黃 河，陳 謙

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)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(yùn)、再氣化外輸?shù)榷喾N功能于一體的特種裝備，具有交付時(shí)間短、成本低等特點(diǎn)，被越來越廣泛地采用。

天津建有FSRU項(xiàng)目，采用的是LNG船舶和FSRU船舶各停靠一個(gè)泊位的平面布置方式。國外目前的FSRU項(xiàng)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(jià)，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(yùn)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(jì)的重點(diǎn)。本文基于孟加拉灣內(nèi)的緬甸某FSRU項(xiàng)目，針對該區(qū)域內(nèi)的復(fù)雜水動力條件，計(jì)算雙船并靠及兩側(cè)靠泊作業(yè)方式下的船舶運(yùn)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(xiàng)目建設(shè)提供參考。

1 建港條件

1.1 位置及規(guī)模

項(xiàng)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(gè)，并配套建設(shè)防波堤、引橋和引堤等，以滿足17.5萬m3LNG船的停靠要求。項(xiàng)目區(qū)域位置見圖1[1]。

圖1 項(xiàng)目區(qū)域位置

1.2 氣象條件

項(xiàng)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(shí)距為60 min)，風(fēng)向?yàn)镾SE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。

1.3 水文條件

1)潮位。工程區(qū)潮汐類型屬于正規(guī)半日潮，設(shè)計(jì)高水位2.58 m(海圖基面)，設(shè)計(jì)低水位0.45 m，潮差不大。

2)海流。工程區(qū)水流運(yùn)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(shí)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(jì)分析近岸波浪后報(bào)資料，得到波況特征如下：①近岸區(qū)常浪向?yàn)閃向、頻率為37.6%，次常浪向?yàn)閃NW向、頻率為23.88%；②強(qiáng)浪向?yàn)閃向，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]。

2 研究目的

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(gè)運(yùn)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。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 碼頭平面布置

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

3.2 設(shè)計(jì)船型

船型參數(shù)見表1。

表1 船型參數(shù)

3.3 設(shè)計(jì)條件參數(shù)

1)波浪。由于防波堤的掩護(hù)作用，泊位處浪向?yàn)镾WS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(jì)流速為0.17 ms。

4)纜繩參數(shù)。系泊時(shí)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(yàn)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(jì)算所得到的撞擊力和撞擊能量超過護(hù)舷的設(shè)計(jì)撞擊力和撞擊能量時(shí)，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(gè)運(yùn)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(yùn)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]。

4 系泊分析

4.1 系泊模型

動態(tài)系泊模型采用Hydorstar & Ariane軟件進(jìn)行計(jì)算，該軟件可計(jì)算波-物相互作用時(shí)可以考慮多體干擾作用、航速效應(yīng)以及艙內(nèi)液體運(yùn)動，可以評估一階和二階波浪力、運(yùn)動、加速度、相對運(yùn)動和波浪升高。模型在計(jì)算水動力問題時(shí)，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(jì)算水動力的精度[6]。

采用時(shí)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(shí)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)

4.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)波浪數(shù)模結(jié)果，考慮了該工程后的幾個(gè)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(yàn)公式計(jì)算船舶受到的風(fēng)力系數(shù)和流力系數(shù)，通過軟件計(jì)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(yùn)動時(shí)域，得到纜繩的受力時(shí)歷曲線，最后按照3 h回歸周期得到船舶運(yùn)動量和纜繩受力最大統(tǒng)計(jì)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(jì)算在風(fēng)、浪和流載荷作用下的FSRU與LNG船的運(yùn)動響應(yīng)特性，得到了兩船6自由度運(yùn)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(yùn)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(shí)的允許作業(yè)波高

表5 FSRU和LNG船兩側(cè)靠泊同時(shí)作業(yè)時(shí)的允許作業(yè)波高

5 結(jié)論

1)FSRU和LNG船的6個(gè)自由度運(yùn)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(yùn)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(gè)為最大值，一個(gè)為峰值，所以縱蕩運(yùn)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。