董焱赫，馬林，楊學(xué)斌

（中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007）

1 工程概況

1.1 工程背景

隨著天然氣市場需求的大幅增長，為進(jìn)一步提高渤海地區(qū)LNG接收站冬季調(diào)峰和應(yīng)急供氣能力，有效緩解京津冀地區(qū)冬季天然氣供應(yīng)不足的問題，渤海灣一系列液化天然氣碼頭進(jìn)入謀劃和建設(shè)階段，大部分位于開敞水域。

本文擬建LNG碼頭地處唐山港曹妃甸港區(qū)，位于已建中石油LNG碼頭東側(cè)，設(shè)計(jì)船型為3萬～26.6萬m3LNG船，碼頭采用蝶形布置形式，通過長約2.4 km引橋與陸域罐區(qū)銜接。

根據(jù)JTS 165—2013《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》及JTS 165-5—2016《液化天然氣碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》，開敞式液化天然氣碼頭平面布置應(yīng)綜合考慮工程區(qū)域的水深、地形、風(fēng)、波浪、潮流、泥沙等自然條件以及設(shè)計(jì)船型、裝卸工藝等需求。結(jié)合上述原則，本文結(jié)合數(shù)學(xué)及物理模型試驗(yàn)，對擬建液化天然氣碼頭的軸線方位、泊位長度、系纜墩布置等進(jìn)行了分析。

1.2 自然條件

1）設(shè)計(jì)水位

設(shè)計(jì)高水位2.91 m；設(shè)計(jì)低水位0.53 m；極端高水位4.46 m（重現(xiàn)期50 a），4.58 m（重現(xiàn)期100 a）；極端低水位-1.27 m（重現(xiàn)期50 a）。

2）風(fēng)

曹妃甸海區(qū)常風(fēng)向?yàn)镾SW向，頻率為10%，次常風(fēng)向?yàn)镋NE和SSE，頻率9.0%，強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镋NE，最大風(fēng)速為25 m/s，次強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镹E，最大風(fēng)速為21 m/s，全年各向平均風(fēng)速為5.3 m/s。工程區(qū)域重現(xiàn)期100 a的10 min平均最大風(fēng)速20.475 m/s（風(fēng)力8級），重現(xiàn)期50 a的10 min平均最大風(fēng)速19.383 m/s（風(fēng)力8級）。

3）設(shè)計(jì)波浪

碼頭區(qū)域，最大波高為E向波，重現(xiàn)期100 a極端水位下重現(xiàn)期100 a的最大波高H1%為6.54 m，波周期為8.6 s；重現(xiàn)期50 a極端水位下重現(xiàn)期50 a的最大波高H1%為6.17 m，波周期為8.1 s；設(shè)計(jì)高水位下重現(xiàn)期2 a的H4%波高為2.43 m，波周期5.4 s。

4） 潮流

工程區(qū)域海域以往復(fù)流為主，甸頭兩側(cè)沿順岸方向或沿等深線方向流動(dòng)，根據(jù)潮流觀測資料及走航測量，漲潮期間工程區(qū)域各站最大流速及對應(yīng)流向分別為0.99 m/s和245°，落潮期間各站最大流速及對應(yīng)流向分別為0.98 m/s和63°，漲潮期間各站最大平均流速及對應(yīng)流向分別為0.55 m/s和236°，落潮期間各站最大平均流速及對應(yīng)流向分別為0.58 m/s和76°。

2 碼頭走向

LNG船相較于油船、散貨船等貨運(yùn)船舶，在相同尺度下船舶總重較輕，更易受橫風(fēng)及橫流的影響[1]。碼頭軸線宜與風(fēng)、浪、流主導(dǎo)方向一致，并應(yīng)與航道、港池、接岸建筑物布置相協(xié)調(diào)。

結(jié)合實(shí)測潮流成果及潮流數(shù)值模擬，已建LNG碼頭前沿水流較為順直，在碼頭后方，水流逐漸向東北偏轉(zhuǎn)，如考慮擬建LNG泊位后移（如圖1所示），雖然可以減小棧橋及管道投資，但疏浚量較大；且同一方位角上水流并不平順，碼頭前沿橫流較大，同時(shí)造成多個(gè)泊位不在同一軸線情況，對船舶操縱形成困難?？紤]通航安全性及碼頭前沿流場，本工程軸線擬與已建LNG碼頭平齊，軸線為 68°～248°。

圖1 碼頭平面布置圖Fig.1 Layout plan ofterminal

對工程前后潮流場模擬可知，工程前，泊位前漲潮期間最大流速為0.88～0.90 m/s，流向?yàn)?43°；落潮期間最大流速為0.99～1.00 m/s，流向?yàn)?1°～62°。從流向來看，與碼頭走向夾角較小，在10°以內(nèi)。工程后，泊位前漲潮期間最大流速為0.59～0.62 m/s，流向?yàn)?236°～239°；落潮期間最大流速為 1.02～1.04 m/s，流向?yàn)?66°～67°。從流向來看，與碼頭走向夾角最大為12°。

3 泊位長度

開敞式液化天然氣碼頭泊位長度應(yīng)使主力船型達(dá)到最優(yōu)系泊作業(yè)條件，同時(shí)滿足其他設(shè)計(jì)船型的系泊要求。根據(jù)《液化天然氣碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》，泊位長度不應(yīng)小于1倍設(shè)計(jì)船長，可按1.0～1.2倍船長估算。本工程最大船型為26.6萬m3LNG船，船長345 m，泊位長度取值介于345～414 m。

根據(jù)克拉克松所統(tǒng)計(jì)的在役和訂單船舶數(shù)量，至2022年，艙容14.7萬～17.5萬m3LNG船將達(dá)到84.5%（約560艘），將成為絕對主力的運(yùn)力，而21.7萬～26.6萬m3LNG船不再有建造訂單，將維持目前規(guī)模，故本工程泊位長度將基于17.5萬m3LNG船型分析，該船型總長為290 m。

為進(jìn)一步研究泊位長度，本工程開展系泊物理模型試驗(yàn)研究工作，選取已建中石油LNG碼頭的400 m長泊位方案與360 m短泊位方案進(jìn)行對比，工作平臺及靠船墩高程為10.5 m，系纜墩高程為9.5 m。結(jié)合工程區(qū)域自然條件及LNG船作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)采用外部動(dòng)力因素如表1及圖2所示。纜繩采用44 mm直徑HMPE纜繩進(jìn)行試驗(yàn)，其最小破斷力為1 370 kN，根據(jù)國際航海協(xié)會(huì)要求，單根纜繩所受最大拉力應(yīng)小于50%最小破斷力，即685 kN。為使纜繩具有足夠的附加變形，HMPE纜繩常與尼龍尾鎖組合使用。2種泊位長度下的帶纜方式均為2∶2∶2∶2，船舶系纜方案如圖3所示。

表1 風(fēng)、浪、流作用表Table 1 Wind,wave and currentcondition

圖2 17.5萬m3LNG船系纜平面布置圖及外部動(dòng)力要素示意圖Fig.2 Layoutplan ofmooring and externalload elements of175 000 m3 LNG carrier

圖3 長泊位及短泊位17.5萬m3LNG船舶系泊狀態(tài)Fig.3 Mooring status of175 000 m3 LNG carrier in long berth and shortberth

以正常運(yùn)營工況為例，不同碼頭長度下運(yùn)動(dòng)量及纜繩張力如表2及表3所示。

表2 不同碼頭長度下運(yùn)動(dòng)量對比試驗(yàn)結(jié)果（17.5萬m3LNG船）Table 2 Testresults ofmotion under differentterminal lengths(175 000 m3 LNG carrier)

表3 不同碼頭長度下纜繩張力對比結(jié)果（17.5萬m3LNG船）Table 3 Results ofcable tension under differentterminal lengths(175 000 m3 LNG carrier)kN

通過表2及表3結(jié)果可以得出，短泊位方案時(shí)，同等工況下船舶的橫移和回轉(zhuǎn)有所降低，表中所示橫移平均降幅達(dá)到21.6%，回轉(zhuǎn)平均降幅達(dá)到50%，縱移、升沉、縱搖和橫搖運(yùn)動(dòng)量變化不大。短泊位方案時(shí)，船舶艏、艉部橫纜間受力不均勻性略有改善，艏纜和艉纜的張力較長泊位方案時(shí)增大。

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，短泊位方案限制船舶橫移運(yùn)動(dòng)方面占優(yōu)[2]，作業(yè)條件較好；長泊位方案在最大纜力方面略占優(yōu)，安全系泊條件較好，長短泊位方案均能滿足最大纜力要求。由圖3可知，短泊位方案下纜繩長度明顯減?。ǖ估|除外），減幅可達(dá)25%～38%，360 m泊位長度方案下各纜繩間的長度不均勻系數(shù)明顯減小。

綜上，短泊位方案在纜力均勻分布、改善橫纜受力及改善船舶運(yùn)動(dòng)量方面均有較好效果，故本工程采用泊位長度360 m（碼頭結(jié)構(gòu)長度為372 m）的系纜墩布置方案。

4 系纜墩平面布置研究

合理的系纜墩布置應(yīng)使纜繩盡量等長，纜力分布均勻[3]。對比碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范[4-5]、英國規(guī)范和OCIMF（石油公司國際海事論壇）標(biāo)準(zhǔn)[6]，系纜角度及纜繩長度要求如下。

英國規(guī)范建議船舶縱向荷載主要由倒纜承擔(dān)，橫向荷載主要由橫纜約束，艏、艉纜、橫纜與船舶軸線最佳角度為75°～105°，最佳纜繩長度在35～50 m。OCIMF規(guī)范與英國規(guī)范建議基本一致，認(rèn)為船舶應(yīng)盡量在自身長度范圍內(nèi)進(jìn)行系泊。

根據(jù)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》，艏艉纜的水平系纜角度不宜過小，可取45°～75°，橫纜與碼頭前沿線夾角可以取75°～105°，艏艉纜長度可取35～60 m，橫纜長度可取30～50 m，倒纜長度可取30 m左右，各纜繩與水平面夾角可取0°～30°。

由于本工程設(shè)計(jì)及兼顧船舶船長介于185～345 m之間，為滿足各種船型的系纜要求，每個(gè)泊位設(shè)置系纜墩6座，系纜墩以工作平臺為中心對稱并后退布置（圖4）。

計(jì)算采用英國“OPTIMOOR Mooring Analysis Computer Program”進(jìn)行分析確定。計(jì)算船型為26.6萬 m3LNG 船（帶纜方式為 3∶2∶3∶2）及 17.5萬m3LNG 船（帶纜方式為 2∶2∶2∶2）。計(jì)算工程按照正常運(yùn)營最不利工況（表4）。

在前述長短泊位系纜墩布置對比分析結(jié)論的基礎(chǔ)上，開展端部系纜墩平齊與端部前移布置對比分析[7-11（]表 5）。

圖4 端部系纜墩前移/平齊計(jì)算簡圖（26.6萬m3LNG船）Fig.4 Calculation diagram offorward/leveling arrangementofend mooring dolphin(266 000 m3 LNGcarrier)

表4 Optimoor纜力計(jì)算工況Table 4 Optimoor mooring force calculation conditions

分析表5計(jì)算結(jié)果：端部系纜墩平齊和前移計(jì)算結(jié)果相差不大，均能滿足設(shè)計(jì)要求，其中對于26.6萬m3LNG船舶，端部系纜墩平齊方案較前移方案最大纜力有優(yōu)化；對于17.5萬m3LNG船舶，兩個(gè)方案纜力基本相同。綜合考慮泊位靠泊不同船型的適應(yīng)性，同時(shí)避免最大設(shè)計(jì)船型靠泊作業(yè)時(shí)，艏艉纜過短，本工程采用端部系纜墩平齊的平面布置方案。

5 結(jié)語

1）通過對現(xiàn)有及訂單LNG船型進(jìn)行分析，艙容14.7萬～17.5萬m3LNG船將成為未來的絕對主力船型，在進(jìn)行開敞式LNG碼頭總平面布置分析時(shí)，應(yīng)優(yōu)先滿足主力船型的最優(yōu)靠泊條件，在此基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化系靠墩布置，進(jìn)一步滿足最大及最小兼靠船型的系靠需求。

2）LNG船相較于油船、散貨船等貨運(yùn)船舶，在相同尺度下船舶總重較輕，更易受橫風(fēng)及橫流的影響，開敞式LNG泊位的碼頭走向確定尤為重要，碼頭軸線應(yīng)與風(fēng)、浪、流的主導(dǎo)方向一致。在開展軸線研究時(shí)，應(yīng)開展工程區(qū)域的潮流、波浪的水文測驗(yàn)及數(shù)值分析，必要時(shí)開展走航試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

3）通過系泊物理模型試驗(yàn)研究，短泊位方案在纜力均勻分布、優(yōu)化橫纜受力及改善船舶橫向運(yùn)動(dòng)量方面均有較好效果，既可滿足主力船型靠泊最優(yōu)布置，又能滿足最大船型系靠泊需求，同時(shí)節(jié)約岸線長度。

4）利用Optimoor軟件對系纜墩布置形式進(jìn)行了針對性的計(jì)算研究。通過模型模擬分析得出，對于開敞式碼頭，系纜墩平齊布置對于降低最大設(shè)計(jì)船型斷纜風(fēng)險(xiǎn)、均衡纜繩張力、控制船舶橫向運(yùn)動(dòng)有更好的效果。