大型LNG船系泊安全分析

李永福，梁圣荧，矫珊珊，杨瑞玲

（沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129）

0 引 言

液化天然气（Liquefied Nature Gas, LNG）作为一种清洁能源，已成为国家优先发展的战略性能源。LNG海上运输作为 LNG产业链中的重要一环，其安全性受船厂、船东和船舶管理公司的高度重视。系泊作为LNG船与岸站终端的连接方式，对实现LNG在船舶与岸站之间的安全传输有着至关重要的作用。在建造LNG船过程中，由于停靠码头舾装的周期较长，加上码头处于无遮蔽的海岸线上，LNG船经常会受台风等恶劣天气的影响。同时，船舶吃水较浅，受风面积较大，码头水深较浅，船底与水底的空间相对较小，水流对船舶的作用力较大。此外，码头带缆桩位置相对 LNG船较低，造成带缆高度差较大，缆绳仰角较大，相应的水平约束力较小，工作效率较低，LNG船的码头系泊存在较大不可控的安全风险。

面对上述风险，目前一些船厂仍依靠系缆工人的经验带缆，存在较大的安全隐患，船舶在强风天气下有被吹离码头的危险。学术上对载荷分析方法的基础性研究关注较多，对实际应用关注较少。目前业内已有部分用于确定系泊力的经验公式，但这些经验公式各有特点和相应的局限性，所得结果差异较大，会给实际码头带缆方案的制订带来困扰。本文拟对主要的系泊力计算方法的优缺点和适用条件进行分析，深入了解各计算方法的特点，在此基础上推荐一种适用于大型 LNG船的系泊力分析计算方法。重点通过实例对推荐的计算方法进行验证，并对影响系泊安全的其他因素进行分析，以确定满足船舶实际靠泊安全需求的系泊方案。

1 系泊力的主要计算方法及其特点

船舶系泊力的大小取决于其受到的环境外力。确定船舶系泊力的方法主要有：

1) 按照船级社规范的要求计算船舶舾装数的方法；

2) 按照日本《JSDS 造船舾装设计基准》推荐公式计算系泊力的方法；

3) 采用专业的系泊力分析软件计算系泊力的方法;

4) 按照石油公司国际海事论坛（Oil Companies International Marine Forum, OCIMF）规范《系泊设备指南》推荐的公式计算系泊力的方法。

上述方法的主要特点如下。

1.1 按照船级社规范的要求计算船舶舾装数的方法

国际船级社协会（International Association of Classification Societies, IACS）规定的海船舾装数NEN的计算式为

式(1)中：Δ为夏季载重线下的型排水量，t；B为船宽，m；h为从夏季载重水线到最上层舱室顶部的有效高度，m；A为船长L范围内夏季载重线以上的船体部分、上层建筑和各层宽度大于B/4甲板室的侧投影面积的总和，m2。

上述舾装数计算式是基于水流为2.5m/s和风速为25m/s的环境下船舶受到的外力得到的，主要用来确定锚系的规格。此外，船级社规范根据舾装数给出了对应推荐系泊索的最小破断拉力（MBL）的大小和系泊索的数量。由于在对LNG船进行船-岸兼容匹配时通常需详细地进行系泊力分析，因此这种计算方法对LNG船来说作用不大，仅供常规系泊配置参考使用。

1.2 按照日本《JSDS 造船舾装设计基准》推荐公式计算系泊力的方法

按照日本《JSDS造船舾装设计基准》推荐公式计算系泊力的方法多用于计算移船时的拖航阻力，也可用于计算码头系泊时所需的系泊力。在该方法中，船舶所受外力由风阻力Ra、潮流阻力RW、和推进器阻力Rp组成。在计算系泊力时，考虑到在码头系泊状态下风可能来自于不同方向，应分别对横向和纵向的风阻进行计算；由于码头大多沿河岸或海岸布置，潮流方向一般仅取船长方向，波浪的影响不予考虑。风阻力Ra、潮流阻力RW和推进器阻力Rp的计算式分别表示为

式(2)～式(4)中：Ka取0.0735（横向）或0.0429（纵向）；Aa为水线以上风压方向的投影面积，m2；va为相对风速，m/s；vW为潮流速度，m/s；AW为船的浸水面积，m2；D为推进器直径，m。

上述计算式中，Ka是通用的经验值，不能反映不同船型风阻的差异。在风速较大时，船舶受到的环境外力主要来自于风阻，其计算结果会存在较大的偏差，相应所需系泊力也会存在较大的偏差。

1.3 采用专业的系泊力分析软件计算系泊力的方法

目前已有的系泊力分析软件较多，主要包括ALYON公司的Ship-mooring、MARINE公司的TermSim和TTI（Tension Technology International）公司的Optimoor等。

1) Ship-mooring是典型的动力模型分析软件，考虑风、水流和波浪作用力的非线性及船舶运动，主要适用于深海，如靠泊海上平台等；

2) TermSim是基于动力分析的软件；

3) TTI的Optimoor采用的是静力模型，将一切外载荷按等效静力考虑，风载荷和水流力按OCIMF的推荐公式和图谱系数计算，适用于近海遮蔽码头。此外，Optimoor还可用来计算波浪载荷，根据用户给定的波高计算出波浪作用在船上的近似静力，然后叠加到总载荷中。计算出外载荷之后，可根据缆绳的长度、空间几何位置管系和缆绳的伸缩特性，通过数值模拟计算出每根缆绳的受力。

1.4 按照OCIMF规范《系泊设备指南》推荐的公式计算系泊力的方法

根据OCIMF规范《系泊设备指南》的规定，对无限航区船舶系泊力的计算应基于以下标准环境条件进行，即来自任何方向的风的速度为60kn（即30.9m/s），同时具有以下水流中的1种：

1) 3kn水流，来自前方或后方；

2) 2kn水流，来自偏离船首或船尾10°的方向；

3) 0.75kn水流，来自最大横向水流载荷方向。作用在船舶上的外力主要来自风和水流，其参考坐标系见图1，风作用力与风速和风向角的关系见图2和图3。

图1 参考坐标系

图2 风作用力与风速的关系

图3 风作用力与风向角的关系

船舶受到的风在x方向和y方向的力的计算式为

式(5)和式(6)中：Cxw和Cyw为x方向和y方向的风阻系数；wρ为空气的密度。1.28kg/m3；vw为风速，m/s；AL和AT分别为侧向和艏向的受风面积，m2。

船舶受到的流载荷的计算式为

式(7)和式(8)中：Cxc和Cyc分别为x方向和y方向水流的阻力系数；cρ为水的密度，海水取1025kg/m3；vc为水流速度，m/s；LBP为两柱间长，m；d为平均吃水，m。

除了上述计算式以外，还可计算风和流在水平面上对船舶的偏转力矩。《系泊设备指南》给出了相应的计算公式，其偏转力矩不会改变船舶受到的总外力，但会影响船舶在艏艉处横缆的受力。此外，《系泊设备指南》还分别提供了一套液货船和气体运输船通用的标准风阻系数、水流阻力系数和相应的偏转力矩系数图谱，在计算船舶系泊力时，可从中查阅选取相应的风、水流阻力和水平面的偏转力矩系数。

根据上述分析，用于计算船舶舾装数的方法仅供常规系泊配置参考使用，日本《JSDS造船舾装设计基准》推荐的方法在应用到大型LNG船这种以风阻为主要外力的船舶上时会存在较大的偏差，而采用专业系泊力分析软件的方法相对可靠，但会受到公司购买软件使用版权的约束。鉴于大型LNG船需满足OCIMF规范的要求，其《系泊设备指南》中提供的系泊力计算方法在业内的认可度较高，推荐在计算LNG船的系泊力时采用该方法。对于大型LNG船适用的气体运输船风阻图谱系数，本文利用实船风洞试验得到的风阻系数进行校核。

2 实船的系泊力分析方法校核比较

在建造船舶过程中，先后有多型LNG船委托第三方对实船等比例缩小的模型进行风洞试验，所得风阻系数都比较接近。下面以其中一艘174000m3LNG船为例，先用《系泊设备指南》中提供的风阻图谱系数计算系泊力，再将其与通过风洞试验风阻系数计算得到的系泊力相对比。表1为实例LNG船的主要技术参数，图4为该船在码头带缆的典型缆绳布置。

表1 船舶主要参数

图4 LNG船典型码头系泊布置

2.1 采用OCIMF推荐的风和水流阻力系数计算系泊力

在满载吃水情况下，船舶侧向受风面积AL=6599.4m2，艏向迎风面积AT=1464.1 m2；在压载吃水情况下，船舶侧向受风面积AL=7266.6m2，艏向迎风面积AT=1573.5 m2。

根据式(5)和式(6)，查询《系泊设备指南》中的图谱A17和A18，计算出速度为60kn的风从不同角度对船的作用力，结果见表2。

表2 根据图谱系数计算出的风作用力

除了风作用力以外，船舶还受水流的作用力。查询《系泊设备指南》中液货船的水流阻力系数图谱A5、A10、A12和A13，在OCIMF规定的环境水流条件下，按式(7)和式(8)计算出水流的作用力，结果见表3。

表3 水流的作用力

根据表2和表3，分别比较实例LNG船在x方向和y方向上受到的最大风作用力和水流阻力，可看出风的作用力均远大于水流阻力，风的作用力起主导作用。系泊力是船舶抵抗环境外力所需的约束力，因此计算船舶受到的环境外力即可得到其系泊力。下面采用风洞试验的数据对起主导作用的风作用力进行验证，水流作用力仍采用表3中的计算结果。

2.2 采用风洞试验风阻系数校核

委托Force Technology公司对实例中的船舶进行风洞试验，所得风阻系数见表4。

表4 风洞试验所得风阻系数

采用上述风洞试验风阻系数，根据式(5)和式(6)，得到风速为60kn（即vw=30.9m/s）时风在不同方向对船的作用力，结果见表5。

表5 采用风洞试验风阻系数计算出的风作用力

2.3 作用力特点比较分析

将上述采用OCIMF标准风阻，根据风洞试验风阻系数得到的风向角与对船的作用力相比较。图5为船舶在满载状态下受到的各方向风的作用力对比。图6为船舶在压载状态下受到的各方向风的作用力对比。

图5 船舶在满载状态下受到的各方向风的作用力对比

图6 船舶在压载状态下受到的各方向风的作用力对比

由图5和图6可知，风对船的作用力Fyw在风向角为90°时达到最大，在风向角为0°和180°时达到各自方向的最大值。表6为采用图谱风阻系数和试验风阻系数计算出的风作用力最大值。

表6 采用图谱系数和试验风阻系数计算出的风作用力最大值 单位：kN

从表6中可看出，无论是满载状态还是压载状态，实例船舶采用图谱风阻系数和试验风阻系数计算出的风作用力的最大值都很接近。采用图谱计算所得结果总体上偏大。这里对另外3组LNG船风洞试验风阻系数进行计算比较，结果验证了上述结论。

风和水流对船的作用力是相互独立的，因此将表6中风作用力Fyw和Fxw的最大值分别与表3中相同方向上的水流作用力Fyc和Fxc的最大值相加，可得到船舶受到的总外力载荷Fx和Fy。对于Fx，应分别计算其在0°和180°方向上的最大值。

在根据OCIMF规范计算出船舶受到的总外力载荷之后，还需计算每根缆绳的拉力，确保其不超过安全工作载荷。可根据船舶码头系泊布置中每根缆绳的实际角度，利用三角函数计算出每根缆绳在图1所示的参考坐标系中90°和0°或180°方向上的效率系数，分别用计算出的总外力载荷除以相应方向上的缆绳效率系数之和，计算出所需缆绳的平均拉力。若缆绳的平均拉力均不大于其初始预紧力，则该计算结果是比较准确的。由于缆绳的初始预紧力的大小一般取决于绞车卷筒的工作拉力，每根缆绳的长度都不一样，弹性系数也不一样，当平均拉力大于绞车卷筒的工作拉力时，其拉力将不再一致。

相比上述OCIMF规范给出的计算方法，采用Optimoor等专业系泊力计算软件可更精细地计算出每根缆绳的受力，在实际应用中更为简单。图7为该船在压载情况下停靠青岛岸站时的缆绳布置情况。表7为计算出的每根缆绳的拉力，缆绳初始预紧力为196kN。

图7 LNG船在压载情况下停靠青岛岸站时的缆绳布置情况

表7 缆绳拉力

Optimoor软件虽不直接输出总环境外力载荷，但可通过计算各系缆桩的受力之和得到相应总环境外力载荷，表8为采用OCIMF图谱和Optimoor软件计算出的环境总外力载荷最大值。

表8 采用OCIMF图谱和Optimoor软件计算出的环境总外力载荷最大值 单位：kN

由表8可知，采用2种方法计算出的船舶所受总外力载荷非常接近。

2.4 影响系泊安全的其他因素

从船舶所受环境力来看，除了来自风和水流的这些持续时间较长的环境力之外，船舶系泊安全还受波浪和船舶自身运动等因素的影响。由于这些外力持续的时间较短，系泊缆绳的弹性性能既可补偿船舶短时运动的影响，又能避免船舶有过大的位移。设计的缆绳最大载荷应不超过缆绳破断强度MBL的50%。日常系泊中所采用缆绳的规格和长度应尽可能相近，带缆时尽可能多地使用艏艉离码头较远的导缆孔，可减小缆绳的仰角，从而有效提高系泊缆绳的效率。同时，在风暴来临时，额外增加图4中的风暴缆，可较为有效地提高船舶的系泊安全性。

3 结 语

从上述比较分析中可看出，采用OCIMF规范《系泊设备指南》推荐的公式和图谱计算得到的船舶所受环境外力和通过风洞试验计算得到的船舶所受环境外力非常接近。利用OCIMF图谱计算得到的结果略偏保守，推荐在实际计算码头系缆系泊力时使用。在计算出船舶需要的总系泊力之后，根据初步系缆方案中每根缆绳的空间位置关系计算出每根缆绳的效率，从而手动计算出缆绳的平均拉力。Optimoor或类似的软件可用来精细计算每根缆绳的拉力，有条件时建议使用。当缆绳拉力超过其安全工作载荷时，应调整带缆方案，直到缆绳的拉力不大于其安全工作载荷为止。最终的带缆方案应单船形成标准，用于指导、规范码头的系缆，提高大型LNG船码头系泊的安全性。