10 000 m3 LNG加注船与VLOC加注兼容性评估

2019-12-25

船海工程 2019年6期

(中国船级社武汉规范研究所，武汉 430022)

船舶间海上货物传输通常采用旁靠和串靠两种形式，由于LNG具有深冷易燃易爆特性，目前LNG低温漂浮软管实际工程应用经验十分有限，可行方案是LNG加注船旁靠LNG动力船采用LNG柔性软管进行加注作业[1]。现在国际气体燃料船协会(SGMF)针对以气体作为船舶燃料的IGF规则、国内外主要船级社的LNG加注船和LNG动力船规范都已成熟，石油公司国际海事论坛(OCIMF)、国际气体运输船与码头经营者协会(SIGTTO)和中国船级社等的行业规范标准[2-4]要求，加注作业前，两船应进行兼容性评估[5]。对于尺度和干舷差异较大的两船，采用LNG软管进行旁靠加注作业时，兼容性评估尤为重要。目前全球LNG动力船和LNG加注船加注作业兼容性评估还未形成完善的评估体系和成熟的评估方法，考虑根据相关行业标准对相关兼容性内容进行评估。以10 000 m3LNG加注船为VLOC加注燃料作业为目标，10 000 m3LNG加注船采用首部加注站、采取LNG加注船船首靠泊VLOC船尾的方式为VLOC进行燃料加注作业，选定2船分别处于满载和压载工况的4种场景，对2船加注作业兼容性进行分析，采用可参考的相关行业标准分析评估两船尺度、管汇布置及高度差、碰垫、软管长度和软管吊工作范围及能力是否满足加注作业要求。

1 背景介绍

两船分别简称LNG加注船和LNG动力船，主要参数见表1。

表1 LNG加注船和动力船主要参数

LNG加注船设计目标是为该LNG动力船加注补给燃料，加注作业水域拟定为国内某近海锚地。

LNG动力船受注站位于船中靠近船尾区域甲板上；LNG加注船甲板上有2处加注站，分别位于船首和船中。LNG加注船采用船首加注站为LNG动力船加注燃料；加注作业时，LNG加注船采取船首靠泊LNG动力船船尾的方式靠泊LNG动力船左舷或者右舷，即LNG加注船左舷(或右舷)靠泊LNG动力船左舷(或右舷)。在两船建造完成前，应对加注作业相关布置和设备等进行兼容性评估，以确保LNG加注船达到设计目标，能够为LNG动力船提供加注服务。

2 加注作业兼容性

2.1 碰垫

根据国际行业标准[3]，船对船靠泊时，两船间需要布置主碰垫和辅助碰垫。主碰垫沿船体平行部分放置，对船体提供最大限度的保护。辅助碰垫布置在船艏和船艉，避免在系泊和作业期间两船发生意外碰撞。同理，LNG加注船应配备一定数量主碰垫辅助碰垫。主碰垫和辅助碰垫通常采用充气式橡胶碰垫，应满足国际浮式碰垫标准[6]。

2.1.1 主碰垫

主碰垫选取，先计算靠泊系数C。

(1)

式中：DSA和DSB分别为船A和船B排水量。

靠泊系数计算工况和结果见表2。

表2 靠泊系数计算工况和结果

表2显示,靠泊系数最大值为25 662 t。由此根据OCIMF碰垫快速选取表[3]，可选择3个充气压力为80 kPa的 2.5 m×5.5 m碰垫，LNG加注船抵靠速度为0.25 m/s。

此外，根据我国液化气体船舶安全作业国标建议的计算方法、碰垫推荐规格和数量要求[7]，靠泊系数计算方法与前述OCIMF方法相同，可选择3个充气压力为80 kPa的3.3 m×4.5 m碰垫，LNG加注船抵靠速度为0.25 m/s。

两船靠泊加注作业期间，相互平行接触较少，单个碰垫更有可能吸收初始碰撞能量，故应校核单个碰垫作用时能否满足吸收碰撞能量的要求。靠泊碰撞能量计算通常采用1.8倍船舶排水量(船舶调整排水量)的方式考虑靠泊额外力的作用，即

DSAA=1.8·DSA

(2)

DSBA=1.8·DSB

(3)

式中：DSAA和DSBA分别为船A和船B调整排水量。

两船总调整排水量为

(4)

单个碰垫作用时靠泊碰撞能量为

E1=0.025×DTA·V2

(5)

其中：V为抵靠速度，m/s。

2船平行靠泊时，靠泊载荷和碰撞能量均匀分布在所有碰垫上，应校核所有碰垫同时作用时能否满足吸收碰撞能量的要求，所有碰垫同时作用时靠泊碰撞能量为

EN=0.051·DTA·V2

(6)

充气压力为80 kPa的2.5 m×5.5 m碰垫，压缩60%时典型吸收能量值为1 316.14 kN·m，充气压力为80 kPa的3.3 m×4.5 m碰垫压缩60%时典型吸收能量值为1 638.56 kN·m[3]，前述OCIMF和国标方法选取碰垫均满足吸收碰撞能量要求，校核结果见表3。

表3 碰垫碰撞能量吸收能力校核

液化气体船安全作业国标在国内属于强制性标准，故选择3个充气压力为80 kPa的 3.3 m×4.5 m碰垫作为船-船加注作业时的防撞措施，抵靠速度为0.25 m/s，充气橡胶碰垫最大外形尺寸为3.74 m×4.94 m，单个碰垫重量约为3.5 t。

我国液化气体船舶安全作业国标与国际行业标准更新步伐不一致，上述碰垫碰撞能量吸收能力校核方法可解决国内外标准不一致问题。

2.1.2 辅助碰垫

目前未见辅助碰垫选取方法，参考主碰垫的计算选取方法，靠泊速度根据经验取为0.1 m/s，根据公式(5)计算得到单个辅助碰垫作用时碰撞能量为56.55 kN·m。为更有效提高两船在较大干舷差情况下的防撞效能和现有物料吊起重能力，选择2个充气压力为50 kPa的2.0 m×3.5 m碰垫作为船-船加注作业时的辅助碰垫。该碰垫压缩60%时典型吸收能量值为307.72 kN·m，满足单个辅助碰垫作用时碰撞能量的吸收要求，单个碰垫质量约1.4 t。

2.2 船舶尺度

涉及两船尺度兼容性评估的主要参数见表4。

表4 LNG加注船和动力船尺度评估相关参数

注:L为液相，V为气相；PS为左舷，SB为右舷。

根据SGMF对气体燃料动力船管汇布置要求[8]，LNG动力船受注站气液接口应按图1进行布置，并推荐采用直径8 in软管进行加注，软管间距建议不小于1 250 mm，LNG动力船受注站管口间距为1.25 m，管汇距离甲板高度1.00 m，管口端面距离舷侧2.20 m，LNG动力船受注管汇位置和布置、管汇连接位置和连接方向、接口间距和受注接口尺寸等满足SGMF相关要求。

图1 LNG动力船受注站气液接口布置

由表4可知，两船LNG加注船采用船首加注站、采取LNG加注船船首靠泊LNG动力船船尾方式为LNG动力船加注燃料，两船加注/受注站接口排列布置兼容满足要求。两船LNG储罐均为C型舱，气相管连通可自动达到舱内蒸气压力平衡，满足LNG储罐蒸气平衡要求。两船LNG管汇高度差在LNG动力船压载、LNG加注船满载时最大，最大值为9.00 m；两船LNG管汇高度差在LNG动力船满载、LNG加注船满载时最小，最小值为4.90 m。在上述两种极限情形下，两船间平边线范围内能够布置3个3.3 m×4.5 m主碰垫，两船的尺度兼容性满足要求，其中LNG动力船压载、LNG加注船满载加注作业位置情况见图2。

图2 LNG动力船压载、LNG加注船满载时船-船加注位置示意

2.3 加注软管

LNG加注船首部加注站管汇距甲板高度为10.30 m，管口间距为1.35 m，管口端面距离舷侧1.35 m。LNG加注船首部加注站和LNG动力船受注站管汇高度差见表5。

中国船级社(CCS)LNG加注作业标准建议软管长度取为最大高度差的2倍，但是该要求在两船管汇高度差较大情况下可能要求软管长度超过单根软管可制造最大长度，需要根据实际情况进行计算软管最小长度。LNG传输软管的长度选取必须考虑两船最极端管汇高度差、软管最小弯曲半径、船舶垂向和横向运动等因素。LNG动力船压载、LNG加注船满载情形下两船管汇高度差绝对值最大，选取该情形作为软管长度选取的分析场景，考虑两种工况：①两船位置使得软管弯曲部分均呈现最小弯曲圆弧形状；②考虑两船最大安全相对运动值时，两船位置使得软管弯曲部分均呈现最小弯曲圆弧形状。其中，LNG软管厂商产品手册[9]显示直径8 in低温LNG软管最小弯曲圆弧半径为0.91 m。国际航运协会(PIANC)在1995年对系泊码头液化气体船的允许运动量要求[10]见表6。

表5 加注站/受注站管汇高度差

注:加注站管汇高于受注站管汇时的高度差值为正，反之高度差值为负。

表6 液化气体船允许运动量(PIANC,1995)

根据该要求，LNG加注船与LNG动力船之间的相对运动应满足上述允许运动量要求，工况②保守考虑两船间发生2 m升沉运动和2 m外飘横荡运动，此时两船管汇间软管长度最长。

两种工况下，两船间软管长度于图3和图4，软管长度计算结果见表7。

图4 加注作业8 in直径软管长度示意(考虑两船最大安全相对运动时)

表7 软管计算长度

工况①两船间距为3.64 m，略小于主碰垫最大外形直径3.74 m，由于差值较小，对软管长度影响较小，故以工况①软管长度计算结果代替两船间距为主碰垫最大外形直径时计算结果。生产厂商可生产单根软管最大长度为30.00 m[9]，软管长度选取范围为19.51～30.00 m，LNG加注船配备软管长度为25.00 m。

LNG加注船采用长25.00 m软管进行加注作业时，参考图3布置。软管从LNG动力船受注站管汇处最大下垂距离为14.20 m，该距离小于LNG动力船管汇距水线距离22.90 m，软管不存在浸没海水中的问题。同样，LNG动力船满载、LNG加注船满载时，软管从LNG动力船受注站管汇处最大下垂距离为7.24 m，该距离小于LNG动力船管汇距水线距离9.00 m，软管不存在浸没海水中的问题，见图5。故LNG加注船配备25.00 m长度软管可满足为LNG动力船加注作业使用要求。