LNG浮式轉接駁并聯系泊裝置設計

韓宇，楊靜，李萌，吳昊，周毅，張海濤

(中海油能源發展股份有限公司 采油服務分公司，天津 300452)

合理選取LNG碼頭位置對整個LNG產業鏈的有重要的影響。根據《關于全國沿海與長江干線液化天然氣接收站碼頭布局發展的意見(2035)》規劃在全國沿海新增布局了多處港址。需對應開展碼頭選址分析，部分站址通過充分的可行性論證可以實現傳統LNG接收站模式的布局。但也存在部分站址通過論證后，不具備布局傳統的碼頭接駁設施條件。為此，提出一種使用LNG浮式轉接駁代替LNG碼頭的設想。為了保證轉接駁與LNG運輸船在外輸作業過程中的相對穩定性，分析LNG浮式轉接駁的系泊方式，提出一種適用于LNG浮式轉接駁的并聯系泊裝置。

在世界港口主要應用的產品有Cavotec公司的MoorMaster系列智能系泊裝置、Mampaey公司研發的串聯機械臂式Ship-Side及并聯式Shore-Side系泊裝置。

常見產品及特點見表1。

表1 常見自動系泊產品及特點

意大利Cavotec公司開發的MoorMaster系列是一種基于真空的自動系泊裝置,見圖1，可以做到遠程控制減少了碼頭對大型昂貴基礎設施的依賴。

圖1 MoorMaster系泊裝置

荷蘭的Mampaey公司研發了兩種以不同結構為主體的磁力系泊系統，分別用于船側系泊和岸側系泊。船側磁力系泊系統見圖2，主要應用在船側系泊船舶(ship-to-ship)。

圖2 船側磁力系泊系統

1 應用場景

見圖3，通常LNG船舶的貨物是通過碼頭棧橋靠泊的形式，通過卸料臂傳輸給岸上終端。工程量大，造價高，通常LNG碼頭需要疏浚與建設，成本高。此外，LNG碼頭終端的政府審批流程長，工期影響較大。

圖3 棧橋靠泊傳輸LNG示意

鑒于傳統LNG碼頭傳輸的弊端，使用浮式LNG轉接駁平臺代替岸站碼頭進行LNG傳輸，LNG轉接駁平臺的設計簡單，浮體性能較好，便于與LNG船靠泊，也便于拖輪頂推，有較好的穩性和耐波性，當LNG運輸船離開后，LNG轉接駁平臺采用浮筒進行系泊。平臺電力等能源供給由岸上配置，平臺本身簡化配置，岸端遙控操作。該平臺適用水深大于等于5 m，LNG貨物傳輸速率約為500～12 000 m/h。

LNG船定期到LNG接收站附近海域，用首錨和浮筒進行系泊停靠，浮式LNG轉接駁平臺通過拖輪頂推靠泊在LNG船旁。平臺一端通過低溫跨接軟管連接LNG船舶，一端通過低溫漂浮軟管連至岸上進行LNG傳輸。轉接駁平臺與LNG系泊作業示意于圖4。

圖4 轉接駁平臺系泊作業示意

作業時，LNG轉接駁通過真空式自動系泊裝置與LNG船連接，確保在作業條件下不會斷開。隨著LNG外輸的進行，LNG運輸船的船舶浮態會隨之發生變化，此時吸附裝置可以主動調整位置加以適應。

轉接駁平臺的尺寸為總長16 m，型寬為8 m，吃水1.1 m，型深2.0 m，LNG運輸船選取3萬m船型作為設計對象。通過AQWA軟件進行水動力分析可以得到LNG船舶與LNG浮式轉接駁平臺的運動響應幅值見表2。

表2 LNG船舶與LNG浮式轉接駁運動響應幅值統計

由表2可知：LNG船舶與LNG浮式轉接駁平臺之間的運動幅值為縱蕩0.2 m，橫蕩0.8 m，艏搖1.6°，系泊纜繩受力見表3。

表3 纜繩系泊受力 kN

以纜繩受力估算系泊裝置吸附所需的吸附力，系泊裝置需要滿足表2和表3所需的吸附力和運動幅值。

2 并聯式自動系泊裝置特點

2.1 系泊裝置機構

該系泊裝置可滿足船舶6自由度運動下的快速、穩定系泊要求。見圖5，4個系泊裝置分2組布置于浮式LNG轉接駁平臺與LNG船靠泊的一側起到系泊連接作用。

圖5 2組系泊裝置示意

單個系泊裝置采用6-UCU的并聯機構，機構簡圖見圖6，具體包括上平臺、下平臺和6個UCU分支。分支由圓柱副構成的油缸和2個虎克鉸組成，其中油缸的移動副作為驅動副，2個虎克鉸固定在油缸的兩端，該并聯機構具有空間6個自由度，可滿足船舶六維運動需求。機構上平臺設置真空吸附裝置實現與LNG船舶的連接，下平臺與浮式LNG轉接駁平臺連接LNG船舶。

圖6 系泊單元機構原理

2.2 系泊裝置液壓控制系統

為了使裝置適應系泊工作需求采用液壓驅動方式，液壓分支選用帶有位置反饋功能的伺服液壓缸。液壓系統主要由液壓泵，液壓缸，比例控制閥等元件組成。液壓控制系統主要分為主動運動和被動運動兩個過程，主動運動過程主要是在船舶靠近轉接駁，液壓分支主動伸長使真空吸盤與船體接觸；被動運動過程主要是在系泊裝置與船舶接觸后，由于船體的質量較大，系泊裝置跟隨船體的運動做被動運動，液壓分支的阻尼力可以對船舶的運動起減搖作用。

系泊裝置簡易模型見圖7，液壓系統包括液壓分支、以及液壓管及控制箱內的液壓控制系統；真空吸盤邊緣還帶有激光測距儀中的激光傳感器，利用激光傳感器來判斷真空吸盤是否與船體接觸，若真空吸盤與船體接觸則液壓桿停止伸縮。基座轉盤的作用是可以將并聯系泊裝置旋轉90°，方便工人維修。

圖7 系泊裝置簡易模型

由于在海洋岸邊作業，需要考慮整個液壓系統具有防腐防銹的能力，因此密封系統、活塞桿的表面處理及產品的防護對液壓系統正常作業至關重要。

液壓缸受力示意于圖8。可以看出，由于油缸在作推力和拉力時的受壓面積不同，所產生的力也是不同，液壓缸的推力為

圖8 液壓缸受力示意

=×(2)×

(1)

液壓缸的拉力為

=×[(2)-(2)]×

(2)

式中：為油缸內徑；為活塞桿直徑；β為負荷率；在實際應用中，因為油缸所產生的力不會100%用于推力或拉力，常選0.8。

2.3 系泊裝置真空吸附系統

采用真空式的吸附系統實現對船舶的快速吸附，真空吸附系統包括真空發生器、真空吸盤、真空度傳感器以及管道等元件。通過真空發生器使真空吸盤達到負壓從而實現對船舶的吸附，當真空度達到一定值時，真空度傳感器觸發真空發生器的開關信號。控制箱內包含液壓系統和真空發生器，操作顯示器主要是方便操作人員來控制自動系泊裝置的系泊和離泊，見圖9。

圖9 系泊裝置簡易模型

真空發生器和吸盤的管道越粗越短，真空解除時間就越短。為了提高碼頭的運轉效率，對于自動系泊裝置系泊來說需要縮短真空吸盤解除和產生吸附力的時間。

對于固定的吸盤容積，其內真空達到所需值的時間和解除真空的時間之和，稱為切換周期，其倒數稱為吸盤的切換頻率。該頻率值反映吸盤動作的快慢程度，在實際工作中，需要滿足機器的整個工作循環時間對該技術指標的要求。真空形成時間受2個因素影響：①真空源本身的抽吸能力；②管道對氣流的阻礙作用。

(3)

式中：為真空系統的容積，L；為泵的平均抽吸流量，L/s；為大氣壓強，100 kPa；為終止壓強。

真空吸盤的優點是性能穩定、結構堅固且節能環保，但吸盤遇到生銹或弧面的船體上吸附效果會有所下降。因此采用此類吸盤需定期檢查或使用真空泵來維持吸盤的壓強差，確保吸附力。此外，為了更好地適應多船型不同系泊接觸面的需求，在吸盤連接處增設緩沖連接器，通過對緩沖連接器的控制來調節吸盤的剛度和夾持耦合面，提高真空吸盤的穩定性。

3 并聯式自動系泊裝置技術參數

3.1 液壓系統技術參數

方案中的單個液壓缸最大推力70 kN，液壓缸徑63 mm，桿徑36 mm，單個液壓缸的行程初定為1 m，液壓缸的詳細參數見表4。

表4 液壓缸參數初選

由式(1)、(2)可知：主動拉力最大為50 kN，對于6-UCU并聯機構，最大推力300 kN、最大拉力240 kN滿足表3的拉力需求，可帶有線性位移傳感器，行程為1 m滿足表2的船舶在海面上的允許運動量；此液壓缸應制作具有防腐蝕、防水、防塵及防潮能力的伸縮桿，滿足系泊裝置的工況要求。

3.2 真空吸附系統技術參數

系泊裝置模型的真空吸附系統包括真空發生裝置、真空管線、真空吸盤以及真空度傳感器等。選用真空泵式吸附系統，例如，選用普旭品牌的真空泵，其最大壓差可以達到約100 kPa，其真空泵部分參數見表5。

表5 真空泵的參數初選

初定真空吸盤的尺寸為長1.4 m、寬1 m、厚度0.1 m，若選用的真空泵的流量為160 m/h，考慮真空泵在正常工作時壓差為80 kPa，終止壓強為21 kPa。由式(3)可知，形成80 kPa壓差大約需要5 s，此時真空吸盤的吸附力可以達到110 kN，滿足船舶的系泊減搖要求。

4 基本操作流程

LNG船舶錨泊后，浮式LNG轉接駁平臺放下靠球并主動向LNG船移動；當轉接駁平臺靠到LNG船后，4個系泊裝置通過其上設置的激光測距傳感器檢測其與LNG船間距離是否滿足吸附距離、角度要求；符合作業條件則通過液壓控制系統驅動液壓桿件將真空吸盤與船舶接觸，在其吸附裝置與LNG船體接觸后啟動真空發生器，實現浮式LNG轉接駁平臺與LNG船舶的連接。單個系泊裝置大約5 s可達到110 kN的吸附力，4個系泊裝置合力不小于400 kN。真空吸盤內有真空度傳感器，若真空度下降到一定值時啟動真空泵維持真空吸盤的吸附力。由于此并聯系泊裝置具有6個自由度，系泊過程中可適應船舶的艏搖和橫搖等運動。基本的系泊操作流程見圖10，包括對接、減搖、復位3個過程。

圖10 系泊基本操作原理及流程

為了適應LNG船在卸載過程中的上升運動，系泊裝置初始狀態的吸附點調節見圖11，2組系泊裝置對稱分布，見圖11。

圖11 初始系泊裝置吸附點分布

降低真空吸附時轉接駁平臺對LNG船造成的傾斜力矩，初始的吸附點之間的高度差為0.5 m。在卸載貨物時由于船體會沿垂向上升，受系泊裝置液壓缸行程限制，此時應該調整處于外側的系泊裝置，使處于上方的吸附裝置移動到下方新的位置進行吸附(見圖12)，隨著船體的進一步上升，處于中間對稱分布的2個系泊裝置吸附裝置也進行調整，如此反復以適應LNG船在垂向因卸載帶來的上升運動，確保可靠吸附。

圖12 卸貨作業時系泊裝置吸附點分布

5 系泊裝置主要參數

對于并聯機構，采用逐層搜索法，各個分支桿長的行程為1 m，各個U副轉角限制為40°，得到上平臺即真空吸盤的可達工作空間見圖13。

圖13 并聯機構的工作空間

從圖13可見其橫蕩、縱蕩方向上的運動可以達到1.5 m，在垂蕩方向上的運動可以達到1.0 m，滿足表4的LNG船舶與轉接駁平臺之間的運動需求。

并聯系泊裝置的尺寸及其關鍵參數見表6。

表6 單個并聯系泊裝置關鍵參數

6 結論

采用并聯式自動系泊裝置用于LNG浮式轉接駁與LNG運輸船之間的動態系泊，該方案實現了在將LNG浮式轉接駁穩固系泊于船側的同時使其可隨著兩船間干舷落差的變化自動調整吸附位置，可以保證LNG傳輸過程的穩定。在遇到緊急情況時，可以在很短的時間內斷開與船舶間的連接，極大地提高了安全和操作效率。

在后續研究中，將對國內常見的大型LNG運輸船進行建模分析并進行適配，使其具有更加廣泛的適用性。