大型開敞式油氣碼頭系纜墩布置研究

張云峰 孔令臣 王琦

摘要：隨著我國經濟的持續發展，對原油及LNG的需求將不斷增加，大型開敞式油碼頭及LNG碼頭的建設也將迎來更加廣闊的市場。系纜墩布置是大型開敞式油氣碼頭設計的重點和難點，本文基于前輩們的相關經驗，總結出了針對大型開敞式油碼頭及LNG碼頭系纜墩布置的一些基本規律，同時分別提出了一個較有代表性的可供進行模型試驗的初始布置方案，以供參考。

關鍵詞：開敞式、液體散貨碼頭、油碼頭、LNG碼頭、系纜墩、布置

中圖分類號：U65文獻標識碼：A文章編號：1006—7973（2022）05-0090-04

系纜墩布置是大型開敞式油碼頭及LNG碼頭設計的重點和難點。合理的系纜墩布置，可以在不增加工程投資的前提下，有效提高船舶系纜安全性，改善裝卸作業條件。

目前，雖然大型開敞式油碼頭及LNG碼頭的系纜墩布置還需主要依賴模型試驗進行最終確定，但通過對其中一些基本規律的總結和提煉，可以幫助設計人員快速發現問題，降低試錯次數，更加高效地完成碼頭設計。本文依據若干前輩們的經驗，總結出了針對大型開敞式油碼頭及LNG碼頭系纜墩布置的一些基本規律，同時分別提出了一個較有代表性的可供進行模型試驗的初始布置方案，以供后人參考。

1國內外規范建議及基本規律分析

1.1國內外規范建議的系纜墩布置

指導開敞式油碼頭及LNG碼頭系纜墩布置的常用規范有《海港總體設計規范》（JTS165-2013）、BS6349及OCIMF等。對比其中規定如下。

1.2艏艉纜墩布置基本規律分析

對比上表可以看出，國內外規范對于倒纜和橫纜的功能定位和要求均是一致的;即倒纜主要承擔縱向力，故希望它盡量平行于碼頭前沿線;橫纜主要承擔橫向力，故希望它盡量垂直于碼頭前沿線。國內外規范的主要區別在于對艏艉纜的功能定位和要求上。BS6349及OCIMF對艏艉纜的功能定位與橫纜基本相當，認為它應盡量垂直于碼頭前沿線去承擔橫向力。而《海港總體設計規范》對艏艉纜的考量更加全面些，它認為艏艉纜的功能應該與系泊環境相適應，若橫向力為主導，則應取較大的系纜水平角，使其更多去分擔橫向力;反之則應減小其系纜水平角，使其更多去分擔縱向力。

從平面布置角度，可以通過調整艏艉纜墩間距（除特殊說明，本文所指墩間距均為中心距，下同）和前后平移艏艉纜墩兩種方法來改變艏艉纜的系纜水平角。由此，可以得到進行大型開敞式油氣碼頭艏艉纜墩布置的一個重要規律，即艏艉纜墩的布置主要應根據系泊環境決定，橫向力為主導時更宜采取一字型短泊位布置，以增大艏艉纜的系纜水平角，使艏艉纜可以幫助橫纜分擔較大的橫向力，使整個系泊系統纜力分布更加均衡。反之，縱向力為主導時宜采取蝶形布置或適當增大艏艉纜墩間距，以減小艏艉纜的系纜水平角使其更多地分擔縱向力。

至于何種風浪流環境會使得橫向力或縱向力成為主導，對于油船和LNG船有所不同，對此將在下文分別具體分析。

1.3橫纜墩布置基本原則分析

大型開敞式油氣碼頭通常需布置內外兩組橫纜墩。對于橫纜墩的布置，主要需確定布置間距及較碼頭前沿線的后移距離兩個問題。對于布置間距，其需要循序如下的基本原則。

（1）遵守《海港總體設計規范》、BS6349及OCIMF的建議，橫纜的系纜水平角宜為75°～105°。

（2）當需向下兼顧較小噸級船舶靠泊時，需要以外橫纜墩作為艏艉纜墩，此時橫纜墩的布置應滿足上述分析的艏艉纜墩的功能定位和要求。

而對于橫纜墩較碼頭前沿線的后移距離，通過吳澎等人進行過的模型試驗可以得到如下結論。當橫纜長度在35～65m范圍內時，增加纜繩長度可以減少整個靠泊系統的剛度，從而降低橫纜纜力，但卻會使得船體的運動量進一步增加;反之亦然。吳澎等人建議，考慮波浪作用下船體對纜繩的沖擊作用，宜使纜繩張力不超過破斷力的40%[1]。考慮到對于系纜墩布置的評判，需由纜繩受力和船舶運動量兩個指標均滿足規范要求共同決定。因此可得到決定橫纜墩較碼頭前沿線后移距離的基本規律，即應在船舶運動量滿足規范要求的前提下，盡量后移橫纜墩。

在明確上述規律的前提下，對大型開敞式油碼頭及LNG碼頭的系纜墩布置，分別研究如下。

2大型開敞式油碼頭系纜墩布置研究

2.1系泊環境分析及艏艉纜墩布置

如前所述，進行大型開敞式油碼頭系纜墩布置的重要工作之一，便是根據系泊環境確定橫向力和縱向力的主導情況。通常情況下，船舶系泊于開敞式碼頭時的橫風、橫浪和橫流對船舶的作用力是順風、順浪、順流時的幾倍甚至十幾倍。所以絕大多數情況下，大型開敞式油碼頭靠泊的船舶均處在橫向力主導的情況下。但當滿載工況下船舶受到較高流速的小角度開流作用時，此時船舶將可能會處在縱向力主導情況下。

林尚飛等人利用模型試驗分析了30萬噸級油船在2.0m波高，6s周期的橫浪作用下，從無流、到1.45m/s 的6°開流，再到1.7m/s的6°開流三種情況下的受力變化。發現在1.7m/s+6°開流情況下，縱向力的作用程度已基本超過了橫向力，成為了主導作用[2]。張宏等人利用模型試驗對30萬噸級油船進行了相似的試驗，發現對滿載工況，當0°頂流流速大于1.5m/s時，產生的縱向力將十分可觀，接近1萬kN[3]。從上述試驗可得，在滿載工況下，若存在流速大于1.0m/s的0°流或大于1.5m/s的小角度開流，則應考慮艏艉纜墩采取蝶形布置或適當增大艏艉纜墩間距;反之，則為典型的橫向力主導情況，采用短泊位一字型布置更加適宜。

此外，張宏等人利用物模試驗，還分析了設計高水位壓載+1.5m9s橫浪+0.91m/s10°開流+22m/s開風工況下艏艉纜墩間距在1.1倍、1.2倍及1.3倍船長3種布置方案下30萬噸級油船的系纜情況。結果表明艏艉纜墩間距在1.2倍船長時纜力最均勻，船體運動量也最小[3]。這是因為，1.1倍船長方案因艏艉纜水平夾角較大，艏艉纜承擔了更多的橫向約束作用，加上本身還要分擔一定縱向力，因此造成了艏艉纜纜力過大的情況;反之，1.3倍船長方案中艏艉纜水平夾角較小，使得艏艉纜承擔的橫向約束作用較小，因此造成了橫纜纜力過大的情況。

該試驗工況是一個非常有代表性的工況組合，考慮到作業條件的限制及合理布置碼頭軸線的作用，很多大型開敞式油碼頭都處于相似的工況中，所以該試驗結果也有一定的廣泛適用性。

綜上所述，可以明確大型開敞式油碼頭艏艉纜墩布置的基本規律如下。若沒有大于1.0m/s的0°流或1.5m/s的小角度開流存在，大型開敞式油碼頭宜采用短泊位一字型布置，艏艉纜墩的間距以1.2倍船長為宜。若存在上述情況，應調整為蝶形布置或適當增加泊位長度。

2.2橫纜墩布置

如前所述的橫纜墩布置基本原則，橫纜墩布置主要需分析設計船型的橫纜出纜點位置、兼靠船型尺度及船舶纜力與運動量的平衡關系，通過總結工程經驗，有如下建議。

（1）橫纜墩前沿線較碼頭前沿線后移距離建議首先取為50m。若模型試驗反饋需進一步約束船體運動量，則宜以5m作為基準逐漸前移嘗試。

（2）外側橫纜墩的間距建議取為318m左右。一方面，對VLCC 318m的墩間距可將外側橫纜的系纜水平角控制在105°，另一方面，318m是15萬噸級/8萬噸級油船總長的1.16倍/1.31倍，基本滿足作為艏艉纜兼靠8～15萬噸級油船的需求。

（3）內側橫纜墩的間距建議取為220m左右。對VLCC 220m的墩間距基本可使內側橫纜水平角為75°，且220m是3萬噸級油船總長的1.19倍，基本滿足作為艏艉纜兼靠3萬噸級油船的需求。

2.3倒纜墩布置

根據工程經驗，大型開敞式油碼頭大多以主靠船墩兼做倒纜墩。主靠船墩布置以壓載工況下至少有2個靠船墩可與船體平直段完全接觸為原則，對靠泊VLCC的大型開敞式油碼頭可取為110m～120m。對大型開敞式油碼頭靠船墩的布置，可詳見相關學術文獻，在此不再贅述。

3大型開敞式LNG碼頭系纜墩布置研究

區別于油船，因LNG船自重較輕，干舷較高，其對橫向力非常敏感，靠泊系纜時幾乎不會出現以縱向力為主導的情況。國內某LNG項目的試驗資料表明，即便在縱向最不利荷載（0°2.32m/s頂流、30°20m/s風，1.5m波高8s周期波浪）作用下，系泊船舶的橫移量通常比縱移量還要大[4]。因此，目前的研究成果和工程實踐都更傾向于LNG碼頭采取短泊位一字型布置。

沈文君等人通過數模實驗分析了單獨0.8m波高、6～36s周期橫浪作用下的艏艉纜墩間距在370m、390m、410m、430m四個方案的26.6萬m3LNG船的船體運動量和纜力，最后建議LNG碼頭艏艉纜墩間距在370m～390m之間布置是較為適宜的[5]。蔡長泗通過物模實驗分析了1.5m橫浪、20m/s開風加0.5m/s頂流作用下不同泊位長度方案的26.6萬m3 LNG船運動量和纜力，最終推薦開敞式LNG碼頭的泊位長度為1.1倍設計船長（折算艏艉纜墩間距約370m）[4]。考慮到艙容14.7萬～17.5萬m3LNG船是LNG運輸的絕對主力船型[6]，耿寶磊等人以17.2萬m3LNG船為試驗對象，分析了多種風浪流組合作用工況，同樣建議LNG碼頭艏艉纜墩間距在370m～390m之間選取[7]。

綜合上述分析，可以總結大型開敞式LNG碼頭艏艉纜墩布置的基本規律如下。宜采用短泊位一字型布置，艏艉纜墩間距宜在370m～390m之間選取，若靠泊工況存在較大順（頂）流或模型試驗出現艏艉纜力過大、倒纜力過大、船舶縱向運動量過大等情況應取大值，否則取小值。

對LNG碼頭，其橫纜墩布置同樣應遵循如前所述的基本原則。通過調研諸多近年來已建成的大型開敞式LNG碼頭，發現大多數碼頭的艏艉纜墩及內外橫纜墩均為等間距布置。據此，在缺乏詳細LNG船出纜點位置資料的情況下，也可考慮采用等間距原則布置內外橫纜墩，再根據模型試驗反饋結果進行調整。據此，當LNG碼頭艏艉纜墩間距為370m時，其橫纜墩間距為295m，220m;為390m時，其橫纜墩間距為305m，220m。

與油碼頭相同，大型開敞式LNG碼頭同樣大多以主靠船墩兼做倒纜墩，對靠泊10萬噸級及以上LNG船的大型開敞式LNG碼頭，其主靠船墩間距可取為116m左右[8]。對此可詳見相關學術文獻，在此不再贅述。

4結論

通過上述分析，本文得到如下結論可供今后進行大型開敞式油氣碼頭設計時參考，或作為初始的模型試驗計算模型使用。

（1）對大型開敞式油氣碼頭，其艏艉纜墩的布置主要由系泊環境決定，橫向力為主導時更宜采取一字型短泊位布置，以增大艏艉纜的系纜水平角，使艏艉纜可以幫助橫纜分擔較大的橫向力，使整個系泊系統纜力分布更加均衡。反之，縱向力為主導時宜采取蝶形布置或適當增大艏艉纜墩間距，以減小艏艉纜的系纜水平角使其更多地分擔縱向力。

（2）對大型開敞式油氣碼頭，其橫纜墩的布置應遵循三項基本原則，即：①使得橫纜的系纜水平角位于規范建議的范圍內;②滿足向下兼顧較小噸級船舶靠泊時作為艏艉纜墩的需求;③使得船舶橫纜力與船體運動量均能滿足規范要求并盡量減小船舶橫纜力。

（3）增加橫纜的纜繩長度可以減少整個靠泊系統的剛度，從而降低橫纜纜力，但卻會使得船體的運動量進一步增加;反之亦然。對大型開敞式油氣碼頭，其橫纜墩前沿線較碼頭前沿線后移距離建議首先取為50m。若模型試驗反饋需進一步約束船體運動量，則宜以5m作為基準逐漸前移嘗試。

（4）對大型開敞式油碼頭，滿載工況下，若存在流速大于1.0m/s的0°流或1.5m/s的小角度開流，則應考慮艏艉纜墩采取蝶形布置或適當增大艏艉纜墩間距;反之，則為典型的橫向力主導情況，采用短泊位一字型布置更加適宜。

（5）一般情況下，大型開敞式油碼頭，艏艉纜墩的間距以1.2倍船長為宜。橫纜墩的間距建議取為外側318m左右，內側220m左右。在此基礎上可根據模型試驗反饋結果進一步調整。

（6）大型開敞式LNG碼頭普遍適宜短泊位一字型布置。艏艉纜墩間距宜在370m～390m之間選取，若靠泊工況存在較大順（頂）流或模型試驗出現艏艉纜力過大、倒纜力過大、船舶縱向運動量過大等情況應取大值，否則取小值。可考慮采用等間距原則布置LNG碼頭內外橫纜墩，當LNG碼頭艏艉纜墩間距為370m時，其橫纜墩間距為295m，220m;為390m時，其橫纜墩間距為305m，220m。

（7）大型開敞式油氣碼頭大多以主靠船墩兼做倒纜墩，對靠泊VLCC的大型開敞式油碼頭主靠船墩間距可取為110～120m，對靠泊10萬噸級及以上LNG船的大型開敞式LNG碼頭主靠船墩間距可取為116m。

參考文獻：

[1]吳澎，姜俊杰，張廷輝等.開敞式蝶形碼頭墩位平面布置的優化研究[J]J.水運工程，2009（1）：175-182.

[2]林尚飛，陳國平，嚴士常等.開敞式油品碼頭平面布置優化研究[A].第十六屆中國海洋（岸）工程學術討論論文集[C].中國海洋工程學會，2013.08，581-591.

[3]張宏，沈秋安，楊越.30萬噸級開敞式原油碼頭系泊要素分析[J].港工技術，2019（6）：7-10，141.

[4]蔡長泗.蝶形短泊位系泊效果[J].水運工程，2009（4）：80-82.

[5]沈文君，高峰，譚忠華.LNG船泊位長度優化分析[J].船海工程，2016（3）：177-179，184.

[6]董炎赫，馬林，楊學斌.開敞式液化天然氣泊位平面布置優化[J].中國港灣建設，2020（12）：29-34.

[7]耿寶磊，李偉遷，李焱等.不同泊位長度對LNG船系泊的影響[J].水運工程，2019（6）：39-45.

[8]朱忠余，靳如剛，高峰.浙江LNG碼頭總平面布置試驗研究[J].水運工程，2013（10）：102-106.