天津港LNG 码头前沿顶高程研究

张 静

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300220）

引言

随着国民经济的发展，我国天然气资源与市场需求之间的缺口越来越大，从国外引进天然气量将逐年加大，尤其是在能源相对缺乏而经济发达的环渤海地区，而运输方便、安全、清洁、高效的LNG则成了相对较优的选择。随着国家对能源需求的不断增长，引进LNG 将对优化中国的能源结构，有效解决能源供应安全、生态环境保护的双重问题，实现经济和社会的可持续发展发挥重要作用。在这种背景下，北京市燃气集团有限责任公司认真贯彻落实国家加快储气设施建设和完善储气调峰辅助服务的要求，拟在具有LNG 接收站建设条件的天津市南港工业区规划建设LNG 项目。北燃LNG 码头位于天津港大港港区东港池东岸北端，工程建设1 个可靠泊1～26.6 万m3LNG 船的LNG 泊位，考虑到LNG 泊位兼顾船型较广，工程建设既要满足大型船舶靠泊需求，同时又要防止小型船舶靠泊时吊缆现象的发生，工程对码头各部分高程体系要求较高，本文根据规范公式进行计算，考虑船舶系靠泊设施的布置情况，结合船舶系泊物模试验对船舶靠泊作业相关的各部分高程进行分析，给出LNG码头顶高程设计的合理建议，为类似工程设计提供参考。

1 设计条件

1）设计水位

设计高水位 4.30 m；

设计低水位 0.50 m；

极端高水位 5.88 m；

极端低水位 -1.29 m。

2）波浪条件

根据本项目北京燃气天津LNG码头平面布置方案建立港内考虑波浪折射、绕射和反射的波浪数学波型，得出港内的波高分布和码头前一些控制点位置的波浪要素。综合比较设计风速推算结果、天气图方法结果及分析塘沽海洋站实测资料，LNG码头位于防波堤内侧，受防波堤掩护作用的影响，外海波浪对码头水域的影响较小，由于防波堤内水域宽阔、码头前水域及航道的开挖、水深较大，码头前主要考虑受偏N～NW方向的局部风浪影响。为此根据该水域的不同重现期风速对码头水域的风浪进行了推算。

表1 N～NW 方向港内码头风浪要素

3）设计船型

表2 船型尺度表

2 顶高程计算

码头前沿顶高程应满足当地大潮时码头面不被淹没、便于作业、结构安全和码头周边衔接等要求，并应根据当地潮汐、波浪、泊位性质、船型、装卸工艺、船舶系缆、陆域高程、防汛等要求确定[1]。本工程为LNG码头，码头装卸平台顶应有足够的高度，以尽量减少波浪力的影响，保证码头上部结构和设施的正常使用，但是如果太高，又可能在船舶满载低水位时超出装卸臂的工作范围，在确定平台高程的时候，要统筹考虑波浪力和装卸臂的影响。

靠船墩和系缆墩的顶高程，还必须考虑系缆的垂直角，顶高程过高的话，由于满载时船舶的甲板高度过低，系缆时就会出现吊缆现象，加速缆绳的磨损，当顶高程过低的话，会导致大船在设计高水位空载情况下系缆的仰角过大（一般不宜超过30°），从而影响系缆效果。靠船墩、系缆墩上通常会设置绞盘、脱缆钩控制系统、液压动力装置等系船设备，最好不要上浪[2]。

1）按受力标准控制的码头前沿顶高程计算

根据《海港总体设计规范》（JTS165-2013），码头前沿顶高程按照下列公式计算：

式中：

E—码头前沿顶高程（m）；

E0—上部结构受力计算的下缘高程（m）；

h—上部结构高度（m），结构厚度2.2 m；

DWL——设计水位（m），设计高水位，4.3 m；

η——设计高水位时重现期为50年的H1%（波列累计频率为1%的波高）静水面以上的波峰面高度（m）；

h0—水面以上波峰面高度与上部结构底面的高度（m），本工程波峰面低于上部结构，故取0。

ΔF—受力标准的综合富裕高度（m），取0.8 m。

E=4.3+1.20+0.8+2.2=8.5 m。

按照受力标准控制，LNG码头前沿顶高程取为8.5 m。

2）按上水标准控制的码头前沿顶高程计算

本项目所处港池位置对外海波浪掩护良好，仅需考虑港池小风区风成浪的影响，根据规范相关条文，码头前沿高程按照基本标准和复核标准分别计算。

基本标准：E=4.3+1.0～2.0=5.3～6.3 m

复核标准：E=5.88+0～0.5=5.88～6.38 m

按照上水标准控制，码头前沿高程不宜低于6.0 m。

本工程码头前沿顶高程暂取值8.5m进行后续的计算分析。

3 船舶系缆垂直角测算

1）系泊模型试验高程论证

26.6万m3LNG船系缆方式采用3-3-2-2型式，艏艉缆和艏艉横缆1各3根，艏艉横缆2和艏艉倒缆各2根，如图1。

图1 26.6m3LNG 船舶系缆方式示意图

1.0万m3船舶系缆方式如图2。船艏、艉缆和艏、艉倒缆分别为两根，其中艏、艉缆系在系缆墩上，艏、艉倒缆分别系在工作平台的脱缆钩上。

图2 1 万m3LNG 船舶系缆方式示意图

图3 26.6 万m3LNG 船舶系泊试验照片

其中在设计低水位、船舶满载条件下，存在垂直角为“-”，表明船舶带缆点处的甲板在系缆墩/工作平台顶高程以下，此时缆绳系缆后可能会与码头边缘接触摩擦，故在模型上严格模拟了护舷的几何尺度以及码头和船舶系缆点的位置，并对缆绳和码头边缘是否接触进行了校核。

经试验模拟，工作平台系缆点高程为8.5 m时，1万m3LNG船，当艏倒缆从船舶型深处的导缆孔出缆，则缆绳与码头边缘接触，且此时的艏倒缆长度较短，不建议使用，除该导缆孔外，其余导缆孔出缆，均不与码头前沿接触。

在靠船墩、系缆墩顶高程能够满足上水标准（≥6.0 m）要求的前提下对系缆位置处高程进行适当降低，在系缆点高程降为7.0 m时，各组缆绳可实现均不与码头边缘接触。此种工况下，26.6万m³LNG船与1万m³LNG船的缆绳角度和缆绳长度如下表所示：

图5 1 万m3LNG 船舶系泊吊缆现象

表3 26.6 万m³LNG 船缆绳角度及缆绳长度

表4 1 万m³LNG 船缆绳角度及缆绳长度

在本工程系缆位置处高程调整为7.0 m后，26.6万m³LNG船其缆绳角度和缆绳长度均比较适宜，1万m³LNG船在高程调整后，也不存在吊缆现象，可见，系缆位置处顶高程取值7.0 m，从船舶系缆方面考虑比较合理。

4 护舷安装位置分析

有靠泊需求的靠船墩顶高程，除了考虑上水和结构受力外，还应结合涨、落潮和压、满载时船舶甲板高度的变化考虑护舷安装位置的合理性，以便能有效地承受船舶的撞击力。

LNG船舶靠泊的船侧并非完全是一个平面，而是两端为曲面的不规则形状，仅有中部位置为可靠泊区域，《海港总体设计规范》给出的船舶护舷布置间距取值设计船长的30 %～45 %，在分析护舷与码头前沿顶高程的相关关系时，仅有≤45 %船长的船侧直立面能满足靠泊护舷接触面需求。对大船而言，由于船体较大，船舶护舷接触面尺度基本能满足靠泊需要，但对小船而言，对可靠泊的船侧直立面需要慎重考虑，对于本工程LNG码头，由于靠船墩间距较大，须同时在工作平台布置护舷，方能满足小型LNG船舶靠泊需要。

1万m³LNG船和26.6万m³LNG船，在满载和压载工况下，船舶可靠泊船侧尺度如表5所示。

表5 船型尺度表

结合设计船型满载和压载工况下可靠泊船侧尺度，本工程靠泊护舷选用SC1700H两鼓一板橡胶护舷，两鼓的鼓中心高程分别为5.4 m和2.7 m，考虑到板的高程，护舷布置后船体接触板面顶高程约6.8 m，这就决定了本工程靠船墩顶高程不宜小于该数值，本工程设计选取顶面高程7.0 m较为合理。

图7 LNG 船舶满载设计低水位靠泊示意图

图8 LNG 船舶压载设计高水位靠泊示意图

5 结语

本文以北燃LNG配套码头为例，根据工程区域的潮汐和波浪条件，对码头前沿顶高程按照受力标准和上水标准分别进行了计算，在规范计算基础上，结合船舶系泊物模试验和船舶靠泊时与护舷的相互作用，对码头前沿顶高程进行了优化，给出顶高程合理值。受工程建设位置影响，本工程码头前沿顶高程确定时未考虑防洪、风暴潮[3]等因素的影响，如工程区域存在上述因素，在高程设计时，尚需要加以考虑。