LNG船舶系泊力計算分析及系泊安全保障研究

黃華

摘 要：系泊狀態下，受不利氣象、海況等條件影響，液化天然氣（LNG）船舶一旦突發斷纜等安全事故，引發船舶失控、泄漏、火災、爆炸將對碼頭生產作業安全造成巨大影響，因此，全面保障LNG船舶的系泊作業安全是碼頭運營單位關注的重點。本文以LNG船舶系泊安全為研究內容，基于規范理論計算模型，探究自然條件因素對LNG船舶系泊纜繩受力的影響，進而提出LNG船舶系泊安全保障措施，為LNG船舶系泊作業安全提供指導。

關鍵詞：液化天然氣（LNG）船舶;理論計算;系泊安全;保障措施

中圖分類號：U698? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2022）01-0038-03

LNG船舶屬于特殊危險品船，在系泊狀態下，LNG船舶直接系靠碼頭，系纜作為LNG船與岸站終端的連接方式，對實現LNG在船舶與岸站之間的安全輸送有著至關重要的作用。在惡劣天氣狀況或突發意外情況下，LNG船舶一旦突發斷纜等安全事故，引發船舶失控、泄漏、火災、爆炸將對碼頭生產作業安全和人員安全造成巨大影響。首先，是發生事故船舶上的船員和設備將直接受到火焰和爆炸沖擊的傷害，其次，是事故現場周圍的碼頭作業人員和港口設備會遭受強烈的熱輻射危害，處于LNG池火、閃火影響區域內或接近池火范圍的人員都會因

火焰燃燒和熱輻射而遭受不同程度的傷害。因此，全面保障LNG船舶的系泊作業安全是碼頭運營單位關注的焦點，也是保證LNG“產、供、儲、銷”安全有序進行的重要環節。

本文以大型LNG運輸船系纜力計算和系泊安全保障為主要研究內容，聚焦LNG船舶生產作業關鍵環節，以天津南港中石化液化天然氣（LNG）接收站工程為例，采用基于《港口工程荷載規范》的理論計算模型，探究風、浪、流等自然條件對LNG船舶系泊纜繩受力的影響，確定LNG船舶系泊安全風力限制條件，并提出具有針對性的LNG船舶系泊安全保障方案，能夠為保障LNG船舶系泊作業安全提供一定指導。

1 LNG船舶系纜力計算方法

本文的計算參數選取主要從船舶和環境兩個方面考慮。不同設計尺度的船舶在不同的工況下的系纜力是不同的，船舶裝載狀態亦是影響船舶系纜力大小重要因素，因此，選取當前最大運營船型一艘26.6萬方LNG船為研究對象，載況為滿載、壓載。環境因素包括風、浪、流等設計工況條件會對LNG船舶系纜力計算產生顯著影響，因此在研究過程中需要進行綜合考慮。同時，本文的計算模型將基于《港口工程荷載規范》的相關要求進行建立。

1.1風荷載計算

根據《港口工程荷載規范》，風荷載計算公式為：

式中：Fxw、Fyw分別為作用在船舶上的風壓力的橫向和縱向分力;Axw、Ayw分別為船體水面以上橫向和縱向受風面積（m2）;Vx、Vy分別為設計風速的橫向和縱向分量（m/s）;ζ1為風壓不均勻折減系數，取0.6;ζ2為風壓高度變化修正系數，根據LNG船舶實際干舷高度取值1.54。

1.2流荷載計算

對于船體受水流力，根據《港口工程荷載規范》對于水流力的計算，可按下式進行計算：

1.2.1流壓角小于15°或大于165°時

水流作用在船舶上的計算流荷載的橫向分力分為兩部分，即水流力船首橫向分力和船尾橫向分力，按下式計算：

式中：Fxc為水流對船舶作用產生水流力的橫向分力;Fxsc、Fxmc分別為水流對船首橫向分力和船尾橫向分力，kN;Cxsc、Cxmc分別為水流對船首橫向分力系數和船尾橫向分力系數;V為水流速度，m/s;B’—船舶吃水線以下的橫向投影面積，m2;ρ為水的密度，t/m3，對海水為1025kg/m3。

水流縱向分力系數計算公式：

式中：Cyc為水流縱向分力系數;S為水線下面積。

船舶吃水線以下的表面積S可按下式確定：

S=1.7LD+CbLB

水流縱向分力系數可按下式確定：

式中：Re為水流對船舶作用的雷諾數;b為系數，根據規范取0.05;L為船舶吃水線長度;v為水的運動粘性系數，m2/s，在規范中利用插值法取1.19。

1.2.2流壓角為15°～165°時

作用在船舶上的計算風荷載的平行于碼頭前沿線的縱向分力和垂直于碼頭前沿線的橫向分力按下式計算：

式中：Axc和Ayc分別為相應裝載情況下的船舶水下部分平行和垂直水流方向的投影面積，m2。

水流橫向分力系數Cxc和縱向分力系數Cyc按下式計算：

式中：a1、a2、b1、b2為系數，可參照規范求取;為流向角。

1.3系纜力標準值計算

船舶碼頭系泊時在橫、縱向上受到的風、浪、流作用的合力計算為：

系纜力標準值可按規范中下式計算：

式中：N為系纜力標準值，kN;ΣFx為風和水流對船舶作用產生的橫向分力總和;ΣFy為風和水流對船舶作用產生的縱向分力總和;n為本工程碼頭使用的是快速脫鉤裝置，每個系一根纜繩;K為系船柱受力分布不均勻系數，一般取1.3;α為系船纜的水平投影與碼頭前沿線所成的夾角（規范取30°）;β為系船纜與水平面之間的夾角（規范取15°）。

2 工況條件設計

本文以天津南港中石化液化天然氣（LNG）接收站一期工程為例進行研究。該碼頭前沿線平行于陸域坡頂線，順流布置，方位角為90°～270°。LNG碼頭采用墩式蝶形布置，長402m，由1個工作平臺、4個靠船墩和6個系纜墩組成。

考慮到風、流來向和大小的不確定性，本文在研究過程中根據目標水域實際工況條件進行設定，其中：計算風向選取S（90度）、NE（45度）、ENE（22.5度）三個代表方向，風級大小選取7級（17.1m/s）、8級（20.7m/s）、9級（24.4m/s）、10級（28.4m/s）四個等級。計算流速選取數值模擬最大值0.23m/s。船舶纜繩材質為迪尼瑪，計算最大張力時采用不大于纜繩破斷力的50%（68.5噸）。以壓載狀態為例，系纜力計算如表1所示。

3 計算結果分析

對于26.6萬方LNG船，以單纜破斷強度的50%（68.5t）作為系泊力臨界值。其在滿載狀態下，當風力增大到10級時，單纜受力標準值均不超過系泊力臨界值;其在壓載狀態下，受風影響更為顯著，當風力增大到10級時，單纜受力標準值將超過系泊力臨界值，此時無法滿足船舶安全系泊要求。因此，26.6萬方LNG船系泊風力臨界條件為9級。

4 安全保障建議

4.1保證系纜數量充足

船舶泊穩條件需要根據環境條件、纜繩配備、絞車等多種因素確定，需要綜合考慮船舶和碼頭系纜的配合。由于在系泊期間，風、流影響存在不對稱性，導致船舶各部位系纜受力不一致，例如：在不考慮風的影響條件下，落潮時尾纜和前倒纜的受力會比首纜和尾倒纜受力大，反過來，漲潮時首纜和尾倒纜受力比尾纜和前倒纜大。代表船型系纜數量應按照要求配備纜繩，不論天氣、海況如何，船舶應在靠泊時應系足通常情況下可用的所有纜繩。

4.2確保系纜受力狀態良好

在系纜管理不到位的條件下，即使在風、流速度較小也可能會發生斷纜事故。因此，系纜在不同工況下的受力計算和試驗數據只能提供一個在系纜受力管理良好條件下的基本判斷，加強系纜和系泊的安全管理，保持系纜受力適度和各系纜受力基本均衡仍然是保障泊穩安全最重要的保證措施，并且這一措施應貫穿船舶接卸貨過程的始終。

4.3保證船舶和碼頭系泊設備的技術狀態良好

船舶系泊設備的技術狀態，特別是系纜的實際強度、有無磨損、銹蝕和老化等情況，絞纜機剎車制動力大小、剎車的可靠性等直接關系到船舶系泊安全與否。碼頭運營單位應注意核查靠泊本碼頭船舶系泊設備的技術條件，按要求進行保養和維護。

4.4維持船舶系泊狀態穩定

船舶運動包括縱移、橫移、升沉、首搖、縱搖、橫搖等運動，LNG船舶停靠碼頭期間系泊應處于穩定狀態，船舷貼靠碼頭，保證船舶沒有明顯的搖蕩運動，沒有縱移、橫移等運動。船舶在泊受涌浪影響運動明顯，威脅到系泊安全時，應停止作業，必要時調集離泊時所需的拖輪力量協助緊急離泊。

4.5合理安排碼頭值班人員

LNG船舶靠泊期間，本工程泊位安排有經驗的現場值班人員不少于2人，并安排一名值班班長。實測風力達到7級以上時，按大風天氣值班要求增配值班人員至3人。值班期間，分解崗位責任，并保持對靠泊船舶泊穩狀態的監控。

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