浙江LNG接收站船舶系泊試驗研究

郭劍鋒，高 峰 ，李 焱 ，孟祥瑋，陳漢寶

（1.中海浙江寧波液化天然氣有限公司，寧波315010；2.交通部天津水運工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456）

作為港口工程中的新興專業(yè)碼頭，液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡稱LNG）碼頭發(fā)展迅速。由于LNG的特殊性，碼頭設(shè)計顯得至關(guān)重要［1］，碼頭選址特點和船舶大型化趨勢，使其對港口布局和水深的要求越來越高，港口往往有向外海發(fā)展趨勢，并較多地采取開敞式布置形式。外海開敞式碼頭船舶停泊水域的風(fēng)、浪、流等條件的大小、方向隨機性較強，在外界環(huán)境動力的綜合荷載作用下，系泊船舶的運動響應(yīng)及受力情況也更為復(fù)雜［2］。系泊船舶運動幅度過大會影響碼頭正常作業(yè)，纜繩布局不合理會造成纜繩受力不均甚至斷裂破壞。如何減小系泊狀態(tài)下的船舶運動量和系統(tǒng)荷載，根據(jù)實驗結(jié)果調(diào)整系泊布置顯得尤為重要。本文以浙江LNG接收站項目碼頭工程為例，通過船舶系泊物理模型試驗，深入研究了不同環(huán)境荷載作用下，系泊狀態(tài)時船舶運動量、纜繩受力等隨泊位長度、墩位布置和系纜方式的變化，為設(shè)計方案提供參考。

1 工程概述

工程位于浙江寧波北侖港東側(cè)穿山半島中宅附近，為開敞式碼頭，呈蝶形，碼頭方位角51.33°～231.33°，設(shè)計方案泊位總長440 m，設(shè)置主靠船墩2個，副靠船墩2個，碼頭前水深-17 m，設(shè)計方案平面布置見圖1。

擬建碼頭處在岬角淺灣附近，又受多通道地形影響，水流條件相對復(fù)雜。且設(shè)計最大代表船型為26.6萬m3LNG船舶，船型體積較大，水線上受風(fēng)面積較大，水線下受流面積相對較小，受風(fēng)力影響較大，需要通過物理模型試驗測定相關(guān)參數(shù)，為設(shè)計提供依據(jù)。在此背景下，結(jié)合給定的試驗條件，測定系泊船只在波浪、水流和風(fēng)等共同作用下，船舶橫移、縱移、升沉、橫搖、縱搖及回轉(zhuǎn)6個運動量以及系纜力和撞擊力，根據(jù)試驗結(jié)果對平面布置方案進(jìn)行對比，合理調(diào)整系纜布置形式。

圖1 碼頭平面布置及設(shè)計方案系纜布置示意圖Fig.1 Sketch of plane layout and mooring line arrangement

2 物理模型試驗

2.1 試驗條件

（1）試驗船型。設(shè)計船型為26.6萬m3和21.7萬m3，船型主要尺度見表1。

表1 設(shè)計代表船型主要尺度表Tab.1 Principal dimensions of design ship type m

（2）纜繩布置。系纜墩6座，其中1#、6#系纜墩選用1 500 kN×4（四鉤）快速脫纜鉤；2#～5#系纜墩選用1 500 kN×3（三鉤）快速脫纜鉤；1#～4#靠船墩選用1 500 kN×2（雙鉤）快速脫纜鉤?？看?個，包括2個主靠船墩（1#和4#），相距116 m，2個副靠船墩（2#和3#），靠船墩選用1 500 kN×2（雙鉤）快速脫纜鉤。纜繩材質(zhì)為超高分子量聚乙烯，直徑44 mm，26.6萬m3LNG船舶最大可用纜繩數(shù)量為20根，21.7萬m3LNG船舶最大可用纜繩數(shù)量為 18 根。系纜方式：26.6 萬 m3LNG 船為 4∶2∶2∶2，21.7 萬 m3LNG 船布置方式為 4∶1∶2∶2，即 2#和5#系纜墩各減少1根纜。

（3）護(hù)舷布置。主靠船墩：SUC2000H標(biāo)準(zhǔn)型（標(biāo)準(zhǔn)反力型）二鼓一板，共2個。副靠船墩：SUC2000H標(biāo)準(zhǔn)型（標(biāo)準(zhǔn)反力型）一鼓一板，共2個。

（4）動力條件。風(fēng)：吹攏風(fēng)、吹開風(fēng)和45°斜吹開、吹攏風(fēng)，作業(yè)期間試驗風(fēng)速為15 m/s，系泊狀態(tài)試驗風(fēng)速為20 m/s。作業(yè)波高：橫浪H4%=1.2 m，順浪H4%=1.5 m，周期分別為6 s、7s。系泊波高：橫浪H4%=1.5 m，順浪H4%=2.0 m，周期分別為 7 s、8s。水流：平均水位下漲潮流速 1.21 m/s，流向 231°；落潮流速 1.61 m/s，流向 50°。

2.2 模型設(shè)計

綜合試驗?zāi)康募耙?，結(jié)合試驗場地和設(shè)備以及試驗規(guī)程要求，采用正態(tài)整體物理模型試驗，模型幾何比尺為60，試驗地形模擬碼頭附近海域范圍1.6 km×1.2 km（原型），整體模型包括岸線及兩側(cè)凸出岬角、LNG碼頭（工作臺、靠船墩、系纜墩和引橋）、工作船碼頭、回轉(zhuǎn)水域、取水口明渠及海床地形等。相對護(hù)舷的變形系數(shù)而言，碼頭的變形要小很多，模型按照剛性處理，碼頭面板等上部結(jié)構(gòu)采用木材制作，底部采用鋼筋焊接加工的碼頭群樁結(jié)構(gòu)。

風(fēng)、浪、流物理試驗確保滿足幾何相似、重力相似和阻力相似條件。船模按重力相似設(shè)計，需要滿足幾何相似、靜力相似和動力相似條件，纜繩相似需要滿足彈性相似。護(hù)舷模型主要模擬護(hù)舷的反力—變位曲線及能量吸收曲線。試驗時，將2根纜繩合二為一，即艏艉各4根纜繩在模型上各變?yōu)?根，分別設(shè)定為艏纜1、艏纜2和艉纜1、艉纜2，其他纜各變?yōu)?根，每根纜繩上施加137 kN初拉力。

2.3 數(shù)據(jù)采集和處理

數(shù)據(jù)采集和處理遵循交通部《波浪模型試驗規(guī)程》（JTJ/T234-2001）。不規(guī)則波試驗的數(shù)據(jù)采集時間間隔小于有效波周期的1/10，且連續(xù)采集數(shù)不少于100個［3］，每組試驗均重復(fù)3次以上，取平均值作為最終結(jié)果。其中船舶運動量試驗采用非接觸式測量手段，避免了傳統(tǒng)接觸式測量所帶來的附加質(zhì)量和摩擦阻力，不會對船模自身的運動產(chǎn)生任何阻礙，所得數(shù)據(jù)更接近船舶真實情況。

2.4 率定試驗

（1）護(hù)舷。模型主要模擬護(hù)舷的反力—變位曲線及能量吸收曲線（圖2）。

圖2 靠船墩護(hù)舷模擬結(jié)果（變形與受力曲線）Fig.2 Simulation results of fenders（relationship of deformation and force）

（2）纜繩。本次試驗原型纜繩采用直徑為44 mm的8股超高分子量聚乙烯纜繩，其主要物理性能技術(shù)指標(biāo)為：線密度為955 Ktex（注：Ktex=1 g/m），破斷強力為102 100 daN，其伸長率為4%。有關(guān)研究表明，該纜繩的伸長率ε與相對強力ψ（張力相對于斷裂強力的百分率）呈冪函數(shù)關(guān)系。通過對相關(guān)研究資料的內(nèi)插擬合，可以得到纜繩伸長率與相對強力的受力—變形曲線作為試驗?zāi)M的目標(biāo)值。

試驗中纜繩模擬時，帶纜鉤位置和船舶帶纜位置固定后，長度自動滿足幾何相似。模擬時纜繩用線繩制作，事先掛重使其失去彈性。采用彈性鋼片模擬纜繩的彈性變形，使其受力—變形曲線基本相似。模型與目標(biāo)纜繩模擬結(jié)果的對比情況表明模擬結(jié)果良好（圖3）。每組纜繩合并后的初拉力為相應(yīng)纜繩根數(shù)的倍數(shù)，同步測量各纜繩上的拉力，取多組重復(fù)試驗最大纜力的平均值為最終結(jié)果。

圖3 超高分子量聚乙烯纜繩受力—變形曲線模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of deformation and force for mooring ropes

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 各工況方案試驗

對于船舶運動量，各工況均能滿足PIANC（國際航運會議常設(shè)協(xié)會）1995年提出的汽體輸運船推薦值［4］。各運動量中以升沉、縱搖和橫搖相對最為明顯，特別是在船舶相對較輕的壓載期間。由于船體固有周期較大，特別是滿載時橫搖周期均在15 s以上、縱搖也在11 s以上，與試驗波浪周期（8 s）差距較大，故其搖角運動量反而較小，當(dāng)船舶本身固有周期相對接近波浪擾動力周期時（如壓載時），更易接近運動諧振，此時船舶的高頻運動值（升沉、縱搖和橫搖）則相對增大。其中，落潮流、橫浪與吹（開）攏風(fēng)的組合為船舶橫向運動量的最不利工況，而落潮流、順浪與吹（開）攏風(fēng)的組合是船舶縱向運動最不利的工況，壓載相對于滿載時的運動量要大，兩種船型中較小船型運動量相對略大，受風(fēng)浪流的影響相對更為敏感。兩種試驗船型六自由度運動量最大值分別為：26.6萬m3船型，縱移1.24 m、橫移1.44 m、升沉0.97 m、縱搖0.90°、橫搖3.85°和回轉(zhuǎn)0.82°；21.7 萬 m3船型，縱移 1.36 m、橫移 1.92 m、升沉 0.99 m、縱搖 0.59°、橫搖 4.70°和回轉(zhuǎn) 0.66°。

對于船舶系纜力，橫浪作用下的橫纜受力最大，滿載時，潮流較大時，倒纜受力較大，因此橫纜和倒纜是主要受力纜繩，而艏艉纜受力要小于前兩者。吹開橫風(fēng)使得橫纜受力增大，斜吹開風(fēng)使得橫纜和倒纜受力均有增大；吹攏風(fēng)不僅不會增加纜繩受力，相反對橫浪作用下的纜繩受力有抵消作用。本次試驗選用纜繩單根破斷力為1 021 kN，則2根破斷力為2 042 kN，雖然纜繩的最大受力小于破斷力，但安全系數(shù)超過通常纜繩控制強度，為纜繩破斷強度的55%［5］，因此建議增加纜繩數(shù)量或調(diào)整帶纜方式。

橫浪作用時，護(hù)舷所受的撞擊力最大；吹開風(fēng)與橫浪相互抵消，能減小船舶對護(hù)舷的撞擊力；撞擊力和撞擊能量的最不利工況為橫浪吹攏風(fēng)。兩鼓一板護(hù)舷最大撞擊力為3 556 kN，最大撞擊能量為1 258 kJ，最大撞擊力和撞擊能量均小于該型護(hù)舷的設(shè)計承受值，護(hù)舷的撞擊能量約為設(shè)計吸能量的40%；一鼓一板護(hù)舷最大撞擊力為1 792 kN，最大撞擊能量為930 kJ，最大撞擊力略大于設(shè)計承受值，撞擊能量小于設(shè)計承受值，約為設(shè)計吸能量的59%。試驗結(jié)果表明護(hù)舷的選擇是可行的。

各工況系纜力、撞擊力和撞擊能量最大值結(jié)果見表2。

表2 各工況下不同船型纜繩與護(hù)舷受力的最大值Tab.2 Maximum results of mooring force and impact force in different working conditions

3.2 不同泊位長度的對比試驗

針對設(shè)計船型26.6萬m3，試驗中還分別模擬了另外2種泊位長度（420 m和400 m），用以探討進(jìn)一步縮短泊位長度的優(yōu)劣性，主要是想通過泊位兩端系纜墩位置的不同，改變部分纜繩的長度與系纜角度（與碼頭軸線夾角），與440 m相比，420 m泊位艏艉纜、艏艉橫纜1的長度減小5%～10%，相應(yīng)系纜角度增大9%～13%，400 m泊位長度時，艏、艉纜進(jìn)一步縮短，系泊纜繩角度進(jìn)一步增大（表3）。

不同泊位長度差距所導(dǎo)致的船舶運動量變化幅度相對有限，整體而言440 m結(jié)果最大，而400 m長度下的運動量與420 m結(jié)果接近，均比440 m略小。整體而言，泊位長度縮短反映在船舶運動量的變化上為逐漸減小的趨勢。對于船舶系纜力，440 m泊位時最大系纜力相對較小，而420 m泊位時各纜力分配相對更均勻，但不同泊位長度條件下的纜力試驗結(jié)果相差并不大，單根最大纜力均小于破斷力1 021 kN，但安全系數(shù)余度有限。對于撞擊力和撞擊能量，與設(shè)計方案相比，3個方案的撞擊力和撞擊能量基本相同。

上述分析表明，不同泊位長度下碼頭船長比在1.16～1.27，已滿足現(xiàn)行《液化天然氣碼頭設(shè)計規(guī)程》（JTJ 304-2003）相關(guān)規(guī)定，試驗結(jié)果也均能滿足設(shè)計要求。其中縮短泊位長度后，使得艏、艉系纜角度和長度相對于其他各纜更為均勻，船舶運動量有減小的趨勢，特別是對LNG安全作業(yè)影響較大的縱、橫移（PIANC規(guī)定最大為2.0 m、英國規(guī)范BS6349-1規(guī)定最大為0.5 m［6］）。同時，船舶受力情況也有改善，試驗中雖然最大系纜力略有增加，但是各纜繩纜力差距縮小，受力更為均勻，這時縮短艏、艉纜長度后，各纜接近等長，受力重新分配，使得相互間更能協(xié)同有效地工作。

表3 各泊位長度下船舶運動、纜繩與護(hù)舷受力的最大值結(jié)果統(tǒng)計（26.6萬m3船型）Tab.3 Maximum results of ship movement，mooring force and impact force in different berth lengths

3.3 調(diào)整系泊試驗

設(shè)計方案的試驗結(jié)果表明，大多數(shù)試驗組合情況下，艏橫纜及艉橫纜的系纜力過大，且橫纜間受力又不均勻，這與纜繩布置形式有關(guān)，原方案系纜墩位置不利于各纜受力的均勻分配，特別是2#、5#距離船身各系纜點距離最近。因此方案優(yōu)化中對其進(jìn)行了調(diào)整，主要針對設(shè)計船型26.6萬m3，調(diào)整碼頭布置形式，改變系泊方式，主要針對系纜墩和倒纜的碼頭系纜點位置，故將2#、5#系纜墩后移至3#、4#系纜墩同一直線上，且鑒于倒纜受力過大，為改善倒纜的系纜條件，倒纜碼頭上的系纜點由1#、4#主靠船墩移至2#、3#副靠船墩，調(diào)整后的布置如圖4，泊位長度取440 m。

調(diào)整系泊平面布置后，系統(tǒng)各纜繩長度接近，特別是倒纜和艏艉橫纜相對延長，導(dǎo)致船體運動的約束和控制有所變化，各運動量特征值有增有減，但整體上略有增大，只是增加幅度相對有限。

調(diào)整系泊后，相同的橫纜位置受力較設(shè)計方案均勻，其最大纜力比設(shè)計方案要小，因此調(diào)整方案對均化并減小橫纜受力效果明顯。26.6萬m3船型，倒纜系在副靠船墩上后，倒纜纜繩增長，纜力減小，由于落潮流速大于漲潮流速，艉倒纜大于艏倒纜，其中橫纜受力最大，為1 270 kN。

船舶對護(hù)舷的撞擊力變化不大，其中調(diào)整方案1#護(hù)舷和4#護(hù)舷的撞擊能量略大于設(shè)計方案，為5%～8%。兩鼓一板護(hù)舷最大撞擊力為3 556 kN，最大撞擊能量為1 330 kJ，其最大撞擊力和撞擊能量均小于該型護(hù)舷設(shè)計承受值，護(hù)舷的最大撞擊能量約為設(shè)計吸能量的43%；一鼓一板護(hù)舷最大撞擊力為1 777 kN，最大撞擊能量為930 kJ，均小于設(shè)計承受值，其撞擊能量約為設(shè)計吸能量的59%。

設(shè)計方案和調(diào)整方案不同工況下各種纜繩最大值情況分別見表4和表5。

圖4 調(diào)整方案平面布置示意圖Fig.4 Layout of adjustment scheme

表4 各系纜調(diào)整前后纜繩最大系纜力對比Tab.4 Maximum results of mooring force before and after adjustment kN

表5 各系纜調(diào)整前后護(hù)舷所受撞擊力和撞擊能量的最大值對比Tab.5 Maximum results of impact force and impact energy before and after adjustment

4 結(jié)語

風(fēng)浪流綜合作用下系泊船舶運動響應(yīng)問題是船舶、護(hù)舷與纜繩以及水體和環(huán)境荷載所組成的非常復(fù)雜的有阻尼非線性動力系統(tǒng)響應(yīng)問題，這一系統(tǒng)的分析方法仍在不斷的深入研究和發(fā)展中，特別是目前我國LNG項目正方興未艾，其接收站的設(shè)計、建設(shè)及評估水平還處于發(fā)展和借鑒過程中，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也在不斷改進(jìn)完善。通過物理模型試驗手段，對于風(fēng)、浪、流綜合作用的模擬，能夠反映船舶在各種動力作用下的真實情況。在設(shè)計和未來管理工作中，結(jié)合試驗成果進(jìn)行相關(guān)分析是十分必要的，模擬系泊船舶在環(huán)境荷載作用下的運動以及系泊船舶在環(huán)境荷載作用下運動量、系纜力和撞擊力等的合理限值是值得深入研究的問題。

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［3］JTJ/T234-2001，波浪模型試驗規(guī)程［S］.

［4］UFC 4-159-03，Unified Facilities Criteria［S］.

［5］王汝凱，蔡長泗.LNG 接卸港設(shè)計須知［J］.水運工程，1998（3）：45-56.WANG R K，CAI C S.Design Instruction for LNG Port［J］.Port&Waterway Engineering，1998（3）：45-56.

［6］BS6349-1，Maritime Structures：Code of practice for general criteria［S］.