LNG 加注船旁靠作业时的水动力性能试验

楼丹平， 陈晓莹， 袁红良

（沪东中华造船（集团）有限公司，上海200129）

0 引 言

随着能源发展方式的转变和生态环保诉求的增强，国际液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）需求量持续攀升。为符合国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）越来越严格的污染物排放要求，将LNG作为船用燃料是一种现实可行的方案，提供安全可行的海上LNG加注方式是确保LNG动力船发展的前提。船-船加注（STS）方式因具有机动性好、加注效率高和加注范围广等优点而被应用于长江、珠江和近海、湖泊、库区等水域。

船舶卸载通常采用并靠和串靠2种形式，由于LNG具有低温特性（-162℃），较长的输送管道无法满足安全操作的要求，因此可行的方案是加注船旁靠受注船进行卸载作业，即两船并排平行，通过若干根系泊缆和护舷联系在一起并保持一定的相对距离，加注船通过装卸臂将LNG卸载到受注船的燃料舱中。受传送速度的限制，旁靠作业时间较长，作业期间难免会遇到恶劣的海况，加上两船之间的水动力干扰耦合运动，会直接影响两船的相对运动状态，进而对作业效率和安全性产生很大的影响。

国内外相关学者已对多浮体间的耦合运动和水动力干扰作用开展一些研究。BECHNER等[1]建立未考虑黏性流体影响的LNG运输船旁靠FLNG数值分析模型，并在两船之间的自由液面上人为引入阻尼盖，使二阶漂移力和相对横荡、艏摇运动的计算结果更合理。CHEN[2]在近场法的基础上应用Stokes公式的变体形式开发出基于控制面的中场法，大大简化计算。KOOP等[3]采用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）模拟与模型试验相结合的方法对尾输作业系统中风力的遮蔽效应进行预报。ILLUMINATI等[4]采用CFD模拟FLNG尾输作业中流的遮蔽效应。FANG等[5]对两船波浪中的相对运动和波面升高进行数值计算和物模试验研究。HONG等[6]对单浮体与多浮体的响应曲线进行对比分析，并采用耦合分析方法对多浮体和系泊系统进行时域分析和物模试验研究。FOURNIER等[7]对两船并靠状态进行数值计算和物模试验研究。赵文华等[8]对FLNG系统应用于旁靠卸载作业时的水动力性能进行物模试验研究。

多浮体水动力耦合运动具有强非线性特点，理论研究仍有待完善。物模试验虽然存在尺度效应的影响，但相对来说更能反映多浮体间的水动力耦合作用，可获得更准确的预报结果。本文以5 000 m3LNG加注船旁靠9 400 TEU集装箱受注船为研究对象，在上海船舶运输科学研究所风浪流水池开展物模试验，综合考虑风、浪、流共同作用下两船互相干扰的耦合水动力性能，通过模型试验获得两船的六自由度运动、相对运动、系泊缆绳及护舷的受力特征值。

1 试验模型

试验选取5 000 m3LNG船作为加注船，选取9 400 TEU集装箱船作为受注船。综合考虑船体主尺度、试验水池的造风、造波、造流能力和试验测量仪器的精度，选取试验模型缩尺比为1∶50。加注船和受注船主要参数见表1。

1.1 单点系泊系统模型

受注船采用艏部抛锚的方式单点系泊定位，锚链选用3级有档锚链，直径为111 mm，破断负荷为8 480 k N。锚地水深约24 m。系泊布置图及缆绳编号见图1。

1.2 连接系统

加注船与受注船之间的系泊缆绳为高性能尼龙单丝复合绳，直径为56 mm，单位长度质量为2.0 kg/m，破断负荷为651 k N，其张力特性曲线见图2。艏缆2根，艏倒缆2根，艉缆2根，艉倒缆2根，共8根。充气式橡胶护舷（靠球）长2.0 m，直径3.5 m，共布置4个，其性能曲线见图3。

图2 两船之间系泊缆绳张力特性曲线

图3 充气式橡胶护舷性能曲线

2 海况环境和试验工况

试验中的风和流采用定场风、定场流模拟，选择风、浪、流同向的试验工况（见图4和表2），不规则波谱采用JONSWAP谱，谱峰因子取γ=3.3，模型试验模拟3 h的实际海况，采样频率为50 Hz。

图4 风、浪、流同向工况示意

表2 风、浪、流环境组合

3 试验结果与分析

3.1 两船六自由度运动及相对运动

图5为两船六自由度运动曲线。由图5可知：加注船与受注船并靠作业时，两船的纵荡运动响应和横荡运动响应高度一致；由于两船的主尺度相差太大，加注船在纵荡方面以高频成分居多；在横荡方面因充气橡胶护舷的可压缩性，运动幅值略有差异，但相位是一致的。相对于受注船来说，加注船的吨位太小，在同等海况下其垂荡、横摇和纵摇运动幅度较大，相应最大值分别为0.6 m、1.58°和2.95°（见表3）。

图6为两船相对运动时历曲线。由图6可知：在两船的相对运动中，相对纵荡占主导地位，其时历曲线中低频成分更多一些；相对而言，相对横荡和相对垂荡有更多的高频成分；增大两船之间系泊缆的预紧力可有效降低相对纵荡，但这势必造成护舷碰撞次数增多（见表5）。

图5 两船六自由度运动曲线

表3 加注船与受注船运动统计值

图6 两船相对运动时历曲线

表5 两船相对运动结果

3.2 系泊缆与橡胶护舷受力特性

通过试验获得并靠系统系泊缆和橡胶护舷的受力统计值，以长度最短的6#缆绳为代表，在迎风、迎流、迎浪工况下，风力和流力迫使两船纵向产生相对位移，两船之间存在相互排斥的二阶波漂力。图7为系泊缆及护舷受力时历曲线。

图7 系泊缆及护舷受力时历曲线

表6为系泊缆受力统计特征值，缆绳最大伸长量约为21%，5#缆绳和6#缆绳较短，6#缆绳最大受力为240 k N，相对于该缆绳的最小破断负荷651 k N来说，安全系数为2.71，大于法国船级社相关系泊指南[9]的最小安全系数1.67，因此系泊系统是安全的。

由于单点系泊系统具有风标效应，系泊船舶会停泊在环境力最小的方位上，试验中发现两船会在横向上发生较大的偏荡。表7为充气式橡胶护舷反力统计值，1#护舷反力最大值为315 k N，变形量约为20%，护舷选型也满足安全要求。

表6 两船之间系泊缆受力统计特征值

表7 充气式橡胶护舷反力统计值

4 结 语

1）两船之间的相对运动是影响加注船并靠受注船安全作业的最主要因素，其中：相对纵荡运动占主导地位，具有明显的低频运动特性，会使系泊缆受力增大；在横荡方面，由于橡胶护舷的可压缩性，两船的运动幅值略有差异，但相位是一致的，相对横荡运动中以高频成分居多。

2）两船吨位相差较大，在相同海况下加注船的运动幅值比受注船更明显，处于不利的状态。加注船运动过大是两船发生碰撞的主要原因，且运动幅值过大会对安全加注作业产生很大的影响，在实际工程中应特别注意。

3）两船之间的系泊缆受力最大的是艏倒缆5#和6#，最大受力约为240 k N，相对于缆绳的最小破断负荷651 k N来说，安全系数为2.71，满足相关指南[9]的要求。橡胶护舷最大反力位于艏部4#，变形量约为25%，也满足安全要求。