LNG 船对船过驳作业配置模型与安全稳定性分析*

石 峰 陶可健 黄立文,3▲ 谢 澄

（1. 中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司 天津 300452；2. 武汉理工大学航运学院 武汉 430063；3. 武汉理工大学内河航运技术湖北省重点实验室 武汉 430063）

0 引 言

随着国际组织对环境保护要求的不断提高，液化天然气（LNG）作为1种清洁能源得到了广泛关注和应用。我国作为能源消耗大国，水上运输进口LNG的需求快速增长[1]。我国战略规划逐步在沿海及长江中下游地区修建LNG 接收站[2]，然而受到航道或港口水深、桥梁尺度和码头设施条件等通航条件限制，以及能源损耗、港口营运和泊位资源等经济因素考虑，LNG 船舶存在海进江过驳、海上过驳及事故场景下应急过驳的3个方面过驳需求[3-4]。由于LNG的特殊理化性质，过驳往往在沿海锚地采取船对船的作业方式，因此开展LNG船对船过驳的相关研究对保障作业安全有着重要作用。

海上开阔水域环境中以锚泊方式开展船对船过驳作业时，2船通过碰垫和缆绳连接成为组合体，通过抛锚和拖船协助方法进行定位和保持2船组合体的稳定性。Sun等[5]为评估FPSO与穿梭油船并靠系泊卸载货物的安全特性，通过数值计算方法分析了系泊缆绳和碰垫的规格及数量对系泊系统安全性的影响；Gu 等[6]通过对海上平台施加不同组合环境条件，得出了系统张力影响规律，为系泊布置方法提供了理论支持；徐铁等[7]通过分析超大型船舶在靠离泊操作时对拖船需求的计算方法，对超大型LNG船舶所需拖船的配置方法给出指导和建议；张明霞等[8]建立了提油船与FPSO串靠系统模型，分析了为保持船舶稳定性所需拖船作用力的变化曲线，得到了拖船的功率和数量配置要求及性能评估的方法；Yue等[9]建立了FSRU 与LNG 船舶码头并靠系泊模型，探究了系泊缆绳预张力对系统模型稳定性的影响规律；施兴华等[10]针对FPSO 与穿梭油船并靠耦合多点系泊系统，运用仿真试验方法将系泊缆绳分段、比例等进行了优化设计，分析系泊缆绳受力情况，从而进一步优化导缆孔位置设计；张新福等[11]运用有限元分析方法对2艘并靠船舶间使用的橡胶护舷进行建模分析，分析了2 船并靠时低速碰撞对碰垫造成的影响，得出护舷压缩变形情况，从而优化护舷系统设计。目前相关研究多围绕过驳作业中碰垫或系泊缆等设备选型配置等方面开展，尚缺乏针对LNG船对船过驳作业整体关键配置的系统性研究。

为保障海上LNG船对船过驳作业安全开展，基于作业过程保障作业安全的关键设备，系统性构建过驳作业选型与配置模型，基于规范指南要求以及力学理论分析方法，辨析2船组合体的系泊配置、碰垫选型、锚泊方式、拖船选配，以及过驳作业区划定方法，针对作业中的关键配置问题提出技术解决方案和操作控制方法。进一步通过数值计算仿真试验方法，对基于该模型构建的2 船组合体系统在典型工况条件下的设备受力情况进行定量分析[12]，评估配置模型的可行性和安全性，从而为LNG船对船过驳作业关键配置选型的安全性提供重要保障。

1 LNG船对船过驳选型与配置模型

1.1 模型构建

海上开阔水域锚地环境中，LNG 船对船过驳一般由卸载船稳定锚泊后，受载船在拖船辅助下驶近卸载船并完成并靠系泊作业，2船运动协同后连接软管等货物传输设备进行LNG过驳作业[13-14]。根据作业流程可辨识LNG 过驳作业中较为重要的关键节点：过驳环境适配、过驳设备适配、辅助拖船适配、过驳作业区划定，其中，过驳设备配置又包含了系泊布置、碰垫选型，以及锚泊方式等3 个关键要素，为了区分各指标在船对船过驳船型匹配的重要程度和作用，较全面地吸收所有指标提供的信息，本文采取多层次模糊综合评判分析的方法，建立LNG船对船过驳选型与配置模型。将LNG 船对船过驳选型与配置模型分为3个层次结构（见图1），最高层为过驳选型与配置适配度（一级指标为C1）、中间层（二级指标为Fi）、最底层（与二级指标Fi所对应三级指标为Fij）。

图1 LNG船对船过驳选型与配置模型的层次结构Fig.1 Hierarchical structure of LNG ship-to-ship transfer selection and configuration model

令dij为二级指标所对应的三级指标Fij的原始数值，则有矩阵见式（1）。

式中：Di为过驳选型与配置适配度；dij为第i个二级指标中第j个三级指标的原始数值；为第i个二级指标中第j个三级指标的最优值；n为二级指标中所含三级指标的数量；ωij为第i个二级指标中第j个三级指标的权重值。

由式（1）可见：评估LNG 船对船过驳选型与配置的适配度情况主要取决于指标的实测值、最优值和权重值。

1）实测值。实测值一般指LNG 船过船过驳作业中的3个关键要素的实际使用数据。

2）权重值。由于目前缺乏LNG 船对船过驳作业的相关数据，而实际数据获取后也仍然需要标准化处理，因此采用专家打分法邀请了来自主管机关、高校和科研院所以及船舶企业的20 位专家进行打分，为了消除主观判断误差，取专家打分的平均值作为三级指标Fij的权重值。权重值计算结果见表1。

表1 权重值的计算结果Tab.1 Calculation results of weight values

3）最优值。最优值指根据船舶自身条件参数、锚地水域环境，以及过驳布置等数据，基于数学模型计算得到的使用数据。

综上所述，LNG 船对船过驳选型与配置模型的关键在于确定实测值和最优值，其中实测值可根据实际LNG船对船过驳方案获取，而最优值的计算方法和计算模型如下。

1.2 过驳环境配置

在LNG运输船的过驳作业过程中，作业环境条件的要求包括但不限制于以下3点。

1）能见度。在任何靠泊操作中，能见度应足以允许安全操纵[15]，同时应考虑安全航行和避免碰撞的要求。

2）风速和风向。主要影响船舶操纵性、靠泊速度[16]，还可能导致船舶剧烈晃荡或出现自由液面效应[17]。

3）波浪和涌浪的浪高、周期和方向。考虑到参与过驳作业船舶的相对干舷和吨位因素，天气情况限制条件很大程度上取决于海浪和涌浪对碰垫或系泊缆的影响，以及引起参与作业船舶的横摇运动。

1.3 过驳设备配置

1.3.1 系泊布置

LNG 卸载船和受载船在接近至并靠位置后，依靠缆绳进行相互系泊，以维持2 船距离和稳定状态。由于船舶在建成出坞时已装配一定数量的缆绳，因此过驳时优先考虑使用船舶缆绳，经系缆力评估后考虑采用增加缆绳数量的方式确保系泊安全[18]。缆绳布置方式可根据OCIMF 规范[19]，典型LNG船对船过驳系泊配置见图2。

图2 LNG船对船系泊布置Fig.2 Mooring model of LNG ships combined system

系泊缆绳数量的选择可参考《港口工程载荷规范》中对LNG船舶在码头的系缆力要求[20]，见式（2）。

式中：N为系缆力标准值，kN；K为系船柱受力分布不均匀系数，当实际受力的系船柱数目n=2 时，K取1.2，n＞2 时，K取1.3；α为系船缆的水平投影与码头前沿线所成的夹角；β为系船缆与水平面之间的夹角，（°）分别为载荷对船舶的横向力和纵向力，kN。

1.3.2 碰垫选型

碰垫用于船对船过驳作业时吸收船舶撞击压力，由于大型LNG 船舶载重吨及其惯性作用力较强，正确放置碰垫对于确保2 船的船体安全至关重要。对于碰垫数量和尺寸[21]，可依据船舶排水量计算靠泊系数C后再参照表2进行选取。靠泊系数C按照以下模型计算，见式（3）。

表2 碰垫快速选取表Tab.2 Parameters of fender selection

式中：DSA和DSB分别为LNG卸载船和受载船的排水量，t。

1.3.3 锚泊方式

一般条件下，LNG 船舶过驳作业时2 船组合体的锚泊稳定性[22]通过由较大船舶抛单锚完成，但由于作业往往需要在沿海开阔水域开展，受风浪流等环境影响较大，因此必要时可考虑采取一字锚泊、平行锚泊等抛锚方式以加强2 船组合体的锚泊稳定性，常见的锚泊方式见图3。

图3 船舶锚泊配置模型Fig.3 Anchoring stability configuration model

LNG 船对船过驳应使用专用锚地，为2 船组合体提供稳定锚泊力，确保作业安全开展。船舶的锚泊力由锚的抓力和锚链的抓力共同提供，可参考以下模型进行计算[23]。

式中：P为锚泊力，是锚抓力与锚链摩擦力的和，kN；Wa为锚在水中的重量，即锚在空气中重量×0.876，kg；Wc为锚链每米长在水中的重量，kg；L1为锚链卧底部分的长度，m；λa，λc为锚的抓力系数和锚链的摩擦系数，见表3。

表3 锚的抓力系数和锚链的摩擦系数Tab.3 Coefficient of anchor holding and chain friction

LNG 船舶锚和锚链的重量应按照船舶实际配备的参数进行计算，在参数信息未知时可参考文献[24]中的计算模型。

式中：V为货舱舱容，m3。

1.4 辅助拖船选配

拖船既可作用于受载船以降低抵靠卸载船时的船舶速度，减小碰撞能量，也可作用于卸载船辅助稳定船舶状态[25]。拖船借助其顶推和拖拽作用力，能够协助2船组合体在遭遇环境变化或更强风浪流载荷作用下保持船体稳定，可根据过驳水域实际环境状况，通过配置不同数量和作用位置的拖船应对不同环境条件影响。LNG 船对船过驳典型拖船配置方式见图4。

拖船在过驳作业中可以增强稳定性，选择拖船在作业中的配置时，拖船过驳作业所需拖船的作用力可参照《港口拖船应用指南》中的方法进行计算，见式（6）。

式中：F为拖船所需作用力，N；vw为风速，m/s；vc为流速，m/s；AL为受风面积，m2；Lbp为2柱间长，m；T为船舶吃水，m；L为水线间长，m；HS为有义波高，m。

1.5 过驳作业区划定

考虑到LNG低温易爆的危害特性，过驳时发生LNG泄漏扩散事故会对船舶和人员造成伤害，因此作业时需考虑划定过驳作业区，并制定相应的保障方案。通过对LNG 泄漏扩散危险距离进行模拟仿真计算，同时考虑船舶长度及2 船组合体在海上风浪流作用下做旋回运动[26-27]，给出过驳作业安全区范围的计算模型，见式（7）。

式中：R为过驳作业区半径，m；l为LNG 泄漏扩散可燃浓度距离，m；Loa为船长，m；lm为船舶抛锚长度，m；Dp为水深，m。

通过以上分析，在改进现有定性分析方法的基础上，基于所构建的LNG船对船过驳选型与配置模型，提出计算LNG船对船过驳设备配置安全稳定性的定量分析方法，利用该方法开展LNG船对船过驳船舶选型与设备配置分析的流程见图5。

图5 过驳船舶选型与设备配置流程Fig.5 The process of transfer ship selection and equipment configuration

LNG 船对船过驳设备配置安全稳定性的定量分析过程的基本步骤如下。

1）过驳环境条件确认。开展LNG 船对船过驳作业前，对过驳环境条件进行确认，当不满足环境条件限值时，严禁过驳作业。

2）实测值的确定和调整。对包括锚泊方式、碰垫选型及系泊布置在内的过驳设备的配置与选型计算，当锚泊力、防撞能力及系泊力均满足要求时，进行下一步拖船辅助的选型与配置；当不满足时，重新对锚泊力、防撞能力及系泊力进行调整计算，直至锚泊力、防撞能力及系泊力均满足要求。

3）实测值的确定和调整。进行拖船辅助的选型与配置，当拖船的布置方式满足稳定性评估的要求时，进行下一步过驳作业区范围的划定，如果不满足，则继续开展拖船辅助的选型与配置计算，直至拖船的布置方式满足稳定性评估的要求。

4）LNG 船对船过驳选型适配度的计算。基于LNG 船对船过驳选型与设备配置模型中实测值的计算调整结果，结合各最优值的设定情况，对LNG船对船过驳选型适配度进行计算。

5）过驳作业方案的制定。当适配度满足计算误差要求时，方可制定最终的LNG 船对船过驳作业方案；当适配度不满足误差要求时，重新开展实测值的确定和调整，直至适配度的计算结果满足要求。

2 实例验证及仿真

根据构建的LNG船对船过驳选型与配置模型，选择与卸载船兼容性良好的受载船，确定2 船采用过驳设备的数量和布置方式，通过仿真试验评估模型对过驳系统安全稳定性的影响。

2.1 实验案例

选取到港我国LNG 接收站的实际船舶设计参数，以145 000 m3LNG 卸载船（LNG unloading ship,LNGU）过驳至60 000 m3LNG 受载船（LNG receiving ship,LNGR）为试验对象，构建LNG 船对船过驳仿真试验模型，2船参数见表4。

表4 LNG 船舶设计参数Tab.4 Parameters of the LNG ships

2.2 试验环境

过驳水域设定在我国东海水域沿海锚地，作业时主要受到风浪流环境条件影响。根据相关研究计算危险的环境条件组合[28]，主要环境条件参数见表5。

表5 风浪流环境条件参数Tab.5 Parameters of environmental condition

2.3 试验配置

根据LNG船舶尺度和作业环境条件，计算过驳所需的设备配置方式，设备条件参数设定见表6。

表6 LNG 船对船过驳设备参数Tab.6 Equipment parameters of LNG ship-to-ship transfer

2.4 仿真结果和分析

应用水动力学分析软件对过驳系统开展仿真试验，试验时长设定为3 h，时间步长为0.2 s，计算得出系泊设备受力、拖船作用力情况，通过对比仿真试验得出各设备受力情况与实船设备的破断强度，验证设备配置的安全性及对船舶稳定性的影响。同时应用流体力学仿真软件对LNG 泄漏情况开展仿真试验，计算得出扩散范围从而划定LNG 船对船过驳作业区。

2.4.1 设备受力

通过对2船组合体施加组合环境载荷，计算得到过驳使用锚链、缆绳和碰垫的受力情况，见图6～8。

图6 缆绳受力情况Fig.6 The force of the cable

图7 碰垫受力情况Fig.7 The force of the fenders

图8 锚链拉力时历曲线Fig.8 Time series of the anchor forces

根据统计结果显示，缆绳中受力最大值均未超过缆绳最小破断载荷值1 315 kN，未超过最大载荷1 770 kN，可保障2 船系泊稳定；4 个碰垫中受到的最大压力为2 145 kN，不超过可承受最大撞击压力2 460 kN，可保障全过程作业安全；锚链拉力最大值为817 kN，能够保证2 船组合体的锚泊稳定性。

2.4.2 拖船辅助

在LNG 受载船配置3 艘拖船辅助船舶稳定，在试验过程中各拖船作用力时历曲线见图9。根据统计结果显示，该布置方式下为维持船舶稳定性所需拖船作用力最大值约为845 kN，相比式(6)计算得出的所需拖船作用力942 kN 约小10%，证明根据模型配置的拖船对2船组合体有良好的稳定作用。

图9 拖船作用力时历曲线Fig.9 Time series of the tug forces

2.4.3 过驳作业区范围

通过计算流体力学仿真软件对333 mm 软管发生100 mm 泄漏的场景进行模拟，得到的泄漏扩散LNG浓度随距离变化的情况见图10。

图10 LNG泄漏扩散浓度随距离变化情况Fig.10 Change of LNG leakage diffusion concentration with distance

根据模拟结果，在333 mm 的LNG 低温软管100 mm泄漏场景下，气体随风扩散距离为753 m时达到气体最远的可燃距离。根据式（9），按照抛6节锚链计算，得到安全作业区半径为1 210 m，因此在LNG STS过驳作业过程中，过驳作业区应划定为以锚抓地位置为中心、半径为1 210 m的圆形区域，见图11。

图11 LNG STS过驳作业区示意图Fig.11 Operation area of LNG STS transfer operation

2.4.3 过驳环境条件

基于上述模拟试验，通过改变环境条件中风速、流速及能见度利用上述计算模型和计算方法，得到不同工况下的LNG 过驳选型与配置适配度与最优值之间的误差，从而确定LNG过驳安全作业环境条件。所设置的模拟工况情况见表7。

表7 模拟工况设置情况Tab.7 Simulate settings of each scenarios

13组模拟工况所对应的LNG 过驳选型与配置适配度与最优值之间的误差对比情况见图2。由图2 可见：当风力超过5 级时，适配度实测值与最优值之间的误差值较风力5 级以下时明显增大，当风力为7 级时误差可达28%；通过不同流速下的误差分析可知，当流速较小时，LNG 船过船过驳选型与配置适配度的误差值均稳定在5%以内，而当流速增加到2.5 n mile/h 时误差显著增加；而对于能见度而言，能见度低于1 000 m 为误差显著增大的节点。

图12 不同模拟方案下适配度误差情况Fig.12 Error of goodness of fit under different simulation scenarios

综上所述，通过对不同风力等级、流速及能见度下LNG船对船过驳进行仿真试验，并对其选型与配置适配度的误差情况进行分析，明确了LNG过驳安全作业和系泊作业条件的环境条件。

1）进行LNG STS锚泊过驳作业时，划定以2船组合体为中心，1 210 m半径范围的水域作为过驳作业安全区，区域内严禁其它船舶驶近或通行。

2）夜晚或能见度小于1 000 m 时，LNG 受载船禁止靠近卸载船及进行靠泊作业。能见度低于500 m，LNG STS过驳作业应停止。

3）过驳作业期间，包括靠泊作业，应在风力小于6级（且波高一般小于1.5 m）时进行。

4）大潮汛期间，流速超过2.5 n mile/h时，不能进行LNG STS过驳作业。

综上所述，在此模拟条件下基于1.1中所构建的LNG船对船过驳选型与配置模型，开展LNG船对船过驳选型与配置适配度的计算，该模拟工况下实测值与最优值的计算结果见表8。经计算，LNG 船对船过驳选型与配置适配度的最优值为1.00，在此工况下LNG 船对船过驳选型与配置适配度为0.85，与最优值1.00 的误差为15%，误差在20%可接受范围内[29]，这也验证了本文所提出的LNG 船对船过驳作业选型与配置模型的有效性。

表8 适配度的计算结果Tab.8 Calculation results of goodness of fit

3 结束语

基于所构建的LNG 船对船过驳选型与配置模型，根据LNG船对船过驳作业实例验证及仿真结果和分析可以得出以下结论。

1）综合考虑过驳作业所需的过驳设备配置、拖船选型，以及作业区划定的关键配置，逐步构建过驳作业选型与配置模型，提出模型对应的系统性解决方案和控制方法，并基于仿真试验方法对配置模型的安全性与稳定性进行评估，结果验证了由配置模型确定的系统布置能够保障2船组合体系泊与锚泊安全以及并靠稳定性，过驳作业区可减小LNG泄漏扩散对周围环境造成危害影响的范围，保障过驳作业安全。

2）由于在海上锚地开展过驳作业是1 个实时动态变化的过程，随着货物在2 船间转移，船舶吃水变化及液体晃荡等因素对船舶稳定性的影响变化仍需开展进一步研究。此外，LNG船对船过驳作业的安全性涉及范围较广，对过驳软管等连接设备失效、通航船舶等因素对作业安全性的影响等还有待深入研究。