船对船过驳作业充气护舷强度校核

2021-10-25张南翁振勇谢敏杨春华

船海工程 2021年5期

张南，翁振勇，谢敏，杨春华

(沪东中华造船(集团)有限公司，上海 200129)

充气护舷(以下简称护舷)广泛应用于油船、化学品船及液化天然气(LNG)船的海上船对船过驳作业。按照石油公司国际海事论坛(OCIMF)制定的相关行业标准[1]，进行海上过驳作业的船舶需配置主要护舷，并建议其型式为充气式。目前，行业内完整、全面介绍护舷强度校核的资料不多，实际操作中对导致护舷失效的因素也缺乏足够的重视。故考虑以某LNG加注船对某大型LNG动力船的加注作业为分析目标，根据作业的不同场景和阶段，采用国际主流行业标准和方法校核选用护舷的强度，分析不同标准的差异，并对允许的靠泊速度给出建议。

1 目标船型

以某LNG加注船和某大型LNG动力船为目标船型，两船的主要参数见表1。

表1 船型主要参数 m

2 护舷参数

LNG加注船共配备4只采用BS ISO 17357-1:2014[2]标准制造的主要护舷，主要参数见表2，性能见图1。加注作业时，3只护舷(另1只备用)会提前布置在LNG加注船舷侧平行中体范围内，见图2。

表2 护舷主要参数

图1 护舷性能

图2 护舷舷侧布置

3 作业场景

对LNG加注船作业，设计两种作业场景:①LNG受注船系泊于码头时进行加注作业，这种状态下认为LNG受注船已经与码头有效系泊，其运动可忽略并按静止状态考虑，称之为码头作业；②LNG受注船锚泊于锚地时进行加注作业，两船同时受到风、浪、流等外部环境条件的影响，需进行动态分析，称之为锚地作业。两种作业场景均需考虑靠泊阶段，及系泊阶段的护舷受力情况。

3.1 靠泊阶段

LNG加注船依靠自身动力机动到LNG受注船船侧，然后以一法向靠泊速度缓速向LNG受注船平行靠拢。LNG加注船舷侧悬挂的靠艏或靠艉的一个主要护舷会首先与LNG受注船发生接触，然后船体转动，剩余的护舷再发生接触。这种情况下，第一个接触的护舷要有足够的强度吸收初始接触阶段全部的靠泊能量。

3.2 系泊阶段

LNG加注船和受注船按照设计的系泊方案有效系泊在一起，并受风、浪、流等环境条件影响发生位移和运动，所有护舷均有可能挤压受力，其受力或变形量应小于额定值。

4 码头作业

码头作业时将LNG受注船考虑为静态，即等同于固定的码头。护舷的强度校核可参照常规的船舶靠泊码头、与码头系泊情形以及相应的标准进行。

4.1 靠泊阶段

国际航运协会(PIANC)以及英国标准协会(BSI)均对护舷的设计制定的指南[3]和规则[4]是目前国际通用的参考标准。二者对靠泊阶段靠泊能量的计算方法基本一致，均采用式(1)进行计算。

E=0.5CMMDVB2CECSCC

(1)

式中：E为靠泊能量，kN·m；CM为水动力质量系数，考虑了船舶周围水体的运动，即将整个体系的质量计入动能计算；MD为船舶排水量，t；VB为靠泊速度，m/s；CE为偏心系数，考虑了接触点船舶质量中心偏离碰撞点时传递至护舷的能量的减少；CS为柔性系数，考虑了船体对碰撞能量的吸收；CC为泊位形状系数，考虑了部分靠泊能量被船体与码头之间水垫的缓冲作用吸收。

不同靠泊速度时LNG加注船的靠泊能量的计算结果见表3。

表3 靠泊能量计算结果

需要注意的是，式(1)对靠泊能量的计算仅适用于正常情况，而对于发生诸如船舶推进系统故障、缆绳断裂、风或潮流突然变化，以及人为过失等意外情况时，靠泊能量可能过大，因此需要考虑必要的安全系数。行业标准[3]建议的安全系数范围为1.1～2.0，考虑到LNG加注船需要频繁进行靠泊作业，发生危险的概率较高，因此安全系数取1.75。

由式(1)可知靠泊能量的大小与靠泊速度的平方成正比关系，显然靠泊速度是影响靠泊能量大小的关键因素。OCIMF相关标准依据船型大小给出了0.15～0.30 m/s的靠泊速度典型值，理论上船舶越小，靠泊速度越大，目标船型靠泊速度按OCIMF建议的0.25 m/s考虑。

根据表3计算结果，在安全系数为1.75，靠泊速度为0.25 m/s时，靠泊能量为1 233 kN·m，小于LNG加注船船配备的主要护舷的额定吸能(3 696 kN·m)，据此认为该阶段LNG加注船配备的主要护舷强度满足要求。在安全系数1.75，靠泊速度0.40 m/s时，靠泊能量3 157 kN·m已接近护舷±10%的性能公差范围，据此认为，LNG加注船的靠泊速度要控制在0.25 m/s以内并尽可能小，极端情况下不能超过0.40 m/s。

4.2 系泊阶段

当LNG加注船完成与受注船的缆绳系泊后，外界风、浪、流等环境条件的作用会引起船体的运动，进而导致缆绳和护舷受力。采用计算机模拟或者水力模型试验是校核缆绳和护舷受力的通用做法。由于受注船按静态考虑，因此采用OPTIMOOR软件并按照表4所示的外界环境条件进行计算。

表4 外界环境条件

考虑到LNG加注船在轻载吃水时有更大的受风面积，故基于LNG加注船轻载而受注船满载的情况进行计算。LNG加注船与受注船按照如图3所示方案系泊时护舷受力的OPTIMOOR计算结果见表5。

图3 LNG加注船与受注船系泊方案

表5 OPTIMOOR计算结果

可以看出在表4所示的环境条件下，护舷的最大受力为216 kN，变形量约为6.4%，远小于护舷的额定反力4 469 kN。

5 锚地作业

锚地作业时，LNG受注船按动态考虑，其与LNG加注船系泊在一起后，由于两船之间的耦合运动及水动力干扰作用，两船的相对运动会更为复杂。护舷的强度校核需按照船对船过驳情形及相关标准进行。

5.1 靠泊阶段

PIANC和OCIMF均有涉及船对船作业阶段护舷设计的指南，认为影响靠泊能量最为重要的参数为排水量和靠泊速度，并且排水量参数需计入船舶附连水质量，其计算基于基础动能方程。

(2)

式中：E为靠泊能量，kN·m；MA、MB分别为LNG加注船和受注船的排水量，t；CMA、CMB分别为LNG加注船和受注船的水动力质量系数。

考虑LNG加注船和受注船均处于满载状态，不同靠泊速度时的靠泊能量计算结果见表6。

表6 靠泊能量计算结果

OCIMF于2013年发布了全新的《石油、化学品、液化天然气船对船过驳指南》，对护舷的选取、布置、强度等提出了明确的要求，认为在靠泊过程中，周围海水会推动两船向对方靠拢，因此在计算靠泊能量时，引入系数1.8以计入海水产生的额外作用力。

(3)

考虑LNG加注船和受注船均处于满载状态，不同靠泊速度时的靠泊能量计算结果见表7。

表7 靠泊能量计算结果

比较表6和表7，PIANC计算方法明显比OCIMF保守，对护舷的强度要求更高，考虑采纳PIANC计算结果。在安全系数为1.75，靠泊速度为0.25 m/s的情况下，靠泊能量为1 364 kN·m，小于LNG加注船船配备的主要护舷的额定吸能(3 696 kN·m)，认为在此阶段，LNG加注船配备的主要护舷强度满足要求。在安全系数1.75，靠泊速度0.40 m/s时，靠泊能量为3 491 kN·m，已进入护舷±10%的性能公差范围，同样认为，LNG加注船的靠泊速度要控制在0.25 m/s以内并尽可能小，极端情况下不能超过0.40 m/s。

5.2 系泊阶段

如图4所示，LNG受注船处于锚泊状态，LNG加注船通过缆绳和护舷与受注船约束在一起。二者共同受到来自任何方向的环境外力(风、浪、流)及相互间作用力的影响。由于涉及变量多、复杂程度高，一般采用计算机模拟计算的方法对缆绳、护舷等受力情况进行动态分析。这里采用瑞典水池(SSPA)的SEAMAN软件进行计算。