液化天然氣碼頭拖輪配置的計算分析

谷文強，李芙蓉

（1.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230；2.中交四航局港灣工程設計院有限公司，廣東 廣州 510290）

0 引言

液化天然氣碼頭的LNG運輸船舶在進出港時，需要使用拖輪協助，包括護航進港、回旋、靠泊、裝卸、離泊、護航出港。每項作業的時間取決于拖輪的大小、船舶的型號與尺寸、港區布置以及裝卸系統能力。在LNG船舶進出港和靠離泊過程中，同時承受橫風、風流和橫浪的情況一般出現在船舶在回旋水域回旋調頭的時候，因此使用拖輪數量最多的時段一般為LNG運輸船在回旋水域進行回旋作業的時候。如圖1所示。

1 國內外規范中拖輪配置計算方法概述

《基于國內外規范和標準的海港工程總平面設計指南》[1]給出了國內外規范中拖輪配置計算的詳細計算方法。

根據JTS 165-5—2016《液化天然氣碼頭設計規范》[2]要求，液化天然氣船舶在進出航道航行時，應實行交通管制并配備護航船舶。液化天然氣船舶靠泊和離泊時應配備全回轉型拖輪協助作業。液化天然氣船舶靠泊時，可配備4艘拖輪協助作業，離泊時，可配置2艘拖輪協助作業，拖輪的總功率應根據當地自然條件和船型等因素綜合確定，且單船最小功率不應小于3 000 kW。

JTJ 165—2013《海港總體設計規范》[3]附錄G給出的拖輪拖力計算方法是引用自國際海事組織IMO規范《Tug use in port》[4]，而《Tug use in port》中的風力和水流力計算方法引用自石油公司國際海事論壇（OCIMF）規范《Mooring equipment guidelines》[5]并將公式進行了簡化，為了得到更準確的計算結果，建議作用在船舶上的風力和水流力計算將直接參照OCIMF規范《Mooring equipment guidelines》[5]進行計算，而作用在船舶上的波浪力的計算方法建議使用西班牙規范ROM 3.1-99《Recommendations for the design of the maritime configuration of ports，approach channels and harbour basins》[6]中的計算公式。

2 設計基礎資料分析和計算工況選取

2.1 LNG船型資料分析

目前最大的LNG船是26.6萬m3LNG運輸船，26.6萬m3LNG運輸船的船型資料如表1所示。

表1 26.6萬m3LNG運輸船船型資料Table 1 The ship data of 266 000 m3 LNG carrier

目前全世界大約有15艘26.6萬m3LNG船，根據國際航運協會PIANC規范《Harbour approach channels design guidelines》[7]，LNG運輸船屬于操縱性能中等的船舶，一般在船舶側邊配置側推器。需要慎重考慮是否用艏、艉推進器來替代拖輪。在船舶到港之前如果能確定推進器的可靠性，才能減少拖輪的數量，否則任何失效情況，都會增加作業的危險性。從另一方面而言，如果不將艏、艉推進器計入總拖力中，那么在拖輪失效的情況下，將能大大提高富裕安全性。

2.2 自然條件分析和計算工況選取

1）風

根據《液化天然氣碼頭設計規范》[2]，8萬m3以上LNG船的靠泊操作作業的風速條件，標準為15 m/s，相當于7級風，而規范中對于LNG船舶在回旋水域中的作業條件標準沒有相關規定。根據PIANC規范《Harbour approach channels design guidelines》[7]，制動水域和回旋水域中允許的船舶操縱作業條件標準為10 m/s?？紤]到中國沿海地區出現較大風速天數較多，10 m/s的作業標準較為嚴格，考慮作業條件標準為6級風（蒲福風級）比較合適，即額外考慮13.8 m/s的工況。綜上，作用在船舶上的風力計算考慮10 m/s、13.8 m/s和15 m/s 3種工況。

中國規范沒有對風速時距給出相關規定或者要求，一般默認采用10 min平均風速作為港池泊位、系泊分析等設計風速。但是國外規范一般認為能夠克服船舶慣性的設計風速應是陣風風速，即接近船舶運動自有周期的風速時距，其中OCIMF規范《Mooring equipment guidelines》[5]中建議采用30 s平均風速。在PIANC規范《Safety aspects affecting the berthing operations of tankers to oil and gas terminals》[8]中給出的風速轉換方法，則從10 min平均風速轉換為30 s平均風速的陣風系數約為1.23，從10 min平均風速轉換為60 s平均風速的陣風系數約為1.19。蒲福風級的風速為10 min平均風速，因此如采用國外規范計算船舶風荷載時應進行風速換算計算。

在船舶風荷載計算中考慮的風速一般是指水平面或者地面上10 m處的風速。

在液化天然氣碼頭拖輪配置計算中，一般考慮設計風速橫向作用于LNG船舶。

2）水流

根據《液化天然氣碼頭設計規范》[2]，8萬m3以上LNG船的靠泊操作作業的水流流速條件標準為小于0.5 m/s。對于有防波堤掩護的碼頭，往往流速可以降低到0.25 m/s以下，因此水流荷載計算考慮0.25 m/s和0.5 m/s兩種工況。

3）波浪

根據《液化天然氣碼頭設計規范》[2]，8萬m3以上LNG船的靠泊操作作業的波浪條件標準為不大于1.2 m，該波高為波列累積頻率4%的波高，但是在國外船舶波浪力荷載計算中往往使用的是有效波高，因此在計算時應注意進行轉換。

3 拖輪配置的計算分析

3.1 橫風作用下LNG船所受風作用力

橫風作用下船舶所需拖輪拖力按照OCIMF規范《Mooring equipment guidelines》[5]的計算公式為：

式中：FYW為橫向風力，kN；CYW為橫向風力系數，對于棱柱型LNG運輸船，受到側向橫風時取為1.05；ρA為空氣的密度，在20℃時，取為1.223 kg/m3；AL為船舶水面以上縱向投影面積，m2；VW為設計風速，kn。

按照最大設計船型為26.6萬m3LNG船計算橫風作用下船舶所需拖輪拖力，計算結果如下：

工況A：26.6萬m3LNG船滿載時在10 m/s橫風作用下船舶所需拖輪拖力為76 t；

工況B：26.6萬m3LNG船壓載時在10 m/s橫風作用下船舶所需拖輪拖力為84 t；

工況C：26.6萬m3LNG船滿載時在13.8 m/s橫風作用下船舶所需拖輪拖力為146 t；

工況D：26.6萬m3LNG船壓載時在13.8 m/s橫風作用下船舶所需拖輪拖力為160 t；

工況E：26.6萬m3LNG船滿載時在15 m/s橫風作用下船舶所需拖輪拖力為172 t；

工況F：26.6萬m3LNG船壓載時在15 m/s橫風作用下船舶所需拖輪拖力為189 t。

3.2 橫流作用下LNG船所受到的水流作用力

根據OCIMF規范《Mooring Equipment Guidelines》[5]計算橫流作用下船舶所需拖輪拖力FYC的公式為：

式中：CYC為船舶橫向水流力系數，對于26.6萬m3LNG運輸船，滿載情況下水深與船舶吃水比值約為1.2（一般LNG碼頭港池水域水深約為14.5～15.0 m，滿載吃水12.0 m），考慮水流與船夾角為90°時，CYC取2.3；壓載情況下水深與船舶吃水比值約為1.5（壓載吃水9.8 m），考慮水流與船夾角為90°時，CYC取0.8；ρV為水的密度，在20 °C時密度為1 025 kg/m3；LBP為船舶雙垂線間長度，m；VC為流速，kn；T為船舶吃水。

按照最大設計船型為26.6萬m3LNG船計算橫流作用下船舶所需拖輪拖力，計算結果如下：

26.6萬m3LNG船滿載時在0.25 m/s橫流作用下船舶所需拖輪拖力為30 t；

26.6萬m3LNG船壓載時在0.25 m/s橫流作用下船舶所需拖輪拖力為9 t；

26.6萬m3LNG船滿載時在0.5 m/s橫流作用下船舶所需拖輪拖力為120 t；

26.6萬m3LNG船壓載時在0.5 m/s橫流作用下船舶所需拖輪拖力為34 t。

3.3 橫浪作用下LNG船所受波浪作用力

根據西班牙規范ROM 3.1-99《Recommendations for the design of the maritime configuration of ports，approach channels and harbour basins》[6]計算作用在船舶上的橫浪作用力計算公式為：

式中：FT為橫向波浪力，kN；α為波浪傳播方向相對于船舶長度方向的夾角，（°）；γw為水的密度，為1 030 kg/m3；Cf為水線面系數，由圖2查得，取為0.065；Cd為深度系數，查圖3，取為1.1；HS為有效波高，m；D′為船舶在波浪方向上的投影長度，m。

圖2 、圖3中：h為水深，m；Lwr為計算區域水深處的相對波長，在回旋水域位置船舶速度為0，Lwr可取為計算區域的絕對波長，m；D為船舶吃水深度，m。

圖2 水線面系數Cf取值Fig.2 Water plane coefficient Cf value

圖3 深度系數Cd取值Fig.3 Depth coefficient Cd value

由于26.6萬m3LNG船舶在滿載和壓載情況下的水線面系數相同，因此滿載和壓載情況受到的波浪力相同，計算得出約為25 t。

3.4 環境荷載作用下LNG船操縱所需拖輪總拖力

根據《Safety aspects affecting the berthing operations of tankers to oil and gas terminals》[8]對于拖輪配置進行了系統的介紹，由于在幾艘船舶同時作業時可能出現的拖拽力不平衡的情況，以及在計算拖輪力時的不精確性，建議增加一個拖輪拖力系數Sf，取值在1.2～1.5之間。由于實際可用的總拖輪力與克服自然條件所需有效總拖力之間的區別，推薦增加一個作業安全系數SO，取值在1.1～1.25之間，具體數值由拖纜長度、是否頂推、拖拽或者頂推的方向、涌浪情況以及水流速度綜合確定。

對于26.6萬m3LNG船舶，考慮環境荷載、拖輪拖力系數和作業安全系數后得出的拖輪配置計算結果如表2和表3所示。

表2 設計流速0.25 m/s、H4%波高1.2 m時26.6萬m3LNG船所需拖輪總拖力Table 2 Total towing force of 266 000 m3 LNG carrier at design current speed of 0.25 m/s and H4% wave height of 1.2 m

表3 設計流速為0.5 m/s、H4%波高1.2 m時26.6萬m3LNG船所需拖輪總拖力Table 3 Total towing force of 266 000 m3 LNG carrier at design current speed of 0.5 m/s and H4% wave height of 1.2 m

3.5 計算結果分析和拖輪配置方案

由風、波浪和水流作用下LNG船舶回旋作業所需拖輪總拖力計算結果表2和表3可以看出，26.6萬m3LNG船舶在回旋水域時承受的最大環境荷載中，風荷載和水流力荷載是主要影響因素，滿載所受到的環境荷載比壓載大，因此滿載情況為控制工況。

如果回旋水域作業設計風速13.8 m/s，流速0.25 m/s，H4%波高1.2 m，則所需最大拖輪總拖力約為265 t，可以考慮配置3艘4 000 kW（5 200 HP）全回旋拖輪（每艘拖力65 t）和1艘4 000 kW（5 200 HP）消拖兩用全回旋拖輪（每艘拖力65 t）。

如果回旋水域作業設計風速15 m/s，流速0.25 m/s，H4%波高1.2 m，則所需最大拖輪總拖力約為300 t，可以考慮配置3艘5 500 kW（6 800 HP）全回旋拖輪（每艘拖力75 t）和1艘5 500 kW（6 800 HP）消拖兩用全回旋拖輪（每艘拖力75 t）。

如果回旋水域作業設計風速15 m/s，流速0.5 m/s，H4%波高1.2 m，則所需最大拖輪總拖力約為418 t，需要配置5艘5 000 kW（6 000 HP）全回旋拖輪（每艘拖力70 t）和1艘5 000 kW（6 000 HP）消拖兩用全回旋拖輪（每艘拖力70 t），但是6艘拖輪數量已經是引航員所能指揮的最大數量，對于引航員的指揮能力和指揮系統的先進程度要求非常高，為保證操縱安全，不建議?？孔鳂I。

如果回旋水域作業設計風速10 m/s，流速0.5 m/s，H4%波高1.2 m，則所需最大拖輪總拖力約為229 t，可以考慮配置3艘4 000 kW（5 200 HP）全回旋拖輪（每艘拖力65 t）和1艘4 000 kW（5 200 HP）消拖兩用全回旋拖輪（每艘拖力65 t）。

4 風險評估

根據Carl A.Thoresen的《Port designer’s handbook》[9]，在靠離泊作業過程中，需要考慮拖輪失效的可能性。當拖輪失效時，靠泊作業應該能夠被剩余的拖輪繼續完成或者安全的中斷。

為了簡化和展示風險評估，可建議一個如圖4所示的關系矩陣，其中橫軸為可能性，縱軸為結果。

圖4 風險評估矩陣Fig.4 Risk assessment matrix

對于油氣船舶，船舶失去控制的可能性應該小于等于等級3。一般不接受2艘拖輪的配置，即使拖輪拖力已經足夠。因為如果一艘拖輪失效，船舶失去控制的可能性就非常大。

對于油氣船舶，在靠泊過程中船舶失去控制的后果是非常嚴重的。它不僅會損壞船舶本身，還會對其他船舶以及港口建筑物產生破壞。在實踐中，油氣船舶的操作結果應該保持在等級3或者更小。

圖4 中的風險評估矩陣給出了在作業過程中，一艘拖輪失效后，配置不同數量拖輪的情況下船舶失控的可能性與后果。由于對于事件發生可能性和后果嚴重性都需要控制在一定范圍內，因此圖4中淡灰色部分為可接受的風險范圍。

在計算拖輪拖力之前就需要進行風險評估[10]，而且最終確定的拖輪數量必須大于風險評估得出的拖輪數量。

5 結語

拖輪配置的合理性以及拖輪作業的安全性對整個港口運作至關重要，一般的配置計算需要考慮到多種因素的影響，包括港口總體布置、環境條件、被拖船的船型特性、拖輪操作方法、安全因素等。

本文使用國內外規范中給出的LNG船舶操縱的環境作業標準和常規的作業條件作為輸入條件，通過計算方法分析液化天然氣碼頭的拖輪配置方法，綜合考慮了環境條件、安全因素和風險評估等因素，針對不同的環境作業標準給出不同的拖輪配置方案，可供相關項目參考使用。