0 引　言

国家战略发展规划将在长江内河沿岸修建多座LNG接收站，然而受内河航道水深、码头设施等通航条件以及船舶燃料消耗、码头泊位资源等经济因素影响，大型LNG船舶往往无法驶入内河水域，采取船对船过驳方式将货物转运至小型LNG船舶的方式可提高运输效率、降低经济成本，且考虑到我国沿海水域通航条件复杂和LNG船舶超低温（−162℃）、易燃易爆的特殊危险性，船舶发生碰撞、搁浅或失控等事故时，为保障人命和财产安全需将货物通过过驳方式转载至安全船舶，开展有关船对船过驳作业安全的相关研究尤为关键和必要。

两船间开展过驳作业有串靠和并靠2种方式，由于LNG低温软管长度限制以及考虑作业安全性、稳定性和便利性等因素，LNG船对船过驳作业往往采取并靠方式进行，国内外相关学者对此开展了大量研究。祁祺等^[1]针对1828 m水深转塔式FPSO系泊系统，通过数值计算得到了系统频域和时域动态响应，验证了Aqwa对系泊系统模拟的快速性和精确性。刘元丹等^[2]通过数值计算分析了FPSO与LNG船舶并靠间距对船舶附加质量、辐射阻尼、波浪激励力、幅值响应算子RAO的影响。ZHAO等^[3]利用水池试验得到了FLNG与LNG船舶并靠、外转塔单点系泊下受环境作用的水动力性能和系泊系统受力情况。胡毅等^[4]针对16万方LNG船码头系泊场景，建立仿真分析模型并得到了船舶运动响应和缆绳张力随时间变化情况。徐乔威等^[5]采用水池试验方法研究了不同载况下FLNG与LNG船内转塔单点系泊的运动响应和系统受力情况，并分析了斜浪对系泊系统的影响。杨江辉等^[6]采用数值计算方法对赵文华等得出结果进行了对比，验证了数值计算模型的正确性。Yue等^[7]建立了FSRU与LNG船舶并靠系泊码头的系统模型，采用增加阻尼盖的方法考虑浮体间黏性效应影响改进系统模型。施兴华等^[8]针对FPSO与穿梭油轮旁靠多点系泊系统，运用Aqwa对系泊缆绳分段、比例等进行系泊方案优化设计。王文华等^[9]针对FLNG并靠外输问题建立了双体水动力模型，通过改变双体间距、装载量、波浪入射方向等参数对模型进行了敏感性分析，探讨了双船间水体共振规律。以上研究对两船并靠状态下的水动力性能做了深入探索和研究，但均未考虑2艘LNG船舶间在锚泊状态和拖轮协助条件下的实际操作影响。

由于大型LNG船舶过驳作业往往在沿海锚地等开阔水域，受环境因素影响较大且危险性较高^[10]。本文以14.7万立方米和6万立方米LNG运输船并靠系泊系统为研究对象，综合考虑锚地水深及风、浪、流环境因素影响，采用数值计算方法^[11]进行模拟分析，经与类似水池试验结果对比验证模型可行性，进一步研究对比两船组合体分别在抛单锚和一字锚方式下的两船运动响应以及锚链、系泊缆绳和碰垫受力的影响规律，并通过提高环境条件强度验证拖轮对锚泊稳定性的影响效果，得出的理论模型计算结果对开展过驳作业实践具有较大的指导意义，可为LNG船舶在开阔水域安全开展过驳作业提供理论依据。

1 数值分析理论 1.1 频域水动力分析

海洋工程中通常采用三维势流理论将水看作是无粘性、均匀、可压缩的，且流动是无旋的，对于波浪中存在船舶的流场，其速度势可分为3个部分，且满足拉普拉斯方程：

$ \mathrm{\varnothing }\left(x,y,z\right)={Re\left[\right({\mathrm{\varnothing }}_{\omega }+\mathrm{\varnothing }}_{r}+{\mathrm{\varnothing }}_{d}\left){e}^{-i\omega t}\right]，$

(1)

$ {\nabla }^{2}{\varnothing }_{\omega ,d}=0。$

(2)

式中： $ \omega $ 为频率； $ {\varnothing }_{r} $ 为辐射势，由船舶运动产生； $ {\varnothing }_{\omega } $ 为无扰动条件下的波浪入射势； $ {\varnothing }_{d} $ 为波浪作用于船体后产生的绕射势。

对辐射势、入射势和绕射势的求解可通过自由面、海底、物体湿表面和辐射4类边界条件求出^[12]，通过Green函数转化为船体表面的积分方程可求解速度势，进而通过解出的入射势和绕射势，结合伯努利方程可分别求解作用于2艘船舶的波浪力，利用辐射势可求解由于船体振荡产生水动力系数的附加质量 $ {M}_{kj} $ 和辐射阻尼 $ {N}_{kj} $ ：

$ {M}_{kj}=-Re\left(\rho \underset{S}{\overset{}{\iint }}{\varnothing }_{j}\dfrac{{\text{δ}} {\varnothing }_{k}}{{\text{δ}} n}{\rm{d}}S\right) i, j=1,2,\cdots,6；$

(3)

$ {N}_{kj}=-Im\left(\rho \omega \underset{S}{\overset{}{\iint }}{\varnothing }_{j}\dfrac{{\text{δ}} {\varnothing }_{k}}{{\text{δ}} n}{\rm{d}}S\right)i, j=1,2,\cdots ,6 。$

(4)

式中： $ \ \rho $ 为海水密度；S为船体表面积； $ {\varnothing }_{j} $ 与 $ {\varnothing }_{k} $ 分别为船体在j方向和k方向上以单位速度振荡产生的辐射势。

基于势流理论对两船并靠系泊系统的计算会忽略水流的粘性效应和能量耗散问题，导致计算得到的水动力参数数值较大。为解决数值振荡问题，在两船间的自由液面上加入人工粘性^[9]，将自由面条件限制为：

$ g\frac{\delta \mathrm{\varnothing }}{\delta z}-\left({\omega }^{2}+i\mu \omega \right)\mathrm{\varnothing }=0 ，$

(5)

式中， $\ \mu $ 为粘性系数。通过进一步求解新的积分方程可求出引入人工粘性的水动力系数。

1.2 时域响应分析

在时域分析中引入单位脉冲函数 $ \delta \left(\tau \right) $ ，当其作用在系统后会产生一个对应的脉冲响应 $ h(\tau -\tau ) $ ，可直观表示出系统受到脉冲影响而发生运动，直至系统恢复平静状态过程中所经历的响应特性^[13]。系统在一段时间内的响应过程可视为多个单元线性响应的叠加：

$ R\left(t\right)={\int }_{-\mathrm{\infty }}^{\mathrm{\infty }}\xi \left(t-\tau \right)h\left(\tau \right){\rm{d}}\tau ，$

(6)

式中， $ \xi \left(t-\tau \right) $ 为一段时间内的波高变化。

通过频域分析中的频率响应函数经傅里叶变化得到 $ h\left(\tau \right) $ 函数：

$ h\left(\tau \right)={\int }_{-\mathrm{\infty }}^{\mathrm{\infty }}H\left(\omega \right){e}^{iwt}{\rm{d}}\omega ，$

(7)

对于两船组合体并靠系泊系统的运动方程可写为：

$\begin{split} &\sum _{j=1}^{6}\left[\left({a}_{ij}+{m}_{ij}\left(t\right)\right)\ddot{{x}_{j}}\left(t\right)+{\int }_{0}^{t}{K}_{ij}\left(t-\tau \right){x}_{j}\left(\tau \right)d\tau +{c}_{ij}{x}_{j}\left(t\right)\right]=\\ &{F}_{i}\left(t\right)，i={1,2},\cdots ,6 。\end{split}$

(8)

通过数值计算方法迭代求解可最终求出船舶运动与缆绳张力的时域响应结果。

2 LNG过驳仿真模型构建 2.1 船舶模型

考虑我国能源战略规划以及内河LNG接收站布局建设，面向海外大型LNG船舶通过船对船过驳方式的海进江需求场景，选取我国真实典型14.7万立方米和6万立方米LNG船舶设计参数，两船参数信息如表1所示。

2.2 锚泊与系泊模型

2艘LNG船并靠过驳时，由于两船间有缆绳、碰垫和软管等管汇连接布置，过驳作业往往由卸载船抛锚后由受载船在拖轮协助下驶近、抵靠和系泊。实践中往往有拖轮作用于两船靠泊过程辅助受载船降低靠泊速度，在并靠系泊时留守现场负责警戒，必要时辅助两船组合体保持船身稳定。锚泊与系泊布置采用航海过驳实践中的典型配置方案^[14]，如图1所示。上图中LNG卸载船船首实线为单锚锚泊布置，虚线为一字锚锚泊布置；下图为在单锚条件下在受载船左舷增加配置3艘拖轮。

根据OCIMF规范^[15]碰垫快速选取表，通过计算靠泊系数C确定采用4个3.3×6.5 m的漂浮式高压碰垫，均匀分布在LNG卸载船与受载船接触位置；锚链参考文献[16]参数设置，由LNG卸载船右舷抛出；系泊缆绳^[17]采用高分子聚乙烯纤维缆（HMPE），最小破断强度1 774 kN。设备参数信息如表2所示。

2.3 风浪流环境模型

参考规范^[15]结合文献[12]采用的危险环境条件组合，将环境载荷方向设定为船舶顶风顶流状态，锚泊水深设定为我国沿海水域适合LNG船舶锚泊锚地接近的26 m，风、浪、流环境条件参数设定如表3所示。

2.4 系统模型验证

为验证构建的系统模型可行性，将计算得到的结果和上海交通大学水池模型试验^[13]结果进行对比。迎浪条件下的LNG卸载船纵摇与纵荡RAO曲线的对比情况，如图2所示。

可以看出，建立的系统模型与采用的数值计算方法所得结果与其吻合程度较高。在此基础上进一步开展两船组合体在不同锚泊场景下的船体运动、锚泊与系泊力计算，评估系统模型的锚泊稳定性。

3 结果与分析

以3 h为计算时常、0.2 s为时间步长，计算得到两船相对运动及锚泊与系泊情况，并通过在更强风级条件下增加拖轮布置条件，验证拖轮对船舶锚泊稳定性的影响以及拖轮配置方式。

3.1 船舶运动响应

船舶在沿海锚地过驳时，由于受环境影响较大，两船仅依靠碰垫、缆绳和锚链对船舶运动进行约束，其相对运动较系泊码头时更剧烈。两船运动模拟计算结果如图3和图4所示，表4为LNG卸载船重心相对受载船的相对运动情况，表5为对两船运动响应的极值统计。

依照规范^[17]要求，过驳使用LNG低温软管长度应至少为管汇最大高度差的2倍，根据两船干舷高度，应采用至少12 m长软管进行连接，两船最大相对位移应限制在12 m内，根据表4统计结果，两船运动幅值满足限制要求，能够满足安全过驳要求。

根据以上对两船相对位移、运动响应的统计数据，在自然环境与系泊条件影响下，初始阶段两船相对运动较剧烈，运动变化幅值较陡，在达到稳定状态后两船相对运动较平缓；LNG卸载船与受载船的重心位置在一字锚泊方式下的纵荡、横荡以及首摇运动响应较于单锚方式更规律且具稳定性，垂荡和横摇、纵摇运动响应的相对变化不明显；由于LNG受载船较卸载船尺度小，运动响应较为剧烈；两船首摇运动较大，但运动响应协同度较高，因此能够保证作业稳定性。

3.2 锚泊与系泊系统受力 3.2.1 碰　垫

漂浮式碰垫用于吸收两船的碰撞能量，避免船体直接接触造成碰撞摩擦导致船体受损。2种抛锚方式下的碰垫压力时历曲线如图5所示，图6为各碰垫对应的受力情况统计结果。其中F1～F4依次为自船尾向船首方向布置碰垫的编号，条形柱中间横线位置数值为各碰垫的平均受力。

由以上数据结果可知，碰垫压力最大值出现在两船系泊稳定前的一段时间，稳定后的碰垫压力变化较均匀；2种抛锚方式在相同位置碰垫的受力值接近，船尾位置的碰垫均值最大，向船首方向逐渐减小；由于迎风迎浪影响，船首位置会相互分离，导致碰垫受力较小；碰垫受到的最大压力为2145 kN，不超过可承受最大撞击压力2460 kN，可保障全过程作业安全。

3.2.2 锚链拉力

海上锚地过驳的船位仅依赖锚链固定，对锚链受力情况的分析可反应两船组合体能否在当前环境条件下稳定锚泊，避免船舶发生走锚等危险。分别对两船组合体进行单锚和一字锚泊的锚链拉力模拟，其时历曲线如图7所示。图8为各锚链受力情况统计，其中条形柱中间横线位置数值为各锚链的平均受力。

由统计数据显示，单锚锚泊相较于一字锚泊而言锚链承受最大拉力较小，对两船组合体的固定力较少。一字锚泊的两条锚链拉力的最小值、最大值和平均值都相对较大，证明该锚泊方式对两船组合体有更强的稳定作用；一字右锚相比左锚受力小，是由于LNG受载船并靠在卸载船左舷，使两船组合体在环境条件影响下向卸载船右舷一侧偏转力较大，因而左锚负荷较大。

3.2.3 缆绳张力

两船间系泊缆绳能够对船舶运动起限制作用，避免船舶位移过大使连接软管等管汇拉断造成事故。分析缆绳受力情况可以反映环境条件对各位置缆绳的作用效果，从而实现对缆绳布置方式的优化。图9为2种锚泊方式下各系泊缆绳受力情况统计，其中条形柱中间横线位置数值为各缆绳的受力平均值。

根据统计数据，各缆绳在单锚锚泊与一字锚泊布置中受力值相近，锚泊方式对缆绳受力的影响不大；由于环境条件方向作用于船首，在船尾、船中和船首3段位置的缆绳中，船首位置缆绳所受的张力最大，位于船尾的S1和S2缆绳由于系泊在两船的外挡位置，比较于内档缆绳受到的张力更大，应尤其注意缆绳磨损情况。所有缆绳受力最大值均未超过缆绳最小破断载荷值1774 kN，可保障两船系泊稳定。

3.3 拖轮协助作用

进一步模拟计算增加拖轮配置条件下的作用效果，并将系统模型环境条件载荷的风速提高为13 m/s（6级风）。根据计算结果，拖轮作用主要对两船纵荡和首摇运动影响较大，其运动时历曲线如图10所示，图11为拖轮对两船组合体的作用力随时间变化情况。

对比配置拖轮和无拖轮条件下的船舶运动响应曲线可以看出，拖轮作用下两船重心位置在纵荡以及首摇运动幅值明显较小；船尾位置拖轮所需顶推力最大，船首位置次之，船中位置最小。对比13 m/s和10 m/s风速条件下的船舶运动响应可以发现，船舶顶风载荷作用越强，拖轮对船舶运动限制越明显，所需作用力越大，证明拖轮可对两船组合体起到较显著的稳定作用，在配置拖轮条件下可提高开展过驳作业的环境条件阈值。

在13 m/s风速条件下所需拖轮最大作用力约1159 kN，根据拖轮系柱力与拖轮功率的对应关系^[18]，所需拖轮总功率约7100 kW。考虑到实践操作中拖轮功率往往采用额定功率的50%～70%，为确保作业安全可选用3艘5000马力拖轮对船尾位置加强辅助。

4 结　语

通过开展2艘LNG船舶并靠系泊场景下的船对船过驳作业数值计算模拟，对比分析两船组合体分别在单锚锚泊与一字锚泊2种不同锚泊状态下遭遇顶风顶流耦合环境作用的运动响应及锚泊与系泊受力情况，根据计算结果得出以下结论：

1）配置的锚泊与系泊方案能够满足安全过驳要求，两船采取一字锚泊方式较于单锚锚泊起到的船位固定作用更好，两船在相对横荡、纵荡及首摇的运动幅度更小，表明该锚泊方式更具稳定性，更利于过驳作业安全。

2）两船在初始阶段会出现船体运动以及锚泊、系泊设备受力的峰值，稳定后的船体运动和设备受力情况较平稳。锚泊方式的不同对两船间碰垫和系泊缆绳的受力影响不大，但在动态影响下，单锚条件下的波动幅度较一字锚泊稍剧烈。在海上锚地进行过驳作业时建议选取风浪流条件较小且遮蔽条件较好的水域，使两船组合体尽快适应环境条件影响，保持运动的协同性。

3）单锚锚泊与一字锚泊在相同位置的系泊设备受力值接近，但船尾位置碰垫受力均值最大，向船首方向依次减小；船首迎风浪及船尾外档位置缆绳所受张力较大，为保障安全，作业时应着重注意缆绳的磨损与绷紧变化情况，必要时增加缆绳数量或停止作业。

4）在过驳作业过程中增加拖轮进行协助，可抵消部分环境作用影响，减小船舶运动幅度使两船组合体更稳定，提高过驳环境条件阈值。在LNG船舶发生事故必须采取船对船应急过驳作业时，可为船舶稳定性提供有效辅助作用。