缅甸LNG码头船舶并靠和双侧靠泊动态系泊分析

黄 河，陈 谦

(中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032)

近年来LNG(liquefied natural gas)作为一种清洁能源越来越受到市场青睐，很多国家都将LNG列为首选燃料，在能源供应中的比例也迅速增加。相对于传统的前期投资大、工期长的陆基LNG接收站，FSRU即浮式储存及再气化装置(floating storage and re-gasification unit)是集LNG接收、存储、转运、再气化外输等多种功能于一体的特种装备，具有交付时间短、成本低等特点，被越来越广泛地采用。

天津建有FSRU项目，采用的是LNG船舶和FSRU船舶各停靠一个泊位的平面布置方式。国外目前的FSRU项目多采用双船并靠的平面布置形态，不仅节约码头岸线、降低工程造价，而且由于液相管线距离的缩短而增加了安全性。FSRU和LNG采用双船并靠及两侧靠泊的作业方式，其系缆力、靠泊力及船舶相对运动量等与常规靠泊方式存在较大差异，如果工程区域风浪条件差、水动力情况复杂，双船靠泊的稳定性是码头设计的重点。本文基于孟加拉湾内的缅甸某FSRU项目，针对该区域内的复杂水动力条件，计算双船并靠及两侧靠泊作业方式下的船舶运动量，最终确定长周期波浪条件下的作业标准，为类似自然条件下采用双船并靠的FSRU项目建设提供参考。

1 建港条件

1.1 位置及规模

项目位于缅甸伊洛瓦底三角洲的西北部，孟加拉湾东北海岸。码头工程拟建设FSRU专用泊位1个，并配套建设防波堤、引桥和引堤等，以满足17.5万m3LNG船的停靠要求。项目区域位置见图1[1]。

图1 项目区域位置

1.2 气象条件

项目区域属于热带季风气候，全年平均气温基本在18～29 ℃，年均降雨量约为2 760 mm，全年80%～90%降雨集中在5—10月。工程区平常期风速较小，基本为偏NW向，近岸区小于等于6级风(13.8 ms)的频率达到99.94%。但由于拟建工程区位于孟加拉湾东侧岸线，易受到热带气旋影响，在热带气旋影响期间风速较大，近岸区最大风速为42.39 ms(海面上10 m，时距为60 min)，风向为SSE向，热带气旋影响期间，FSRU及LNG船采取离港避风的安全措施。

1.3 水文条件

1)潮位。工程区潮汐类型属于正规半日潮，设计高水位2.58 m(海图基面)，设计低水位0.45 m，潮差不大。

2)海流。工程区水流运动复杂多变，涨潮流主要为NNE～N向；落潮流主要为偏S向。近岸海域大潮平均流速约为0.11 ms，最大流速约为0.22 ms；小潮平均流速约为0.07 ms，最大流速约为0.14 ms。

3)波浪。工程区相对外海开敞，海浪除受台风影响外，受北印度洋涌浪影响显著，因此工程海域波况较为复杂，同时受到台风浪及涌浪影响。主要受到SSW～NW向波浪影响，波型是以涌浪为主的混合浪。

统计分析近岸波浪后报资料，得到波况特征如下：①近岸区常浪向为W向、频率为37.6%，次常浪向为WNW向、频率为23.88%；②强浪向为W向，最大波高为6.59 m，对应谱峰周期为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的频率为24.6%，大于2.0 m的频率为2.42%，大于3.0 m的频率为0.18%；④波浪周期相对较大谱峰周期基本集中于4～16 s，Tp大于8 s的频率为49.47%，大于10 s的频率为28.85%，大于12 s的频率为22.9%，大于14 s的频率为15.89%[2]。

2 研究目的

1)通过数学模型模拟船舶在不同作业工况组合条件下的系泊状况，得出系泊船舶的横移、纵移、升沉、横摇、纵摇、回转6个运动分量。

2)分析在不同作业工况条件下，每根缆绳承受的最大拉力和最大护舷撞击力。

3)依据船舶作业标准，给出不同方案下船舶允许作业的水动力条件。

3 设计方案

3.1 码头平面布置

由于本工程所处位置水动力条件复杂，必须通过建设防波堤来改善和提高港池的泊稳条件，以达到LNG和FSRU船舶安全靠泊要求。平面布置采用半包围岛式防波堤布置形式，防波堤总长1 200 m，码头位于防波堤内侧,FSRU和LNG船并靠或两侧靠泊。FSRU-LNG船并靠系缆布置见图2，FSRU-LNG船两侧靠舶系缆布置见图3。船型参数见表1。

图2 FSRU-LNG船并靠系缆布置

图3 FSRU-LNG船两侧靠泊系缆布置

3.2 设计船型

船型参数见表1。

表1 船型参数

3.3 设计条件参数

1)波浪。由于防波堤的掩护作用，泊位处浪向为SWS和SW向，平均周期为8、10、12、14 s。

2)海流。海流流向选取N～W的沿岸流，设计流速为0.17 ms。

4)缆绳参数。系泊时缆绳采用HMPE，尾索为尼龙缆(11 m)，初张力为98 kN，各种缆绳材质的特性参数见表2。

表2 缆绳参数

试验结果根据石油公司国际海事论坛(OCIMF)MooringEquipmentGuidelines[3]的规定来衡量系缆力是否满足要求，对于直径为φ44 mm 的HMPE缆，其最小破断力为1 370 kN，则单根缆绳所受到的最大拉力应小于685 kN(50%的最小破断力)。

5)护舷参数。码头与FSRU之间采用SCN2000F1.8型号护舷，FSRU和LNG船之间采用4组φ4.5 m×9.0 m护舷、2组φ2.0 m×3.5 m护舷，参数见表3。

表3 护舷参数

当计算所得到的撞击力和撞击能量超过护舷的设计撞击力和撞击能量时，则认为护舷型号不满足要求。

6)允许作业标准。船舶的6个运动分量须满足BS 6349-1—21:2013Maritimeworks-Part1-1:General-Codeofpracticeforplanninganddesignforoperations[4]中的要求，并基于PIANC 的规定标准进行修订。本文针对于FSRU和LNG船，采用的横荡和纵荡运动量标准为1 m，其中横荡定义为零到最大值，纵荡定义为峰值[5]。

4 系泊分析

4.1 系泊模型

动态系泊模型采用Hydorstar & Ariane软件进行计算，该软件可计算波-物相互作用时可以考虑多体干扰作用、航速效应以及舱内液体运动，可以评估一阶和二阶波浪力、运动、加速度、相对运动和波浪升高。模型在计算水动力问题时，考虑了浅水波影响及一阶载荷与二阶载荷的浅水效应，有效提高了浅水计算水动力的精度[6]。

采用时域分析方法求解系泊系统的响应，选取的系泊缆绳为HMPE 与尼龙缆绳组合，考虑了系泊缆绳上的载荷非线性特性，非线性特性是指采用莫里森Morison方程求解作用在系泊缆上的流体载荷效应，作用在系泊缆上的拖曳力与相对速度(流体与缆绳之间)的平方呈正比。系泊船舶在风、浪、流等环境载荷和系泊载荷的共同作用下处于平衡。在时域内，考虑系泊系统之后的平衡方程如下：

Ci×jXj=[Fwj(t)]+Fm+Fc+Fwind

(1)

4.2 计算结果

根据波浪数模结果，考虑了该工程后的几个主要影响浪向、代表水流和风，按照本区可能出现的不同波周期代入系泊数模对FSRU和LNG船并靠的系泊方式进行分析。依据OCIMF提供的经验公式计算船舶受到的风力系数和流力系数，通过软件计算平均慢漂力和水动力系数、一阶波浪载荷传递系数，并考虑风、浪、流环境力综合作用分析系泊状态下的运动时域，得到缆绳的受力时历曲线，最后按照3 h回归周期得到船舶运动量和缆绳受力最大统计值。根据得到的数值模拟结果与标准对比，得到对应的作业波高标准。

针对FSRU压载+LNG船满载，FSRU满载+LNG船压载两种作业工况，分别计算在风、浪和流载荷作用下的FSRU与LNG船的运动响应特性，得到了两船6自由度运动量、缆绳拉力以及护舷撞击力。根据允许作业判断标准，综合考虑运动量、缆绳拉力以及护舷撞击力，分别得到两种装载组合工况下的允许作业波高，见表4、5。

表4 FSRU和LNG船并靠时的允许作业波高

表5 FSRU和LNG船两侧靠泊同时作业时的允许作业波高

5 结论

1)FSRU和LNG船的6个自由度运动量、系缆力和撞击力结果均随波高和波周期的增大而增大。

2)在长周期波影响下，FSRU和LNG船的允许作业波高明显降低。

3)虽然横荡和纵荡运动允许作业标准对应的极限值为1 m，但由于一个为最大值，一个为峰值，所以纵荡运动更容易超标，为影响船舶允许作业标准的重要因素。

4)LNG船舶的卸载对泊位更有利。

5)针对波浪条件相对恶劣条件下FSRU码头的建设，采用FSRU和LNG船两侧靠泊的平面布置形态，可以提高船舶允许作业波高，更能有效地抵御波浪影响。