液化天然气码头拖轮配置的计算分析

谷文强，李芙蓉

（1.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230；2.中交四航局港湾工程设计院有限公司，广东 广州 510290）

0 引言

液化天然气码头的LNG运输船舶在进出港时，需要使用拖轮协助，包括护航进港、回旋、靠泊、装卸、离泊、护航出港。每项作业的时间取决于拖轮的大小、船舶的型号与尺寸、港区布置以及装卸系统能力。在LNG船舶进出港和靠离泊过程中，同时承受横风、风流和横浪的情况一般出现在船舶在回旋水域回旋调头的时候，因此使用拖轮数量最多的时段一般为LNG运输船在回旋水域进行回旋作业的时候。如图1所示。

1 国内外规范中拖轮配置计算方法概述

《基于国内外规范和标准的海港工程总平面设计指南》[1]给出了国内外规范中拖轮配置计算的详细计算方法。

根据JTS 165-5—2016《液化天然气码头设计规范》[2]要求，液化天然气船舶在进出航道航行时，应实行交通管制并配备护航船舶。液化天然气船舶靠泊和离泊时应配备全回转型拖轮协助作业。液化天然气船舶靠泊时，可配备4艘拖轮协助作业，离泊时，可配置2艘拖轮协助作业，拖轮的总功率应根据当地自然条件和船型等因素综合确定，且单船最小功率不应小于3 000 kW。

JTJ 165—2013《海港总体设计规范》[3]附录G给出的拖轮拖力计算方法是引用自国际海事组织IMO规范《Tug use in port》[4]，而《Tug use in port》中的风力和水流力计算方法引用自石油公司国际海事论坛（OCIMF）规范《Mooring equipment guidelines》[5]并将公式进行了简化，为了得到更准确的计算结果，建议作用在船舶上的风力和水流力计算将直接参照OCIMF规范《Mooring equipment guidelines》[5]进行计算，而作用在船舶上的波浪力的计算方法建议使用西班牙规范ROM 3.1-99《Recommendations for the design of the maritime configuration of ports，approach channels and harbour basins》[6]中的计算公式。

2 设计基础资料分析和计算工况选取

2.1 LNG船型资料分析

目前最大的LNG船是26.6万m3LNG运输船，26.6万m3LNG运输船的船型资料如表1所示。

表1 26.6万m3LNG运输船船型资料Table 1 The ship data of 266 000 m3 LNG carrier

目前全世界大约有15艘26.6万m3LNG船，根据国际航运协会PIANC规范《Harbour approach channels design guidelines》[7]，LNG运输船属于操纵性能中等的船舶，一般在船舶侧边配置侧推器。需要慎重考虑是否用艏、艉推进器来替代拖轮。在船舶到港之前如果能确定推进器的可靠性，才能减少拖轮的数量，否则任何失效情况，都会增加作业的危险性。从另一方面而言，如果不将艏、艉推进器计入总拖力中，那么在拖轮失效的情况下，将能大大提高富裕安全性。

2.2 自然条件分析和计算工况选取

1）风

根据《液化天然气码头设计规范》[2]，8万m3以上LNG船的靠泊操作作业的风速条件，标准为15 m/s，相当于7级风，而规范中对于LNG船舶在回旋水域中的作业条件标准没有相关规定。根据PIANC规范《Harbour approach channels design guidelines》[7]，制动水域和回旋水域中允许的船舶操纵作业条件标准为10 m/s。考虑到中国沿海地区出现较大风速天数较多，10 m/s的作业标准较为严格，考虑作业条件标准为6级风（蒲福风级）比较合适，即额外考虑13.8 m/s的工况。综上，作用在船舶上的风力计算考虑10 m/s、13.8 m/s和15 m/s 3种工况。

中国规范没有对风速时距给出相关规定或者要求，一般默认采用10 min平均风速作为港池泊位、系泊分析等设计风速。但是国外规范一般认为能够克服船舶惯性的设计风速应是阵风风速，即接近船舶运动自有周期的风速时距，其中OCIMF规范《Mooring equipment guidelines》[5]中建议采用30 s平均风速。在PIANC规范《Safety aspects affecting the berthing operations of tankers to oil and gas terminals》[8]中给出的风速转换方法，则从10 min平均风速转换为30 s平均风速的阵风系数约为1.23，从10 min平均风速转换为60 s平均风速的阵风系数约为1.19。蒲福风级的风速为10 min平均风速，因此如采用国外规范计算船舶风荷载时应进行风速换算计算。

在船舶风荷载计算中考虑的风速一般是指水平面或者地面上10 m处的风速。

在液化天然气码头拖轮配置计算中，一般考虑设计风速横向作用于LNG船舶。

2）水流

根据《液化天然气码头设计规范》[2]，8万m3以上LNG船的靠泊操作作业的水流流速条件标准为小于0.5 m/s。对于有防波堤掩护的码头，往往流速可以降低到0.25 m/s以下，因此水流荷载计算考虑0.25 m/s和0.5 m/s两种工况。

3）波浪

根据《液化天然气码头设计规范》[2]，8万m3以上LNG船的靠泊操作作业的波浪条件标准为不大于1.2 m，该波高为波列累积频率4%的波高，但是在国外船舶波浪力荷载计算中往往使用的是有效波高，因此在计算时应注意进行转换。

3 拖轮配置的计算分析

3.1 横风作用下LNG船所受风作用力

横风作用下船舶所需拖轮拖力按照OCIMF规范《Mooring equipment guidelines》[5]的计算公式为：

式中：FYW为横向风力，kN；CYW为横向风力系数，对于棱柱型LNG运输船，受到侧向横风时取为1.05；ρA为空气的密度，在20℃时，取为1.223 kg/m3；AL为船舶水面以上纵向投影面积，m2；VW为设计风速，kn。

按照最大设计船型为26.6万m3LNG船计算横风作用下船舶所需拖轮拖力，计算结果如下：

工况A：26.6万m3LNG船满载时在10 m/s横风作用下船舶所需拖轮拖力为76 t；

工况B：26.6万m3LNG船压载时在10 m/s横风作用下船舶所需拖轮拖力为84 t；

工况C：26.6万m3LNG船满载时在13.8 m/s横风作用下船舶所需拖轮拖力为146 t；

工况D：26.6万m3LNG船压载时在13.8 m/s横风作用下船舶所需拖轮拖力为160 t；

工况E：26.6万m3LNG船满载时在15 m/s横风作用下船舶所需拖轮拖力为172 t；

工况F：26.6万m3LNG船压载时在15 m/s横风作用下船舶所需拖轮拖力为189 t。

3.2 横流作用下LNG船所受到的水流作用力

根据OCIMF规范《Mooring Equipment Guidelines》[5]计算横流作用下船舶所需拖轮拖力FYC的公式为：

式中：CYC为船舶横向水流力系数，对于26.6万m3LNG运输船，满载情况下水深与船舶吃水比值约为1.2（一般LNG码头港池水域水深约为14.5～15.0 m，满载吃水12.0 m），考虑水流与船夹角为90°时，CYC取2.3；压载情况下水深与船舶吃水比值约为1.5（压载吃水9.8 m），考虑水流与船夹角为90°时，CYC取0.8；ρV为水的密度，在20 °C时密度为1 025 kg/m3；LBP为船舶双垂线间长度，m；VC为流速，kn；T为船舶吃水。

按照最大设计船型为26.6万m3LNG船计算横流作用下船舶所需拖轮拖力，计算结果如下：

26.6万m3LNG船满载时在0.25 m/s横流作用下船舶所需拖轮拖力为30 t；

26.6万m3LNG船压载时在0.25 m/s横流作用下船舶所需拖轮拖力为9 t；

26.6万m3LNG船满载时在0.5 m/s横流作用下船舶所需拖轮拖力为120 t；

26.6万m3LNG船压载时在0.5 m/s横流作用下船舶所需拖轮拖力为34 t。

3.3 横浪作用下LNG船所受波浪作用力

根据西班牙规范ROM 3.1-99《Recommendations for the design of the maritime configuration of ports，approach channels and harbour basins》[6]计算作用在船舶上的横浪作用力计算公式为：

式中：FT为横向波浪力，kN；α为波浪传播方向相对于船舶长度方向的夹角，（°）；γw为水的密度，为1 030 kg/m3；Cf为水线面系数，由图2查得，取为0.065；Cd为深度系数，查图3，取为1.1；HS为有效波高，m；D′为船舶在波浪方向上的投影长度，m。

图2 、图3中：h为水深，m；Lwr为计算区域水深处的相对波长，在回旋水域位置船舶速度为0，Lwr可取为计算区域的绝对波长，m；D为船舶吃水深度，m。

图2 水线面系数Cf取值Fig.2 Water plane coefficient Cf value

图3 深度系数Cd取值Fig.3 Depth coefficient Cd value

由于26.6万m3LNG船舶在满载和压载情况下的水线面系数相同，因此满载和压载情况受到的波浪力相同，计算得出约为25 t。

3.4 环境荷载作用下LNG船操纵所需拖轮总拖力

根据《Safety aspects affecting the berthing operations of tankers to oil and gas terminals》[8]对于拖轮配置进行了系统的介绍，由于在几艘船舶同时作业时可能出现的拖拽力不平衡的情况，以及在计算拖轮力时的不精确性，建议增加一个拖轮拖力系数Sf，取值在1.2～1.5之间。由于实际可用的总拖轮力与克服自然条件所需有效总拖力之间的区别，推荐增加一个作业安全系数SO，取值在1.1～1.25之间，具体数值由拖缆长度、是否顶推、拖拽或者顶推的方向、涌浪情况以及水流速度综合确定。

对于26.6万m3LNG船舶，考虑环境荷载、拖轮拖力系数和作业安全系数后得出的拖轮配置计算结果如表2和表3所示。

表2 设计流速0.25 m/s、H4%波高1.2 m时26.6万m3LNG船所需拖轮总拖力Table 2 Total towing force of 266 000 m3 LNG carrier at design current speed of 0.25 m/s and H4% wave height of 1.2 m

表3 设计流速为0.5 m/s、H4%波高1.2 m时26.6万m3LNG船所需拖轮总拖力Table 3 Total towing force of 266 000 m3 LNG carrier at design current speed of 0.5 m/s and H4% wave height of 1.2 m

3.5 计算结果分析和拖轮配置方案

由风、波浪和水流作用下LNG船舶回旋作业所需拖轮总拖力计算结果表2和表3可以看出，26.6万m3LNG船舶在回旋水域时承受的最大环境荷载中，风荷载和水流力荷载是主要影响因素，满载所受到的环境荷载比压载大，因此满载情况为控制工况。

如果回旋水域作业设计风速13.8 m/s，流速0.25 m/s，H4%波高1.2 m，则所需最大拖轮总拖力约为265 t，可以考虑配置3艘4 000 kW（5 200 HP）全回旋拖轮（每艘拖力65 t）和1艘4 000 kW（5 200 HP）消拖两用全回旋拖轮（每艘拖力65 t）。

如果回旋水域作业设计风速15 m/s，流速0.25 m/s，H4%波高1.2 m，则所需最大拖轮总拖力约为300 t，可以考虑配置3艘5 500 kW（6 800 HP）全回旋拖轮（每艘拖力75 t）和1艘5 500 kW（6 800 HP）消拖两用全回旋拖轮（每艘拖力75 t）。

如果回旋水域作业设计风速15 m/s，流速0.5 m/s，H4%波高1.2 m，则所需最大拖轮总拖力约为418 t，需要配置5艘5 000 kW（6 000 HP）全回旋拖轮（每艘拖力70 t）和1艘5 000 kW（6 000 HP）消拖两用全回旋拖轮（每艘拖力70 t），但是6艘拖轮数量已经是引航员所能指挥的最大数量，对于引航员的指挥能力和指挥系统的先进程度要求非常高，为保证操纵安全，不建议停靠作业。

如果回旋水域作业设计风速10 m/s，流速0.5 m/s，H4%波高1.2 m，则所需最大拖轮总拖力约为229 t，可以考虑配置3艘4 000 kW（5 200 HP）全回旋拖轮（每艘拖力65 t）和1艘4 000 kW（5 200 HP）消拖两用全回旋拖轮（每艘拖力65 t）。

4 风险评估

根据Carl A.Thoresen的《Port designer’s handbook》[9]，在靠离泊作业过程中，需要考虑拖轮失效的可能性。当拖轮失效时，靠泊作业应该能够被剩余的拖轮继续完成或者安全的中断。

为了简化和展示风险评估，可建议一个如图4所示的关系矩阵，其中横轴为可能性，纵轴为结果。

图4 风险评估矩阵Fig.4 Risk assessment matrix

对于油气船舶，船舶失去控制的可能性应该小于等于等级3。一般不接受2艘拖轮的配置，即使拖轮拖力已经足够。因为如果一艘拖轮失效，船舶失去控制的可能性就非常大。

对于油气船舶，在靠泊过程中船舶失去控制的后果是非常严重的。它不仅会损坏船舶本身，还会对其他船舶以及港口建筑物产生破坏。在实践中，油气船舶的操作结果应该保持在等级3或者更小。

图4 中的风险评估矩阵给出了在作业过程中，一艘拖轮失效后，配置不同数量拖轮的情况下船舶失控的可能性与后果。由于对于事件发生可能性和后果严重性都需要控制在一定范围内，因此图4中淡灰色部分为可接受的风险范围。

在计算拖轮拖力之前就需要进行风险评估[10]，而且最终确定的拖轮数量必须大于风险评估得出的拖轮数量。

5 结语

拖轮配置的合理性以及拖轮作业的安全性对整个港口运作至关重要，一般的配置计算需要考虑到多种因素的影响，包括港口总体布置、环境条件、被拖船的船型特性、拖轮操作方法、安全因素等。

本文使用国内外规范中给出的LNG船舶操纵的环境作业标准和常规的作业条件作为输入条件，通过计算方法分析液化天然气码头的拖轮配置方法，综合考虑了环境条件、安全因素和风险评估等因素，针对不同的环境作业标准给出不同的拖轮配置方案，可供相关项目参考使用。