恶劣工况条件下大型LNG船舶泊稳安全研究*

恶劣工况条件下大型LNG船舶泊稳安全研究*

涂彪

中建二局第三建筑工程有限公司，湖北省武汉市 430000

摘要：近年来，液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）作为一种优质高效经济的清洁能源，已在交通运输、城市管网供气、化工、发电等领域中得到了广泛的应用。本文从确保LNG船舶系泊安全的目标出发，运用数值模拟仿真技术，建立了大型LNG船系缆力计算模型，以天津港某液化天然气码头实际系泊案例为研究背景，对恶劣天气条件下大型LNG船舶系缆力进行了分析，为LNG港口码头的安全管理、运营及附近水域其它船舶的通航安全提供技术保障。

关键词：泊稳安全；LNG船舶；系缆力；数值模拟

0 引言

近年来，伴随着全球环境污染和能源危机问题的出现，如何高效的利用清洁能源已经成为研究的热点。LNG以其经济性和环保性越来越受到人们的关注，未来必将成为首选的清洁燃料[1]。在“双碳”背景下，天然气将迎来新的发展机遇，中国在LNG需求量方面持续攀升，LNG远洋运输是目前全球航运业中增长空间最为明确的领域。恶劣天气条件下大型LNG船舶的系泊安全逐渐受到关注，对大型LNG船舶在港的系泊安全和生产作业安全提出了更高的要求，相关研究工作亟待解决。

1 工程概况

天津市某液化天然气码头工程，LNG泊位布置于陆域北侧、港区东防波堤西侧，码头前沿线平行于陆域坡顶线，顺流布置，其方位角为90°～270°。LNG码头采用墩式蝶形布置，长402m，由1个工作平台、4个靠船墩和6个系缆墩组成。LNG泊位装卸平台尺度为50m×30m；装卸平台通过引桥与后方陆域衔接，引桥宽为15m、长度为184m。

2LNG运输船特点

2.1 LNG运输工艺流程

LNG的运输是一个极其复杂的过程，总体的说可以分为三个阶段：其中第一个阶段是天然气本身的开采、液化及储存；第二阶段是LNG的装卸与运输；最后一个阶段是将液化储存后的LNG再气化和销售到需要的用户。

2.2 LNG运输船危险特性分析

LNG一般指的是液化天然气，甲烷在其中占主要部分，LNG无色、无味、无毒、无腐蚀性[2]。由于LNG的特殊性，导致LNG船舶的危险程度与一般船舶有所区别，LNG船舶存在的危害主要是由于发生安全事故导致LNG装载货物泄漏，可能会造成火灾爆炸、人员冻伤、人员窒息、船体结构损坏等后果。

2.3 LNG运输船系泊安全影响因素

影响大型LNG船舶系泊安全的因素主要可以分为：船型尺度、外界环境条件、系缆设备及人员操作因素[3]。外界环境中风、浪、流以及能见度是影响LNG船舶系泊安全的主要因素。

3大型LNG船舶系缆力计算

本节采用系泊数值模拟分析软件OPTIMOOR进行系泊安全性分析，建立大型LNG船系缆力计算模型，并讨论基于正常作业限制条件之上的工况条件进行分析，对系泊系统中缆绳张力进行计算。

3.1数值模拟分析软件介绍

OPTIMOOR系泊数值分析软件是由石油公司国际航运论坛、TTI 公司共同开发的，可对不同类型的船舶进行系泊安全研究，本文采用Dynamic Version 6.8.1版本进行分析。

3.2船舶模型构建

近年来，随着我国对LNG需求的不断增加，到港船舶不断向大型化发展。在恶劣环境条件下，大型LNG船舶的系泊安全也受到了广泛关注。因此，本文选取26.6万m3LNG为代表船型作为研究对象。

3.3恶劣天气条件定义

本文所提及的“恶劣天气条件”主要是基于正常作业限制条件之上，将“恶劣天气条件”确定为风力7～10级条件，对应浪高取1.0～2.5m。

3.4系泊环境参数设定

本文为探究恶劣天气条件下系泊安全，因此系泊外界环境参数设定如下：

⑴风速、风向

本研究模拟试验风级大小选取7级（33knt）、8级（40knt）、9级（47knt）、10级（56knt）共四个等级，风向选取全时段风向。

⑵流速、流向

模拟试验流速大小选取0.23m/s，流向选取沿船舶首尾90°方向。

⑶波浪

综合考虑环境选取的最不利原则，本试验确定以0m，0.5m，1m，1.5m，2m为波高，周期5s～6s的波浪条件。

⑷缆绳

缆绳的材质不同，其断裂伸长率也不同。本试验选取44mmDyneemaLine类型缆绳，最小破断力139t，伸长率5%，绳尾选取11m85mmNyLonLine，最小破断力188t。

⑸护舷材质

采用YGCH2500超级鼓型橡胶护舷，护舷设计反力为3137KN，设计吸能量为3397KJ。

3.5系缆布置方式设定

由于本研究水域内的船舶特点、靠泊时机、航道走向与泊位走向关系，试验船舶的系泊方式采用首部：3-4-2，尾部：3-4-2的对称系缆方式，缆绳初始张力为10t，并根据试验结果加以调整。

3.6系缆力历程曲线

本节运用OPTIMOOR软件对所设定的实验参数进行仿真计算，并对缆绳受力、船舶运动量、护舷和系船柱的受力情况等实验结果进行分析。各缆绳在7、8、9、10级风，浪高0m、0.5m、1.0m、1.5m、2.0m和波浪周期5s、6s条件下缆绳受力最大值，其仿真结果如图1所示。

图1 缆绳不同环境荷载下受力最大值

由图1可知，缆绳在10级风、波高大于1m时，尾缆和尾横缆受力较大，随着波高的增加，首缆和首横缆的受力也逐渐增加，均超过了安全负荷，增大了缆绳断缆的风险。缆绳在9级风、浪高大于1.5m时，首缆和首横缆受力较大，随着浪高的增大，尾缆和尾横缆的受力也与之增加，超出了缆绳的承载能力极限，存在断缆风险。

4结语

本文基于天津市某液化天然气码头工程的实际系泊案例为研究背景，对大型LNG船舶系泊时系缆力变化与泊稳安全进行了较为全面的分析与研究，相较现行的行业标准限制条件，本研究可为实现LNG接收站码头在较为恶劣的天气条件下作业提供可能。