拖轮协助液化天然气过驳作业条件下的船舶运动响应_石峰.pdf
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1、SHIP ENGINEERING 船 舶 工 程 Vol.45 No.2 2023 总第 45 卷,2023 年第 2 期 78 拖轮协助液化天然气过驳作业条件下的拖轮协助液化天然气过驳作业条件下的 船舶运动响应船舶运动响应 石 峰1,陶可健2,黄立文2,3,朱明昌2(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国家水运安全工程技术研究中心,武汉 430063)摘 要:摘 要:为了研究天然液化气(LNG)船对船过驳作业中拖轮对系统稳定性影响,指导过驳作业安全开展,基于三维势流理论的数值计算分析方法,利用加盖阻尼法在两船间添加
2、驻波抑制单元以提高船舶水动力参数的计算精度,在与同类型试验结果比较验证后,进一步开展 LNG 船舶在海上锚泊过驳时采用不同拖轮配置方式下的船舶水动力性能以及过驳系统泊稳性能的研究。结果表明,风浪流作用于船首条件下,在受载船配置拖轮或在两船分别配置拖轮的方式可减小两船在船长方向相对运动以及艏摇运动的幅度,形成了快速预报不同配置场景下的船舶运动以及设备受力情况的方法。关键词:关键词:天然液化气船;拖轮协助;过驳作业;运动响应 中图分类号:中图分类号:U693+.34 文献标志码:文献标志码:A 【DOI】10.13788/ki.cbgc.2023.02.10 Dynamic Response of
3、 Liquefied Natural Gas Transfer Operation with Tug Assist SHI Feng1,TAO Kejian2,HUANG Liwen2,3,ZHU Mingchang2(1.CNOOC Energy Technology and Services-Oil Production Services Co.,Ltd.,Tianjin 300457,China;2.School of Navigation,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China;3.National Engineering R
4、esearch Center for Water Transport Safety,Wuhan 430063,China)Abstract:In order to study the influence of the tugs on the system stability during the liquefied natural gas(LNG)ship-to-ship transfer operation,and to guide the safety of lightering operations,the numerical stimulation and analysis metho
5、d of the three-dimensional potential flow theory is used,combined the lid damping method to improve the stability of the system.The calculation accuracy of the ships hydrodynamic parameters is compared and verified with the same type of test results,and then further carry out research on the ships h
6、ydrodynamic performance and the mooring stability of the transfer system when LNG ships are anchored at sea with different tug configurations.Under the action of wind,waves,and currents on the bow of the ship,the results show that tugs on the LNG receiving ship or two ships on the same time can redu
7、ce the relative motion of the two ships in the ship-length direction and the amplitude of the yaw motion,forming a rapid forecasting method for the ship motion and equipment stress in different configuration scenarios.Key words:liquefied natural gas(LNG)ship;tug assist;side-by-side offloading operat
8、ion;motion response 0 引言引言 世界能源结构正发生着深刻而巨大的变化,液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)等新能源成为国际社会能源消费的新趋势。为深入贯彻实施可持续发展理念,我国正逐步实施能源结构战略转型,LNG 能源的应用和发展方兴未艾。随着对 LNG 能源需求的日益增长,LNG 船舶在我国进口贸易中发挥着重要作用。考虑到在我国沿海水域行驶的船舶数量较多且交通环境较复杂、LNG 船舶易发生碰撞搁浅等事故、以及 LNG 存在低温易爆等危害性,在应急场景下需要 收稿日期:2022-03-07;修回日期:2022-06-28 作者简介:石 峰(19
9、70),男,高级工程师。研究方向:海洋工程和船舶设备应用开发。通信作者:陶可健(1996),男,硕士研究生。研究方向:船舶与海洋工程。石峰等,拖轮协助液化天然气过驳作业条件下的船舶运动响应 79 及早将货物转载至安全船舶以防止事故风险进一步扩大。此外,受内河航道水深影响,大型 LNG 船舶往往需要采用过驳方式将货物转载至小型 LNG 船舶以继续驶至内河LNG 接收站,因此开展 LNG 船对船过驳稳定性能的研究对制定作业方案以及指导作业安全开展有着重要意义。在锚地水域风浪较大条件或事故应急场景下,拖轮对大型 LNG 卸载(Liquefied Natural Gas Unloading,LNGU)
10、船与小型 LNG 受载(Liquefied Natural Gas Receiving,LNGR)船的靠离泊作业至关重要,考虑到LNGU 并不能像系泊在码头上一样固定船位,因此在靠离泊过程中,拖轮既可以布置在 LNGU 上起到顶推作用以稳定船位,也可以布置在 LNGR 上降低 LNGR靠泊速度、辅助稳定船舶摇摆。在拖轮布置的研究中,严似松等1和朱军等2对拖航系统的运动和受力情况进行了数值计算分析;鲍文明3和尤庆华等4对船舶靠泊过程的风险进行评估,并模拟验证了操作要领;石爱国等5对拖轮辅助大型船舶靠泊操纵进行建模仿真,实现了在环境和系泊耦合作用下的实时仿真;TANNURI 等6和付礼鹏等7对FP
11、SO 串靠过驳过程中使用拖轮辅助的稳定性进行了数值计算模拟。国内外相关研究大多围绕拖轮在船舶靠离泊码头、与单点系泊 FPSO 串靠过驳的操纵和应用开展,但围绕不同拖轮协助 LNG 过驳配置方案对船舶运动响应的影响的研究较少。本文基于三维势流理论的数值计算分析方法,运用水动力学分析软件AQWA开展LNG船对船过驳水动力性能和应急过驳系统泊稳性能的研究,通过改变拖轮配置方式对船舶受环境及系泊系统耦合作用影响下的船舶运动和设备受力情况进行分析和预报,得出拖轮的优化布置方案,为指导 LNG 过驳作业开展以及制定 LNG 船舶过驳作业方案提供理论依据。1 计算模型与环境参数计算模型与环境参数 1.1 船
12、舶模型船舶模型 选取我国 LNG 接收站实际到港营运的 26.6 万方满载 LNGU 和 17.4 万方压载 LNGR 为研究对象,其设计参数见表1。计算初始状态设定 LNGU 与 LNGR船舶间碰垫直径8大小为3.3 m,在两船并靠中间位置添加LNGR船长长度、2.7 m宽的人工虚拟阻尼盖9-10,构建两船有限元模型,见图1。表1 LNG船舶尺度参数 参数 压载LNGR 满载LNGU船长LOA/m 290.0 345.0 垂线间长 LBP/m 284.0 333.0 船宽B/m 46.95 53.8 型深D/m 26.25 27.0 吃水T/m 9.60 12.0 排水量V/t 99 100
13、 179 000 横摇惯性半径 Kxx/m 18.8 20.8 纵摇惯性半径 Kyy/m 81.5 95.4 艏摇惯性半径 Kzz/m 83.0 97.2 图1 LNG船舶并靠有限元模型 1.2 锚泊与系泊设备锚泊与系泊设备 结合石油公司国际海洋论坛(Oil Companies International Marine Forum,OCIMF)规范11要求和实际作业场景需求,构建 Tug3R、Tug6 和 Tug3U 等 3种配置拖轮辅助条件下的 LNG 船对船过驳组合体布置模型,见图2。图2 拖轮辅助条件下锚泊与系泊配置(a)并靠船舶构建(b)有限元模型网格划分 船舶设计、船舶结构和性能 8
14、0 图2中:Tug3R为在受载船上配置拖轮方式;Tug6为两船均配置拖轮方式;Tug3U 为在卸载船一侧配置拖轮方式;T1T6 为拖轮;F1F4 为碰垫;H1H8为船首缆绳;M1M4 为船舯缆绳;S1S6 为船尾缆绳。碰垫、缆绳和锚链设备参数信息见表2。1.3 环境参数环境参数 以 26 m 水深为锚地水域环境,考虑到单锚锚泊方式下两船组合体受“风标效应”影响12,船首始终朝向于合力作用方向,因此仅对浪向条件为90、135和180等3 个方向进行计算分析,风浪流载荷条件参数设定见表3。表2 锚泊及系泊设备参数 碰垫 缆绳 锚链 尺度/m(厚长)最大撞击 压力/kN 直径/mm 单位长度 质量/
15、(kg/m)最小 破断强度/kN 轴向 刚度/(N/m)单位长度 质量/(kg/m)最小 破断强度/kN 3.36.5 2 460 0.44 1.388 1 774 9.77107 280.9 14 970 表3 风流浪环境参数设定 风(NPD 谱)流 浪(JONSWAP 谱)风速/(m/s)风向/()流速/(m/s)流向/()有义波高/m Gamma 谱峰周期/Hz 浪向/()10 180 1 180 1.0,1.5 3.3 0.187 90,135,180 2 船舶水动力计算与验证船舶水动力计算与验证 对过驳模型添加阻尼系数为0.02的驻波抑制单元与原始状态进行计算模拟,得出波面升高幅值等
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