厲萍，程晗懌

（1.中交城市投資控股有限公司，廣東 廣州 510230；2.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）

0 引言

浮式儲(chǔ)存及再氣化裝置FSRU（Floating Storage Regasification Unit）是近年來隨著船舶工業(yè)進(jìn)步而逐漸興起的LNG接收及再氣化基礎(chǔ)設(shè)施[1]。相較于傳統(tǒng)的管道運(yùn)輸加工廠再氣化模式處理液化天然氣，F(xiàn)SRU在空間布置上更加方便靈活，用地成本更加低廉，適宜于不具備基礎(chǔ)設(shè)施的環(huán)境下快速部署投產(chǎn)[2]。FSRU生產(chǎn)過程中需要近距離與液化氣船舶共同作業(yè)，因此在平面布置上往往需要形成FSRU-LNGC雙船并靠模式。

傳統(tǒng)的船舶靠泊通常采用單船靠泊的方式進(jìn)行，即僅考慮系纜狀態(tài)下的單一船只在風(fēng)浪環(huán)境作用下與固定岸壁間的相互作用。雙船并靠在此基礎(chǔ)上增加考慮了運(yùn)動(dòng)體之間的相互作用，以及外側(cè)船舶對風(fēng)和浪的遮掩效應(yīng)，因此問題變得更為復(fù)雜[3]，國內(nèi)外學(xué)者以及工程技術(shù)人員通常借助先進(jìn)的數(shù)值求解技術(shù)或者物理模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析。例如：張龍等[4]通過數(shù)值計(jì)算的方法求解了雙船近距離系泊作業(yè)過程中的相互影響；羅偉等[5]通過模型試驗(yàn)研究了碼頭前沿雙船系泊的動(dòng)力響應(yīng)情況。劉帥等[6]從施工的角度研究了雙船并靠條件下，聯(lián)合起吊安裝作業(yè)的技術(shù)可行性等。

本文基于國外某長周期波海域相關(guān)項(xiàng)目，應(yīng)用Optimoor軟件對FSRU單船和FSRU-LNGC雙船并靠兩種情況，進(jìn)行不同波浪條件下的系泊分析，通過計(jì)算各種可能工況下的船舶動(dòng)力響應(yīng)，優(yōu)化最佳平面布置方案，并確定安全工作的允許作業(yè)有效波高，為其他類似工程提供技術(shù)參考。

1 工程背景

圖1 泊位平面布置Fig.1 Plan layout of ship berthing

本項(xiàng)目所依托的工程項(xiàng)目位于水深-15 m的離岸海域，當(dāng)?shù)刈匀伙L(fēng)速一般不超過20 kn，極端情況下超過40 kn。針對FSRU單船靠泊工況，考慮到FSRU因作業(yè)需求長期?？坑诖a頭，并且要求較高的可作業(yè)率，因此設(shè)計(jì)風(fēng)速采用1%強(qiáng)風(fēng)[7]（即海平面以上10 m位置處30 s平均風(fēng)速44 kn）。對于雙船并靠的情況，考慮到裝卸臂在風(fēng)速達(dá)30 kn時(shí)會(huì)自動(dòng)停止作業(yè)[8]，因此雙船作業(yè)的設(shè)計(jì)風(fēng)速取30 kn。

水流流速同樣對船舶作業(yè)穩(wěn)定性具有一定影響，本文選取1 a一遇的流速[9]，即采用1.2 kn作為設(shè)計(jì)計(jì)算流速。

工程所在地的主浪向?yàn)镾E—SSE，同時(shí)也有N、NW和E向浪。因此本文選取了0°、45°、90°、135°、150°、165°、180°和 315°共 8 個(gè)方向作為波浪計(jì)算方向，波浪周期選取8～18 s、周期間隔取1 s作為周期計(jì)算參數(shù)，基于上述條件計(jì)算允許作業(yè)波高。本文計(jì)算了2個(gè)不同軸線的泊位平面布置方案，如圖1所示。其中，由于泊位方案2實(shí)際情況與左側(cè)防波堤平行布置，故沒有采用315°入射波浪。

2 計(jì)算條件

2.1 設(shè)計(jì)船型

近年來，隨著造船行業(yè)的不斷發(fā)展，目前常規(guī)的FSRU倉容為12.5萬～17.3萬m3，LNG船常見倉容為12.5萬～26.6萬m3。本文所依托工程中采用的主要設(shè)計(jì)船型為17萬m3的FSRU和16萬m3的LNG船。

相關(guān)的船型參數(shù)見表1。

2.2 系纜布置方案

計(jì)算所參考的實(shí)際工程碼頭長度為390 m，共包括1個(gè)工作平臺(tái)，2個(gè)靠船墩和6個(gè)系纜墩。FSRU通過纜繩直接連接在系纜墩上，靠船墩設(shè)4個(gè)SCN2000 E1.8型號(hào)的護(hù)舷。LNG船系于FSRU上，為防止兩船相撞，F(xiàn)SRU和LNG相接觸部位掛有7個(gè)STS PNEUMATIC型號(hào)護(hù)舷。雙船系纜的纜繩布置示意圖如圖2所示。

表1 設(shè)計(jì)船型參數(shù)Table 1 Parameters of design ship type

圖2 雙船并靠系纜布置示意圖Fig.2 Layout of mooring lines for double ship

纜繩作為影響船舶泊穩(wěn)的主要受力構(gòu)件，纜繩剛度和強(qiáng)度的選擇較為關(guān)鍵。FSRU和LNG均采用18根鋼纜或者復(fù)合纜進(jìn)行系泊，纜繩相關(guān)力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)纜繩參數(shù)Table 2 Parameters of mooring cable

2.3 船舶運(yùn)動(dòng)量標(biāo)準(zhǔn)

受到生產(chǎn)流程以及裝卸工藝的限制，F(xiàn)SRU通常需要長期系泊于碼頭結(jié)構(gòu)，LNG船與FSRU之間通常采用柔性軟管式輸送系統(tǒng)進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)作業(yè)。當(dāng)LNG和FSRU之間發(fā)生較大相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，F(xiàn)SRU上的應(yīng)急釋放系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)兩船的快速脫離。因此，在設(shè)計(jì)過程中，F(xiàn)SRU的可允許運(yùn)動(dòng)量按普通LNG船考慮，LNG船的可允許運(yùn)動(dòng)量應(yīng)為相對于FSRU的運(yùn)動(dòng)量。船舶作業(yè)允許運(yùn)動(dòng)量標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 船舶允許運(yùn)動(dòng)量標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Allowable movement of ship

2.4 計(jì)算工況組合

本文在基于上述風(fēng)、浪、流組合作用的基礎(chǔ)上對FSRU單獨(dú)靠泊以及FSRU-LNGC雙船靠泊進(jìn)行模擬計(jì)算。FSRU滿載時(shí)采用平均低水位，壓載時(shí)采用平均高水位。在保證船舶運(yùn)動(dòng)量不超過允許值且纜繩均不破斷的基礎(chǔ)上，得出每種浪向和周期組合所對應(yīng)的最大允許波高（其中根據(jù)規(guī)范限制，最大作業(yè)波高不應(yīng)超過3 m[10]）。計(jì)算工況組合如表4所示。

表4 計(jì)算工況組合Table 4 Calculation condition combination

3 計(jì)算結(jié)果分析

針對表4中的6個(gè)作業(yè)工況，開展了不同平均周期波浪作用下的船舶響應(yīng)計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果推求出給定的平均波周期下允許作業(yè)的最大有效波高。

計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 允許作業(yè)波高計(jì)算結(jié)果Fig.3 Allowable working wave height results

從以上6個(gè)工況的計(jì)算結(jié)果中可以看到：長周期波相比短周期波對船舶的系纜穩(wěn)定性影響較大，波浪周期越大，船舶的允許作業(yè)波高越小。

同樣的，從以上6組計(jì)算結(jié)果中不同角度波浪來向?qū)ο道|系統(tǒng)最大允許波高的影響可以看到：來自船頭或船尾方向的波浪（船浪夾角0°～30°）相比其他方向波浪所產(chǎn)生的允許作業(yè)波高顯著較大，證明泊位的最佳布置方向是使得系纜船舶與常浪向的方向相互一致。

對比單船系泊工況下（A1、A2工況）不同纜繩強(qiáng)度對FSRU運(yùn)動(dòng)量的影響結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：采取較小的纜繩破斷力時(shí)，通常在FSRU還未到達(dá)運(yùn)動(dòng)量的允許值時(shí)，纜繩就已經(jīng)破斷，使得最大允許波高數(shù)值較低。而采用破斷力較高的纜繩，可以使得船舶在允許運(yùn)動(dòng)量范圍內(nèi)產(chǎn)生更大幅度的運(yùn)動(dòng)，也即提高允許波高，從而增加船舶的可作業(yè)時(shí)間，有效提高系統(tǒng)的年運(yùn)行效率。

由于FSRU長期停泊于碼頭，因此遭遇高速風(fēng)作用的概率更大，所以模擬單船靠泊的設(shè)計(jì)風(fēng)速取值較大，因此從設(shè)計(jì)過程中所采用的概率組合方法角度而言，當(dāng)FSRU纜繩破斷力較低時(shí)，雙船并靠方案（D1、D3）比FSRU單船系泊方案（A1、A3）的允許作業(yè)波高更大。

從不同泊位布置方案（A1、A3）的單FSRU系泊結(jié)果來看，泊位布置形式2的允許作業(yè)波高顯著大于泊位布置形式1；從不同泊位布置方案（D1、D3）的FSRU-LNGC雙船并靠系泊結(jié)果來看，泊位布置形式2的允許作業(yè)波高同樣也顯著大于泊位布置形式1。因此對于該項(xiàng)目而言，泊位2的軸線走向更有利于FSRU-LNGC的泊穩(wěn)和作業(yè)。即使FSRU使用破斷力較小的纜繩（D3），允許作業(yè)的有效波高也整體較高。

4 結(jié)語

通過建立雙船并靠計(jì)算模型，對不同風(fēng)浪組合工況下的船舶允許作業(yè)有效波高進(jìn)行研究，得出以下主要結(jié)論：

1）計(jì)算分析結(jié)果表明：船舶順浪方向系纜靠泊狀態(tài)下的允許作業(yè)波高相比其他方向靠泊時(shí)的允許作業(yè)波高較大；隨著波浪平均周期的增加，系泊系統(tǒng)的允許作業(yè)波高有所減小。

2）受到長期極值風(fēng)速影響，在FSRU系泊纜繩破斷力有限的情況下，雙船并靠狀態(tài)下所允許的作業(yè)波高大于FSRU單獨(dú)長期靠泊狀態(tài)下的允許作業(yè)波高。

3）采用適宜的碼頭軸線走向，可以大大降低對纜繩破斷力的要求。如受其他因素限制無法嚴(yán)格順浪布置，可通過為FSRU選用較高破斷力的纜繩來提高泊位可作業(yè)率。

4）經(jīng)過綜合對比分析，港內(nèi)作業(yè)的船舶運(yùn)動(dòng)量一般不會(huì)達(dá)到允許運(yùn)動(dòng)量的極限值，因此船舶的可作業(yè)波高主要受到系泊纜繩破斷力的制約。