LNG船泊位长度优化分析

沈文君，高　峰，谭忠华

(交通运输部天津水运工程科学研究所，港口水工建筑技术国家工程实验室，天津 300456)

LNG船泊位长度优化分析

沈文君，高峰，谭忠华

(交通运输部天津水运工程科学研究所，港口水工建筑技术国家工程实验室，天津 300456)

摘要：以某LNG船为例，以降低船舶运动量、均衡系泊索张力和减少断缆危险为目标，分析开敞式码头系泊安全影响因素及泊位长度。选取4种码头长度，进行多组不同波浪周期横浪作用下缆绳张力及船舶运动量的数值计算，分析船舶运动量和系缆拉力，提出较为适宜的码头长度。

关键词：泊位长度；数值计算；系缆拉力

为了满足大型船舶的停靠要求，大型泊位一般建在开敞和半开敞的深水水域。开敞码头设计最首要的问题就是确定码头长度，国内外对码头长度的计算方法在规范上相差较大[1]。合理的泊位长度对于约束系泊船舶的运动、均匀分布并降低系缆力很重要，也有利于降低工程投资并减少占用稀缺的岸线资源[2]。近年来这方面的研究工作集中在采用物理模型试验方法或数值计算方法对港口内系泊船舶的运动及系缆布置优化[3-6]。本文针对一系列码头长度，以减小系泊船舶运动量和均化系缆力为目标，分析讨论泊位长度与船舶运动量和系缆力的关系，为码头系泊提供更合理的布置方案。

1软件介绍

计算采用的软件是Alkyon公司开发的SHIP-MOORING软件， 可计算多种外界作用，包括波浪激振力、水动力、水静力、风荷载、水流力及缆绳力等。对于波浪激振力可以计算不同形式的波，包括一阶不规则波，二阶长波，微幅波漂移力等。按照护舷三维的实际作用点进行计算，而不是象通常的做法那样把防护舷当作一维作用力处理，受力计算会随船舶位置变化而变化。同时，软件可以计算船上任意一点的位移、速度、加速度。该软件采用三维势流理论，对护舷刚度进行建模时，可以考虑橡胶护舷的非线性刚度，通过护舷的刚度曲线来定义护舷的刚度。将码头安装橡胶护舷的位置设定为固定端，通过将橡胶护舷设成弹簧装置来实现对碰撞的模拟。本项目基于三维势流理论，对船舶系泊码头的过程进行数值模拟及分析，研究系泊过程中的系泊力、波浪载荷及橡胶护舷的碰撞力，计算过程中未考虑码头的变形，将其视为刚体，充分考虑船舶与码头护舷能量的消耗特性，对船舶系泊过程进行仿真模拟。

2坐标系及码头布置

采用2个坐标系统，1个是地球固定坐标系；1个是船体坐标系。如图1所示。

图1　船体坐标系示意

本次计算共包括370，390，410和430 m 4个长度(码头最外侧系缆点间距)方案，不同泊位长度系缆墩的布置参数见表1和图2。其中：Lb为码头总长度；D1、D2为系缆墩之间的距离。采用442的系缆方式，对比不同泊位长度的结果。

表1　不同泊位长度系缆墩的布置参数　m

图2　不同泊位长度系缆墩的布置示意

3计算条件

3.1船舶模型

计算对象为26.6×104m3LNG船，长345 m，型宽53.8 m，型深27 m，满载吃水12.2 m，排水量为 185 000 t。

3.2护弦及缆绳的模拟

在4个靠船墩上分别布置SUC2250H 2鼓1板低反力型橡胶护舷，其单鼓设计反力为2 126 kN，最大反力2 260 kN，设计吸能量2 101 kN·m，最大吸能量2 224 kN·m。

采用直径75 mm尼龙缆，其单根破断力为1 000 kN，系缆方式为442，即艏、艉缆各3根，艏艉横缆各4根，艏艉倒缆各2根。缆绳初始力设定100 kN。

3.3动力条件

波高0.8 m，波浪周期6～36 s，入射角90°。

4试验结果分析

4.1泊位长度对运动量的影响

计算发现，不同泊位长度下，系泊缆绳在垂荡、横摇和纵摇3个方向上的回复刚度差别不大，3个自由度的运动量差别不显著，见图3～8。纵荡、横荡和艏摇3个自由度的运动量差别比较明显。

由图3～5可见，不同泊位长度的纵荡运动量随着波浪周期的变化趋势大体相同。随着泊位长度的增加，纵荡运动总体上逐渐减小。这是因为艏艉缆和横缆在纵向上的受力逐渐增大，约束增强，进而纵荡运动量减小。而横荡方向的运动量随着泊位长度的增有逐渐增大的趋势。这是因为随着泊位长度的增加，艏艉缆和横缆与码头轴线的夹角逐步变大，其在横向上的回复刚度有变小的趋势，导致横荡运动逐步变大。

图3　不同泊位长度时垂荡运动量的比较

图4　不同泊位长度时横摇运动量的比较

图5　不同泊位长度时纵摇运动量的比较

图6　不同泊位长度时纵荡运动量的比较

图7　不同泊位长度时横荡运动量的比较

图8　不同泊位长度时艏摇运动量的比较

艏摇运动随着泊位长度的变化也有较大的变化，但规律与纵荡运动和横荡运动又有一些差别。

由图8可见，艏摇运动随着泊位长度的增加先减小后增大。泊位长度在370～410 m变化时，多数周期的艏摇运动随着泊位长度的增大而减小，而泊位长度增加到430 m，艏摇运动又增大很多。

4.2泊位长度对系缆力的影响

由于船舶受到横浪作用，倒缆受到的拉力与艏艉缆、艏艉横缆相比较小，因此在此只是对艏艉缆和横缆缆力间的不均匀性进行分析。不同泊位长度下缆绳之间的不均匀系数与周期变化见图9。从图9可看出，随着泊位长度的增加，大多数工况下，二者之间的不均匀系数逐渐变大。

图9　不同泊位长度下的不均匀系数对比

图10～13为不同泊位长度下艏缆、艏横缆、艉横缆即艉缆拉力的比较。由图可见横浪作用下，当泊位长度缩短时，横缆力呈减小的趋势，而艏艉缆呈增大的趋势，同样说明艏艉缆力能随着泊位长度的缩短，能分担更多的横缆力。艏艉缆和横缆之间的不均匀系数也是泊位长度越短则越小，此时，370 m长度最优，码头船长比为1.07。

图10　不同泊位长度下的艏缆拉力对比

图11　不同泊位长度下的艏横缆拉力对比

图12　不同泊位长度下的艉横缆拉力对比

图13　不同泊位长度下的艉缆拉力对比

5结论

1)在横浪作用下，垂荡、横摇和纵摇在不同码头长度下运动量差别非常小， 而另外3个自由度的运动量则差别较大。

2)缩短泊位长度有利于限制横向运动量，但不利于纵向运动量的约束。同时，当缩短泊位长度时，缆绳间的不均匀系数会减小。

3)较短的泊位长度有利于横荡运动的约束和缆力间的均匀化，但当流速较大时，也应该考虑约束纵荡运动，因此泊位长度不能太短。鉴于计算结果，考虑370～390 m的泊位长度较为适宜。

参考文献

[1] 交通运输部.海港总体设计规范:JTJ211-99[S].北京：人民交通出版社，1999.

[2] 蔡长泗.开敞水域蝶形码头泊位的长度[J].中国港湾建设，2007(7):36-37.

[3] 吴澎，姜俊杰，张廷辉，等.开敞式蝶形码头墩位平面布置的优化研究[J].水运工程，2009(1):175-182.

[4] 时恩哲，裴玉国，罗立群.开敞式码头泊位长度优化试验研究[J].应用基础与工程科学学报，2011,19(6):894-899.

[5] 张志明，周丰，杨国平，等.离岸深水港码头系泊船舶运动量研究[J].中国港湾建设，2010(S1):49-52.

[6] 高峰，郑宝友，陈汉宝.不同系缆方式下的系泊条件分析[J].水运工程，2007(3):48-52.

Numerical Optimization of Berth Length on a Moored LNG Vessel

SHEN Wen-jun, GAO Feng, TAN Zhong-hua

(Tianjin Research Institute for Water Transport engineering, National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology, Tianjin 300456, China)

Abstract:In order to improve the motion performance of a moored vessel, balance the mooring line tension and reduce the risk of breaking mooring, the berth length optimization is carried out numerically for a LNG vessel. Four plans of the berth length is taken into consideration, the mooring line tension and vessel movement are calculated under the beam wave with different periods. After analysis of the numerical results, the more suitable berth length is put forward.

Key words:Berth length; numerical simulation; mooring tension

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.039

收稿日期：2015-10-29

基金项目：中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(tks130203)

第一作者简介：沈文君(1984—)，女，博士，副研究员 E-mail:bettyshen1984@126.com

中图分类号：U661.2

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2016)03-0177-04

修回日期：2015-11-16

研究方向:浮体结构系泊动力响应