長江中游LNG 接卸碼頭結構形式研究

黃高新，徐甜

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢430060）

0 引言

長江中游地跨湖北、湖南、江西三省，是推動長江經濟帶發展、促進中部地區崛起的重點區域。依托長江黃金水道，采用小型LNG 運輸船，通過LNG 江海聯運的方式供氣，對長江中游省市用氣安全、推進長江大保護、踐行綠色低碳高質量發展具有重要意義。由于長江水道環境復雜、兩岸人員密集、LNG 本身的危險特性，LNG 進江存在一定難度，海事部門已開展了LNG 船舶海進江的相關通航研究工作。對于LNG 接卸碼頭，目前長江尚無營運案例。考慮長江中游水文環境的復雜性，針對LNG 接卸碼頭的作業及安全要求，開展長江中游LNG 接卸碼頭結構形式研究是十分必要的。

長江中游省市傳統油氣化工碼頭主要為沿江煉廠、油庫、化工園區等服務，貨種主要為成品油，少量液化石油氣、原油、其他液體化學品等。考慮適應長江中游航道洪枯季大水位差（14～18 m）特點，現狀油氣化工碼頭基本為浮碼頭形式。近年，隨著內河LNG 航運應用的加快發展，長江中游干線建成了一些LNG 加注碼頭，它們也基本采用浮碼頭形式。相比LNG 接卸碼頭，LNG 加注碼頭年吞吐量規模較小，以5 000 t LNG 加注碼頭為例，單泊位年設計通過能力約2.6 萬t。由于技術手段的更新以及建港條件的限制，近期也出現了一些其他類型油氣化工碼頭形式。尚明芳等[1]結合長江中游環境提出了一種直立墩式LNG 加注碼頭；尚明芳等[2]結合三峽庫區條件構造出一種組合式浮碼頭用于油品運輸；郭新杰等[3]提出了一種由固定碼頭平臺與浮箱結合的浮式組合固定液體散貨碼頭。這些新的碼頭形式豐富了技術思路，但都尚未得到大面積推廣應用。對于LNG 接卸碼頭，國內已運營LNG 接卸碼頭均位于沿海港口或河口，碼頭形式基本采用直立式高樁墩式或重力墩式結構。國內外尚未有類似長江中游大水位差環境LNG 接卸碼頭運營案例。

綜上分析，在長江中游地區，浮碼頭一直是油氣化工碼頭的主流形式，裝卸貨種以油品為主，實際未有長期運行的大吞吐量類LNG 深冷液體裝卸實例。已運營的LNG 接卸碼頭均位于沿海區域，采用直立式碼頭形式，對沿海自然環境（潮差變化2～6 m）具有成熟的工程方案。對于長江中游LNG 接卸碼頭結構形式，浮碼頭和直立式碼頭各有優缺點，本文結合實際的工程案例開展了詳細研究。

1 工程概況

擬建工程[4]位于岳陽港陸城港區、長江中游螺山水道銜接段右岸。擬拆除原5 號泊位新建2 個10 000 m3LNG 接卸泊位，設計代表船型5 500～10 000 m3LNG 船，其主尺度見表1。工程區設計低水位16.85 m、設計高水位30.79 m、設計防洪水位32.2 m。工程處水流平順，無不良流態。

表1 設計代表船型尺度表Table1 Dimension of the design typical ship

2 結構形式研究

2.1 方案研究

結合具體工程情況，對LNG 接卸碼頭采用浮碼頭及直立式碼頭結構形式對比研究。

1） 常規浮碼頭方案

擬建工程從上游至下游布置2 個10 000 m3LNG 泊位。LNG 碼頭泊位長度338.2 m，新建2座鋼質躉船（尺寸90 m×16 m）、2 座活動鋼引橋（尺寸60 m×6 m）、2 個閥室平臺，閥室平臺通過混凝土固定引橋與后方陸域接收站銜接。每個躉船配備3 臺DN200 LNG 裝卸臂，通過活動鋼引橋、固定引橋管線與后方陸域接收站銜接。考慮適應水位變化引起的活動鋼引橋俯仰以及靠泊裝卸過程躉船位移，活動鋼引橋管線與躉船、固定引橋管線之間采用真空絕熱低溫軟管過渡連接。浮碼頭平面布置見圖1，斷面圖見圖2。

圖1 浮碼頭平面布置圖（m）Fig.1 General layout of the floating wharf（m）

圖2 浮碼頭斷面圖（m）Fig.2 Cross section of the floating wharf（m）

2） 直立式碼頭方案

擬建工程從上游至下游布置2 個10 000 m3LNG 泊位。LNG 碼頭泊位長度318.2 m，設置2個工作平臺兼靠船平臺（尺寸48 m×25 m）、3 個系纜墩（端部系纜墩尺寸12 m×12 m、中間系纜墩2個泊位共用尺寸24 m×15 m），系纜墩與工作平臺之間通過鋼聯橋和混凝土聯橋連接，工作平臺通過固定引橋與后方陸域銜接。結合工程區域地質情況及使用要求，碼頭工作平臺（兼顧靠船）采用高樁梁板結構，系纜墩采用高樁墩臺。考慮適應不同水位系靠泊要求，工作平臺、系纜墩設置多層系纜平臺。每個泊位配備3 臺DN200 LNG 裝卸臂，通過碼頭平臺及引橋固定管線與后方罐區連接。直立式LNG 接卸碼頭平面布置見圖3，直立式碼頭結構斷面見圖4。

圖3 直立式碼頭平面布置圖（m）Fig.3 General layout of the vertical wharf（m）

圖4 直立式碼頭斷面圖（m）Fig.4 Cross section of the vertical wharf（m）

浮碼頭方案、直立式碼頭方案對比見表2。

表2 方案對比表Table 2 Scheme comparison table

LNG 接收站是生命線工程，一旦斷供將產生極大的社會影響。考慮LNG 接收站高可靠性及安全要求，長江中游地區LNG 接卸碼頭采用直立式碼頭結構形式具有顯著優勢，但同時需針對性解決大水位差環境LNG 裝卸臂適應性、快速脫纜鉤和靠泊輔助系統等關鍵技術問題。

2.2 關鍵技術解決方案

2.2.1 LNG 裝卸臂適應性

長江中游水位差約14～18 m，LNG 裝卸臂對大水位差環境的適應性直接關系到直立式LNG 接卸碼頭結構形式的可行性，其中LNG 裝卸臂上下工作范圍為最關鍵參數。LNG 裝卸臂工作范圍與碼頭設計參數、港口水位、船舶艙容、管匯參數等[5]息息相關，應能滿足設計低水位最小靠泊船型滿載工況、設計高水位最大靠泊船型壓載工況正常工作需要。目前，尚無5 500～10 000 m3江海直達小型LNG 運輸船實船，本工程設計代表船型僅為概念設計船型，因此無實船管匯參數。參考OCIMF 規定[6]，假定5 500～10 000 m3江海直達小型LNG 運輸船管匯中心至主甲板高度1.5 m，計算本工程LNG 裝卸臂需至少適應-12.55～3.49 m（以碼頭面為基準面計）上下工作范圍才能滿足正常卸料要求。

為論證裝卸臂制造可行性，調研長江已建最大水位差直立式液體化工碼頭輸油臂建造情況。以安徽無為華誼液體化工碼頭[7]為例，工程處水位差10.3 m，碼頭靠泊500 DWT—5 000 DWT 液體化學品船，碼頭平臺設置DN200 裝卸臂，裝卸物料為常溫甲醇/乙醇，其裝卸臂工作范圍為-9.8～7.5 m（以碼頭面為基準面計）。本工程LNG 裝卸臂工作范圍與實例輸油臂工作范圍基本相當，但工作范圍下限略低。經詢專業制造廠家，總體比較而言，LNG 裝卸臂設計制造難度略有增加，可在工程實施階段進一步聯合廠家深化細化解決。

LNG 船舶基本為固定航線運營。由于目前尚無5 500～10 000 m3江海直達小型LNG 運輸船實船，實際運營時，本工程需定制江海直達小型LNG 運輸船船隊。為解決大水位差LNG 裝卸臂適應性難題，除專門針對性設計LNG 卸料臂外，同時可將LNG 運輸船舶管匯適當抬高或設置高低管匯平臺。國內已建14 000 m3LNG 船“華祥8 號”即采用了高低管匯建造方案。“華祥8 號”設計船型尺度125.8 m×22.7 m×13.1 m×6.8 m（總長×型寬×型深×滿載吃水），其下層管匯中心距離主甲板面高度2.4 m，上層管匯中心距離主甲板面高10.4 m。定制船型采用類似高低管匯設計，設計低水位時LNG 裝卸臂與上層管匯連接，設計高水位時LNG 裝卸臂與下層管匯連接。該方案可極大地簡化LNG 裝卸臂設計，完美解決大水位差LNG 接卸碼頭裝卸難題。

2.2.2 快速脫纜鉤

長期以來，長江中上游地區油氣化工碼頭均未設置快速脫纜鉤。根據JTS 165-5—2021《液化天然氣碼頭設計規范》[8]9.4.3 條：靠泊艙容10 000 m3及以上船舶或裝置的液化天然氣碼頭應設置快速脫纜鉤。通常快速脫纜鉤包含大量電氣設備，不能水下長期浸泡。為適應長江水位季節性漲落環境快速脫纜鉤使用要求，提出一種適應全淹沒環境的可拆卸快速脫纜鉤方案。在水位較高時，船舶系泊于上層平臺，拆卸下層平臺快速脫纜鉤豎向連接軸，使鉤架組合與基座分離。在水位較低時，將錨鉤、鉤架組件運輸至下層系纜平臺，高壓水槍沖洗基座表面及空洞處泥沙，安裝豎向連接軸，使鉤架組件與基座連接。本方案可良好地解決季節性水位變化下快速脫纜鉤使用問題。

2.2.3 靠泊輔助系統

海港液化天然氣碼頭通常標配靠泊輔助系統，對于河港液化天然氣碼頭JTS 165-5—2021《液化天然氣碼頭設計規范》[8]并未明確要求。考慮內河LNG 接卸碼頭尚屬起步階段，本工程按較高標準予以配備靠泊輔助系統。通常靠泊輔助系統中激光測距儀布置于碼頭平臺兩端用于船舶靠泊速度監測。本工程位于長江中游，設計低水位時LNG船舶甲板面遠低于碼頭面，常規激光測距儀布置不能滿足要求。為解決大水差靠泊輔助監測，提出一種全自動升降導軌式激光測距儀，將激光測距儀放置于自動升降平臺固定于垂直導軌上。自動升降平臺根據系統預設的離水高度進行位置調整，根據水位變化保持激光傳感器距離水面在預設的高度，另在現場控制箱或軟件系統中可控制傳感器進行一鍵回倉，實現在極端天氣將激光傳感器升到最高位置的保護倉中。在監控期間，傳感器根據水位的變化調整激光傳感器的位置，使其一直保持在預設的離水高度位置，每次離泊結束后，系統會將傳感器返回到保護倉中。

3 結語

1） 針對長江中游建設條件，對LNG 接卸碼頭采用浮碼頭、直立式碼頭結構形式進行了詳細比選研究。考慮LNG 接收站高可靠性及安全要求，長江中游地區LNG 接卸碼頭采用直立式結構形式具有顯著優勢。

2） 本研究提出了長江中游地區季節性大水位差環境直立式LNG 接卸碼頭關鍵技術方案，解決了LNG 裝卸臂適應性難題，首次將快速脫纜鉤、靠泊輔助系統應用于內河油氣化工碼頭。

3） 本研究切實解決行業需求，為LNG 海進江奠定堅實基礎，推動長江LNG 應用發展，具有良好的應用推廣價值。