大型液化天然气码头船舶系缆力的影响分析

陈祥 宓宝勇 李家华

摘 要：通过OPTIMOOR软件建立大型液化天然气码头船舶在港系泊模型，对风、浪、流要素单一和联合作用下的船舶系缆力进行影响分析。研究结果表明：在规范规定的LNG船舶作业条件标准限制工况下，波浪对船舶系缆力的影响最大，风其次，流最小;受纵向作用显著时，单侧倒缆缆绳张力为控制;受横向作用显著时，横缆或艏艉缆缆绳张力为控制;在港卸船时，船舶载重量变小，风、浪作用可能会引起更大的船舶系缆力，应关注满载与压载时系缆力的变化，必要时可通过调整系缆方案或缆绳预张力来均匀各缆绳受力，以达到较好的系泊效果。

关键词：液化天然气码头;系泊分析;系缆力;风浪流影响

中图分类号：U656.1+39           文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2021）07-0133-04

风、浪、流水文气象要素对船舶系缆力的影响是液化天然气码头（简称LNG码头，下同）系泊分析的主要内容之一，是确定LNG码头泊位长度、系缆墩布置、系泊条件和船舶系缆方式的研究重点和难点。《液化天然气码头设计规范》[1]指出LNG码头平面布置应充分考虑风、浪、流和泥沙回淤等自然因素对船舶航行、靠泊、装卸作业和系泊的影响，并给出了各作业阶段允许风、浪、流的标准建议值。时恩哲等通过物理模型试验，在不同泊位长度和带缆方式下，针对LNG船进行了多种环境荷载作用下缆绳张力及船舶运动量的研究，以减小系泊船舶运动量和均化各缆力为优化目标，对开敞式码头泊位系靠泊状态时的运动量和系缆力进行了分析[2]。杨兴晏等对不同泊位长度下风浪流综合作用的船舶系缆力进行了分析，认为短泊位缆绳受力更为均匀，系缆系统对抵御恶劣环境条件更为有利[3]。夏贤斌从大型船舶在系泊时受到风、流作用后发生断缆险情的案例出发，分析断缆原因，并提出增加缆绳和拖轮协助等预防断缆的措施[4]。本文结合某沿海LNG码头工程案例[5]，应用国际通用系泊分析软件OPTIMOOR，对风浪流水文气象要素作用下的船舶系缆力进行影响分析，重点探讨风、浪、流要素单一和联合作用下船舶系缆力分布及优化系缆方式的对策，供不同水文气象条件下类似LNG码头工程的设计及营运管理作参考。

1基础资料

1.1船型资料

1.1.1船型主尺度

本工程LNG码头设计船型采用舱容为21.7万m3LNG船（Q-Flex船），船型主尺度参数详见表1。

1.1.2缆绳规格

21.7万m3 LNG船缆绳包括主缆和尾索，缆绳规格参数详见表2。

据OCIMF《Mooring Equipment Guidelines Fourth Edition》[6]规定：HMPE缆单根缆绳最大拉力不应超过缆绳强度的50%。据调研资料，21.7万m3 LNG船，缆绳预张力可取10～20t，系泊缆绳数量为16～20根。

1.2码头平面布置方案简述

本工程所在海域常浪向、强浪向均为SE向，全年波向主要集中在SE、ESE、SSE和S四个方向。为形成有效掩护水域，在新建岛式防波堤内侧布置LNG码头，见图1（a）。LNG码头最大设计船型为21.7万m3 LNG船，采用“一字形”布置，泊位长度340m，码头面高程11.8m，码头前沿设计水深14m，由1个工作平台、4个靠船墩、6个系缆墩和联系桥组成，码头结构采用高桩墩式结构，护舷采用SUC2250H一鼓一板标准反力型橡胶护舷，见图1（b）。

2不同风浪流条件下船舶系缆力的影响分析

本文依据《液化天然气码头设计规范》[1]第4.0.2条规定的LNG船舶作业条件标准，结合工程案例，应用OPTIMOOR软件，对风、浪、流要素单一和联合作用下船舶系缆力进行计算，在此基础上，深入分析不同风、浪、流条件对LNG船舶系缆力的影响。

2.1单一风作用

2.1.1计算工况

规范规定，大型LNG船舶在港系泊时，允许风速≤20m/s。本计算工况取20m/s作为计算风速，选取与船舶夹角为0°、45°、90°（吹开风）、-90°（吹拢风）4种典型风向，计算单一风作用满载、压载工况下的船舶系缆力。

2.1.2计算结果

单一风作用，21.7万m3 LNG船舶在港系泊时，典型风向工况下船舶系缆力计算结果见图2。图中考虑同组缆绳张力基本一致，同组缆绳均选择单根大值给出（下同）;纵向风代表0°风向、斜向风代表45°风向、吹开风代表90°风向、吹拢风代表-90°风向。

由图可知，单一风作用，在规范规定的允许极限风速情况下，船舶系缆力在压载工况下整体较大，缆绳最大张力21.1t，为缆绳破断力的15.4%，满足系泊作业要求。

考虑工程中可能出现的突发阵风，进一步分析了风速至25m/s、30m/s时，较不利吹开风作用满载、压载工况下船舶系缆力的变化情况，船舶系缆力计算结果见图3。

由图可知，在25m/s吹开风压载工况下，最大船舶系缆力30.4t，为缆绳破断力的22.2%;在30m/s吹開风压载工况下，最大船舶系缆力44.3t，为缆绳破断力的32.3%。

2.1.3简要分析及小结

（1）压载和满载比较，压载时船舶受风面积大，在单一风作用下，缆绳张力更大;

（2）短泊位情况，横向风作用下缆绳张力分布相对均匀，纵向风作用下单侧倒缆缆绳张力显著增加;

（3）压载状态下风速至25m/s、30m/s时，最大缆绳张力较20m/s风速时增加较显著，在港系泊过程中应关注突发阵风的出现。

2.2单一浪作用

2.2.1计算工况

规范规定，大型LNG船舶在港系泊时，允许横浪波高H4%≤1.5m、顺浪波高H4%<2.0m，波浪平均周期T≤7s。结合本工程波浪观测资料，计算工况选取重现期2年一遇条件下对应波浪平均周期6.9s，与船舶夹角为0°、45°、90°的3种典型波浪入射角，计算单一浪作用满载、压载工况下的船舶系缆力。

2.2.2计算结果

单一浪作用，21.7万m3 LNG船舶在港系泊时，典型波向工况下船舶系缆力计算结果见图4。图中顺浪代表0°波向、H4%=2.0m，斜向浪代表45°波向、H4%=1.5m，横浪代表90°波向、H4%=1.5m。

由图可知，单一浪作用下，在规范规定的允许极限波高情况下，船舶系缆力在横浪压载工况下整体较大，缆绳最大张力67.5t，为缆绳破断力的49.3%，满足系泊作业要求，但已基本接近容许缆绳张力值。

2.2.3简要分析及小结

（1）横浪作用下，艏缆、艉缆及横缆张力较大，倒缆张力较小;顺浪、斜向浪作用下，各系泊缆绳张力相对均匀;顺浪情况下，单侧倒缆缆绳张力为控制。

（2）横浪作用下，船舶压载工况缆绳张力更大;顺浪、斜向浪作用下，船舶满载和压载工况缆绳张力差别不明显;因此，横浪作用时，应关注在港卸船过程中，载重量变化对船舶系缆力的影响。

（3）缆绳张力随浪向变化影响较显著，横浪作用下最大缆绳张力约为顺浪作用下的2～3倍，因此在确定码头前沿线时，应尽量减小与浪的夹角，避免出现横浪。

2.3单一流作用

2.3.1计算工况

规范规定，大型LNG船舶在港系泊时，允许横流≤1.0m/s、顺流<2.0m/s。本计算工况选取与船舶夹角为0°、45°、90°的3种典型潮流方向，计算单一流作用满载、压载工况下的船舶系缆力。

2.3.2计算结果

单一流作用，21.7万m3LNG船舶在港系泊时，典型流向工况下船舶系缆力计算结果见图5。图中顺流代表流向0°、流速2.0m/s，斜向流代表流向45°、流速1.0m/s，横流代表流向90°、流速1.0m/s。

从图可知，单一流作用下，在规范规定的允许极限流速情况下，船舶系缆力在横流满载工况下整体较大，缆绳最大张力18.8t，为缆绳破断力的13.7%，满足作业要求。

2.3.3简要分析及小结

（1）满载和压载比较，满载时船舶吃水大，在单一流作用下，缆绳张力更大;

（2）横流作用下，船舶受水流力较顺流作用下大，船舶系缆力整体较顺流作用下大;

（3）在规范规定的允许流速范围内，考虑到LNG船吃水相对较小，扣除缆绳预张力后，潮流对系泊船舶缆绳张力影响相对小。

2.4风浪流联合作用

2.4.1计算工况

本工程布置反L型岛式防波堤，港内波浪受绕射影响，LNG码头处波向为S向，船舶主要受斜向浪作用，允许波高H4%取1.5m;码头前沿停泊水域涨落潮流方向与防波堤轴线方向一致，与码头前沿线一致，为顺流，流速0.34m/s;风速选取规范规定的允许风速20m/s，考虑全风向。

在以上风浪流联合作用下，计算满载、压载工况下的船舶系缆力。

2.4.2计算结果

在“风+斜向浪+顺流”联合作用下，21.7万m3 LNG船舶在港系泊时，船舶系缆力计算结果见图6。

由图可知，本工程在“风+斜向浪+顺流”联合作用下，船舶系缆力在压载工况下整体较大，缆绳最大张力41.8t，为缆绳破断力的30.5%，满足系泊作业要求。各类型缆绳张力与缆绳破断力比值在21.8%～30.5%之间，各缆绳受力整体较均匀。

2.4.3简要分析及小结

（1）通过对比涨落潮流下缆绳张力，发现各缆绳张力变化较小，说明流引起的缆绳张力相对小，与单一流作用下分析结论一致;考虑到本工程流为顺流，艏倒缆、艉倒缆缆绳张力变化相对大，艏缆、艉缆、横缆缆绳张力变化相对小。

（2）通过对比船舶满载、压载下缆绳张力，压载工况下略大，主要原因在于压载时船舶受风面积增加，风荷载增大引起的缆绳张力增加。

（3）本工程泊位长度取1.08倍船长，计算结果揭示该平面布置下各缆绳受力均匀，整体受力效果好，与杨兴晏[3]、蔡长泗[7]、高峰[8]等人研究表明短泊位下缆绳受力分布更加均匀、系泊效果好结论一致。

3结论

本文基于某沿海LNG码头船舶在港系泊模型，对在风、浪、流要素单一和联合作用下的船舶系缆力进行影响分析，得出以下几点结论，可供类似LNG码头工程设计及营运管理作参考。

（1）在规范规定的LNG船舶作业条件标准限制工况下，波浪对LNG船舶系缆力的影响最大，风其次，流最小。因此，在開展LNG码头设计时，码头前沿线宜与风浪流方向一致，主要矛盾为浪。

（2）在短泊位情况下，船舶受纵向作用显著时，一般为单侧倒缆缆绳张力为控制;受横向作用显著时，一般为横缆及艏缆、艉缆缆绳张力为控制。在码头运营过程中，可结合船舶在港时风浪流条件，调整系缆方案，加强主导受力方向的系泊缆绳。

（3）模型试验计算中，一般压载情况下风、浪会引起更大的船舶缆绳张力，因此，在港系泊过程中应关注船舶载重量变化对船舶系缆力的影响，必要时可通过调整系缆方案或缆绳预张力来均匀各缆绳受力，以达到较好的系泊效果。

参考文献：

[1] JTS 165-5-2016，液化天然气码头设计规范[S].

[2] 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.

[3] 杨兴晏，刘进生.大型液化天然气码头的系缆力分析[J].港工技术，2009，46（3）：5-7.

[4] 夏贤斌.大型船舶安全系泊断缆原因分析与预防[J].中国水运，2016，16（10）：53-55.

[5] 某沿海液化天然气接收站项目配套码头工程可行性研究报告[R].广州：中交第四航务工程勘察设计院有限公司，2019.

[6] Mooring Equipment Guidelines （MEG4）[M].Fourth Edition.OCIMF，2018.

[7] 蔡长泗.开敞水域蝶形码头泊位的长度[J].中国港湾建设，2007，（5）：36-37.

[8] 高峰，王炜正，李焱.大型LNG船舶在风浪流共同作用下的系泊试验研究[J].水道港口，2013，34（5）：398-402.