳所受拉力不应大于其最小破断力的50%，如超过则认为缆绳直径不满足安全系泊要求［7］。因此，对直径44 mm 的HMPE 缆，其最小破断力为1 370 kN，则单根缆绳所受到的最大拉力应小于685 kN（50%的最小破断力）。

（3）护舷标准。最大撞击力和最大撞击能量应小于SUC2500H 一鼓一板低反力型护舷的设计反力：2 625 KN 和设计吸收能量：2 882 kN-m。当实测撞击力和撞击能量超过护舷的设计撞击力和撞击能量时，则认为护舷型号不能满足要求。

3 试验结果与分析

表2 各泊位长度下系泊结果最大值Tab.2 The Max.mooring results of different berth lengths

3.1 码头长度对比试验

码头不同长度（390 m 和370 m）对于系泊状态而言，改变了艏艉缆及横缆的长度与系泊角度。由于码头两种码头长度差值20 m，370 m 长度的各带缆点相对于390 m 长度向码头中心各自平移10 m。由于码头长度差异不大，因此运动量整体变化不大，相对而言短泊位比长泊位略小，变化幅度10%左右，但各运动量的最大值多出现在长泊位试验期间，不同泊位长度下最大运动量比较见表2 船舶运动量统计值。当缩短码头长度，系缆力有所减少，泊位在370 m 时的系缆力平均约为390 m 时的89%～96%。当横浪作用时，缩短码头长度对减小系缆力的效果要更明显些。而两种长度下的撞击力互有大小，规律不明显，但撞击能量短泊位总体上略要小。系缆力、撞击力与撞击能量最大值比较见表2。

因此，从上述运动量、系缆力、撞击力和撞击能量的综合对比，短泊位整体效果略好于长泊位。本泊位受防波堤的掩护后，主要影响浪向为近似横浪的绕射波，而水流相对较弱，因此船舶系泊受横向荷载主导，缩短泊位长度，对改善船舶运动量更有效果。

3.2 风浪流共同作用下系泊条件

该试验均在370 m 泊位长度条件下进行，系缆方式采用4222，各主要工况组合条件下的船舶最大运动量与缆绳、护舷受力情况见表3所示。

结果表明，各主要运动量均能满足PIANC（1995）推荐值；当与横浪组合下更易接近或超过PIANC（1995）推荐值。其中，当与顺风组合时对纵移运动量的影响较大，船舶各运动量相对均有增大，特别是横移，其他离岸斜风时的情况介于之间。波周期对运动量的影响较显著，其中周期10 s、12 s 与该船型自摇周期（10.8～15.6 s）较为接近，如纵移在12 s 周期下最大可达到1.52 m、10 s 周期时也可达到1.41 m；而横移可达到0.89 m、10 s 周期时也超过了0.5 m，达到0.76 m。不同波向对运动量的影响也有较大差异，横浪作用时的运动量最大，为控制浪向，此时横移、横摇都接近标准极限。

表3 船舶各运动量、系缆力与撞击力最大值（4222 系缆方式）Tab.3 The Max.motion & force of lines & fenders(4222 mooring type)

从船舶系缆力结果看，各横缆、倒缆的受力较为显著，其中横缆之间的不均匀系数为1.04～1.78（平均1.39），横缆与艏、艉缆之间的不均匀系数为1.23～2.2（平均1.65）。当波浪周期增加到12 s 时，系缆力和撞击力明显增加。安全系泊条件：H4%=1.2 m，TP=12 s，大部分工况超标；H4%=1.5 m，TP=12 s 时，缆力基本均超标；H4%=1.8 m，TP=10 s 时，艏离岸45°和90°吹开风的缆力超标。如果在波浪周期12 s 条件下，只有当波高降低至0.6 m 时，方可满足系缆要求。对护舷而言，撞击力和撞击能量均满足设计选型要求。根据试验结果分析，表4 给出了不同风速、不同系缆方式和不同浪向条件下试验船型（26.6 万m3）的安全控制标准推荐值。由于90°横向浪即W 向波浪（小风区成浪）年发生频率为0.13%，且波高均小于0.5 m，对港内波浪条件影响不大，因此系缆力控制标准应以艏来浪45°为主。

表4 船舶系泊安全控制波高Tab.4 Wave height for ship mooring safety

3.3 系缆方式对比与优化系缆试验

（1）系缆方式对比试验。试验中还进行3322 系缆方式的对比，不同波浪条件作用时的结果不同。以45°斜浪作用为主时，从运动量和系缆力、撞击力都相差不大。而横浪90°作用下，3322 方式则整体略优于4222方式，如表5 所示。这与横向束缚的分布均匀程度有关，而4222 主要集中于艏艉两端，因此对整体的平稳而言略差一些，因此推荐缆力分布相对均匀的3322 系缆方式。

（2）调整系缆点试验。将原方案中系在外侧两系靠船墩上的倒缆分别中心线移至内侧系靠船墩，此举将增加倒缆长度，从而一定程度改善受力，起到优化倒缆目的。结果表明：运动量整体上比原方案略有少幅度减小，倒缆系缆力有所改善，特别对降低艉倒缆的效果略明显，其缆力降低约14%，艏倒缆降低约5%～10%，因此推荐采用内移倒缆系缆点的优化措施。

表5 两种系缆方式在横浪作用为主时的对比Tab.5 Comparison between 4222 and 3322 mooring types under the action of transverse wave

4 结语

（1）不同码头泊位长度的对比中，船舶运动量和系缆力随着泊位长度的缩短有整体减小趋势，特别对偏横向作用为主时的改善优势相对显著；

（2）试验条件下的船舶运动量均能满足PIANC 推荐值，系缆力分配更均匀的3322 系缆方式比4222 要略好一些，但按照50%安全量（MBL）考虑在波周期10 s 和12 s 时均有个别工况有断缆风险。撞击力和撞击能量均小于护舷设计标准值，满足选型要求。

（3）横浪作用下的系泊条件相对略差，但由于工程区横浪（W 向）年发生频率仅为0.13%，且波高均小于0.5 m，对港内波浪条件影响不大，因此系缆力控制标准应以艏来浪45°为主，此时安全系泊最大波高H4%=2.0 m，T平均=7 s。

（4）目前试验条件中的风浪流三个要素中，LNG 船型本身吃水相对较浅，因此主要将是风、浪共同作用的影响为主，试验中出现了10 s、12 s 波周期系缆力超标情况，因此波周期是船舶系泊影响较大的因素，因此在下一阶段工作中进一步掌握该区常年的波浪代表情况，可以有针对性的了解波周期在常年及一年内的分布及变化规律，有利于更合理确定港口系泊安全标准。

［1］岳智君，高新华，黄涛. 大型舰船系泊防台风方法探讨［J］.船海工程，2007，36（1）：18-20.YUE Z J，GAO X H，HUANG T. Discussion on the mooring method to defense typhoon for the large warships［J］. SHIP &OCEAN ENGINEERING，2007，36（1）：18-20.

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［3］祁超忠. LNG 船舶港内作业前期研究及风险防范［J］. 航海技术，2008（6）：2-5.QI C Z. Preliminary Study and Risk Prevention for LNG Carrier Port Operation［J］. Marine Technology，2008（6）：2-5.

［4］王汝凯，蔡长泗. LNG 接卸港设计须知［J］. 水运工程，1998（3）：45-56.WANG R K，CAI C S. The Design Guide of Terminals for Discharging LNG［J］. Port & Waterway Engineering，1998（3）：45-56.

［5］JTJ/T234-2001，波浪模型试验规程［S］.

［6］BS6349：MARTIME STRUCTURES，CODE OF PRACTICE FOR DESIGN OF FENDERING AND MOORING SYSTEMS.PART 4［S］.

［7］OCIMF. Mooring Equipment Guidelines：3rd Edition（MEG）［M］.United Kingdom：Witherby Seamanship International，2008.