黃 河,陳 謙
(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司,上海 200032)
近年來LNG(liquefied natural gas)作為一種清潔能源越來越受到市場青睞,很多國家都將LNG列為首選燃料,在能源供應(yīng)中的比例也迅速增加。相對于傳統(tǒng)的前期投資大、工期長的陸基LNG接收站,F(xiàn)SRU即浮式儲存及再氣化裝置(floating storage and re-gasification unit)是集LNG接收、存儲、轉(zhuǎn)運、再氣化外輸?shù)榷喾N功能于一體的特種裝備,具有交付時間短、成本低等特點,被越來越廣泛地采用。
天津建有FSRU項目,采用的是LNG船舶和FSRU船舶各??恳粋€泊位的平面布置方式。國外目前的FSRU項目多采用雙船并靠的平面布置形態(tài),不僅節(jié)約碼頭岸線、降低工程造價,而且由于液相管線距離的縮短而增加了安全性。FSRU和LNG采用雙船并靠及兩側(cè)靠泊的作業(yè)方式,其系纜力、靠泊力及船舶相對運動量等與常規(guī)靠泊方式存在較大差異,如果工程區(qū)域風(fēng)浪條件差、水動力情況復(fù)雜,雙船靠泊的穩(wěn)定性是碼頭設(shè)計的重點。本文基于孟加拉灣內(nèi)的緬甸某FSRU項目,針對該區(qū)域內(nèi)的復(fù)雜水動力條件,計算雙船并靠及兩側(cè)靠泊作業(yè)方式下的船舶運動量,最終確定長周期波浪條件下的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn),為類似自然條件下采用雙船并靠的FSRU項目建設(shè)提供參考。
項目位于緬甸伊洛瓦底三角洲的西北部,孟加拉灣東北海岸。碼頭工程擬建設(shè)FSRU專用泊位1個,并配套建設(shè)防波堤、引橋和引堤等,以滿足17.5萬m3LNG船的??恳?。項目區(qū)域位置見圖1[1]。
圖1 項目區(qū)域位置
項目區(qū)域?qū)儆跓釒Ъ撅L(fēng)氣候,全年平均氣溫基本在18~29 ℃,年均降雨量約為2 760 mm,全年80%~90%降雨集中在5—10月。工程區(qū)平常期風(fēng)速較小,基本為偏NW向,近岸區(qū)小于等于6級風(fēng)(13.8 ms)的頻率達(dá)到99.94%。但由于擬建工程區(qū)位于孟加拉灣東側(cè)岸線,易受到熱帶氣旋影響,在熱帶氣旋影響期間風(fēng)速較大,近岸區(qū)最大風(fēng)速為42.39 ms(海面上10 m,時距為60 min),風(fēng)向為SSE向,熱帶氣旋影響期間,F(xiàn)SRU及LNG船采取離港避風(fēng)的安全措施。
1)潮位。工程區(qū)潮汐類型屬于正規(guī)半日潮,設(shè)計高水位2.58 m(海圖基面),設(shè)計低水位0.45 m,潮差不大。
2)海流。工程區(qū)水流運動復(fù)雜多變,漲潮流主要為NNE~N向;落潮流主要為偏S向。近岸海域大潮平均流速約為0.11 ms,最大流速約為0.22 ms;小潮平均流速約為0.07 ms,最大流速約為0.14 ms。
3)波浪。工程區(qū)相對外海開敞,海浪除受臺風(fēng)影響外,受北印度洋涌浪影響顯著,因此工程海域波況較為復(fù)雜,同時受到臺風(fēng)浪及涌浪影響。主要受到SSW~NW向波浪影響,波型是以涌浪為主的混合浪。
統(tǒng)計分析近岸波浪后報資料,得到波況特征如下:①近岸區(qū)常浪向為W向、頻率為37.6%,次常浪向為WNW向、頻率為23.88%;②強浪向為W向,最大波高為6.59 m,對應(yīng)譜峰周期為14.489 s;③平常期波浪波高大部分均小于2.0 m,其中Hs大于1.0 m的頻率為24.6%,大于2.0 m的頻率為2.42%,大于3.0 m的頻率為0.18%;④波浪周期相對較大譜峰周期基本集中于4~16 s,Tp大于8 s的頻率為49.47%,大于10 s的頻率為28.85%,大于12 s的頻率為22.9%,大于14 s的頻率為15.89%[2]。
1)通過數(shù)學(xué)模型模擬船舶在不同作業(yè)工況組合條件下的系泊狀況,得出系泊船舶的橫移、縱移、升沉、橫搖、縱搖、回轉(zhuǎn)6個運動分量。
2)分析在不同作業(yè)工況條件下,每根纜繩承受的最大拉力和最大護(hù)舷撞擊力。
3)依據(jù)船舶作業(yè)標(biāo)準(zhǔn),給出不同方案下船舶允許作業(yè)的水動力條件。
由于本工程所處位置水動力條件復(fù)雜,必須通過建設(shè)防波堤來改善和提高港池的泊穩(wěn)條件,以達(dá)到LNG和FSRU船舶安全靠泊要求。平面布置采用半包圍島式防波堤布置形式,防波堤總長1 200 m,碼頭位于防波堤內(nèi)側(cè),FSRU和LNG船并靠或兩側(cè)靠泊。FSRU-LNG船并靠系纜布置見圖2,F(xiàn)SRU-LNG船兩側(cè)靠舶系纜布置見圖3。船型參數(shù)見表1。
圖2 FSRU-LNG船并靠系纜布置
圖3 FSRU-LNG船兩側(cè)靠泊系纜布置
船型參數(shù)見表1。
表1 船型參數(shù)
1)波浪。由于防波堤的掩護(hù)作用,泊位處浪向為SWS和SW向,平均周期為8、10、12、14 s。
2)海流。海流流向選取N~W的沿岸流,設(shè)計流速為0.17 ms。
4)纜繩參數(shù)。系泊時纜繩采用HMPE,尾索為尼龍纜(11 m),初張力為98 kN,各種纜繩材質(zhì)的特性參數(shù)見表2。
表2 纜繩參數(shù)
試驗結(jié)果根據(jù)石油公司國際海事論壇(OCIMF)MooringEquipmentGuidelines[3]的規(guī)定來衡量系纜力是否滿足要求,對于直徑為φ44 mm 的HMPE纜,其最小破斷力為1 370 kN,則單根纜繩所受到的最大拉力應(yīng)小于685 kN(50%的最小破斷力)。
5)護(hù)舷參數(shù)。碼頭與FSRU之間采用SCN2000F1.8型號護(hù)舷,F(xiàn)SRU和LNG船之間采用4組φ4.5 m×9.0 m護(hù)舷、2組φ2.0 m×3.5 m護(hù)舷,參數(shù)見表3。
表3 護(hù)舷參數(shù)
當(dāng)計算所得到的撞擊力和撞擊能量超過護(hù)舷的設(shè)計撞擊力和撞擊能量時,則認(rèn)為護(hù)舷型號不滿足要求。
6)允許作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。船舶的6個運動分量須滿足BS 6349-1—21:2013Maritimeworks-Part1-1:General-Codeofpracticeforplanninganddesignforoperations[4]中的要求,并基于PIANC 的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂。本文針對于FSRU和LNG船,采用的橫蕩和縱蕩運動量標(biāo)準(zhǔn)為1 m,其中橫蕩定義為零到最大值,縱蕩定義為峰值[5]。
動態(tài)系泊模型采用Hydorstar & Ariane軟件進(jìn)行計算,該軟件可計算波-物相互作用時可以考慮多體干擾作用、航速效應(yīng)以及艙內(nèi)液體運動,可以評估一階和二階波浪力、運動、加速度、相對運動和波浪升高。模型在計算水動力問題時,考慮了淺水波影響及一階載荷與二階載荷的淺水效應(yīng),有效提高了淺水計算水動力的精度[6]。
采用時域分析方法求解系泊系統(tǒng)的響應(yīng),選取的系泊纜繩為HMPE 與尼龍纜繩組合,考慮了系泊纜繩上的載荷非線性特性,非線性特性是指采用莫里森Morison方程求解作用在系泊纜上的流體載荷效應(yīng),作用在系泊纜上的拖曳力與相對速度(流體與纜繩之間)的平方呈正比。系泊船舶在風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷和系泊載荷的共同作用下處于平衡。在時域內(nèi),考慮系泊系統(tǒng)之后的平衡方程如下:
Ci×jXj=[Fwj(t)]+Fm+Fc+Fwind
(1)
根據(jù)波浪數(shù)模結(jié)果,考慮了該工程后的幾個主要影響浪向、代表水流和風(fēng),按照本區(qū)可能出現(xiàn)的不同波周期代入系泊數(shù)模對FSRU和LNG船并靠的系泊方式進(jìn)行分析。依據(jù)OCIMF提供的經(jīng)驗公式計算船舶受到的風(fēng)力系數(shù)和流力系數(shù),通過軟件計算平均慢漂力和水動力系數(shù)、一階波浪載荷傳遞系數(shù),并考慮風(fēng)、浪、流環(huán)境力綜合作用分析系泊狀態(tài)下的運動時域,得到纜繩的受力時歷曲線,最后按照3 h回歸周期得到船舶運動量和纜繩受力最大統(tǒng)計值。根據(jù)得到的數(shù)值模擬結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)對比,得到對應(yīng)的作業(yè)波高標(biāo)準(zhǔn)。
針對FSRU壓載+LNG船滿載,F(xiàn)SRU滿載+LNG船壓載兩種作業(yè)工況,分別計算在風(fēng)、浪和流載荷作用下的FSRU與LNG船的運動響應(yīng)特性,得到了兩船6自由度運動量、纜繩拉力以及護(hù)舷撞擊力。根據(jù)允許作業(yè)判斷標(biāo)準(zhǔn),綜合考慮運動量、纜繩拉力以及護(hù)舷撞擊力,分別得到兩種裝載組合工況下的允許作業(yè)波高,見表4、5。
表4 FSRU和LNG船并靠時的允許作業(yè)波高
表5 FSRU和LNG船兩側(cè)靠泊同時作業(yè)時的允許作業(yè)波高
1)FSRU和LNG船的6個自由度運動量、系纜力和撞擊力結(jié)果均隨波高和波周期的增大而增大。
2)在長周期波影響下,F(xiàn)SRU和LNG船的允許作業(yè)波高明顯降低。
3)雖然橫蕩和縱蕩運動允許作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的極限值為1 m,但由于一個為最大值,一個為峰值,所以縱蕩運動更容易超標(biāo),為影響船舶允許作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的重要因素。
4)LNG船舶的卸載對泊位更有利。
5)針對波浪條件相對惡劣條件下FSRU碼頭的建設(shè),采用FSRU和LNG船兩側(cè)靠泊的平面布置形態(tài),可以提高船舶允許作業(yè)波高,更能有效地抵御波浪影響。