2025, Vol. 47
作为液化天然气（LNG）产业链的重要组成部分，LNG海上运输因其安全性而受到船厂、船东和船舶管理公司的高度重视。系泊作为 LNG 船舶与码头之间的连接方式，在实现船舶与岸站之间 LNG 的安全传输方面发挥着关键作用，系泊也是船岸兼容性的关键检查点[1]。目前，针对 LNG 运输船的系泊研究仅基于船舶系泊到码头的模式[2 − 4]。然而，大型 LNG 运输船的系泊模式较为复杂。迄今为止，国内关于大型 LNG 运输船不同系泊模式的相关参考研究鲜有报道。
本文介绍了码头系泊系统设计的主要系泊兼容性项目和特点。为了介绍码头系泊系统的验证方法，以一艘
系泊系统的兼容性是LNG船进入液化天然气码头的重要环节。通常，液化天然气运输船的运营商会向码头提供一份系泊计划。如果LNG船提供的信息与码头的实际状况相符，就会为该船签发一份批准的系泊计划。主要的兼容性因素如下：
1）船上系泊。系泊绞车卷筒的数量和制动能力、系泊缆绳的数量和强度、尾缆的特性。
2）岸上系泊。快速释放钩的细节和数量、钩子的强度。
3）系泊力计算的环境标准（风速、水流速度和方向、波高和方向）。
4）其他用于系泊分析的特殊数据。
2 码头系泊系统设计 2.1 系泊设备布置为了有效地将LNG船系泊至码头，由OCIMF和SIGTTO（Society of International Gas Tanker & Terminal Operators ）[6]于2008年提出的系泊概念如下：
1）系泊缆绳应尽可能对称布置，以确保系泊缆绳的受力均匀。
2）船舶横向缆绳与船舶纵向截面之间的夹角应尽可能接近90°，且船首系泊区域的横向缆绳应尽可能远离船尾系泊区域的横向缆绳。
3）船舶的倒缆与船舶纵向截面之间的夹角应尽可能接近平行。
4）每组系泊缆绳（如横向缆绳、倒缆等）的数量应尽可能不少于2根。当1组中的某根缆绳失效时，其他缆绳可以作为替代。
2.2 系泊系统的分析程序通常采用频域或时域计算方法进行分析，求解在外部环境力作用下静态或动态模型的运动程序。推荐的码头系泊系统设计分析程序如下：
1）根据作业区域的水文气象条件，确定符合OCIMF或当地条件的环境标准，包括风、浪、流等基本参数。同时要考虑潮汐/水位，这对所需的吃水和垂直角度有直接影响。
2）确定系泊缆绳的材料特性。
3）根据码头布局确定系泊方式，包括首缆、横缆、倒缆和尾缆的分布。
4）确定风阻系数、流阻系数和波浪数据。
5）使用系泊分析软件，通过频域或时域方法对给定环境条件下的系泊系统进行分析。
6）将计算值与设计标准进行比较。若未达到标准，则必须修改系泊系统布局并重新分析，直至满足标准，或者降低环境标准以满足标准。
2.3 码头系泊系统概述分析对象为1艘
该船共配置了22根HMPE（High Modulus Polyethylene）系泊缆。HMPE绳索是高模量型系泊索的一种，其具有良好的耐磨性和耐化学性，而且能在海水中漂浮。这种绳索已在气体运输船中得到广泛应用。由于HMPE绳索的伸长率低，可用作尾缆来降低系泊系统的刚度。该船配备的系泊索和尾缆的材料性能如表1所示。
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表 1 材料属性 Tab.1 Material properties |
坐标系如图1所示。X坐标朝向船首为正，X坐标系的原点可置于船中。Y坐标系的原点位于船中心线上，且朝向中心线的左舷为正。Z坐标垂直于船舶的水平面，正方向指向船底。
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图 1 坐标系示意图 Fig. 1 Sketch of coordinate system |
OCIMF规定，用于全球贸易的船舶，作为固定设备，船上可用的系泊力应足以满足以下条件：
从任何方向60 kn的风（规定如下），并同时：
0°或180°方向3 kn的流；10°或170°方向2 kn的流；最大横向受力方向0.75 kn的流。
根据上述要求，液化天然气运输船的环境标准如表2所示。
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表 2 环境组合 Tab.2 Environment combination |
根据OCIMF和PIANC（ International Shipping Association）[7]的规定，本文中的标准如下：
系泊缆绳的受力不应超过50%的系泊缆绳破断负荷。最大纵向前后位移和横向位移不应分别超过2.0 m、2.0 m和2.0 m。碰垫的最大压力不应超过20 t/m2。建议缆绳垂直角度小于25°。
2.7 不同系泊方式分析在LNG船靠泊期间，为确保其在液化天然气装卸作业期间的有效系泊，码头需要对船岸系泊系统进行分析。目前，使用模拟系泊软件Optimoor[8]计算得出的结果已被码头接受和认可。Optimoor采用静态模型，将所有外部载荷视为等效静态载荷，而风力和水力则基于OCIMF推荐的公式和图表系数计算，适用于近海避风码头。此外，Optimoor还可以根据波高计算出船舶所受波浪作用的近似静态力，然后将其加到总环境载荷中。该软件能够评估船舶的集管区偏移量和船舶系泊缆绳的载荷，从而帮助船舶操作员和码头人员制定系泊计划和船舶管理。
3 系泊案例分析 3.1 案例1：基于码头系泊及标准的OCIMF环境对于大多数液化天然气码头而言，能接受只采用标准的OCIMF环境条件进行计算分析。分析目的是确定在符合OCIMF环境标准的情况下，船舶靠泊于码头的左舷和右舷时系泊系统的安全性。已选取一个符合上述环境要求的码头进行分析，该码头碰垫的特性允许压缩变形量为1.18 m，对应的反作用力为423 t。
对于左舷系泊情况，使用8根前部和9根后部的船缆，并按3/3/2前部和3/2/2/2后部的配置进行布置。系泊配置如图2所示。
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图 2 软件中的左舷系泊示意图 Fig. 2 Sketch of port side mooring in software |
对于右舷系泊工况，使用了10根船首缆绳和6根船尾缆绳，并按2/3/3/2船首和2/2/2船尾的配置进行布置。系泊配置如图3所示。
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图 3 软件中的右舷系泊示意图 Fig. 3 Sketch of starboard side mooring in software |
表3所示为所有系泊缆绳的受力情况以及船舶的运动状态。系泊缆绳的相应张力以系泊缆绳MBL（LDBF）（Minimum Breaking Load\Line Design Break Force）的百分比形式显示。船舶在纵向（向前或向后）和横向（向内或向外）的偏移量以m为单位显示。此输出数据可与任何集管区偏移量限制进行比较。
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表 3 汇总结果 Tab.3 Summary result |
从上述表格可以看出，对于船舷侧系泊，所有缆绳张力（最大为48% LDBF）均在OCIMF 50%缆绳张力限制范围内，且在60 kn风速扫掠下，最大前向和向后位移、向外位移、碰垫压缩量峰值和最大压力均符合标准。而且垂直缆绳最大角度为23°，低于OCIMF推荐的最大25°。但对于船尾侧系泊，风速已降至47 kn，以确保所有缆绳张力、偏移量和碰垫压缩量及压力均符合标准。垂直缆绳角度（最大17°）也能满足标准。由于船舶不同侧系泊到码头的系泊模式可能不同，系泊计算结果可能会有很大差异，从而影响码头专用系泊计划。出于安全考虑，有必要对两侧系泊情况进行系泊计算。对于两侧系泊条件，在满载吃水和压载吃水下的最大系泊缆绳力几乎相同。所有情况中，系泊缆绳所受的力也极为严重，这种情况发生在水流方向与船舶X方向成斜角时（船头离码头10°和船尾离码头10°）。
3.2 案例2：基于码头系泊及标准的OCIMF环境条件和当地环境条件对于某些码头，既需要模拟标准的OCIMF环境，也需要模拟当地环境。在本章中，已选取另一个符合上述环境要求的码头进行分析。该码头碰垫的特性如下：允许压缩变形为1.31 m，对应的反作用力为506 t。
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表 4 当地环境组合 Tab.4 Local environment combination |
对于船首和船尾的系泊条件，使用了10条船首缆绳和9条船尾缆绳，并按照2/3/3/2的船首和 3/2/2/2 的船尾配置进行布置。系泊配置如图4～图5所示。
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图 4 软件中的左舷系泊示意图 Fig. 4 Sketch of port side mooring in software |
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图 5 软件中的右舷系泊示意图 Fig. 5 Sketch of starboard side mooring in software |
除风和流外，还应考虑波浪，运动数据基于Optimoor中的RAO数据。在上述环境和载荷条件的组合下，系泊缆绳的最大轴向力和碰垫的最大反作用力如表5所示。
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表 5 汇总结果 Tab.5 Summary result |
对于OCIMF环境案例1～案例10的左舷和右舷系泊情况，可以看出所有缆绳张力均在OCIMF 50%缆绳张力限制范围内，且在60 kn风速扫掠下，最大前后位移、向外位移、碰垫压缩量峰值和最大压力均符合标准。同时，左舷和右舷的最大缆绳垂直角度分别为22°和16°，均低于OCIMF推荐的最大值25°。但对于本地环境案例11～案例13的左舷和右舷系泊情况，必须降低波高Hs和风速，以确保所有缆绳张力、偏移量和碰垫压缩量及压力达到标准。可以看出，在案例1～案例10的左右舷系泊条件下，满载吃水和压载吃水下的最大系泊缆绳力差异很小。案例1～案例10中较大的系泊缆绳力发生在水流方向与船舶X方向成斜角时。尽管案例11～案例13的风速远低于其他案例，但这些案例的最大碰垫压力却远高于其他案例。波浪对船舶与碰垫之间的冲击力有很大影响。
3.3 案例3：基于船对船系泊及标准OCIMF环境除了靠泊码头外，液化天然气贸易中靠泊浮式储存再气化装置（FSRU）也很常见[9]。分析的目的是确定在FSRU运营商设定的OCIMF标准化环境条件下，FSRU和LNG船的系泊缆绳、碰垫和吊钩所受的载荷。该FSRU在尺寸上与上文中的LNG船相近。码头碰垫的特性允许压缩变形为0.81 m，对应的反作用力为226 t。而船对船碰垫的特性允许压缩变形为2.70 m，对应的反作用力为580 t。
对于FSRU与码头的系泊，使用了10根首缆和10根尾缆，并以艏部2/6/2和艉部2/6/2的配置进行布置。对于LNG运输船与FSRU的系泊，使用了8根首缆和6根尾缆，并以艏部6/2和艉部4/2的配置进行布置。FSRU与LNG运输船之间的水动力作用力由Optimoor分别计算。对于风力，会对LNG运输船产生屏蔽效应。FSRU配备的系泊索和尾缆的材料属性见表6。系泊配置如图6所示。
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表 6 材料属性 Tab.6 Material properties |
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图 6 软件中的船对船系泊示意图 Fig. 6 Sketch of ship to ship mooring in software |
从表7可以看出，为确保FSRU和LNG船的所有系缆张力、偏移量以及碰垫压缩量和压力均符合标准，风速已降至52 kn。缆绳垂直角度（FSRU最大15°，LNG船最大11°）也满足标准。与单船系泊至码头相比，FSRU在所有情况下的最大和最小系缆力之差较小。FSRU由LNG船引起的运动来自环境组合的各个方向。对于LNG船，所有情况下的系缆力较大时，通常是水流方向与船舶X方向成斜角时。
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表 7 汇总结果 Tab.7 Summary result |
本文介绍了LNG船码头系泊系统设计的主要兼容性项目和特点。对不同的系泊模式进行了比较，并分析了不同的系泊环境组合。得出以下结论：
1）由于分析结果会影响LNG船停靠码头的系泊方案，在系泊分析中应考虑船舶不同侧系泊到码头的情况。
2）对于单船系泊到码头和船对船系泊，当水流方向与船舶X方向成斜角且风向为360°时，可优先计算满载吃水或压载吃水。
3）在分析中考虑波浪时，船舶与碰垫之间的冲击力会迅速增加。为满足分析标准，应降低风速。
4）对于典型的系泊模式，LNG船满足缆绳垂直角度标准并不困难。系泊缆绳能有效提供良好的载荷分布。
由于LNG船需要停靠多个液化天然气码头，因此有必要建立LNG船的系泊分析案例数据库，以便更快地为专用码头完成系泊计划。在后续阶段，还应进一步研究更多分析，以获取不同尺寸LNG船的常规系泊模式。
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