LNG船舶系泊试验对比分析研究

陈春升

(中海油福建漳州天然气有限责任公司，漳州 363000)

图1 码头平面布置图Fig.1 Terminal layout

当前，中国的能源消费结构处于加速转型中，LNG(液化天然气)已成为中国油气行业中发展最前沿的领域之一。LNG船舶是一种危险品运输船，具有尺度大，吃水浅且受风面积大等特点，一旦泄露会对环境和人员造成极其严重的伤害，因此对其运输和装卸过程提出了非常高的安全要求，同时，LNG船舶主要风险存在于港内作业期间。目前为适应码头选址特点和运输船舶大型化要求，在我国已建和在建的河北曹妃甸、青岛董家口、浙江宁波等大型LNG码头泊位越来越多的采取开敞或半开敞式布置形式[1]。外海开敞式码头风、浪、流等动力因素极其复杂，系泊船的运动响应及受力也更为复杂，系泊安全受到广泛重视，相关单位也取得了一些研究成果[2-6]，但是针对长度仅370 m的LNG码头停靠目前世界上最大的26.6万m3船舶系泊条件开展研究相对较少，多手段的对比分析研究则更少。

本文分别从不规则波及规则波、物理模型和数学模型、船艏、艉对调方面深入研究了不同环境荷载作用下船舶运动量、系缆力和撞击力等变化，并进行了分析对比，确定了各因素的影响，为设计方案提供参考依据。

1 工程概况

码头平面布置呈蝶形，主要由1个工作平台，4个靠船墩(外侧2个靠船墩中心距110 m)和6个系缆墩组成，总长度370 m。工作平台尺度为50 m×30 m，顶高程+12.0 m。靠船墩尺度为14 m×15 m，南侧3个系缆墩尺度为14 m×14 m，北侧3个系缆墩与引桥墩结合，尺度为14 m×8.5 m，系缆墩前沿线与靠船墩前沿线垂直距离为34.5 m(系缆点与靠船墩前沿线垂直距离为40.0 m)，靠船墩和系缆墩顶高程均为+8.0 m。码头设计停靠26.6万m3的大型LNG船。

船舶系缆方式为4:4:2方式，即艏艉缆分别系在1#和6#系缆墩上，艏、艉横缆分别系在2#和5#系缆墩上，艏、艉倒缆分别系在外侧1#和4#靠船墩上，艏、艉缆系缆点与船长之比为1.03。系缆角度与缆绳长度见表1。

表1 26.6万m3船的系缆角度和缆绳长度Tab.1 Mooring angle and length of the 266,000 m3 LNG ship

2 模型概况

2.1 船舶模拟

物理模型比尺选为1:60，船模按重力相似设计需要满足以下条件：

(1)几何相似：模型船与原型船保持线性尺度相似。

(2)静力相似：采用配重方法，在适当位置放置适当的重物，使其符合不同载重时的重量及其分布要求。

(3)动力相似：船舶的重心、横摇及纵摇周期符合相似条件。

表2 设计船型主要尺度Tab.2 The main scale of the designed ship type

数学模型采用的软件来自于法国船级社，分为水动力分析模拟(Hydrostar)和船舶系泊过程分析模拟(Ariane)。

26.6万m3船型的主要尺度见表2，试验考虑满载和压载。

2.2 缆绳和护舷的模拟

在4个靠船墩上分别布置 SUC2250H-R0型1鼓1板标准反力型橡胶护舷，其单鼓设计反力为3 088 kN，最大反力3 283 kN，设计吸能量3 391 kN·m，最大吸能量3 590 kN·m。

图2 护舷和缆绳模拟结果Fig.2 Simulation results of fenders and cable

缆绳采用直径100 mm 尼龙缆，其单根破断力为1 880 kN，系缆方式为4:4:2，即艏、艉缆各4根，艏艉横缆各4根，艏艉倒缆各2根。缆绳初始力设定100 kN。

缆绳模拟应考虑长度和弹性相似以及原型缆绳受力与变形关系曲线相似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。从图2缆绳和护舷的模拟结果可知，模拟效果良好。

2.3 风浪流的模拟

本研究中所进行物理模型试验采用正态整体模型试验。其中利用多台大功率风机直接造风，风速通过变频器可控，且可移动。风模拟以风压力相似为主，兼之风速相似。

波浪按重力相似进行模拟，生成波浪为单向不规则波，波浪谱型采用常用的JONSWAP谱，其解析式为

系泊试验开始前，先率定所需波高和周期。

水流模拟按重力相似进行模拟。试验过程中，通过计算机控制布置于模型周边的可逆泵生成试验所需流速、流向。

本研究所使用Ariane模型中所需风浪流等水动力特性则通过Hydrostar获取。

表3 风、波浪、潮流工况组合Tab.3 Combination of wind, wave and tide

3 试验条件

设计水位包括设计高水位和设计低水位，环境荷载包括风、波浪和潮流，工况组合见表3，其中风包括横吹开风、横吹拢风、45°斜吹开风和45°斜吹拢风四种。表中角度是相对船轴线的。

4 试验结果分析

4.1 规则波与不规则波试验结果对比

对于规则波和不规则波，往往认为不同波浪条件下的模拟结果规律大体相似，但也同时具有一定的差异，为得到更加精确的试验结果，采用规则波和不规则波分别进行试验，表4和图3为两者试验结果的对比。

表中结果表明：不规则波作用船舶运动量、系缆力和撞击力普遍大于规则波，其中系缆力为规则波的1.04～1.48倍，撞击力为规则波的1.15～1.25倍，两者的船舶运动情况基本保持一致。

究其原因，主要由于规则波试验中的波高与不规则波的H4%波高一致，在不规则波波列中还有大于H4%波高的缘故。在下文分析中主要采用不规则波作用条件进行试验模拟。

4.2 物理模型和数学模型试验结果对比

船舶在风、浪、流共同作用下产生运动的响应，使缆绳受到拉力，护舷受到撞击力。此外，为对比分析模型的差异，同时采用法国船级社(BUREAU VERITAS)开发的HydroSTAR&Ariane软件进行了数学模型的模拟计算，表5分别列出了作业条件下的船舶最大运动量、最大单根系缆力和最大撞击力，数模与物模对比结果见图4。试验结果表明：

3-a 45°浪,H4%=1.2 m,Tm=7 s3-b 45°浪,H4%=1.2 m,Tm=7 s图3 规则波与不规则波作用下船舶运动特性对比Fig.3 Comparison of ship motion characteristics under regular wave and irregular wave conditions

表4 26.6万m3 LNG规则波与不规则波的试验对比情况Tab.4 Comparison of the results between regular wave and irregular wave of the 266,000 m3 LNG ship

4-a 45°浪,H4%=1.2 m,Tm=7 s4-b 45°浪,H4%=1.2 m,Tm=7 s图4 作业条件下的船舶运动特性对比Fig.4 Comparison of ship motion characteristics under operational conditions

(1)不同浪向对船舶运动量、系缆力和撞击力的产生影响。其中，45°斜浪的作用最大，30°斜浪次之；0°顺浪作用下，虽然产生的船舶撞击力较小(故试验未统计)，但产生的船舶纵移、纵摇和倒缆力也不容忽视。

(2)船舶运动量均满足作业标准。其中最大横移为0.58 m，最大横摇为1.02°，最大横摇一般发生船舶压载，45°斜浪作用时；最大纵移和最大纵摇发生在顺浪作用下，分别为0.92 m和0.21°。

(3)船舶系缆力和撞击力均满足要求。多数情况下，压载的系缆力大于满载。最大缆力为381 kN，发生在倒缆上，主要是因为倒缆的根数较少的缘故；最大撞击力2 628 kN。

(4)对于船舶运动量、系缆力和撞击力而言，物理模型与数学模型结果对比发现，两者基本一致。

表5 作业条件下的最大运动量、最大单根系缆力和最大撞击力Tab.5 Maximum values of motions, line tension and impact force under working conditions

5-a 45°浪,H4%=1.2 m,Tm=7 s5-b 45°浪,H4%=1.2 m,Tm=7 s图5 艏艉对调后船舶运动特性对比Fig.5 Comparison of ship motion characteristics under the conditions of turning bow and stern

4.3 船舶艏艉对调试验结果对比

一般LNG船舶靠泊码头卸货时船艏方向是指向离港方向，但有时船长基于航行条件及环境考虑，有可能要求船艏方向背对离港方向来进行靠泊卸货，因此需考虑船舶艏艉对调情况下LNG船舶的相关情况，将船头朝北的试验结果与相应船头朝南的试验结果的对比情况列入表6，对比结果见图5。

结果表明：由于工程区域流速不大，船舶艏艉对调停靠时船舶运动量与未对调前的运动量相差很小，系缆力的大小也相差不大，只是对调前后的艏、艉缆受力位置变化而改变；船舶对四个护舷的撞击力也基本相当。

表6 26.6万m3 LNG船舶艏、艉对调试验对比情况Tab.6 Comparison of the results under the conditions of turning bow and stern of the 266,000 m3 LNG ship

5 结论

风、浪、流多种动力作用下船舶系泊条件是一个非常复杂的问题，本次试验研究，主要观测了码头长度370 m条件下，26.6万m3LNG船在不同风浪流组合作用下的船舶运动量、系缆力和撞击力等，从不规则波及规则波、物理模型和数学模型、船艏艉对调方面进行了试验结果对比，得到的主要结论如下。

(1)不规则波作用船舶运动量、系缆力和撞击力普遍大于规则波，其中系缆力为规则波的1.04～1.48倍，撞击力为规则波的1.15～1.25倍。主要由于规则波试验中的波高与不规则波的H4%波高一致，而在不规则波波列中还有大于H4%波高的缘故。

(2)物理模型试验中，45°斜浪的作用对船舶运动量、系缆力和撞击力的影响最大，30°斜浪次之。船舶最大横移为0.58 m，最大纵移为0.92 m，最大横摇为1.02°，最大缆力发生在倒缆上，为381 kN，最大撞击力2 628 kN。

(3)由于工程区域流速不大，船舶艏艉对调停靠时船舶运动量与未对调前的运动量相差很小，系缆力的大小也相差不大，只是对调前后的艏、艉缆受力位置变化而改变；船舶对四个护舷的撞击力也基本相当。