LNG船泊位長度優化分析

沈文君，高　峰，譚忠華

(交通運輸部天津水運工程科學研究所，港口水工建筑技術國家工程實驗室，天津 300456)

LNG船泊位長度優化分析

沈文君，高峰，譚忠華

(交通運輸部天津水運工程科學研究所，港口水工建筑技術國家工程實驗室，天津 300456)

摘要：以某LNG船為例，以降低船舶運動量、均衡系泊索張力和減少斷纜危險為目標，分析開敞式碼頭系泊安全影響因素及泊位長度。選取4種碼頭長度，進行多組不同波浪周期橫浪作用下纜繩張力及船舶運動量的數值計算，分析船舶運動量和系纜拉力，提出較為適宜的碼頭長度。

關鍵詞：泊位長度；數值計算；系纜拉力

為了滿足大型船舶的停靠要求，大型泊位一般建在開敞和半開敞的深水水域。開敞碼頭設計最首要的問題就是確定碼頭長度，國內外對碼頭長度的計算方法在規范上相差較大[1]。合理的泊位長度對于約束系泊船舶的運動、均勻分布并降低系纜力很重要，也有利于降低工程投資并減少占用稀缺的岸線資源[2]。近年來這方面的研究工作集中在采用物理模型試驗方法或數值計算方法對港口內系泊船舶的運動及系纜布置優化[3-6]。本文針對一系列碼頭長度，以減小系泊船舶運動量和均化系纜力為目標，分析討論泊位長度與船舶運動量和系纜力的關系，為碼頭系泊提供更合理的布置方案。

1軟件介紹

計算采用的軟件是Alkyon公司開發的SHIP-MOORING軟件， 可計算多種外界作用，包括波浪激振力、水動力、水靜力、風荷載、水流力及纜繩力等。對于波浪激振力可以計算不同形式的波，包括一階不規則波，二階長波，微幅波漂移力等。按照護舷三維的實際作用點進行計算，而不是象通常的做法那樣把防護舷當作一維作用力處理，受力計算會隨船舶位置變化而變化。同時，軟件可以計算船上任意一點的位移、速度、加速度。該軟件采用三維勢流理論，對護舷剛度進行建模時，可以考慮橡膠護舷的非線性剛度，通過護舷的剛度曲線來定義護舷的剛度。將碼頭安裝橡膠護舷的位置設定為固定端，通過將橡膠護舷設成彈簧裝置來實現對碰撞的模擬。本項目基于三維勢流理論，對船舶系泊碼頭的過程進行數值模擬及分析，研究系泊過程中的系泊力、波浪載荷及橡膠護舷的碰撞力，計算過程中未考慮碼頭的變形，將其視為剛體，充分考慮船舶與碼頭護舷能量的消耗特性，對船舶系泊過程進行仿真模擬。

2坐標系及碼頭布置

采用2個坐標系統，1個是地球固定坐標系；1個是船體坐標系。如圖1所示。

圖1　船體坐標系示意

本次計算共包括370，390，410和430 m 4個長度(碼頭最外側系纜點間距)方案，不同泊位長度系纜墩的布置參數見表1和圖2。其中：Lb為碼頭總長度；D1、D2為系纜墩之間的距離。采用442的系纜方式，對比不同泊位長度的結果。

表1　不同泊位長度系纜墩的布置參數　m

圖2　不同泊位長度系纜墩的布置示意

3計算條件

3.1船舶模型

計算對象為26.6×104m3LNG船，長345 m，型寬53.8 m，型深27 m，滿載吃水12.2 m，排水量為 185 000 t。

3.2護弦及纜繩的模擬

在4個靠船墩上分別布置SUC2250H 2鼓1板低反力型橡膠護舷，其單鼓設計反力為2 126 kN，最大反力2 260 kN，設計吸能量2 101 kN·m，最大吸能量2 224 kN·m。

采用直徑75 mm尼龍纜，其單根破斷力為1 000 kN，系纜方式為442，即艏、艉纜各3根，艏艉橫纜各4根，艏艉倒纜各2根。纜繩初始力設定100 kN。

3.3動力條件

波高0.8 m，波浪周期6～36 s，入射角90°。

4試驗結果分析

4.1泊位長度對運動量的影響

計算發現，不同泊位長度下，系泊纜繩在垂蕩、橫搖和縱搖3個方向上的回復剛度差別不大，3個自由度的運動量差別不顯著，見圖3～8。縱蕩、橫蕩和艏搖3個自由度的運動量差別比較明顯。

由圖3～5可見，不同泊位長度的縱蕩運動量隨著波浪周期的變化趨勢大體相同。隨著泊位長度的增加，縱蕩運動總體上逐漸減小。這是因為艏艉纜和橫纜在縱向上的受力逐漸增大，約束增強，進而縱蕩運動量減小。而橫蕩方向的運動量隨著泊位長度的增有逐漸增大的趨勢。這是因為隨著泊位長度的增加，艏艉纜和橫纜與碼頭軸線的夾角逐步變大，其在橫向上的回復剛度有變小的趨勢，導致橫蕩運動逐步變大。

圖3　不同泊位長度時垂蕩運動量的比較

圖4　不同泊位長度時橫搖運動量的比較

圖5　不同泊位長度時縱搖運動量的比較

圖6　不同泊位長度時縱蕩運動量的比較

圖7　不同泊位長度時橫蕩運動量的比較

圖8　不同泊位長度時艏搖運動量的比較

艏搖運動隨著泊位長度的變化也有較大的變化，但規律與縱蕩運動和橫蕩運動又有一些差別。

由圖8可見，艏搖運動隨著泊位長度的增加先減小后增大。泊位長度在370～410 m變化時，多數周期的艏搖運動隨著泊位長度的增大而減小，而泊位長度增加到430 m，艏搖運動又增大很多。

4.2泊位長度對系纜力的影響

由于船舶受到橫浪作用，倒纜受到的拉力與艏艉纜、艏艉橫纜相比較小，因此在此只是對艏艉纜和橫纜纜力間的不均勻性進行分析。不同泊位長度下纜繩之間的不均勻系數與周期變化見圖9。從圖9可看出，隨著泊位長度的增加，大多數工況下，二者之間的不均勻系數逐漸變大。

圖9　不同泊位長度下的不均勻系數對比

圖10～13為不同泊位長度下艏纜、艏橫纜、艉橫纜即艉纜拉力的比較。由圖可見橫浪作用下，當泊位長度縮短時，橫纜力呈減小的趨勢，而艏艉纜呈增大的趨勢，同樣說明艏艉纜力能隨著泊位長度的縮短，能分擔更多的橫纜力。艏艉纜和橫纜之間的不均勻系數也是泊位長度越短則越小，此時，370 m長度最優，碼頭船長比為1.07。

圖10　不同泊位長度下的艏纜拉力對比

圖11　不同泊位長度下的艏橫纜拉力對比

圖12　不同泊位長度下的艉橫纜拉力對比

圖13　不同泊位長度下的艉纜拉力對比

5結論

1)在橫浪作用下，垂蕩、橫搖和縱搖在不同碼頭長度下運動量差別非常小， 而另外3個自由度的運動量則差別較大。

2)縮短泊位長度有利于限制橫向運動量，但不利于縱向運動量的約束。同時，當縮短泊位長度時，纜繩間的不均勻系數會減小。

3)較短的泊位長度有利于橫蕩運動的約束和纜力間的均勻化，但當流速較大時，也應該考慮約束縱蕩運動，因此泊位長度不能太短。鑒于計算結果，考慮370～390 m的泊位長度較為適宜。

參考文獻

[1] 交通運輸部.海港總體設計規范:JTJ211-99[S].北京：人民交通出版社，1999.

[2] 蔡長泗.開敞水域蝶形碼頭泊位的長度[J].中國港灣建設，2007(7):36-37.

[3] 吳澎，姜俊杰，張廷輝，等.開敞式蝶形碼頭墩位平面布置的優化研究[J].水運工程，2009(1):175-182.

[4] 時恩哲，裴玉國，羅立群.開敞式碼頭泊位長度優化試驗研究[J].應用基礎與工程科學學報，2011,19(6):894-899.

[5] 張志明，周豐，楊國平，等.離岸深水港碼頭系泊船舶運動量研究[J].中國港灣建設，2010(S1):49-52.

[6] 高峰，鄭寶友，陳漢寶.不同系纜方式下的系泊條件分析[J].水運工程，2007(3):48-52.

Numerical Optimization of Berth Length on a Moored LNG Vessel

SHEN Wen-jun, GAO Feng, TAN Zhong-hua

(Tianjin Research Institute for Water Transport engineering, National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology, Tianjin 300456, China)

Abstract:In order to improve the motion performance of a moored vessel, balance the mooring line tension and reduce the risk of breaking mooring, the berth length optimization is carried out numerically for a LNG vessel. Four plans of the berth length is taken into consideration, the mooring line tension and vessel movement are calculated under the beam wave with different periods. After analysis of the numerical results, the more suitable berth length is put forward.

Key words:Berth length; numerical simulation; mooring tension

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.039

收稿日期：2015-10-29

基金項目：中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金項目(tks130203)

第一作者簡介：沈文君(1984—)，女，博士，副研究員 E-mail:bettyshen1984@126.com

中圖分類號：U661.2

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2016)03-0177-04

修回日期：2015-11-16

研究方向:浮體結構系泊動力響應