船行波對雙船系靠LNG泊位系泊穩(wěn)定性的影響

張 志，孔友南，金宇正，劉亞男

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032)

船行波是指船舶在水面上航行時，船體推擠水體而形成的水面波動，當(dāng)泊位布置臨近航道時，這種水面波動將對系泊船只的系泊穩(wěn)定性造成影響。受船行波的影響，在港系泊船舶產(chǎn)生擺動，影響作業(yè)效率，嚴重時還可能發(fā)生斷纜事故，船行波對在港船舶的系泊穩(wěn)定性影響是水運工程設(shè)計人員必須加以考慮的問題。雙船系靠液化石油天然氣(liquefied natural gas，LNG)泊位是一種新型的LNG中轉(zhuǎn)泊位布置形式，浮式LNG接收終端(floating storage unit,FSU)[1]半永久性地系泊于碼頭上，LNG船并靠系泊于FSU上進行LNG裝卸作業(yè)，這種泊位布置形式在國內(nèi)尚無先例，但在國際工程中已有較多成功應(yīng)用案例。

國內(nèi)外眾多學(xué)者均針對船行波進行了深入研究，王水田[2-4]、蔣宗燕等[5]均系統(tǒng)總結(jié)了國內(nèi)外船行波的研究成果；周利蘭等[6]基于數(shù)值分析方法分析船行波對系泊船舶的運動響應(yīng)和受力影響規(guī)律；陳星等[7]利用OPTIMOOR系泊分析軟件分析船行波對系泊船的影響因素；Flory[8-9]結(jié)合物理模型試驗分析結(jié)果，提出一種船行波過程對系泊船舶影響效應(yīng)的經(jīng)驗計算方法，即Flory-Remery船行波計算方法。

雖然不少學(xué)者均針對船行波對系泊船舶的影響進行了深入研究，但船行波對雙船系靠泊位的系泊穩(wěn)定性影響尚無相關(guān)研究工作。雙船系靠LNG泊位所受環(huán)境荷載效應(yīng)較大且復(fù)雜，作業(yè)安全性要求高，系泊穩(wěn)定性是該泊位布置設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)問題之一，船行波對系泊船的影響屬于動態(tài)過程，尤其應(yīng)予以重視。本文結(jié)合工程實例，根據(jù)工程的具體建設(shè)條件，以Flory-Remery船行波計算方法為基礎(chǔ)，并結(jié)合雙船系靠泊位的特點予以修正，利用數(shù)值分析軟件對船行波對本工程系泊穩(wěn)定性的動態(tài)影響進行定量分析，提出航行限制性要求，可為類似工程提供參考。

1 工程概況

擬建項目位于南美地區(qū)某海灣，為某燃氣電廠配套碼頭工程，F(xiàn)SU船半永久性地系泊于碼頭，卸船作業(yè)時外側(cè)并靠LNG運輸船。設(shè)計船型尺度見表1。碼頭采用高樁墩式結(jié)構(gòu)，蝶形平面布置，泊位總長343 m，碼頭面高程5.5 m，碼頭前沿設(shè)計泥面-13.5 m，共設(shè)置4個系纜墩、2個靠船墩、1個工作平臺，靠船墩海側(cè)設(shè)置2組2000H錐型護舷，F(xiàn)SU船外側(cè)設(shè)置5組直徑3.97 m、長7.93 m的泡沫護舷，系纜墩、靠船墩上共設(shè)置6組4鉤或3鉤1 500 kN的快速脫纜鉤。泊位外側(cè)臨近現(xiàn)有航道，最大通航船舶為3萬噸級油船。碼頭平面布置見圖1。

圖1 碼頭平面布置(單位：m)

工程區(qū)環(huán)境條件良好，設(shè)計高水位0.4 m、設(shè)計低水位0 m，最大設(shè)計流速0.5 m，流向NNW～SSE，1 a一遇最大風(fēng)速15 ms,工程區(qū)有較好的掩護條件，1 a一遇有效波高Hs=0.50 m，平均波周期Tm=8.8 s，波向NW～NNW。

根據(jù)工程區(qū)環(huán)境條件以及國際石油公司海運協(xié)會(OCIMF)對于LNG船的系泊作業(yè)限制環(huán)境條件，結(jié)合系泊分析結(jié)果分析，初步擬定本工程允許裝卸作業(yè)極限環(huán)境條件按1 a一遇環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)考慮，即在1 a一遇環(huán)境條件下，雙船并靠裝卸作業(yè)時的系纜力、船舶運動量、護舷受力等不應(yīng)超過允許限值。

2 系泊穩(wěn)定性計算

根據(jù)本工程實船資料，結(jié)合實船系泊絞車、導(dǎo)纜孔的布置以及船上實際配置的纜繩情況，本工程FSU船推薦采用3-4-2的對稱布纜方式，即艏艉纜各3根、艏艉橫纜各4根、艏艉倒纜各2根，纜繩規(guī)格為φ44 mm鋼纜，纜繩破斷力FMBL=1 240 kN，配置11 m長尼龍纜尾索，LNG運輸船采用3-2-2的對稱布纜方式，即艏艉纜各3根、艏艉橫纜各2根、艏艉倒纜各2根，纜繩規(guī)格為φ40 mm鋼纜，F(xiàn)MBL=1 150 kN，配置11 m長尼龍纜尾索。經(jīng)系泊穩(wěn)定敏感性分析，最不利工況為設(shè)計低水位、FSU船及LNG運輸船均為滿載，系泊工況下護舷受力較船舶靠岸撞擊力小，系泊工況下護舷受力不控制，系泊分析的要點為纜繩受力及船舶運動量。在1 a一遇環(huán)境工況下，采用OPTIMOOR系泊分析軟件，纜繩張力及船舶運動量計算結(jié)果見表2、3(均為1 a一遇環(huán)境條件)。

表2 纜繩張力計算結(jié)果

表3 船舶運動量計算結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果可以看出，在1 a一遇環(huán)境工況下，纜繩張力以及船舶運動量均較小，最大纜繩張力僅為23%FMBL，纜繩張力以及船舶運動量均小于允許限值。對于本工程來說，工程區(qū)環(huán)境條件較好，風(fēng)、浪、流等環(huán)境條件不會對裝卸作業(yè)條件的系泊穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。但工程臨近現(xiàn)狀航道，船行波是影響本工程裝卸作業(yè)系泊穩(wěn)定性的關(guān)鍵要素，須評估船行波對系泊船的影響，提出對航道內(nèi)航行船舶的限制措施，確保裝卸作業(yè)安全。

3 船行波效應(yīng)計算方法

船行波對系泊船舶的作用效應(yīng)為一動態(tài)的過程，船行波作用下對系泊船舶產(chǎn)生縱向力、橫向力及彎矩，其最大縱向力、最大橫向力以及彎矩不在同一時間出現(xiàn)，分析船行波對系泊穩(wěn)定性的影響須分析航行船舶與系泊船在不同的相對位置時的作用效應(yīng)，為一時間序列的作用效應(yīng)值。計算船行波的方法較多，多為半理論半經(jīng)驗公式，但多為估算產(chǎn)生的船行波波要素值，顯然采用估算的船行波波要素?zé)o法反映出對系泊船的影響過程。Flory-Remery船行波計算方法較好地克服了上述弊端，在大量模型試驗的基礎(chǔ)上總結(jié)出在不同相對位置時船行波對系泊船的作用效應(yīng)，且通過無量綱化曲線，可很容易地得出船行波作用效應(yīng)過程曲線，計算方法為：

Fxmax=10SFCxv2[0.171+0.134lnDR-

(0.71+0.28lnDR)ln(SR-0.06)]

(1)

Fymax=10SFCyv2[e(1.168DR-2.25)-(4.41+

1.93lnDR)lnSR]

(2)

Mmax=10SMCMv2[e(-0.47DR+2.651)-(171.9+

51.4lnDR)ln(SR-0.06)]

(3)

(4)

(5)

Cx=e0.095 5-0.636 7UKCDR

(6)

Cy=e0.515 7-3.438UKCDR

(7)

CM=e0.343-2.288UKCDR

(8)

(9)

式中：Fxmax、Fymax為船行波對系泊船所產(chǎn)生的最大縱向力、最大橫向力；Mmax為船行波對系泊船所產(chǎn)生的最大力矩；SF、SM為比例系數(shù)；Cx、Cy、CM為調(diào)整系數(shù)；UKCDR為龍骨下富余水深系數(shù)；WDDR為水深與船舶吃水比，在航行船和系泊船中取吃水的大值；v為航速；DR為兩船排水量比例系數(shù)，其值為航行船排水量與系泊船排水量之比；SR為兩船幅度比例系數(shù)，其值為兩船舷間距離與Lc之比，其中Lc為系泊船與航行船兩船的平均船長；Lm為系泊船船長。

上述計算為船舶航行中的船行波對系泊船作用效應(yīng)的峰值，隨其相對于系泊船位置的不同而變化，各種峰值作用效應(yīng)不在同時發(fā)生。Remery 在大量模型試驗的基礎(chǔ)上，總結(jié)繪制出不同航速及間距條件下船行波對系泊船只的影響演變過程的無量綱化曲線(圖2)，對兩船距離進行無量綱化P=PDLc，其中PD為航行船與系泊船兩船船舶中心水平投影距離。由無量綱化過程曲線可以看出，行進過程中當(dāng)船舶中心點的距離為2倍平均船長時，系泊船開始感應(yīng)到船行波的影響，當(dāng)船舶中心距離約為0.5Lc時，即航行船船頭到達系泊船的船中時，縱向力及彎矩達最大；當(dāng)船舶中心距離為0時，即航行船與系泊船肩并肩時，橫向力最大，行離過程與行近過程對稱。利用無量綱化曲線，可計算船行波作用于系泊船的作用力及力矩過程曲線，按此方法得出的作用效應(yīng)過程曲線作為系泊分析軟件的外力輸入條件，進行動態(tài)系泊分析。

圖2 船行波對系泊船的作用效應(yīng)無量綱化過程曲線

Flory-Remery船行波計算方法基于單船開敞水域，當(dāng)系泊船附近為受限制的水體時，船行波產(chǎn)生的作用效應(yīng)值會發(fā)生改變。本工程在分析船行波對雙船系靠作用效應(yīng)時，假定FSU船與LNG船之間相互沒有干擾，利用計算公式根據(jù)航行船舶與FSU船或LNG船的相對位置關(guān)系，單獨計算船行波作用效應(yīng)，得到獨立的船行波對FSU船或LNG船的作用效應(yīng)時間序列。上述假定顯然與Flory-Remery船行波計算方法前提條件不符，受并靠船舶的影響，系泊船體周圍的水流流態(tài)將發(fā)生較大的變化，此時應(yīng)對Flory-Remery計算方法進行修正，可按上述方法計算的縱向力、橫向力及彎矩分別考慮調(diào)整系數(shù)α、β、γ，即產(chǎn)生的船行波最大效應(yīng)分別為αFxmax、βFymax、γMmax。α、β、γ應(yīng)根據(jù)模型試驗進行確定。

Flory等[10]對岸壁碼頭等非開敞水域的船行波效應(yīng)進行過研究，當(dāng)船舶系泊于岸壁式碼頭時，船行波作用效應(yīng)將發(fā)生改變，縱向力約為2倍，橫向力及彎矩減小為原來的12。對于雙船并靠的情形，與岸壁式碼頭有一定的類似之處，本文暫引用Flory研究結(jié)論，對Flory-Remery船行波計算公式進行修正，即α=2、β=γ=0.5。

4 應(yīng)用分析

在本工程實例中，雙船系靠泊位臨近現(xiàn)有航道布置，最大航行船舶為3萬噸級油船。船舶在海灣航道內(nèi)航行時船速一般不會太大，為5～8 kn，在本工程分析船行波對系泊船的影響時，偏不利條件按3萬噸級油船8 kn船速考慮。除船舶噸級以及航速外，航行船舶與系泊船的間距也是影響船行波的最重要因素之一，為確保船行波對本雙船并靠泊位裝卸作業(yè)安全性的影響最小，應(yīng)對航行船舶與系泊船的間距加以限制。

本文針對不同的航行船舶與系泊船的間距工況進行分析，通過定量分析的方式確定合理的航行船舶與系泊船的間距要求。工況1為僅考慮1 a一遇的風(fēng)、浪、流環(huán)境條件，工況2在工況1的基礎(chǔ)上增加考慮船行波效應(yīng)，船行波按3萬噸級油船、8 kn航速、航行船舶與系靠的LNG運輸船的間距50 m進行計算。按上述方法計算船行波作用效應(yīng)過程曲線見圖3，可以看出，按Flory-Remery船行波計算方法，計算FSU船最大縱向力270 kN，LNG船最大縱向力440 kN，F(xiàn)SU船最大橫向力1 310 kN，LNG船最大橫向力2 100 kN，F(xiàn)SU船最大彎矩船長為270 kN·mm，LNG船最大彎矩船長為470 kN·mm?？紤]并靠船的相互影響，對船行波最大作用效應(yīng)加以修改(即FSU船*、LNG船*)，F(xiàn)SU船最大縱向力540 kN，LNG船最大縱向力880 kN，F(xiàn)SU船最大橫向力655 kN，LNG船最大橫向力1 050 kN，F(xiàn)SU船最大彎矩船長為135 kN·mm，LNG船最大彎矩船長為235 kN·mm。

圖3 工況2船行波對系泊船的作用效應(yīng)過程

采用OPTIMOOR系泊分析軟件的動態(tài)系泊分析模塊，將上述船行波對系泊船的作用效應(yīng)過程作為外力輸入條件，進行動態(tài)系泊分析，峰值計算結(jié)果見表4、5。計算結(jié)果表明，受船行波的影響，系泊FSU船及LNG船的纜繩張力及船舶運動量均大幅增加，系泊船艏艉倒纜均超過允許限值，船船縱移運動量也超過允許限值。經(jīng)分析，航行船舶與系靠的LNG運輸船的間距過近，由此導(dǎo)致船行波作用效應(yīng)過大。

表4 船行波纜繩張力計算結(jié)果影響對比

注：纜繩張力占FMBL比例的允許值為55%。

表5 船行波對船舶運動量計算結(jié)果對比

注：各運動量的允許值見表3。

JTS 165—2013《海港總體設(shè)計規(guī)范》及JTS 165-5—2016《液化天然氣碼頭設(shè)計規(guī)范》均對系泊船舶與航道邊線的凈間距有規(guī)定，要求船舶與航道邊線的凈間距不宜小于100 m。因此考慮航行船舶與系靠的LNG運輸船的間距為100 m(工況3)及150 m(工況4)兩種船行波工況的系泊分析。按上述船行波效應(yīng)計算方法，間距增大后船行波效應(yīng)值明顯減小。

工況3及工況4船行波作用下系泊分析峰值計算結(jié)果見表6、7。由計算結(jié)果可看出，當(dāng)航行船與系靠的LNG運輸船的間距加大后，系泊纜繩張力及船舶運動量明顯減小，工況3下FSU船及LNG船的最大纜繩張力分別為44%FMBL及36%FMBL，船舶縱移運動量分別為1.03、0.85 m，滿足系泊穩(wěn)定安全限值條件，即當(dāng)航行船與系靠的LNG運輸船的間距為100 m時，船行波對系泊船的影響不會影響系泊船作業(yè)安全。當(dāng)航行船與系靠的LNG運輸船的間距進一步加大后，工況4下FSU船及LNG船的最大纜繩張力分別為28%FMBL及26%FMBL，船舶縱移運動量分別為0.40、0.25 m，與工況1系泊分析結(jié)果差別不大，即當(dāng)航行船與系靠的LNG運輸船的間距為150 m時，船行波對系泊船基本沒有影響。

表6 船行波纜繩張力計算結(jié)果影響對比

注：纜繩張力占FMBL比例的允許值為55%。

表7 船行波對船舶運動量計算結(jié)果對比

注：各運動量的允許值見表3。

5 結(jié)論

1)當(dāng)航行船舶與系泊船間距較近、航速較大時，船行波將會極大地影響系泊船裝卸作業(yè)的安全性，尤其對雙船并靠LNG泊位，系泊穩(wěn)定安全性要求高，必須通過系泊分析以評判船行波對系泊穩(wěn)定性的影響。

2)船行波對系泊船舶的影響屬于動態(tài)過程，可利用Flory-Remery船行波計算方法得到船行波對系泊船的作用效應(yīng)過程，據(jù)此進行動態(tài)系泊分析。對于雙船并靠LNG泊位，系泊船受并靠船的影響，系泊船體水體流態(tài)發(fā)生變化，不符合Flory-Remery船行波計算方法開敞水域的假定前提條件，應(yīng)對按此方法計算的作用效應(yīng)過程進行修正，系數(shù)α、β、γ應(yīng)根據(jù)物理模型試驗進一步確定。

3)當(dāng)船行波與系泊船間距50 m時，系泊船纜繩張力峰值、船舶運動量峰值均超過允許限值，系泊穩(wěn)定性不滿足，系泊倒纜受力及縱移運動量所受影響最大；當(dāng)船行波與系泊船間距100 m時，系泊船纜繩張力峰值、船舶運動量峰值均不超過允許限值，系泊穩(wěn)定性可以滿足，較好地符合現(xiàn)行水運規(guī)范關(guān)于航行船與系泊船舶的間距要求；當(dāng)船行波與系泊船間距150 m時，系泊船纜繩張力峰值、船舶運動量峰值略有增加，系泊穩(wěn)定性基本不受船行波影響。本工程運營階段應(yīng)加強管理，裝卸作業(yè)時應(yīng)限制航行船與系泊船的間距，減少船行波對本工程系泊穩(wěn)定性影響。