Q-max型LNG船舶在北海鐵山港航道航行安全性探討

宋朋遠 中石化北海液化天然氣有限責任公司

1.船舶富余水深的概念及影響因素

1.1 富余水深

富余水深（UKC）是船舶在通過淺灘或在淺水水域航行時，船底以下必須保留的安全水深余量。它是保證船舶安全航行，防止船舶拖底、觸底、擱淺和失控的基本要素之一。如圖1所示：

1.2 富余水深影響因素

富余水深的影響因素主要有波浪、船體下沉、縱傾、龍骨下最小富余深度等，可用公式（1-1）表示：

式中：S為船舶航行時船體下沉量，受到船舶方形系數、航速、水深吃水比、航道寬度等因素影響；

h1為凈富余深度，是考慮船舶航行下沉量后船舶基線至海底之間的最小富余深度，由于鐵山港航道底質主要為砂底，底質富余深度取值為0.6m；

h2為波浪富余深度，根據江蘇省水文水資源勘測局揚州分局的《廣西LNG項目潮位、波浪、氣象觀測分析報告》結果，鐵山港區域波浪平均周期為3-6s，波長14-56m。對于Q-max型LNG船舶來說，波長與船長最大比值為0.16，故此波長的波浪幾乎不能使Q-max型LNG船舶發生垂蕩。綜合考慮北海鐵山港港域遮蔽條件，取波浪富裕深度為0.3m；

h3為船舶縱傾富余深度，在Q-max型LNG船舶進港前，港方應要求船方將船舶調整成平均吃水狀態；

h0為其他富余深度，包括海水密度減小、潮汐測量誤差和海圖水深誤差等引起的船舶吃水的增加量和水深的變化值等。北海鐵山港海域的海水密度為1.025g/cm3，港內外海水密度沒有變化。因此，因海水密度變化對Q-max型LNG船舶進出鐵山港富余水深的影響可以忽略不計。

圖1 富余水深示意圖

2.航行下沉量的確定方法

對于在淺水區航行的Q-max型LNG船舶而言，確定船舶的航行下沉量非常重要，通常航行下沉量采用經驗方法和理論方法來確定。但是在英版《航海手冊》中推薦的三個經驗公式在實際運用中均存在一定的局限性，誤差較大，本文主要采用Tuck/Hoof t公式、Bar rass修正公式、Eryuzlu公式三種理論計算方法進行探討。

2.1 Tuck/Hooft公式

該公式是研究船舶淺水下沉量最有表性的理論方法之一，它是基于瘦長體的假定得出的淺水航行船體重心平均下沉量計算公式，如式（2-1）所示：

Hooft是在Tuck計算方法的基礎上，給出了船舶縱傾變化引起的首傾量，對于中低速船，港內航行時首尾均有下沉。通常，隨著航速的增加，船體首下沉達到極值，然后吃水差逐漸減小直至尾傾。但由于Q-max型LNG船舶在港區內不允許高速航行，其首下沉都會大于尾下沉，其計算公式如式（2-2）所示：

上式中：L為船長；B為船寬；h為水深；d為吃水；Δ為排水量；Cb為方形系數；Fnh為水深傅汝徳數，為船速（m/s），g為重力加速度。

2.2 Barrass修正公式

Barrass在實船試驗和模型試驗基礎上，給出船舶在開敞水域和受限水域的船舶下沉量計算公式為（2-3）：

對于開敞水域，Barrass認為船舶最大下沉量主要由船舶的方形系數和航速決定，故在1981年對原有公式進行了修正，如式（2-4）所示：

式中：Vk為航速（kn）；K為航道斷面系數，對于非限制性水域K值取1，對于限制性水域K值取2。Q=As/Ac，其中As為船舶橫斷面面積，Ac為航道斷面面積。

2.3 Eryuzlu公式

Eryuzlu通過研究給出對于Cb為0.44—0.83間的寬大型船舶，船舶下沉量可采用式（2-5）進行計算：

式中：Kb為修正系數，與航道寬度和船寬比W/B 有關，當W/B≥9.61時，Kb取1，當W/B＜9.61時，Kb=3.1/(W/B)0.5。

3.Q-max型LNG船舶航行下沉量計算

根據《廣西液化天然氣（LNG）碼頭船舶操縱模擬試驗報告》結論，LNG船舶從外海進港，船速應控制在9節左右。本文采用以上三個公式計算Q-max型LNG船舶在航道中低速航行過程中所產生的船舶下沉量，并分為滿載吃水、壓載吃水和系泊狀態三種工況，結合目前已有航道及港池水深進行分析，探討該型船舶在航道中航行的安全性。

Q-Max型LNG船舶在滿載吃水時Cb取值約為0.77，經計算，在不同船速下船舶下沉量如表1。

表1 Q-max型LNG船舶在不同航速下航行下沉量表

在不同航速下，采用以上3個公式計算得出的船舶最大下沉量隨著船速的增加而增加。當船速為10節時，船舶最大下沉量為0.96m，根據公式（1-1），h1取值0.6m，h2取值0.3m，h3和h0取值為0，則保證Q-Max型LNG船舶安全航行的最小富余水深為

Q-Max型LNG船在滿載狀態下，船舶吃水d約為11.9m，北海鐵山港西航道以及北海LNG接收站港池最淺水深h為14.7m，當地最低潮潮高T為0.32米。

說明Q-Max型LNG船舶在北海鐵山港西航道航行時，航道水深可以滿足其最小富余水深要求。

Q-Max型LNG船舶在壓載狀態下，船舶吃水d約為9.5m，同樣滿足（3-2）式，可以在北海鐵山港西航道安全航行。

Q-Max型LNG船舶在系泊狀態下，船舶航速為0，亦滿足（3-2），可以保證系泊期間船舶隨潮位的運動對富余水深的要求。

4.結論

在滿足《廣西液化天然氣（LNG）碼頭船舶操縱模擬試驗報告》要求條件下，經過采用Tuck/Hooft公式、Barrass修正公式、Eryuzlu公式三種理論計算方法，計算Q-Max型LNG船舶以低于10節航速通過鐵山港西航道過程中的船舶下沉量，結合船舶在滿載吃水和壓載吃水兩種狀態，以及對現在已有航道水深和當地潮位進行分析，認為世界最大的LNG船型可以安全的通過北海鐵山港西航道，順利靠泊北海LNG接收站。