LNG船用裝卸臂的包絡(luò)面設(shè)計(jì)

李俊宏，李 恬，覃 杰，陳良志

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州 510230）

LNG裝卸臂是LNG裝卸船過程中最重要的設(shè)備，LNG裝卸臂的設(shè)計(jì)，應(yīng)確保其操作可靠性，尤其是確保船岸連接的兼容性。裝卸臂船岸連接的兼容性即裝卸臂的包絡(luò)面的兼容性[1]。

影響裝卸臂包絡(luò)面的因素眾多，如碼頭設(shè)計(jì)參數(shù)、港口潮汐參數(shù)、船舶倉容、管匯參數(shù)等[2]。因此，裝卸臂包絡(luò)面的研究設(shè)計(jì)，應(yīng)充分考慮各種影響因素。然而，許多LNG港口裝卸臂的設(shè)計(jì)常常對影響參數(shù)考慮不充分，或者過分依賴操作經(jīng)驗(yàn)，使得其設(shè)置的裝卸臂無法完全滿足船舶裝卸的正常要求，如船舶在正常運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)產(chǎn)生報(bào)警、裝卸臂PERC斷開，甚至船舶到港后無法正常與裝卸臂連接，這嚴(yán)重影響了裝卸船工作效率，甚至碼頭作業(yè)的安全性。

目前，Choi等[3]對裝卸臂的包絡(luò)面設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，但其方案模擬參數(shù)極多，實(shí)際工程運(yùn)用存在一定困難。國內(nèi)還鮮見對裝卸臂包絡(luò)面設(shè)計(jì)的報(bào)道，尤其是針對LNG裝卸臂的包絡(luò)面設(shè)計(jì)。本文將充分考慮影響LNG裝卸臂包絡(luò)面的各種因素，并以海外某大型LNG裝船項(xiàng)目為工程實(shí)例，研究包絡(luò)面的設(shè)計(jì)方案及適用于該項(xiàng)目的包絡(luò)面，以期為類似項(xiàng)目提供參考依據(jù)。

1 LNG船管匯特性

LNG船管匯是用于連接位于碼頭的裝卸臂，以進(jìn)行流體輸送。通常LNG船管匯位于船舶中段，船兩側(cè)均有相同配置的管匯，以適用于不同碼頭的裝卸功能。典型的LNG船管匯特性如圖1所示。

圖1 LNG船管匯特性參數(shù)

其中，a為干舷高度，mm；b為船圍欄高度，mm；c為船管匯離水面高度，mm；d為船管匯法蘭縮進(jìn)長度，mm；e為相鄰管匯法蘭中心距離，mm。

根據(jù)OCIMF Recommendation[4]，管匯接口法蘭個(gè)數(shù)及布置參數(shù)取決于LNG船的倉容，LNG船艙容分類如表1所示：

表1 LNG 船艙容類型

對于小型LNG船的管匯，通常為3個(gè)法蘭接口，其中兩個(gè)為液相連接口，一個(gè)為氣相接口，法蘭布置為LVL模式（L為液相，V為氣相，下同）。而對于大型LNG船，管匯法蘭接口增至5個(gè)，4個(gè)液相接口，1個(gè)氣相接口，管匯布置為LLVLL模式。無論LNG船艙容的大小，氣相接口均位于中心，液相接口位于兩側(cè)，如圖2所示（單位為mm）。

圖2 LNG船管匯布置

根據(jù)OCIMF Recommendation[4]，針對不同倉容的LNG船管匯尺寸及相鄰管匯間距，如表2所示。

表2 LNG船管匯尺寸及間距

管匯高度方面，不同倉容LNG船的管匯高度如表3所示。表3反映了管匯在船壓載及滿載狀態(tài)時(shí)距離水面的高度范圍。

表3 LNG 船管匯高度

上述LNG船參數(shù)，如管匯特性參數(shù)、不同狀態(tài)下管匯距離水面高度等信息為裝卸臂包絡(luò)面的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

2 船舶運(yùn)動(dòng)

LNG港口通常選址在水文條件適宜的地方，為滿足停泊作業(yè)要求，通常還會(huì)設(shè)置防波堤，作業(yè)過程中，船舶將會(huì)被纜繩系住。盡管如此，隨著裝卸作業(yè)的進(jìn)行，由于波浪的作用，船舶將會(huì)產(chǎn)生一定的運(yùn)動(dòng)。

影響包絡(luò)面的設(shè)計(jì)的主要船舶運(yùn)動(dòng)參數(shù)通常包括surge，sway及heave，如圖3所示。船舶運(yùn)動(dòng)參數(shù)可以通過物模試驗(yàn)獲得，但考慮到LNG裝卸臂的重要性，可按規(guī)范設(shè)計(jì)值保守考慮[5]。

圖3 LNG船運(yùn)動(dòng)示意圖

3 包絡(luò)面設(shè)計(jì)

3.1 正常操作包絡(luò)面

正常操作時(shí)，由于海上船舶受港口水文條件及裝卸狀態(tài)的影響，裝卸臂包絡(luò)面設(shè)計(jì)需確定的參數(shù)包括：管匯距離碼頭前沿最小距離（LMin），最大距離（LMax），管匯最低點(diǎn)（HMin，含船舶升沉），最高點(diǎn)等（HMax，含船舶升沉），以上參數(shù)的計(jì)算公式如下：

LMin（Minimum Reach）=護(hù) 舷 壓 縮 厚 度（Compressed Fender Thickness）+管匯法蘭最小縮進(jìn)（Minimum Flange Setback）-大小頭長度（Reducer，注1）；

LMax（Maximum Reach）=護(hù)舷自由厚度（Free Fender Thickness）+管匯法蘭最大縮進(jìn)（Maximum Flange Setback）+船舶向外漂移（Sway）；

HMin（Lowest Point）= 船 管 匯 離 水 面 最 低點(diǎn)（Minimum Distance Between Manifold and Water Level）-船舶升沉（Heave）；

HMax（Highest Point）= 船 管 匯 離 水 面 最 高點(diǎn)（Maximum Distance Between Manifold and Water Level）+ 船舶升沉（Heave）。

注1：裝卸臂接口法蘭（QC/DC）為固定尺寸，通常船的管匯尺寸隨船艙容變化，某些小船連接裝卸臂時(shí)候可能會(huì)借助于大小頭，長度按500mm考慮。

其中，管匯離水面最高點(diǎn)為最大船型在壓載狀態(tài)下，且水位最高時(shí)的高度。管匯離水面的最低點(diǎn)為最小船型在滿載狀態(tài)下，且水位最低時(shí)的高度。

3.2 ESD包絡(luò)面

考慮到安全性，通常LNG裝卸臂會(huì)設(shè)置ERC。ERC包括兩級ESD報(bào)警，一級報(bào)警啟動(dòng)ESD-1，將關(guān)閉ERS閥門、管路設(shè)施ESD閥及輸送泵；二級報(bào)警啟動(dòng)ESD-2，同時(shí)也觸發(fā)ESD-1操作，PERC將會(huì)斷開[2]。兩級ESD系統(tǒng)將充分保護(hù)裝卸臂操作安全。

ESD包絡(luò)面設(shè)計(jì)取決于船舶漂移速度、ERS閥門關(guān)閉時(shí)間及裝卸臂緊急脫離裝置（PERC）的脫離時(shí)間。計(jì)算公式如下：

ESD-1（First Stage Alarm）=v（船舶漂移速度）×t1（ERS閥關(guān)閉時(shí)間）；

ESD-2（Second Stage Alarm）=v（船舶漂移速度）×t2（PERC斷開時(shí)間）；

造成緊急狀態(tài)的情況較多，如地震、海嘯等導(dǎo)致船舶纜繩意外斷開，火災(zāi)情況下船舶緊急離港等。OCIMF建議船泊漂移速度為0.1~0.15m/s[2]，具體設(shè)計(jì)參數(shù)值可采用供應(yīng)商過往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)或模型試驗(yàn)值。針對LNG裝卸臂方面，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，ERS閥門關(guān)閉時(shí)間應(yīng)設(shè)定在5~10s，PERC斷開時(shí)間為2s[6–7]。

4 實(shí)例研究

根據(jù)以上對LNG裝卸臂包絡(luò)面設(shè)計(jì)方案的分析與研究，以海外某設(shè)計(jì)船型范圍為10 000~220 000m3的LNG裝船項(xiàng)目為例，并選取設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的典型船型，其管匯參數(shù)歸納如表4所示：

表4 不同倉容的LNG船管匯參數(shù)

由表4可見，該項(xiàng)目管匯距離水面最小距離為7.72m，最大距離為22.8m，這與表3所示LNG船管匯距水面高度范圍一致。

采用PIANC規(guī)范值[5]，船舶運(yùn)動(dòng)參數(shù)如表5所示。

表5 LNG船舶運(yùn)動(dòng)參數(shù)

基于以上分析，該LNG碼頭裝卸臂的包絡(luò)面計(jì)算方案如下：

注2：碼頭操作平臺前沿線與靠泊前沿線距離為2.5m；護(hù)舷壓縮狀態(tài)下厚度為0.962m，自由狀態(tài)下厚度為1.97m，不同項(xiàng)目的參數(shù)有差異。

注3：本項(xiàng)目船在正常操作包絡(luò)面外漂移速度選取為0.125m/s，不同項(xiàng)目有差異；根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)及供應(yīng)商建議，ESD-2包絡(luò)面可考慮一定余量，實(shí)際取值按0.5m。

通過以上計(jì)算，并考慮最苛刻工況下LNG船與碼頭裝卸臂的連接方案，該LNG裝卸臂的包絡(luò)面如圖4所示：

圖4 某海外項(xiàng)目LNG裝卸臂包絡(luò)面

本項(xiàng)目選取典型LNG船型做研究，然而LNG船型眾多，不排除某些老舊船型不滿足規(guī)范參數(shù)，因此應(yīng)盡可能多分析船型庫中的參數(shù)，以進(jìn)一步降低裝卸臂與船管匯不兼容的概率。本文設(shè)計(jì)的包絡(luò)面為正常操作的最小要求，供應(yīng)商應(yīng)根據(jù)承包商提出的具體要求，設(shè)計(jì)滿足全部操作參數(shù)的裝卸臂。通常，最終設(shè)計(jì)結(jié)果會(huì)留有一定的余量。

5 結(jié)語

以海外某LNG碼頭項(xiàng)目為例，通過對LNG船用裝卸臂的影響因素如管匯特性、港口水文特性、船舶運(yùn)動(dòng)情況、LNG船艙容及碼頭水工結(jié)構(gòu)等的詳細(xì)分析，闡述了LNG裝卸臂包絡(luò)面的設(shè)計(jì)方案，結(jié)論如下：

1）LNG裝卸臂包絡(luò)面的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮港口水文條件、船的管匯特性及船舶運(yùn)動(dòng)參數(shù)等；

2）LNG船舶運(yùn)動(dòng)參數(shù)可采用PIANC參考值；

3）LNG裝卸臂ESD包絡(luò)面的設(shè)計(jì)主要依據(jù)OCIMF規(guī)范及供應(yīng)商的經(jīng)驗(yàn)，ESD-2包絡(luò)面宜考慮一定余量；

4）包絡(luò)面分析應(yīng)盡可能選取設(shè)計(jì)范圍內(nèi)更多的船型，以盡可能減少設(shè)計(jì)偏差；

5）裝卸臂包絡(luò)面的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮最苛刻工況下管匯與裝卸臂的連接方案，確保在最苛刻工況下船岸連接的可靠性。