大型液化天然氣碼頭船舶系纜力的影響分析

陳祥 宓寶勇 李家華

摘 要：通過OPTIMOOR軟件建立大型液化天然氣碼頭船舶在港系泊模型，對風、浪、流要素單一和聯合作用下的船舶系纜力進行影響分析。研究結果表明：在規范規定的LNG船舶作業條件標準限制工況下，波浪對船舶系纜力的影響最大，風其次，流最小;受縱向作用顯著時，單側倒纜纜繩張力為控制;受橫向作用顯著時，橫纜或艏艉纜纜繩張力為控制;在港卸船時，船舶載重量變小，風、浪作用可能會引起更大的船舶系纜力，應關注滿載與壓載時系纜力的變化，必要時可通過調整系纜方案或纜繩預張力來均勻各纜繩受力，以達到較好的系泊效果。

關鍵詞：液化天然氣碼頭;系泊分析;系纜力;風浪流影響

中圖分類號：U656.1+39 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2021）07-0133-04

風、浪、流水文氣象要素對船舶系纜力的影響是液化天然氣碼頭（簡稱LNG碼頭，下同）系泊分析的主要內容之一，是確定LNG碼頭泊位長度、系纜墩布置、系泊條件和船舶系纜方式的研究重點和難點。《液化天然氣碼頭設計規范》[1]指出LNG碼頭平面布置應充分考慮風、浪、流和泥沙回淤等自然因素對船舶航行、靠泊、裝卸作業和系泊的影響，并給出了各作業階段允許風、浪、流的標準建議值。時恩哲等通過物理模型試驗，在不同泊位長度和帶纜方式下，針對LNG船進行了多種環境荷載作用下纜繩張力及船舶運動量的研究，以減小系泊船舶運動量和均化各纜力為優化目標，對開敞式碼頭泊位系靠泊狀態時的運動量和系纜力進行了分析[2]。楊興晏等對不同泊位長度下風浪流綜合作用的船舶系纜力進行了分析，認為短泊位纜繩受力更為均勻，系纜系統對抵御惡劣環境條件更為有利[3]。夏賢斌從大型船舶在系泊時受到風、流作用后發生斷纜險情的案例出發，分析斷纜原因，并提出增加纜繩和拖輪協助等預防斷纜的措施[4]。本文結合某沿海LNG碼頭工程案例[5]，應用國際通用系泊分析軟件OPTIMOOR，對風浪流水文氣象要素作用下的船舶系纜力進行影響分析，重點探討風、浪、流要素單一和聯合作用下船舶系纜力分布及優化系纜方式的對策，供不同水文氣象條件下類似LNG碼頭工程的設計及營運管理作參考。

1基礎資料

1.1船型資料

1.1.1船型主尺度

本工程LNG碼頭設計船型采用艙容為21.7萬m3LNG船（Q-Flex船），船型主尺度參數詳見表1。

1.1.2纜繩規格

21.7萬m3 LNG船纜繩包括主纜和尾索，纜繩規格參數詳見表2。

據OCIMF《Mooring Equipment Guidelines Fourth Edition》[6]規定：HMPE纜單根纜繩最大拉力不應超過纜繩強度的50%。據調研資料，21.7萬m3 LNG船，纜繩預張力可取10～20t，系泊纜繩數量為16～20根。

1.2碼頭平面布置方案簡述

本工程所在海域常浪向、強浪向均為SE向，全年波向主要集中在SE、ESE、SSE和S四個方向。為形成有效掩護水域，在新建島式防波堤內側布置LNG碼頭，見圖1（a）。LNG碼頭最大設計船型為21.7萬m3 LNG船，采用“一字形”布置，泊位長度340m，碼頭面高程11.8m，碼頭前沿設計水深14m，由1個工作平臺、4個靠船墩、6個系纜墩和聯系橋組成，碼頭結構采用高樁墩式結構，護舷采用SUC2250H一鼓一板標準反力型橡膠護舷，見圖1（b）。

2不同風浪流條件下船舶系纜力的影響分析

本文依據《液化天然氣碼頭設計規范》[1]第4.0.2條規定的LNG船舶作業條件標準，結合工程案例，應用OPTIMOOR軟件，對風、浪、流要素單一和聯合作用下船舶系纜力進行計算，在此基礎上，深入分析不同風、浪、流條件對LNG船舶系纜力的影響。

2.1單一風作用

2.1.1計算工況

規范規定，大型LNG船舶在港系泊時，允許風速≤20m/s。本計算工況取20m/s作為計算風速，選取與船舶夾角為0°、45°、90°（吹開風）、-90°（吹攏風）4種典型風向，計算單一風作用滿載、壓載工況下的船舶系纜力。

2.1.2計算結果

單一風作用，21.7萬m3 LNG船舶在港系泊時，典型風向工況下船舶系纜力計算結果見圖2。圖中考慮同組纜繩張力基本一致，同組纜繩均選擇單根大值給出（下同）;縱向風代表0°風向、斜向風代表45°風向、吹開風代表90°風向、吹攏風代表-90°風向。

由圖可知，單一風作用，在規范規定的允許極限風速情況下，船舶系纜力在壓載工況下整體較大，纜繩最大張力21.1t，為纜繩破斷力的15.4%，滿足系泊作業要求。

考慮工程中可能出現的突發陣風，進一步分析了風速至25m/s、30m/s時，較不利吹開風作用滿載、壓載工況下船舶系纜力的變化情況，船舶系纜力計算結果見圖3。

由圖可知，在25m/s吹開風壓載工況下，最大船舶系纜力30.4t，為纜繩破斷力的22.2%;在30m/s吹開風壓載工況下，最大船舶系纜力44.3t，為纜繩破斷力的32.3%。

2.1.3簡要分析及小結

（1）壓載和滿載比較，壓載時船舶受風面積大，在單一風作用下，纜繩張力更大;

（2）短泊位情況，橫向風作用下纜繩張力分布相對均勻，縱向風作用下單側倒纜纜繩張力顯著增加;

（3）壓載狀態下風速至25m/s、30m/s時，最大纜繩張力較20m/s風速時增加較顯著，在港系泊過程中應關注突發陣風的出現。

2.2單一浪作用

2.2.1計算工況

規范規定，大型LNG船舶在港系泊時，允許橫浪波高H4%≤1.5m、順浪波高H4%<2.0m，波浪平均周期T≤7s。結合本工程波浪觀測資料，計算工況選取重現期2年一遇條件下對應波浪平均周期6.9s，與船舶夾角為0°、45°、90°的3種典型波浪入射角，計算單一浪作用滿載、壓載工況下的船舶系纜力。

2.2.2計算結果

單一浪作用，21.7萬m3 LNG船舶在港系泊時，典型波向工況下船舶系纜力計算結果見圖4。圖中順浪代表0°波向、H4%=2.0m，斜向浪代表45°波向、H4%=1.5m，橫浪代表90°波向、H4%=1.5m。

由圖可知，單一浪作用下，在規范規定的允許極限波高情況下，船舶系纜力在橫浪壓載工況下整體較大，纜繩最大張力67.5t，為纜繩破斷力的49.3%，滿足系泊作業要求，但已基本接近容許纜繩張力值。

2.2.3簡要分析及小結

（1）橫浪作用下，艏纜、艉纜及橫纜張力較大，倒纜張力較小;順浪、斜向浪作用下，各系泊纜繩張力相對均勻;順浪情況下，單側倒纜纜繩張力為控制。

（2）橫浪作用下，船舶壓載工況纜繩張力更大;順浪、斜向浪作用下，船舶滿載和壓載工況纜繩張力差別不明顯;因此，橫浪作用時，應關注在港卸船過程中，載重量變化對船舶系纜力的影響。

（3）纜繩張力隨浪向變化影響較顯著，橫浪作用下最大纜繩張力約為順浪作用下的2～3倍，因此在確定碼頭前沿線時，應盡量減小與浪的夾角，避免出現橫浪。

2.3單一流作用

2.3.1計算工況

規范規定，大型LNG船舶在港系泊時，允許橫流≤1.0m/s、順流<2.0m/s。本計算工況選取與船舶夾角為0°、45°、90°的3種典型潮流方向，計算單一流作用滿載、壓載工況下的船舶系纜力。

2.3.2計算結果

單一流作用，21.7萬m3LNG船舶在港系泊時，典型流向工況下船舶系纜力計算結果見圖5。圖中順流代表流向0°、流速2.0m/s，斜向流代表流向45°、流速1.0m/s，橫流代表流向90°、流速1.0m/s。

從圖可知，單一流作用下，在規范規定的允許極限流速情況下，船舶系纜力在橫流滿載工況下整體較大，纜繩最大張力18.8t，為纜繩破斷力的13.7%，滿足作業要求。

2.3.3簡要分析及小結

（1）滿載和壓載比較，滿載時船舶吃水大，在單一流作用下，纜繩張力更大;

（2）橫流作用下，船舶受水流力較順流作用下大，船舶系纜力整體較順流作用下大;

（3）在規范規定的允許流速范圍內，考慮到LNG船吃水相對較小，扣除纜繩預張力后，潮流對系泊船舶纜繩張力影響相對小。

2.4風浪流聯合作用

2.4.1計算工況

本工程布置反L型島式防波堤，港內波浪受繞射影響，LNG碼頭處波向為S向，船舶主要受斜向浪作用，允許波高H4%取1.5m;碼頭前沿停泊水域漲落潮流方向與防波堤軸線方向一致，與碼頭前沿線一致，為順流，流速0.34m/s;風速選取規范規定的允許風速20m/s，考慮全風向。

在以上風浪流聯合作用下，計算滿載、壓載工況下的船舶系纜力。

2.4.2計算結果

在“風+斜向浪+順流”聯合作用下，21.7萬m3 LNG船舶在港系泊時，船舶系纜力計算結果見圖6。

由圖可知，本工程在“風+斜向浪+順流”聯合作用下，船舶系纜力在壓載工況下整體較大，纜繩最大張力41.8t，為纜繩破斷力的30.5%，滿足系泊作業要求。各類型纜繩張力與纜繩破斷力比值在21.8%～30.5%之間，各纜繩受力整體較均勻。

2.4.3簡要分析及小結

（1）通過對比漲落潮流下纜繩張力，發現各纜繩張力變化較小，說明流引起的纜繩張力相對小，與單一流作用下分析結論一致;考慮到本工程流為順流，艏倒纜、艉倒纜纜繩張力變化相對大，艏纜、艉纜、橫纜纜繩張力變化相對小。

（2）通過對比船舶滿載、壓載下纜繩張力，壓載工況下略大，主要原因在于壓載時船舶受風面積增加，風荷載增大引起的纜繩張力增加。

（3）本工程泊位長度取1.08倍船長，計算結果揭示該平面布置下各纜繩受力均勻，整體受力效果好，與楊興晏[3]、蔡長泗[7]、高峰[8]等人研究表明短泊位下纜繩受力分布更加均勻、系泊效果好結論一致。

3結論

本文基于某沿海LNG碼頭船舶在港系泊模型，對在風、浪、流要素單一和聯合作用下的船舶系纜力進行影響分析，得出以下幾點結論，可供類似LNG碼頭工程設計及營運管理作參考。

（1）在規范規定的LNG船舶作業條件標準限制工況下，波浪對LNG船舶系纜力的影響最大，風其次，流最小。因此，在開展LNG碼頭設計時，碼頭前沿線宜與風浪流方向一致，主要矛盾為浪。

（2）在短泊位情況下，船舶受縱向作用顯著時，一般為單側倒纜纜繩張力為控制;受橫向作用顯著時，一般為橫纜及艏纜、艉纜纜繩張力為控制。在碼頭運營過程中，可結合船舶在港時風浪流條件，調整系纜方案，加強主導受力方向的系泊纜繩。

（3）模型試驗計算中，一般壓載情況下風、浪會引起更大的船舶纜繩張力，因此，在港系泊過程中應關注船舶載重量變化對船舶系纜力的影響，必要時可通過調整系纜方案或纜繩預張力來均勻各纜繩受力，以達到較好的系泊效果。

參考文獻：

[1] JTS 165-5-2016，液化天然氣碼頭設計規范[S].

[2] 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.

[3] 楊興晏，劉進生.大型液化天然氣碼頭的系纜力分析[J].港工技術，2009，46（3）：5-7.

[4] 夏賢斌.大型船舶安全系泊斷纜原因分析與預防[J].中國水運，2016，16（10）：53-55.

[5] 某沿海液化天然氣接收站項目配套碼頭工程可行性研究報告[R].廣州：中交第四航務工程勘察設計院有限公司，2019.

[6] Mooring Equipment Guidelines （MEG4）[M].Fourth Edition.OCIMF，2018.

[7] 蔡長泗.開敞水域蝶形碼頭泊位的長度[J].中國港灣建設，2007，（5）：36-37.

[8] 高峰，王煒正，李焱.大型LNG船舶在風浪流共同作用下的系泊試驗研究[J].水道港口，2013，34（5）：398-402.