樓丹平， 陳曉瑩， 袁紅良

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海200129）

0 引 言

隨著能源發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變和生態(tài)環(huán)保訴求的增強(qiáng)，國際液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）需求量持續(xù)攀升。為符合國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）越來越嚴(yán)格的污染物排放要求，將LNG作為船用燃料是一種現(xiàn)實(shí)可行的方案，提供安全可行的海上LNG加注方式是確保LNG動力船發(fā)展的前提。船-船加注（STS）方式因具有機(jī)動性好、加注效率高和加注范圍廣等優(yōu)點(diǎn)而被應(yīng)用于長江、珠江和近海、湖泊、庫區(qū)等水域。

船舶卸載通常采用并靠和串靠2種形式，由于LNG具有低溫特性（-162℃），較長的輸送管道無法滿足安全操作的要求，因此可行的方案是加注船旁靠受注船進(jìn)行卸載作業(yè)，即兩船并排平行，通過若干根系泊纜和護(hù)舷聯(lián)系在一起并保持一定的相對距離，加注船通過裝卸臂將LNG卸載到受注船的燃料艙中。受傳送速度的限制，旁靠作業(yè)時(shí)間較長，作業(yè)期間難免會遇到惡劣的海況，加上兩船之間的水動力干擾耦合運(yùn)動，會直接影響兩船的相對運(yùn)動狀態(tài)，進(jìn)而對作業(yè)效率和安全性產(chǎn)生很大的影響。

國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已對多浮體間的耦合運(yùn)動和水動力干擾作用開展一些研究。BECHNER等[1]建立未考慮黏性流體影響的LNG運(yùn)輸船旁靠FLNG數(shù)值分析模型，并在兩船之間的自由液面上人為引入阻尼蓋，使二階漂移力和相對橫蕩、艏搖運(yùn)動的計(jì)算結(jié)果更合理。CHEN[2]在近場法的基礎(chǔ)上應(yīng)用Stokes公式的變體形式開發(fā)出基于控制面的中場法，大大簡化計(jì)算。KOOP等[3]采用計(jì)算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）模擬與模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法對尾輸作業(yè)系統(tǒng)中風(fēng)力的遮蔽效應(yīng)進(jìn)行預(yù)報(bào)。ILLUMINATI等[4]采用CFD模擬FLNG尾輸作業(yè)中流的遮蔽效應(yīng)。FANG等[5]對兩船波浪中的相對運(yùn)動和波面升高進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和物模試驗(yàn)研究。HONG等[6]對單浮體與多浮體的響應(yīng)曲線進(jìn)行對比分析，并采用耦合分析方法對多浮體和系泊系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域分析和物模試驗(yàn)研究。FOURNIER等[7]對兩船并靠狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和物模試驗(yàn)研究。趙文華等[8]對FLNG系統(tǒng)應(yīng)用于旁靠卸載作業(yè)時(shí)的水動力性能進(jìn)行物模試驗(yàn)研究。

多浮體水動力耦合運(yùn)動具有強(qiáng)非線性特點(diǎn)，理論研究仍有待完善。物模試驗(yàn)雖然存在尺度效應(yīng)的影響，但相對來說更能反映多浮體間的水動力耦合作用，可獲得更準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)結(jié)果。本文以5 000 m3LNG加注船旁靠9 400 TEU集裝箱受注船為研究對象，在上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所風(fēng)浪流水池開展物模試驗(yàn)，綜合考慮風(fēng)、浪、流共同作用下兩船互相干擾的耦合水動力性能，通過模型試驗(yàn)獲得兩船的六自由度運(yùn)動、相對運(yùn)動、系泊纜繩及護(hù)舷的受力特征值。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

試驗(yàn)選取5 000 m3LNG船作為加注船，選取9 400 TEU集裝箱船作為受注船。綜合考慮船體主尺度、試驗(yàn)水池的造風(fēng)、造波、造流能力和試驗(yàn)測量儀器的精度，選取試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂s尺比為1∶50。加注船和受注船主要參數(shù)見表1。

1.1 單點(diǎn)系泊系統(tǒng)模型

受注船采用艏部拋錨的方式單點(diǎn)系泊定位，錨鏈選用3級有檔錨鏈，直徑為111 mm，破斷負(fù)荷為8 480 k N。錨地水深約24 m。系泊布置圖及纜繩編號見圖1。

1.2 連接系統(tǒng)

加注船與受注船之間的系泊纜繩為高性能尼龍單絲復(fù)合繩，直徑為56 mm，單位長度質(zhì)量為2.0 kg/m，破斷負(fù)荷為651 k N，其張力特性曲線見圖2。艏纜2根，艏倒纜2根，艉纜2根，艉倒纜2根，共8根。充氣式橡膠護(hù)舷（靠球）長2.0 m，直徑3.5 m，共布置4個(gè)，其性能曲線見圖3。

圖2 兩船之間系泊纜繩張力特性曲線

圖3 充氣式橡膠護(hù)舷性能曲線

2 海況環(huán)境和試驗(yàn)工況

試驗(yàn)中的風(fēng)和流采用定場風(fēng)、定場流模擬，選擇風(fēng)、浪、流同向的試驗(yàn)工況（見圖4和表2），不規(guī)則波譜采用JONSWAP譜，譜峰因子取γ=3.3，模型試驗(yàn)?zāi)M3 h的實(shí)際海況，采樣頻率為50 Hz。

圖4 風(fēng)、浪、流同向工況示意

表2 風(fēng)、浪、流環(huán)境組合

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 兩船六自由度運(yùn)動及相對運(yùn)動

圖5為兩船六自由度運(yùn)動曲線。由圖5可知：加注船與受注船并靠作業(yè)時(shí)，兩船的縱蕩運(yùn)動響應(yīng)和橫蕩運(yùn)動響應(yīng)高度一致；由于兩船的主尺度相差太大，加注船在縱蕩方面以高頻成分居多；在橫蕩方面因充氣橡膠護(hù)舷的可壓縮性，運(yùn)動幅值略有差異，但相位是一致的。相對于受注船來說，加注船的噸位太小，在同等海況下其垂蕩、橫搖和縱搖運(yùn)動幅度較大，相應(yīng)最大值分別為0.6 m、1.58°和2.95°（見表3）。

圖6為兩船相對運(yùn)動時(shí)歷曲線。由圖6可知：在兩船的相對運(yùn)動中，相對縱蕩占主導(dǎo)地位，其時(shí)歷曲線中低頻成分更多一些；相對而言，相對橫蕩和相對垂蕩有更多的高頻成分；增大兩船之間系泊纜的預(yù)緊力可有效降低相對縱蕩，但這勢必造成護(hù)舷碰撞次數(shù)增多（見表5）。

圖5 兩船六自由度運(yùn)動曲線

表3 加注船與受注船運(yùn)動統(tǒng)計(jì)值

圖6 兩船相對運(yùn)動時(shí)歷曲線

表5 兩船相對運(yùn)動結(jié)果

3.2 系泊纜與橡膠護(hù)舷受力特性

通過試驗(yàn)獲得并靠系統(tǒng)系泊纜和橡膠護(hù)舷的受力統(tǒng)計(jì)值，以長度最短的6#纜繩為代表，在迎風(fēng)、迎流、迎浪工況下，風(fēng)力和流力迫使兩船縱向產(chǎn)生相對位移，兩船之間存在相互排斥的二階波漂力。圖7為系泊纜及護(hù)舷受力時(shí)歷曲線。

圖7 系泊纜及護(hù)舷受力時(shí)歷曲線

表6為系泊纜受力統(tǒng)計(jì)特征值，纜繩最大伸長量約為21%，5#纜繩和6#纜繩較短，6#纜繩最大受力為240 k N，相對于該纜繩的最小破斷負(fù)荷651 k N來說，安全系數(shù)為2.71，大于法國船級社相關(guān)系泊指南[9]的最小安全系數(shù)1.67，因此系泊系統(tǒng)是安全的。

由于單點(diǎn)系泊系統(tǒng)具有風(fēng)標(biāo)效應(yīng)，系泊船舶會停泊在環(huán)境力最小的方位上，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)兩船會在橫向上發(fā)生較大的偏蕩。表7為充氣式橡膠護(hù)舷反力統(tǒng)計(jì)值，1#護(hù)舷反力最大值為315 k N，變形量約為20%，護(hù)舷選型也滿足安全要求。

表6 兩船之間系泊纜受力統(tǒng)計(jì)特征值

表7 充氣式橡膠護(hù)舷反力統(tǒng)計(jì)值

4 結(jié) 語

1）兩船之間的相對運(yùn)動是影響加注船并靠受注船安全作業(yè)的最主要因素，其中：相對縱蕩運(yùn)動占主導(dǎo)地位，具有明顯的低頻運(yùn)動特性，會使系泊纜受力增大；在橫蕩方面，由于橡膠護(hù)舷的可壓縮性，兩船的運(yùn)動幅值略有差異，但相位是一致的，相對橫蕩運(yùn)動中以高頻成分居多。

2）兩船噸位相差較大，在相同海況下加注船的運(yùn)動幅值比受注船更明顯，處于不利的狀態(tài)。加注船運(yùn)動過大是兩船發(fā)生碰撞的主要原因，且運(yùn)動幅值過大會對安全加注作業(yè)產(chǎn)生很大的影響，在實(shí)際工程中應(yīng)特別注意。

3）兩船之間的系泊纜受力最大的是艏倒纜5#和6#，最大受力約為240 k N，相對于纜繩的最小破斷負(fù)荷651 k N來說，安全系數(shù)為2.71，滿足相關(guān)指南[9]的要求。橡膠護(hù)舷最大反力位于艏部4#，變形量約為25%，也滿足安全要求。