大連LNG專用錨地錨泊安全

陳昌源 戴 冉 姜 燦 王漢弢 首智宇

大連LNG專用錨地錨泊安全

陳昌源 戴 冉 姜 燦 王漢弢 首智宇

為進(jìn)一步研究大連LNG專用錨地錨泊安全，根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范，在綜合分析專用錨地附近自然環(huán)境的基礎(chǔ)上，通過定量計(jì)算和定性分析方法對(duì)LNG專用錨地進(jìn)行安全評(píng)估，得出滿足LNG船舶安全要求的風(fēng)、流限制條件和總出鏈長度大小，利用實(shí)船試驗(yàn)對(duì)專用錨地進(jìn)行研究并提出合理化建議，對(duì)提高LNG船舶進(jìn)出大連港區(qū)具有一定的借鑒意義。

大連LNG專用錨地位于大連大三山島的東偏南側(cè)，距大三山島最近距離1360m，位于大連LNG碼頭194°方向約9公里處，專用錨地位置水深約44～47m，錨地海底面高程在-39.76～-42.86 米。根據(jù)規(guī)范，LNG船舶應(yīng)設(shè)置專用錨地，LNG專用錨地與LNG碼頭和其它錨地的距離應(yīng)大于1km，如圖1所示，大連LNG專用錨地平面布置圖

大連LNG專用錨地附近自然環(huán)境

大連LNG專用錨地位于大連灣東南，屬海洋性氣候。根據(jù)大連金縣氣象臺(tái)統(tǒng)計(jì)分析：

（1）氣溫

多年平均氣溫：10.5℃；平均最高氣溫：14.8℃；平均最低氣溫6.5℃ ；極端最高氣溫：35.3℃；極端最低氣溫：-21.1℃。

（2）降水

年平均降水量：558.6 mm；日最大降水量：186.4 mm；日降水量≥25.0 mm的日數(shù)7.3天/年，日降水量≥50.0 mm的日數(shù)2.4天/年。

（3）風(fēng)

圖1　大連LNG專用錨地平面布置圖

錨地受季風(fēng)影響，夏季多南風(fēng)，冬季多偏北風(fēng)。全年常風(fēng)向?yàn)镹，頻率為19.45％；年平均風(fēng)速為5.8 m/s，六級(jí)以上大風(fēng)的頻率為8.4％，以N向大風(fēng)為主；最大風(fēng)速34.2 m/s，風(fēng)向N。

（4）流

LNG專用錨地總的流動(dòng)趨勢(shì)：漲潮流主流向偏SW～WSW向，落潮流主流向偏NE～ENE向。大潮期10-1測(cè)站各層漲潮流最大流速介于60～84cm/s，流向偏SW～WSW；落潮流最大流速介于56～80cm/ s，流向偏NE～ENE；10-2測(cè)站各層漲潮流最大流速介于74～82cm/s，流向偏SW～WSW；落潮流最大流速介于68～92cm/s，流向多偏NE～ENE。

LNG專用錨地安全評(píng)估

根據(jù)《海港工程施工手冊(cè)》中的關(guān)于錨的應(yīng)用和風(fēng)、流對(duì)船舶影響的規(guī)定，對(duì)大連LNG專用錨地設(shè)計(jì)船型所受風(fēng)流外力、錨系留力以及錨鏈摩擦力進(jìn)行計(jì)算，得出滿足LNG船舶安全要求的風(fēng)、流限制條件和總出鏈長度大小。

船型選擇

根據(jù)大連LNG碼頭工程的設(shè)計(jì)規(guī)模，LNG專用錨地的代表船型為26.7萬m3和21.6萬m3LNG船型。代表船型尺度見表1。

表1　設(shè)計(jì)代表船型尺度表

錨泊安全計(jì)算

（1）錨系留力

錨系留力決定于錨的重量、形狀、底質(zhì)、錨鏈長度及其重量等。錨系留力可按下式計(jì)算（受力分析圖如圖2所示）。

式中，P為系留力，是錨抓力和錨鏈摩擦力之和（9.81N）；Wa為錨在水中的重量，即錨在空氣中的重量×0.867（kg）；Wc為錨鏈每米長在水中的重量（kg/ m）L1為錨鏈臥底部分的長度（m）；λa、λc為錨的抓力系數(shù)和錨鏈的摩擦系數(shù)，分別見表2。

表2　霍爾錨的λa及λc表

由于LNG專用錨地場(chǎng)地巖土層主要為淤泥、粉砂、粉質(zhì)黏土，但場(chǎng)地中粉砂及粉質(zhì)黏土的厚度較小，因此，抓力系數(shù)的取值應(yīng)介于泥與砂之間。在LNG專用錨地計(jì)算中，錨抓力系數(shù)和錨鏈的摩擦系數(shù)取底質(zhì)為砂泥的系數(shù)，即：λa=8，λc=2。

（2）單錨泊錨鏈懸鏈長度及其作用

根據(jù)數(shù)學(xué)分析中的懸鏈線計(jì)算公式，得懸鏈部分長度公式：

式中：H為錨鏈（纜）孔至水底高度；L2為錨鏈（纜）懸垂部分長度；T0為船體水平向所受的外力。

（3）單錨泊安全出鏈長度

根據(jù)錨鏈?zhǔn)芰Ψ治?，設(shè)懸垂錨鏈與海底線（X軸）的夾角為β，見圖2，顯然：

總出鏈長度S0為：

（4）風(fēng)、流外力

風(fēng)壓力計(jì)算：

流壓力計(jì)算：

由于錨泊時(shí)水對(duì)船舶的相對(duì)流速（就是錨地的水流速度） 一般較低，所以雷諾數(shù)Re較小，用傅汝德公式的計(jì)算結(jié)果雖然偏高，但符合錨泊的安全可靠的要求， 建議使用該公式。即：

式中：f為水對(duì)船體的摩擦系數(shù)，鋼質(zhì)船殼通常取f=0.17；?為水線以下船體濕表面積；Vw為水流速度。

圖2　錨泊受力分析圖

對(duì)于大型LNG錨泊船，在惡劣天氣情況下，對(duì)錨泊安全影響的主要因素是風(fēng)和流。

LNG專用錨地安全實(shí)例計(jì)算

專用錨地風(fēng)、流限制條件及出鏈長度計(jì)算

根據(jù)上述分析，結(jié)合設(shè)計(jì)船型資料，以26.7萬m3和21.6萬m3LNG船作為代表船型計(jì)算不同出鏈長度情況下的錨泊力，其中主要參數(shù)及計(jì)算結(jié)果如下。

26.7萬m3LNG船主要參數(shù)：（L=345m，B=53.2m，D=27m，滿載吃水d=12m，壓載吃水d’=9.6m），λa=8，λc=2，錨地水深取45m，水面以上錨孔的垂直高度為5m，流速選最大流速1.17m/s，錨重18.375 t， 每米鏈重0.342t/m，風(fēng)舷角=30°，風(fēng)壓力系數(shù)Ca取1.5。滿載時(shí)，Aa=1668 m2，Ba=8065 m2，?=21500 m2；壓載時(shí)，Aa=1794 m2，Ba=8895 m2，?=19651 m2。

21.7萬m3LNG船主要參數(shù)：（L=315m，B=50m，D=27m，滿載吃水d=12m，壓載吃水d’=9.65m），λa=8，λc=2，錨地水深取45m，水面以上錨孔

垂直高度為5m，流速選最大流速1.17m/s，錨重17.250t，每米鏈重0.315t/m，風(fēng)舷角=30°，風(fēng)壓力系數(shù)Ca取1.5。滿載時(shí)，Aa=1550 m2，Ba=7603m2，?=18600 m2；壓載時(shí)，Aa=1660 m2，Ba=8030 m2，?=16700m2。

當(dāng)流速確定時(shí)，流對(duì)船舶的流動(dòng)壓力就一定，當(dāng)流速Vw=1.17m/s時(shí)，26.7萬m3LNG船滿載受流動(dòng)壓力為0.5t，壓載為0.45t；21.7萬m3LNG船滿載受流動(dòng)壓力為0.44t，壓載為0.4t。

計(jì)算結(jié)果分析

由于LNG專用錨地水深在44～47m之間，加之LNG船受風(fēng)面積較大，因此受風(fēng)的影響較為明顯，拋錨所需鏈長要比一般船舶長。經(jīng)調(diào)查分析，上述兩種船型錨鏈長度左右舷均為14節(jié)，每節(jié)27.5m。且風(fēng)舷角取30°，而實(shí)際錨泊時(shí)風(fēng)舷角一般小于30°，所以表中的計(jì)算結(jié)果比實(shí)際情況要偏大。船舶錨泊時(shí)如采用該計(jì)算結(jié)果會(huì)有利于安全。

（1）26.7萬m3LNG船在滿載的情況下，風(fēng)力5級(jí)時(shí)，可拋5～6節(jié)鏈；風(fēng)力6級(jí)時(shí)，可拋6～7節(jié)鏈；風(fēng)力7級(jí)時(shí)，可拋9節(jié)鏈；風(fēng)力8級(jí)時(shí)，可拋10節(jié)鏈；風(fēng)力9級(jí)，可拋12節(jié)鏈，可以滿足安全錨泊的要求。風(fēng)力10級(jí)，拋14節(jié)鏈仍不能滿足要求，此時(shí)需拋雙錨或進(jìn)行在航避風(fēng)。

（2）26.7萬m3LNG船在壓載的情況下，風(fēng)力5級(jí)時(shí)，可拋6節(jié)鏈；風(fēng)力6級(jí)時(shí)，可拋7節(jié)鏈；風(fēng)力7級(jí)時(shí)，可拋9節(jié)鏈；風(fēng)力8級(jí)時(shí)，可拋11節(jié)鏈；風(fēng)力9級(jí)，宜拋12～13節(jié)鏈，可以滿足安全錨泊的要求。風(fēng)力達(dá)到10級(jí)或以上，拋14節(jié)鏈仍不能滿足要求，此時(shí)需拋雙錨或進(jìn)行在航避風(fēng)。

（3）21.7萬m3LNG船在滿載的情況下，風(fēng)力5級(jí)時(shí)，可拋6節(jié)鏈；風(fēng)力6級(jí)時(shí)，可拋6～7節(jié)鏈；風(fēng)力7級(jí)時(shí)，可拋9節(jié)鏈；風(fēng)力8級(jí)時(shí)，可拋10～11節(jié)鏈；風(fēng)力9級(jí)，宜拋12節(jié)鏈，可以滿足安全錨泊的要求。風(fēng)力10級(jí)，拋13節(jié)鏈仍不能滿足要求，此時(shí)需拋雙錨或進(jìn)行在航避風(fēng)。

（4）21.7萬m3LNG船在壓載的情況下，風(fēng)力5級(jí)時(shí)，可拋6節(jié)鏈；風(fēng)力6級(jí)時(shí)，可拋6～7節(jié)鏈；風(fēng)力7級(jí)時(shí)，可拋9節(jié)鏈；風(fēng)力8級(jí)時(shí)，可拋11節(jié)鏈；風(fēng)力9級(jí)，宜拋12～13節(jié)鏈，可以滿足安全錨泊的要求。風(fēng)力達(dá)到10級(jí)或以上，拋14節(jié)鏈仍不能滿足要求，此時(shí)雙錨或進(jìn)行在航避風(fēng)。

表3　最大流速下26.7萬m3LNG船滿載不同風(fēng)力出鏈長度計(jì)算結(jié)果（以此為例）

圖3　不同風(fēng)力條件下的安全出鏈長度

圖4　LNG專用錨地實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)船試驗(yàn)驗(yàn)證及合理化建議

為了驗(yàn)證錨泊的安全性，進(jìn)行錨地實(shí)船適應(yīng)性試驗(yàn)驗(yàn)證，借助大連海事大學(xué)教學(xué)實(shí)習(xí)船“育鯤”輪，在大連LNG專用錨地進(jìn)行實(shí)船錨泊試驗(yàn)?！坝H”輪船型尺度為：總長116.00 m、型寬18.00 m、型深8.35 m、設(shè)計(jì)吃水5.40 m。

試驗(yàn)過程中水文氣象條件如下：

風(fēng)向：由西北逐漸轉(zhuǎn)至東北；風(fēng)力：3～4級(jí)，陣風(fēng)有時(shí)達(dá)5級(jí)；流向：基本為東西方向，漲潮流向約為SW～WSW，落潮流向約為NE～ENE；流速：0.5～1節(jié)；波浪等級(jí)為：小波至輕浪。

對(duì)錨泊數(shù)據(jù)和圖像進(jìn)行定性、定量分析得知：

1.根據(jù)起錨時(shí)錨冠上附著的泥土，該錨位處表層底質(zhì)為泥沙與砂礫混合底質(zhì)，是適合船舶錨泊的底質(zhì)條件，與上文論述一致。

2.在上述水文氣象條件下，“育鯤”輪拋右錨7節(jié)入水，24小時(shí)內(nèi)錨位沒有明顯變化；船舶偏蕩運(yùn)動(dòng)比較明顯，但幅度不大，經(jīng)“育鯤”輪先進(jìn)的測(cè)試設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控，無任何走錨情況發(fā)生，說明船舶錨泊穩(wěn)定。

3.LNG錨泊實(shí)船試驗(yàn)反映出該錨位比較適合船舶錨泊，但應(yīng)注意試驗(yàn)船型相對(duì)于代表船型26.7萬m3的LNG船（L=345m，B=53.2m，D=27m，滿載吃水d=12m）來說，船型尺度較小，在出鏈長度、占用錨泊水域的半徑、與大三山島的距離等方面，試驗(yàn)船舶與設(shè)計(jì)代表船型均有一定的差別，因此在LNG船舶使用專用錨地時(shí)，前期應(yīng)注意錨泊情況，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，逐步完善錨泊方案。

4.LNG船舶錨泊時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)值班，勤測(cè)錨位，避免船舶走錨，與大三山島保持一定的安全距離；當(dāng)風(fēng)流過大以致有走錨的危險(xiǎn)時(shí)，建議單錨泊船改拋雙錨或在航避風(fēng)。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.17.004