風浪流耦合作用下小型LNG船舶運動響應試驗研究

孔令臣,張云峰,楊學斌,張金鳳,王廣耀*,李中岳,李明宇,李智霖

(1.中交天津港灣工程設計院有限公司,天津 300461;2.中交營口液化天然氣有限公司,營口 115000;3.中交水運規劃設計院有限公司,北京 100007;4.天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室,天津 300072)

隨著全球貿易和航運業快速發展,船舶排放已成為航線區域和港口城市大氣污染的重要來源之一。為滿足日益嚴格的排放要求,全球航運業積極尋找更加環保的替代能源。LNG作為船舶燃料,因其綠色、經濟等優勢,已成為船舶碳減排、降成本最現實可行的途徑。國內外LNG碼頭及LNG加注船應運而生,經過多年的探索發展,目前已呈蓬勃之勢[1-4]。

LNG船舶主要風險存在于港內作業期間[5]。液化天然氣碼頭指從LNG運輸船泵給陸地儲罐的專用工作場所,目前為適應碼頭選址特點和運輸船舶大型化要求,在我國已建和在建的河北曹妃甸港、青島董家口港、浙江寧波港等大型LNG碼頭泊位中越來越多的采取開敞或半開敞式布置形式[6]。學者針對LNG的系泊條件進行了一些研究,取得了一些有價值的成果[7-10]。

我國各大型LNG接收站泊位配套儲罐以2～4個16萬m3的儲罐規模為主,規模普遍較小,儲、運系統能力不足,調峰和跨區域調節能力有限[11-12]。根據艙容量,LNG船可分為中大型和小型兩類。中大型LNG船倉容量一般在5萬m3以上,通常用于LNG的遠洋運輸;目前針對中大型LNG的研究較多,黃華[13]以26.6萬m3LNG船舶系泊安全為研究內容,探究自然條件因素對LNG船舶系泊纜繩受力的影響。王斌等[14]通過引入OPTIMOOR軟件的輸入矩陣得出系泊分析的輸出矩陣,梳理出影響LNG船系泊安全的直接因素和根本因素并提出優化措施。史憲瑩等[15]采用物理模型試驗方法,對橫向較大周期波浪作用下一艘大型系泊(LNG)船舶運動響應特性進行了研究。張云峰等[16]提出了一個較有代表性的可供進行模型試驗的初始布置方案。徐磊等[17]提出一種基于單點系泊的LNG過駁新型作業模式,將傳統的單點系泊與過駁方式進行結合。

小型LNG船一般是指艙容在5萬m3以下的船型,適用于沿海、近海乃至內河范圍內的LNG運輸。小型LNG船在日本、北歐等國家和地區已經發展得比較成熟,但在我國仍處于初步發展階段,相關系泊條件研究尚顯匱乏。隨著對LNG能源需求的與日俱增,小型LNG船憑借機動靈活、支線調度周轉快、受航道水位和橋梁凈空等條件制約小等優勢,未來必然會迎來廣闊的發展空間。

本文采用模型試驗方法,對4萬m3LNG船舶和1.2萬m3LNG加注船在不同工況下的動響應、系纜張力及護舷撞擊力進行了測量及分析。同時針對4萬m3LNG船舶,開展2 a一遇波浪條件下系纜方式優化研究,為工程設計提供依據。

1 模型試驗

1.1 試驗條件

根據曹妃甸港某LNG碼頭的結構形式和水動力條件開展試驗研究,水深為16.91 m。試驗船型尺度見表1,設計高水位為2.91 m,設計低水位為0.53 m。

潮流運動形式基本呈往復流運動,漲潮時西流,落潮時東流,受地形變化影響,隨位置不同,流向有所變化。為了優化試驗工期,水流方向僅考慮漲潮流(艉來流),流向與碼頭軸線夾角為北向10°(開流向)、0°、南向10°(攏流向),按照潮流可能最大流速計算成果,流速為1.5 m/s。根據工程海域風況條件,試驗考慮吹開風與吹攏風作用,正常運營工況下風速按15 m/s考慮。碼頭前沿浪向包括與碼頭軸線成0°、30°、90°的南向來浪和與碼頭軸線成30°的北向來浪。浪向與碼頭軸線的關系見圖1。試驗中采取的風、浪、流荷載見表2,波浪波高采取H4%。

圖1 輸入條件與碼頭軸線的關系Fig.1 Relationship between input conditions and wharf axis

表2 環境荷載表Tab.2 Environmental loading

以1.2 m波浪為例,其高水位下波浪譜見圖2,低水位下波浪譜見圖3。

圖2 1.2 m波浪高水位波譜Fig.2 1.2 m wave high water level spectrum

圖3 1.2 m波浪低水位波譜Fig.3 1.2 m wave low water level spectrum

工作平臺兩側各設置1組2×1 500 kN快速脫纜鉤,每個靠船墩設置1組3×1 500 kN快速脫纜鉤,每個系纜墩設置2組2×1 500 kN快速脫纜鉤。通常,為了使得纜繩具有足夠的附加變形量,HMPE纜繩常與11 m長的尼龍尾索組合使用。試驗采用的纜繩規格及參數見表3。

表3 各試驗船型系泊纜繩規格Tab.3 Properties of moring rope

4萬m3LNG船舶與1.2萬m3LNG加注船均采用32 mm HMPE纜及85 mm尼龍纜尾索,纜繩預張力為10%破斷力。4萬m3LNG船舶系纜布置為3：2,共10根纜繩(圖4)。其中,艏纜3根(帶MD3)、艏倒纜2根(工作平臺)、艉橫1纜2根(工作平臺)、艉纜3根(帶MD4)。1.2萬m3LNG加注船舶系纜布置為2：2,共8根纜繩(圖5)。其中,艏纜2根(帶MD3)、艏倒纜2根(工作平臺)、艉橫1纜2根(工作平臺)、艉纜2根(帶MD4)。

圖4 4萬m3LNG船舶系纜布置方案Fig.4 Mooring rope layout for 40 000 m3 LNG ship

圖5 1.2萬m3LNG加注船系纜布置方案Fig.5 Mooring rope layout for 12 000 m3 LNG ship

1.2 模型設計

本試驗為風、浪、流3種動力條件下的系泊物理模型,遵照《水運工程模擬試驗技術規范》(JTS/T231—2021)的相關規定,采用正態物理試驗模型。試驗水池長度為35 m,寬度為24 m,深度為1 m,水池尺寸綜合水位、波浪要素、試驗設備及試驗要求等因素,確定模型幾何比尺為1：60(λ=60)。

本次試驗采用的造波系統為搖板式不規則波造波機。按所需波浪對應的參數,由計算機完成造波控制信號的計算,經接口電路將信號傳輸至伺服驅動器中,伺服驅動控制伺服電機的轉動,滾珠絲杠將電機轉動轉換為直線運動,經造波板生成期望的波浪。造風系統共有5臺獨立風機組成,可自由移動、組合,變換風向,風機電機由變頻控制轉數而改變風速,風機可任意排列組合,實現局部風場控制,風機出口最大風速可達到8 m/s。本試驗造流系統由10個水泵控制,通過調節水泵方向和出流大小得到滿足不同工況下水流。

實際纜繩的受力變形過程呈非線性,在模擬過程中,基于分段線性擬合的思路,模擬實際纜繩的受力變形曲線。4萬m3LNG船舶模型尺度下纜繩受力變形曲線示意圖見圖6,護舷模型的反力-變形關系曲線見圖7。

圖6 纜繩模擬曲線Fig.6 Stress-deformation curve of mooring rope

圖7 護舷模擬曲線Fig.7 Stress-deformation curve of fender

LNG船舶按重力相似準則設計,并需滿足以下條件：

(1)幾何相似：模型船與原型船保持線性尺度相似。船模的制作完全以原型船舶型線圖按幾何比尺縮小。

(2)靜力相似：在滿足幾何相似的船舶模型中,采用配重方法,在適當位置放置適當的重物,使其符合不同載度條件時重量及其分布要求。

(3)動力相似：船舶的重心、橫搖及縱搖周期,橫、縱搖轉動慣量符合相似條件。

試驗測量儀器為：

(1)系纜力、撞擊力/撞擊能量使用2013型護舷纜力綜合測量系統測試。

(2)六自由度運動量使用非接觸式FASTRAK運動跟蹤定位系統測試。

1.3 試驗工況

試驗工況組合見表4。

表4 試驗工況組合表Tab.4 Test condition

2 試驗結果

2.1 4萬m3LNG船舶試驗結果

4萬m3LNG船舶試驗結果見表5。4萬m3船在南向90°橫浪作用下運動較為劇烈,除橫移外各運動量均為4種波向中最大。南向90°艏纜與艉纜張力較大,其余波浪作用下,倒纜張力最大,南向0°波浪作用時,船舶的主要運動量為縱移,由此造成倒纜的張力成為最大纜力的控制值。對于4萬m3船,南向90°與南向30°護舷撞擊力、撞擊能量、變形均較小。船舶的運動量中縱移最大為0.88 m,發生工況為南向90°波、吹攏風、設計高水位、壓載、流-10°;橫移最大為0.94 m,發生工況為南向90°波、吹開風、設計高水位、壓載、流+10°;橫搖最大為5.17°,發生工況為南向90°波、吹攏風、設計高水位、壓載、流-10°;船舶各纜繩中的最大單根纜力為327 kN(艏纜),發生條件為南向90°橫浪、吹攏風、設計低水位、滿載、流-10°作用。各護舷中高反力護舷最大撞擊能量為332 kJ,最大撞擊力為3 040.87 kN,最大相對變形達到16.5%。低反力護舷最大撞擊能量為204 kJ,最大撞擊力為1 862.83 kN,最大相對變形達到17.6%。

表5 4萬m3LNG船舶運動量、纜繩張力和護舷特征量最大值Tab.5 The maximum displacement,rope tension and fender impact force for 40 000 m3 LNG ship

2.2 1.2萬m3LNG船舶試驗結果

在風、浪、流組合動力條件作用下,1.2萬m3LNG加注船舶的試驗成果見表6。船舶的運動量中縱移最大為0.56 m,橫移最大為0.68 m,橫搖最大為5.06°?？v移、橫移、橫搖發生工況為南向90°波、吹攏風、設計高水位、壓載、流-10°。船舶各纜繩中的最大單根纜力為249 kN(艏纜),發生條件為南向90°橫浪、吹攏風、設計高水位、壓載、流-10°。各護舷中高反力護舷最大撞擊能量為213 kJ,最大撞擊力為2 093.13 kN,最大相對變形達到8.8%。低反力護舷最大撞擊能量為121 kJ,最大撞擊力為1 403.12 kN,最大相對變形達到10.0%。

3 系泊方案分析

3.1 系纜方案優化

《液化天然氣碼頭設計規范 JTS 165-5—2021》規定4萬m3LNG船舶橫搖控制量為2°,對于4萬m3LNG船舶南向90°浪向,橫搖最大為5.17°。故提出改變系纜方式與纜繩初張力方式對系纜方式進行優化。系纜方式2見圖8,系纜方式2和系纜方式1系纜布置均為3：2,只是艏纜系于MD2,艉纜系于MD5;施加10%破斷力的初張力;波浪參數為：波高為1.0 m、周期為7 s。

圖8 4萬m3LNG船舶系纜方式2Fig.8 Mooring rope layout 2 for 40 000 m3 LNG ship

系纜方式2與系纜方式1相比橫移平均增大33.7%,回轉平均減小44.8%,橫搖最大值為5.20°,縱移、縱搖略有增加且艏纜與艉纜受力增大,系纜方式1與系纜方式2的運動量及纜繩張力見表7。

表7 系纜方式1及系纜方式2運動量、纜繩張力Tab.7 Motion and cable tension of mooring mode 1 and mooring mode 2

3.2 2 a一遇波浪下4萬m3LNG船舶系泊

擬建LNG碼頭主要考慮2 a一遇波浪條件,SE向2 a一遇波浪周期為5.8 s。本組試驗將驗證在此周期下4萬m3LNG船舶系纜力及運動量是否滿足《液化天然氣碼頭設計規范》(JTS 165-5—2021)。

本組試驗采取系纜方式3(見圖9),6根纜繩系纜,分別連接MD2、MD3、MD4、MD5與工作平臺,每根纜繩施加不小于20%破斷力。

圖9 4萬m3LNG船舶系纜方式3Fig.9 Mooring rope layout 3 for 40 000 m3 LNG ship

由表8可知,波高為1 m時,船舶橫搖最大為1.98°,小于但接近規范要求,需引起重視,其余船舶運動量較小。最大單根纜力可達328 kN。

4 結論

本文以曹妃甸港某LNG碼頭為例,采用物理模型試驗方法,模擬了風、浪、流共同作用下4萬m3LNG船舶與1.2萬m3LNG加注船運動響應、系纜張力及護舷撞擊力,并針對4萬m3LNG船舶,開展系纜方式優化研究。試驗結果表明：

(1)纜繩張力最不利條件為南向90°艏纜與艉纜所受張力。對船舶縱移形成良好約束作用的纜繩只有倒纜,而艏、艉纜和橫纜均能夠對于船舶橫移和回轉運動形成約束。

(2)一般而言,船舶在波浪+水流+風聯合作用下,縱搖、升沉及回旋3個運動分量較小,橫移、橫搖和縱移3個運動分量較大。因此,船舶系泊作業主要受橫移、橫搖和縱移3個運動分量控制。而橫搖和橫移主要受南向90°波浪+吹開風控制,而縱移受南向0°波浪控制。

(3)僅就載度而言,壓載為各船舶的控制工況。隨著載度的增加,船舶運動量將逐漸減小,與運動分量相對應的纜繩張力也有所減小。水位變化引起船舶運動量的差別不大,關于纜繩張力水平,波浪為影響船舶運動狀態的主要動力條件,不同浪向作用下運動量試驗結果對比,橫移和橫搖分量為南向90°時最大、南向30°和北向30°次之,南向0°時最小;縱移分量為南向0°時最大、北向30°次之、南向30°和南向90°最小。

(4)風為影響船舶運動狀態的重要動力條件,其影響規律為：吹開風使得船舶的橫移和相應位置纜繩張力增大,使得船舶對護舷的撞擊力明顯減小;而吹攏風使得船舶對護舷的撞擊力增大。

(5)對于4萬m3LNG船,系纜方式2與系纜方式1相比,減小纜繩張力效果不明顯,且橫搖超過規范要求。2 a一遇波浪條件下,采取系纜方式3可顯著減小船舶運動量,滿足規范要求。