LNG应急过驳船舶选型与兼容性分析

时光志，朱明昌，石峰，黄立文，谢澄*

(1.中海油能源发展股份有限公司 采油服务分公司 天津 300452；2.武汉理工大学 航运学院,武汉 430063)

随着我国LNG进口量的逐年增加，LNG运输船运输业务大幅增长，潜在的LNG运输船事故发生数量也相对提升。由于LNG货物的冷态液体特殊性，LNG货物不能维持过长时间保存，LNG运输船货品特性要求必须及时采取海上应急过驳救助措施进行处理以避免造成货物损失和海事安全风险隐患，这给我国LNG船舶安全监管和应急救援保障提出巨大的挑战。关于LNG船对船过驳作业，OCIMF、IACS、SIGGTO等国际组织现已出台相关的指导文件，我国交通运输部也发布了天然气的过驳标准。已有的研究涉及LNG运输船过驳安全问题，如，碰垫和软管的选取和兼容性分析[1]；LNG加注作业时的两船兼容性问题，两船间碰垫配备、两船船舶尺度、加注软管和软管吊起吊能力分析[2]。目前国内对LNG船舶应急救援技术相关研究尚处于起步阶段，对大型LNG运输船在海上发生应急事故时的货物转运研究不足，需进一步对LNG应急过驳船舶选型和兼容性进行研究，满足国内LNG船舶安全保障需求。为此，考虑对国内到港主要LNG运输船的船舶参数进行统计分析，确定在海上应急情况发生时，LNG应急过驳受载船的可选船型。通过参照规范标准及计算方法，对LNG应急过驳船舶船型、舱型、舱容、软管连接、防撞设备、系泊条件等方面兼容性进行分析，提出17万m3卸载船过驳匹配方案，以初步解决两船的匹配问题。

1 国内到港LNG运输船现状

1.1 基本情况

目前国内外LNG运输船数量相对较少，截止到2019年，全球LNG船舶数量仅598艘[4]，见表1。

表1 2019年全球LNG船舶状况

我国目前现已建成并投入营运的接收站共有22座，根据近10个月对我国到港LNG运输船的统计可知，容积小于10万m3的中小型LNG船舶数量最少，货舱容积在区间10万～20万m3的大型LNG船舶数量最多；除此之外，超大型LNG船舶也服务于我国进口LNG的运输。将LNG运输船按舱容大小分为4个范围[5]，占比情况见表2。

表2 国内到港船型尺度统计表(2020年8月—2021年4月)

1.2 典型主力船型

统计分析可知，22万m3、17万m3、14万m3、3万m3的LNG运输船是国内到港的LNG运输船中的典型主力船型。22万、17万、14万m3的LNG运输船代表船有TEMBEK、PAN AFRICA、DAPENG STAR等，其液货舱舱型大都采用NO. 96薄膜型和Mark III薄膜型，少数采用Mark II薄膜型和MOSS型。3万m3的代表船是中国船东的海洋石油301号，其液货舱采用独立C型液货舱。具体的参数及17万m3典型船型布置见表3。

表3 典型主力船型参数

1.3 应急过驳船舶选型

由于LNG货物特性，发生应急情况时需及时过驳转运至就近的LNG接收站，受载船要满足船型、舱型的兼容性，配备与卸载船能够相互匹配的低温软管设备、防撞设备、系泊设备等，同时应急过驳船舶选型也要考虑经济效益和环保因素。

选用中国船东的LNG运输船进行应急过驳作业的备选受载船船型，表4是中国船东的应急过驳LNG受载船可选船型参数见表4。

表4 LNG受载船选型表

2 兼容性分析

2.1 船型

在船型匹配方面，原则上进行LNG应急过驳作业两船尺度相近为宜。目前国内到港主要是17万m3LNG运输船，尺度参数为长290 m、宽45 m左右的大型LNG运输船居多，可进行相近尺度的两船进行匹配，要求两船型线不能差别太大，否则会导致两船舶靠泊无法靠至正常过驳距离，软管长度不够，碰垫无法正常发挥作用。

两船能够容许的最大干舷差受于软管的长度限制，若两船的干舷差过大，传输系统的垂向距离不能满足其正常水平状态系泊的连接传输，横向距离导致软管的位移极限难以满足船驳组合体受风浪的影响；同时干舷差过大，会使软管内LNG的流速过大过急，过大的流速会导致难以控制和易生静电，使软管容易脱落，发生泄漏。经实验计算，得出两船的干舷差应不大于10 m。卸载船、受载船软管输气口前后差距不应大于5 m。

2.2 舱型及舱容

对于两船舱型，由于液态LNG温度高于该压力下的沸点，LNG就会迅速沸腾汽化，使液态LNG内部产生大量的气泡，液货舱产生高压，所以要采用压力、保冷效果相近的液货舱类型进行过驳作业，在过驳过程中就不会发生类似C型舱对薄膜舱过驳时热液进入冷液的闪蒸现象[3]。

对于两船舱容的大小，因为卸载船应急情况紧急，不允许长时间的过驳作业，应尽量保证两船具有相同的舱容大小，在尽量少的次数完成对卸载船的应急过驳作业，使液货处于安全装载状态。在分多次转运时也要避免因舱容的大小出现的半舱装载的情况。同时舱容大小相近的LNG运输船，在船型尺度方面，如在线型、干舷差、管汇位置、系泊方案等方面也能达到基本吻合，能满足兼容性条件。

2.3 低温软管

通常在进行大型LNG运输船过驳作业时，船舶管路布置4根液相管和1根气相管，5根管道的位置为气相管居中，两边各布置两根液相管，低温软管通过Y形变径和绝缘法兰与船舶管路进行连接，低温软管管径及布置满足OCIMF要求，气相和液相软管可为8、10、16、20 in，间距一般为3 m。软管长度必须考虑最小弯曲半径要求、船舶受风浪流影响的垂向和横向运动幅度等因素，防止过驳过程中干舷差过大而导致及管汇拉断，一般取最大高度差的2倍[6]。

2.4 碰垫及系泊

国际行业标准要求，为了保证过驳两船靠泊时安全，LNG应急过驳作业应配备一定数量主碰垫、辅助碰垫，主碰垫沿船体平行部分放置，对船体提供最大限度的保护。辅助碰垫布置在船艏和船艉，避免在系泊和作业期间两船发生意外碰撞。主碰垫和辅助碰垫通常采用充气式橡胶碰垫，满足国际浮式碰垫标准[9]。

主碰垫选取，先计算靠泊系数C。

(1)

式中：DSA和DSB分别为船A和船B排水量。

通过式(1)计算，再根据OCIMF碰垫快速选取表，根据我国液化气体船舶安全作业国标建议的计算方法、碰垫推荐规格和数量要求选择主碰垫。

考虑到两船靠泊过驳作业期间，相互平行接触较少，单个碰垫更有可能吸收初始碰撞能量，故应校核单个碰垫作用时能否满足吸收碰撞能量的要求。靠泊碰撞能量计算通常采用1.8倍船舶排水量的方式考虑靠泊额外力的作用，即

DSAA=1.8·DSADSBA=1.8·DSB

(2)

式中：DSAA和DSBA分别为船A和船B调整排水量。

两船总调整排水量为

(3)

单个碰垫作用时靠泊碰撞能量为

E1=0.025DTA·V2

(4)

式中：V为抵靠速度，m/s。

两船平行靠泊时，靠泊载荷和碰撞能量均匀分布在所有碰垫上，应校核所有碰垫同时作用时能否满足吸收碰撞能量的要求，所有碰垫同时作用时靠泊碰撞能量为

EN=0.051DTA·V2

(5)

(6)

式中：EN为撞击能量；DTA为系统调整排水量；c为调和系数，取1.8；Wa、Wb为船舶排水量[7]。

两船通过系泊设备稳定地系靠在一起，视为一个组合体进行过驳作业。两船应根据船舶吨级及风浪流对两船的影响水动力计算，结合不同的规格缆绳的参数表，配置合适的缆绳，做好系泊方案。

所需缆绳的系缆力为

(7)

式中:F为船舶因风浪流的影响所受到的总荷载的纵向分力,kN；n为系泊船缆绳同时受力时计算得到的系船柱数目，K为系船柱受力不均匀系数；当实际受力的系船柱数目，n等于2时，K取1.2；当n大于2时，K取1.3；α为系泊船缆绳的水平投影与水平面所成的夹角；β为系泊船缆绳与水平面之间的夹角。受载船的船舶纵向系缆力的标准值N可以通过式(7)求取。

FL=λL·Φ2

(8)

(9)

式中:FL为系泊缆绳的破断力,kN；λL为系泊缆绳的破断力系数；Φ为系泊缆绳直径,mm；nL为同一个系缆桩(墩)上缆绳的根数[8-9]。

3 典型案例匹配方案

3.1 案例船型及参数

以卸载船为17万m3LNG运输船为典型案例进行匹配，如国内到港MARAN GAS LINDOS、BORIS DAVYDOV的174 000 m3船舶为NO.96薄膜式LNG运输船，船长为294 m，船宽为44 m，绳数18根，缆绳型号为HMPE，缆绳直径68，缆绳强度达1 370 kN，管汇中心线至满载水面高度为19.5 m，管汇中心线至压载水面高度为22.1 m，液/气相管在平台上之高为1.4 m，管汇至船边3.5 m，船舷配有5根总管，其中4根液相、1根气相，尺寸16 in，间距3 m。

受载船方案选择一艘舱容为174 000 m3NO.96薄膜型的PAN AFRICA、PAN EUROPE，船长290 m，船宽47 m，缆绳数18根，缆绳型号为HMPE，缆绳直径68 mm，缆绳强度达1 370 kN，管汇中心线至满载水面高度为19.3 m，管汇中心线至压载水面高度为22.2 m，液/气相管在平台上之高为1.4 m，管汇至船边3.5 m，船舷配有5根总管，其中4根液相、1根气相，尺寸16 in，间距3 m。

3.2 匹配结果

通过对17万～17.4万m3LNG运输船应急过驳作业在船舶尺度兼容性、连接系统兼容性、系泊方案等进行评估分析，匹配结果如下。

1)碰垫。采用5个3.3 m×6.5 m的初始内压80 kPa典型高压碰垫，建议靠泊速度不超过0.2 m/s，辅助碰垫使用2个2.2 m×5.5 m的初始内压50 kPa典型高压碰垫。

2)管汇位置。卸载船、受载船的管汇中心在船舯附近，匹配良好。

3)管汇。受载船和卸载船的管汇布置方式均为L-L-V-L-L形式，2船过驳管汇布置是兼容的；过驳过程中将采用Y形变径接头连接8 in软管，共需配备8根液相软管、2根气相软管。

4)过驳软管。配备8 in连接软管，长度至少18.8 m。

5)船/船连接系统(SSL)2船均配备光纤、气动和电缆3种连接方式，SSL连接系统的兼容性良好。

6)系泊方案。过驳作业系泊方案采取船艏对船艏的方式，卸载船抛受载船靠泊另一侧的锚进行锚泊，系泊布置采用艏部4根系泊缆，艉部4根缆，船中部分靠近首尾部分各设置2根倒缆，缆绳型号为HMPE，缆绳直径68 mm，尽量使缆绳出缆长度接近，受力均匀。

匹配方案中船型、舱型、过驳用软管的位置布置及尺寸、系泊设备等条件计算匹配良好，见图1。

图1 17万m3卸载船与17.4万m3受载船过驳布置设计方案

4 结论

统计分析国内到港主要LNG运输船的船舶参数，典型主力船型为10万～20万m3LNG运输船，提出典型船型数据参数。当应急情况发生时，考虑到方便调用的条件下，有18艘中国船东的LNG运输船可供进行受载船选型。通过对两船兼容性的分析计算，在船型方面，两船尺度应相近为宜，最大干舷差应不大于10 m；舱型应具有接近的保冷效果和液货舱压力，两船的舱容应相近，保证能在安全有效的次数下，高效地完成过驳作业；过驳作业所用低温软管一般采用四气一液方式布置，长度考虑软管最小弯曲半径要求、船舶垂向和横向运动幅度等因素，一般取最大高度差的2倍；碰垫及系泊方案选择通过船舶排水量、抵靠能量及水动力等条件，提出一般的计算方法。并通过典型案例分析，得出匹配结果，兼容性良好，能够为LNG应急过驳作业中的船舶选型和兼容性分析提供理论支撑。