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        某小型LNG船系泊布置數(shù)值計(jì)算分析

        2019-05-09 08:01:26
        船海工程 2019年2期
        關(guān)鍵詞:纜繩系泊碼頭

        (上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

        由于液化天然氣(LNG)的特殊性、LNG碼頭選址特點(diǎn)和船舶大型化趨勢(shì),使其對(duì)碼頭布局和水深的要求越來(lái)越高,LNG碼頭較多采取開(kāi)敞式布置形式[1]。LNG船是危險(xiǎn)品運(yùn)輸船,對(duì)系泊布置要求較高[2-3]部分船東需要船舶設(shè)計(jì)方提供系泊布置的可行性分析,目前國(guó)際上研究的主要方法是物理模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算[4]。數(shù)值計(jì)算的原理是對(duì)系泊系統(tǒng)建立合理的數(shù)學(xué)模型,數(shù)學(xué)模型包含動(dòng)力和靜力模型兩種,用數(shù)值模擬的方法對(duì)系泊體系的內(nèi)力進(jìn)行分析預(yù)報(bào),從而選擇最合理的設(shè)計(jì)方案。本文針對(duì)某小型LNG船選用其中的靜力模型進(jìn)行系泊布置可行性分析。計(jì)算時(shí),將外載荷按照靜力考慮,風(fēng)和水流載荷采用石油公司國(guó)際海事論壇(OCIMF)所推薦的環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn)或碼頭推薦的運(yùn)營(yíng)標(biāo)準(zhǔn);對(duì)于波浪載荷,采用的方法是,通過(guò)給定的波高計(jì)算出波浪作用在船上的近似靜力,然后把波浪力疊加到風(fēng)載荷中[5]。

        1 系泊分析概述

        1.1 系泊布置主要原則

        一般來(lái)說(shuō),包括LNG船在內(nèi)的液貨船的系泊模式布置主要參照OCIMF的相關(guān)要求,包括如下原則性建議。

        1)系泊纜繩盡可能對(duì)稱布置于船舯附近。

        2)纜繩的布置,應(yīng)使作用相同的纜繩在船上絞車和岸上系纜樁直接的長(zhǎng)度大致相等。

        3)橫纜盡量垂直于船的縱向中心線并盡可能靠近船艉和船艏。

        4)倒纜盡量與船的中縱剖面平行。

        5)盡量減少系泊纜繩的垂直角。

        對(duì)于具有平甲板的LNG船,倒纜和相關(guān)絞車的布置可以近似于油輪布置。而對(duì)球形艙或具有凸起甲板的LNG船,在貨艙區(qū)域的主甲板上布置絞車是不現(xiàn)實(shí)的,倒纜必須從上建后面和主甲板前端或艏樓處的絞車導(dǎo)出來(lái)。這種船型,干舷高,水線上受風(fēng)面積大,水線下受流面積較油輪小,受風(fēng)力影響較大,容易向下風(fēng)飄移[6],對(duì)系泊的要求更高。 凸起甲板的小型LNG船見(jiàn)圖1。

        圖1 具有凸起甲板的LNG船舶

        1.2 設(shè)計(jì)衡準(zhǔn)

        從LNG船舶港內(nèi)作業(yè)期間的安全角度考慮,船舶相對(duì)于碼頭的位移是影響裝卸臂正常工作與否的控制因素,也是系泊作業(yè)期間最容易引起泄露的關(guān)鍵,因此在系纜和護(hù)舷的負(fù)荷沒(méi)有超出設(shè)計(jì)承載前提下,船舶運(yùn)動(dòng)量較小的方案將更為理想。對(duì)LNG安全裝卸作業(yè)影響較大的是橫移、縱移,國(guó)際航運(yùn)協(xié)會(huì)PIANC規(guī)定最大為2.0 m,英國(guó)規(guī)范BS6349-1規(guī)定最大為0.5 m,各碼頭按照本地的環(huán)境條件及配備的裝載設(shè)備情況而規(guī)定。

        環(huán)境條件和系纜力根據(jù)OCIMF的要求,對(duì)于無(wú)限航區(qū)的作為固定設(shè)備用于系泊和系留(保持穩(wěn)定系泊)的能力應(yīng)滿足下列條件,來(lái)自任何方向的60 kn風(fēng)速的風(fēng)力,同時(shí)包括下列任意一個(gè)條件:來(lái)自船艏0°或船艉180°方向的3 kn流速的水流;或者10°或170°流向下2 kn流速的水流;或者來(lái)自正橫最大水流載荷的0.75 kn的水流。系泊時(shí),合成纜繩的受力不超過(guò)纜繩的最大破斷負(fù)荷的50%[1]。

        2 系泊布置實(shí)例分析

        2.1 船舶主要參數(shù)

        分析對(duì)象為某10 000 m3LNG液化氣船,其基本參數(shù)如下。

        船舶載重量:10 000 m3;柱間距長(zhǎng):127 m;船寬:19.8 m;型深:11.5 m;甲板以上側(cè)受風(fēng)面積:1 320 m2;甲板以上橫受風(fēng)面積:320 m2;纜繩直徑28 mm,材質(zhì)迪尼瑪,14根。

        2.2 碼頭環(huán)境條件

        世界上的LNG碼頭一般采用“蝶”或“一”字形離岸墩式布置形式,以蝶形碼頭居多。選擇2個(gè)典型的LNG碼頭進(jìn)行分析:新加坡LNG碼頭和大連LNG碼頭,均為蝶形碼頭。二者分別是良港和環(huán)境較惡劣的外海開(kāi)敞式碼頭的代表。

        新加坡的首個(gè)LNG碼頭是亞洲天然氣貿(mào)易新中心,小型的LNG運(yùn)輸船將LNG轉(zhuǎn)運(yùn)供應(yīng)給越南等LNG需求量巨大的亞洲市場(chǎng)買家。該碼頭位于裕廊島,地理?xiàng)l件良好,水深近12 m的天然良港,碼頭區(qū)域浪涌較小,一般可以忽略其對(duì)船體運(yùn)動(dòng)的影響,做系泊分析時(shí)采用的環(huán)境條件可以只考慮風(fēng)和流的影響組合;一般情況下,該碼頭正常海況的最大風(fēng)速為30 kn。在設(shè)定分析環(huán)境條件時(shí),按船東的要求,風(fēng)速只需設(shè)定為30 kn,而非OCIMF所推薦的60 kn。

        大連LNG碼頭位于大連保稅區(qū)大孤山新港,是目前國(guó)內(nèi)最大、中國(guó)北方第一個(gè)LNG碼頭。大連LNG碼頭工程直接面對(duì)外海,波浪可由外海無(wú)掩護(hù)直接傳播至泊位水域,常年都有方向變換的波浪、潮流及風(fēng)等動(dòng)力的共同作用。所以分析時(shí),在OCIMF所推薦的環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn)之上,需要另外疊加2.0 m的浪高和涌高,平均周期均為10 s。

        2.3 應(yīng)用軟件對(duì)系泊計(jì)算的分析

        限于篇幅,只考慮最惡劣的情況,高水位時(shí)壓載和低水位時(shí)裝載時(shí)船受風(fēng)面積最大。

        2.3.1 新加坡LNG碼頭分析

        1)OPTIMOOR數(shù)據(jù)輸入。

        ①船舶主要參數(shù)見(jiàn)2.1。

        ②壓載吃水5.0 m, 裝載吃水6.3 m。

        ③碼頭:高水位4.1 m,低水位0.4 m。

        ④纜繩:直徑28 mm,材質(zhì)迪尼瑪,12股編,最大破斷負(fù)荷(簡(jiǎn)稱MBL)640 kN,長(zhǎng)度220 m,纜繩編號(hào)從船艏到船艉為1~14。

        ⑤環(huán)境條件見(jiàn)表2,風(fēng)速為30 kn,共計(jì)10個(gè)工況。

        2)系泊布置。根據(jù)該船舾裝數(shù)計(jì)算結(jié)果,并按照船級(jí)社規(guī)范要求,纜繩數(shù)量為5根,纜繩的最大破斷負(fù)荷為333 kN。船級(jí)社規(guī)范中規(guī)定的系泊索數(shù)量和最大破斷負(fù)荷是最低要求,參照1.1所述纜繩布置基本原則,該船的系泊布置見(jiàn)圖2,7根前纜和7根后纜,采用2倒纜+3橫纜+2艏纜/2倒纜+3橫纜+2艉纜的系泊模式。

        圖2 艏/艉系泊布置示意

        3)OPTIMOOR數(shù)據(jù)輸出。設(shè)定好系泊絞車剎車力和纜繩的預(yù)張力,經(jīng)OPTIMOOR軟件分析結(jié)果見(jiàn)表1。

        表1顯示最大的纜繩張力僅為纜繩MBL的15%。船舶最大的前縱移為0.8 m,最大的后縱移為0.5 m,向外的橫移為0.9 m。新加坡LNG碼頭允許的漂移值為3 m,每種工況下船舶的位移均在裝載臂工作范圍內(nèi),且大多數(shù)工況下船舶飄移情況良好。

        2.3.2 大連LNG碼頭分析

        1) OPTIMOOR數(shù)據(jù)輸入。

        ①船船舶主要參數(shù)見(jiàn)2.1。

        ②壓載吃水5.0m,裝載吃水6.3 m。

        ③碼頭:高水位4.75 m,低水位-0.20 m。

        ④纜繩:直徑28 mm,材質(zhì)迪尼馬,12股編,最大破斷負(fù)荷640 kN,長(zhǎng)度220 m,纜繩編號(hào)從艏到艉為1~14。

        表1 新加坡LNG碼頭分析結(jié)果

        ⑤環(huán)境條件見(jiàn)表2,風(fēng)速為30 kn,浪高和涌高為2.0 m,平均周期均為10 s,共計(jì)10個(gè)工況。

        2)系泊布置。先分析2+3+2模式,軟件計(jì)算結(jié)果表明,前縱移和后縱移在允許范圍內(nèi),但向外的橫移最大達(dá)到4.1 m,大連LNG碼頭允許的漂移值也為3 m,超出了碼頭允許的范圍。多種調(diào)整,經(jīng)過(guò)軟件計(jì)算、比較發(fā)現(xiàn),2+4+1的系泊模式最好,見(jiàn)圖3。

        圖3 船艏/船艉系泊布置

        3)OPTIMOOR數(shù)據(jù)輸出。同樣的剎車力和纜繩預(yù)張力,經(jīng)軟件分析結(jié)果見(jiàn)表2。

        表2顯示最大的纜繩張力為MBL的41%,負(fù)荷大,但還是小于OCIMF要求的50%,符合使用要求。船舶最大的前縱移為0.8 m,最大的后縱移為0.7 m,向外的橫移從4.1 m減少到2.3 m,滿足碼頭要求,在裝載臂工作范圍內(nèi)。

        3結(jié)論

        在不同的外部環(huán)境條件下,船舶的運(yùn)動(dòng)量和系纜力有比較大的變化。在環(huán)境相對(duì)惡劣的碼頭上,需要通過(guò)調(diào)整系泊模式來(lái)滿足系泊要求。該船的系泊布置方案安全有效。

        表2 大連LNG碼頭分析結(jié)果

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