基于虚拟仿真和实船验证的恶劣天气下LNG船舶靠离泊操作分析

黄 明 窦佩军 王裕平 游 旭

(武汉理工大学智能交通系统研究中心1) 武汉 460063) (青岛引航站2) 青岛 266011)

0 引 言

LNG船舶是运输-163 ℃低温液化天然气的专用船舶，是高技术、高难度、高附加值的“三高”产品，被称为海上超级冷冻车.由于LNG在运输过程中的特殊性，不仅仅具有原油类似的危险性，还有其独特的低温危险性.一旦运输过程中出现任何意外，对于船员、船舶、码头及相关设施均易造成极大危害，因此LNG船舶先天性地对安全有着更高的要求[1].

董家口港区位于青岛西海岸新区琅琊台湾西南端，靠近青岛市和日照市分界处，西起沐官岛、董家口，东至胡家山.董家口港区LNG接收站作为中国石化和山东省首个LNG接收站项目，近年来，到港LNG船舶数量增长迅速，2021年青岛港董家口港区液化天然气(LNG)船舶结转量位居全国前三，船舶平均接卸效率居全国首位[2].由于港区水域大风、大雾等恶劣天气现象时有发生，对LNG船舶靠离泊安全造成不利影响，为了保障船舶和港口安全，需要了解恶劣天气对LNG船舶靠离泊操作的影响，制定有针对性的安全操作方案.本文总结引航机构的靠离泊操作经验，分析恶劣天气下的LNG船舶靠离泊安全风险，提出风险管控措施.

1 问题描述及模型构建

1.1 靠离泊操作规程及风险因素分析

LNG船舶一般体积较大，在靠离泊时速度较低，舵效较差，如果没有配置侧推装置，往往不能自行有效地控制船舶转向，需要配备拖轮增加外部动力，实现整体从欠驱动转化为全驱动的形式，以使船舶能够平行靠泊或离泊.根据相关行业标准对LNG船舶的要求，LNG靠泊时应至少配备3艘拖轮协助作业，离泊时应至少配备2艘拖轮[3-4].

使用拖轮靠离泊的基本方式是侧拉和顶推.侧拉是通过缆绳将拖轮与大船连接，利用拖轮施加拉力协助大船移动或转向.为了保障拖轮航行的灵活性和拖力有效性，需控制拖缆和近岸艏面的夹角不低于15度[5].顶推形式是拖轮直接将船头顶推到大船上施加外力，从而使其迅速改变或保持一定的航速和航向.

除LNG船舶本身存在的欠驱动特性外，其他影响因素如交通流、航道、港口基建、人为因素，以及恶劣天气等均易造成安全风险[6].

1.2 以青岛董家港区为例的环境影响分析

1.2.1自然环境

1) 风 董家口港区强风向为ENE向，最大风速12.8 m/s，次强风向为NE向，风速11.8 m/s.曾出现过23 m/s的大风，20 m/s以上的大风多由台风和冬季寒潮造成，港区东南面向黄海，自东南向西北移动的台风对本港区影响较大.

2) 浪 ①董家口港区水域实测海浪是以涌浪为主的风涌混合浪，观测期间最大H1/10波高为3.53 m，同时刻对应的平均周期是8.43 s，观测到的最大平均周期为8.67 s，同时刻对应的H1/10波高为2.50 m；②强浪向和常浪向均为ESE向，频率为48.96%，次强浪向和常浪向为SE向，频率为33.63%.年实测最大风速18.7 m/s，风向为NNE，常风向为NNW向，频率为16.83%；③全年平均H1/10在0.5～0.6 m，其中，2—9月略大，10—次年3月略小.全年平均T1/10在4～6 s；④大浪的主要方向为E～SE向，方向分布集中度较好，平均散角约为10°～30°.大浪过程的能谱分布特征为单峰，与JONSWAP谱的谱型符合较好，但尖度因子取值有所不同；⑤码头区域实测最大有效波周期为13.25 s，对应有效波高为2.02 m，出现在台风期间.

3) 流 董家口港区航道海域流速较快，水流动力条件及海况复杂.通过观测站观测得出：①测区内流速较小.涨潮平均流速最大值出现在C2垂线的大潮期，为0.37 m/s；落潮平均流速最大值同样出现在C2垂线的大潮期，为0.30 m/s；②C1垂线大、小潮平均涨潮期平均流速与落潮期平均相当(平均落涨比均=1)、C2、C3两垂线大、小潮平均涨潮期平均流速均大于落潮期平均(平均落涨比均<1)；③潮平均流向：涨、落潮平均流向各垂线大、小潮差异不大.测区内潮流具往复流特性.

4) 雾 董家口港区年平均有53 d属于雾天，且多以平流雾为主，有连续的雾日天数长、时间跨度大、浓度大等特点.雾季为4—7月，月平均雾日在2.6～2.9 d；11月到次年4月，月平均雾日在0.9～1.9 d，8月到10月雾日数相对较少,月平均雾日在0.3～0.4 d.

1.2.2港区环境

董家口港区为新港区，岸线及水域为天然状况，水深条件优越，水下地形稳定，近海自然水深平均-15 m，距岸1 000 m水深可达-20 m，港池规划包括东港池、中港池、北港池、南港池四大专业港池；规划码头岸线长约35.3 km，码头包括：液体化工码头、散货码头、通用杂货码头、集装箱码头等，规划总泊位数112个.

目前，董家口港区码头岸线5.45 km，包括华能通用码头，青岛港集团40万吨级，30万t级、20万t级的铁矿石专业化码头已经建成投产，中石化LNG接收站工程，大唐3.5万和5万t级的通用码头均已投产.总计22个生产性泊位.

1.3 LNG船舶靠离泊协助拖轮配备

考虑LNG船舶的运动特性，选取MMG(mathematical modeling group)模型，采用两个右手坐标系分别为地球坐标系和随船坐标系.其模型如下[7].

(1)

XR+XWD+XWV+XC

YH+YR+YWD+YWV+YC

NH+NR+NWD+NWV+NC

(2)

除船舶本身的特性外，外部环境影响主要包括风、浪、流等因素.船舶所受风动力及正横方向的投影的计算公式为

(3)

(4)

(5)

式中：ρa=1.226 kg/m3为空气密度；Ca为风动力因素，受风舷角以及载重决定；Aa为水线上船体受风正面积；Ba为水线上船体受风侧面积；；va为相对风速，在风速较小时取均值，6～8级时取1.25倍均值，8级以上时取1.5倍均值.

船舶所受横流阻力的计算公式为

(6)

式中：ρw=1 025 kg/m3为水密度；Cw为水动力系数；Bw为水线下船体侧面积；vw为水流速.

通过计算船舶的运动状态，可以得出船舶所需拖轮的推力总和，结合港口拖轮类型和数量合理配备.

2 基于虚拟仿真的LNG船舶靠离泊操作实验

2.1 实验环境

1)进出港航路及泊位 采用瓦锡兰航海模拟器Navi Trainer Professional-5000开展虚拟仿真.实验范围设置包括董家港区进出港主航道、LNG支航道和部分港池，航道总长约20 n mile.其中，主航道长约15 n mile，航道走向为318°39′16″～138°39′16″；LNG支航道服务于董家口港区LNG码头，走向为162°21′～342°21′.航道见图1.

图1 董家口港区LNG航道构成

2)气象、海况条件 试验选取的气象、海况条件为：①风 风力：6级以上；风向：北风、东南风、东北风；②能见度 能见度不良，低于2 000 m；③潮流和流场 高/低潮前后30 min开航离泊，高/低潮前后2.5 h；选择2021年8月24日的潮汐和流场作为测试环境，正高潮0730；④船舶模型及拖轮 根据董家口港区到港船舶情况，模拟实验选择的船舶模型资料见表1.

表1 船舶模型资料

通过计算选取合适的拖轮配备方案，当风力由5级逐渐加强至6级和7级，能见度良好，协助拖轮4艘，功率分别相当于拖力5 900 kW 1艘、5 180 kW1艘、3 900 kW2艘.风力7级以上，能见度不良逐渐降至0.5 n mile以下，协助拖船5条，马力分别相当于拖力5 900 kW1艘、5 180 kW 1艘、3 700 kW 2艘.辅助拖船1艘相当于3 700 kW.

2.2 仿真实验过程

结合董家口港区实际环境开展恶劣天气下的靠离泊实验仿真，选择具备丰富经验的船长、引航员在航海模拟器上进行模拟操纵靠离泊实验，实验程序如下：

1) 结合实际环境情况制定LNG船舶靠离泊模拟实验方案 根据董家口港区LNG船舶靠离泊和码头、航道情况，选择在平潮前后30 min进出防波堤口.

①受大风影响 在靠泊过程中突遇大风，风力大于6级且增强趋势明显，可预估防波提的风流压差，如果风流压差大于15°及风力大于7级以上应选择在141号浮之前掉头出港，取消进港计划；如船舶已经驶过141号浮进入LNG支航道，采取船舶应急操纵方案并及时加大协助拖轮数量；在离泊过程中风力大于6级且增强趋势明显，则中止离泊.如船舶无法回靠或预估防波提口门处风流压差大于15度可选择在掉头区抛锚，并及时增加协助拖轮数量.

②受浓雾影响 如在进港时突遇浓雾且能见度小于0.5 n mile，选择合适水域掉头出港，如果船舶已进入LNG支航道，需谨慎操纵应急靠泊；如果能见度小于2 000 m但大于0.5 n mile，可根据防波提口门处的风流压差选择操纵方案，风流压差大于10度应选择出港；如离泊时能见度小于0.5 n mile，选择掉头区抛锚，能见度小于2 000 m但大于0.5 n mile时，要根据防波提口门处的风流压差确定继续离泊还是选择合适位置抛锚，风流压差大于10度时选择合适水域抛锚.

2)根据不同的风力、风向、能见度等组合反复在模拟器上进行实验 在6级、7级东北风时均能顺利完成靠、离泊作业；在落流时段，6级～7级西北风，靠泊难度大、风险程度高.在常风向下，在风力达到7级及以上时，安全靠离泊难度较大，需要时刻关注风致偏移对本船的影响，并根据风向和风力增加拖轮(大于5 000匹)配备数量.靠泊时一般将增加的1条拖轮带于左舷船首，另一条拖轮保持机动，以备风力突然增大时减轻对本船的不利影响；离泊时如果突遇能见度不良，至少增加1条拖轮，置于离LNG船舶0.5 n mile处，用以保持航道清爽并时刻关注能见度的变化情况.

2.3 仿真实验结果

根据仿真实验，董家口港区LNG船舶靠离泊作业，在6级、6～7级东北风时，高/低潮前后30 min和高/低潮前2.5 h开航，能够顺利完成靠离泊作业；在7级风力以下且确定风力不会突然加大时，靠离泊作业是可行的；7级以上风力、能见度不良时进行靠离泊操纵，由于水域受限和风致偏明显，靠离泊操纵困难，风险程度高.

3 LNG船舶靠离泊风险管控

3.1 LNG船舶靠离泊风险

3.1.1恶劣天气条件界定

考虑董家口海事、码头、轮驳等单位安全管理要求，通过LNG船舶实际操作和模拟实验分析，下列条件可视为恶劣天气.

1) 能见度小于2000 m.

2) 风力大于10.8 m/s.

3) 涌浪大于等于1.5 m且小于2.5 m时，视泊位条件实际评估确定能否进行靠离泊作业；涌浪大于等于2.5 m时，停止船舶靠离泊作业.

4) 高低潮时不能通过防波堤 海面风级和能见度可由船舶实测取得，或通过气象部门、海事管理机构设置的测量仪实测取得.当由船舶实测取得时，应尽量以同一海域的至少3艘船舶报告数据的平均值作为实施交通管制的依据.涌浪数据以董家口港区D12泊位涌浪测量最大值为依据.

3.1.2靠泊风险及控制措施

1) 靠泊风险 LNG船舶抵达口门前风力突然加大至7级以上或能见度变差低于0.5 n mile，风致偏效果明显且能见度不良看不到泊位位置，视线不清难以判断船位，风力大船舶操作困难，靠泊作业风险高.

2) 风险控制措施 随时关注风向、风力,以及能见度的变化趋势，在明显估计到这些变化会影响靠泊方案的执行时，立即中止靠泊作业.

考虑到天气变化的不确定性，对拖轮配备安全冗余的充分性和有效性要有准确估计，运用拖轮和车舵配合及时降低大风和能见度不良对大船操作的影响，使用雷达等设备帮助确认船位，并根据实际情况做出相应的靠泊计划及带缆绳计划.

恶劣天气影响加重，船舶已经不具备中止靠泊计划驶往掉头区抛锚的情况下，应安排额外的拖轮处于戒备状态，以便在需要时随时可用，船舶应加强首尾的瞭望戒备，并在船首安排足够人手以便在需要时随时可以使用双锚.风力大于7级靠离泊应首先考虑增加拖轮以控制船舶的船位和姿态；能见度小于0.5 n mile时应首先考虑降低船速加派瞭望人员及时调整雷达的工作状态等措施来帮助辨认参照物.

3.1.3离泊风险及控制措施

1) 离泊风险 船舶在离开码头前沿100 m后，如果风力加大、风舷角发生变化，会造成船位和航向偏离，在船舶低速时船舶控制变得困难，增加车舵的使用和拖轮协助决策难度；如果能见度不良、低于0.5 n mile，会给船位和距离判断带来更大的困难，离泊作业风险高.

2) 风险控制措施 在风力增强至7级以上时，如无法改变离泊计划，应时刻关注并判断风力增强对船舶操纵带来的影响，并根据实际情况迅速确定船位并采取相应的控制措施.由于此时船速较低无法自力保持船位，应果断使用拖轮帮助摆正船位和航向.

能见度不良且低于0.5 n mile时，应使用雷达等设备协助确认船位，并根据实际情况做出相应的离泊计划及解开缆绳方案，安排额外的拖轮处于戒备状态，以便在需要时随时可用，加强首尾的瞭望戒备来帮助辨认船位和参照物的位置，并在船首安排足够人手，以便在需要时随时可以使用双锚固定船位.

3.2 安全保障措施

3.2.1LNG船舶靠离泊作业安全保障措施

1) 船舶应对恶劣天气影响予以更充分的关注，包括风向、风力以及能见度的可能变化，在明显估计到这些变化会影响靠离泊方案的执行时，果断做出中止实施靠离泊计划的决定.

2) 考虑到气象等条件变化的不确定性，针对LNG船舶的特点，在拖轮配备安全冗余的充分性和有效性上应有准确的估计，应充分运用拖轮和车舵配合，降低大风和能见度不良对LNG船舶操纵的影响，充分使用雷达等助航设备协助确认船位，并根据实际情况做出相应的靠离泊计划及带(解)缆方案.

3) 大天气，需适当增加拖轮，并将拖轮布置在最合理、最有效的位置上，为控制船舶的转向和横移提供足够的作用，掌握风向角与风压及船舶操纵的关系；浓雾天气，要加强浮标的识别和航道的清理，也可充分利用岸基的支持.

4) 如果恶劣天气影响加重，船舶不具备中止靠离泊计划、驶往掉头区抛锚的情况下，应安排额外的拖轮处于戒备状态，以便在需要时随时可用，同时加强首尾的瞭望戒备，并在船首安排足够人手以便在需要时随时可以使用双锚.

5) 船舶在码头前沿100 m左右位置时速度较低，如果风力加大、风舷角发生变化，会发生船舶偏航，控制船舶较为困难，应重点考虑拖轮的协助配合.

在风力有明显增强时，应及时判断风力增强对于船舶操纵带来的影响，根据实际情况迅速确定船位，及时采取相应船位和船舶态势调整措施，由于此时船速较低无法自力保持船位，应果断使用拖轮协助摆正船位和航向.

4 实船验证

通过船舶操纵模拟实验，明确在恶劣环境下的LNG船舶靠离泊可控性极限，开展LNG船舶在董家口港区靠离泊操作方案验证与风险分析.

1) “巴布亚”轮靠泊 ①环境情况 天气阴有小雨，东北风4～5级阵风7，10～12 ℃；能见度大于1 000 m.潮汐：高潮0848/463；低潮1506/119.②靠泊过程 配备5艘拖轮协助靠泊，在304号浮前带好3艘拖轮，其余1艘船头巡航，1艘右舷伴航；按照计划时间通过防波堤；船舶进入防波堤后，带好第4艘拖轮；按照计划靠好码头，带缆；带缆数量10根缆绳，方式为4-4-2，带缆顺序为：倒缆、横缆、头缆和尾缆；缆绳全部带好后，解离拖轮，靠泊完毕.

2)“中能天津”轮离泊 ①环境情况 晴转多云，西北风4～5级阵风7级，17～25 ℃；能见度大于1 000 m.潮汐：高潮1616/476，低潮1041/117.②操纵过程 配备4艘拖轮离泊，两艘拖轮分别在船舶首、尾外挡带缆，其余两艘船舶首、船尾待命；按照计划通过防波堤，船舶摆正船位出防波堤前解清拖轮；4艘拖轮护航至119号浮，引航员在第一登轮点离船，离泊作业结束.

3)实船实验结果 LNG船舶靠离泊董家口港区，根据制定的拖轮配备方案和船舶操作方案，可完成在确定的恶劣天气下完成靠离泊作业，验证了操作方案的可行性和安全保障措施的有效性.

5 结 束 语

文中面向恶劣天气下青岛港董家口港区LNG船舶靠离泊存在的安全风险问题，开展LNG船舶靠离泊安全风险管控研究.分析了董家口港区LNG船舶航行环境，梳理了影响安全的主要因素，利用大型船舶操纵模拟器开展LNG船舶在恶劣天气下靠离泊操纵仿真实验，梳理了LNG船舶靠离泊存在的安全风险，提出了恶劣天气条件下安全靠离泊的边界条件.针对LNG船舶靠离泊过程中存在的主要安全风险，提出了风险管控措施，制定了董家口港区LNG船舶靠离泊操作方案.通过实船靠离泊实验，验证了操作方案的可行性和风险控制措施的有效性.