【论文精选】海上LNG船对船加注兼容性评估

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作 者： 孔祥宇，焦文玲，项卫东，郑枫凡

第一作者单位： 哈尔滨工业大学建筑学院寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室

摘自《煤气与热力》2023年7月刊

参考文献示例

孔祥宇，焦文玲，项卫东， 等 .  海上 LNG 船对船加注兼容性评估 ［J］.    煤气与热力， 2023，43（7） ：B11-B16.

1    概述

近年来， LNG 动力船舶发展迅速，由于 LNG 具有深冷易燃易爆等特性，行业重视 LNG 燃料加注问题，石国政等研究了天然气动力船燃料加注模式 ^{［ 1 ］} ，罗肖锋等研究了集装箱船 LNG 燃料加注同步作业安全区域 ^{［ 2 ］} 。国际海事组织（ IMO ）、中国海事局和中国船级社（ CCS ）等规则标准对 LNG 动力船和 LNG 加注船的要求已经成熟，国际气体燃料动力船协会（ SGMF ）、国标（ GB ）和 CCS 等标准对 LNG 加注作业要求业已发布，但是在国内缺乏应用实例。

2022 年 11 月，中国石油在深圳盐田国际港区 16 号码头，通过 LNG 加注船新奥普陀号为达飞集团 23000TEU 系列 LNG 动力集装箱班轮达飞索邦号提供 LNG 海上船对船加注作业服务，达飞索邦号同时进行集装箱装卸货作业，加注作业时间约 6 h ，加注 LNG 约 7 000 m ³ 。与以往的加注作业相比，此次盐田港船对船加注作业，可以实现货物装卸与 LNG 加注同步作业，节省船舶靠港周转时间，大大提高了国际船舶靠港接卸与港口的高效运营能力，拉开了粤港澳大湾区 LNG 海上加注业务的序幕。

根据 SGMF 和 CCS 标准关于 LNG 加注作业的要求，加注作业前，应对 LNG 动力船和 LNG 加注船的兼容性进行评估。本文以 LNG 加注船新奥普陀号（简称加注船）和 LNG 动力集装箱班轮达飞索邦号（简称受注船）为研究对象，依据 SGMF 和 CCS 标准以及相关研究成果 ^{［ 3 ］} ，开展了两船在深圳盐田国际港区 16 号码头进行加注同步作业的兼容性评估，包括加注站管汇布置和位置、平行中体范围、碰垫、加注软管、船 / 船连接（ SSL ）系统和通信系统、惰性气体系统、起吊设备。两船加注兼容性良好，满足国内外标准的要求，研究过程可对标准修订提供有益参考。

2    船舶主要参数

受注船和加注船主要参数见表 1 。

表 1    船舶主要参数

3    加注兼容性分析

3.1   加注站管汇布置和位置

为进行 LNG 船对船加注作业，受注船和加注船管汇布置应满足兼容性要求。一般以两船气相管汇中心为连接中心，对加注作业前后船舶在不同的吃水线下两船舷侧实际平行中体范围进行评估，以确保两船在重叠平行中体最小范围内布置碰垫。

管汇包含 2 条液相管汇和气相管汇。 2 条液相管汇、气相管汇的公称直径均相同，称为管汇直径。左右侧液相管汇与气相管汇中心距相同，称为管汇间距。液相管汇的端口、气相管汇端口分别简称为液相端口、气相端口。 2 个液相端口、气相端口距舷侧距离相等，称为管汇距舷侧距离。 2 个液相端口、气相端口的中心轴线距甲板高度相等，称为管汇距甲板高度。

SGMF 对受注船加注站管汇布置要求见图 1 和表 2 。受注船加注站管汇直径为 200 mm ，管汇间距为 1.25 m ，管汇距甲板高度 1.66 m ，管汇距舷侧距离 1.10 m ，左右舷加注站管汇排列均为液相 - 气相 - 液相（ L-V-L ）。受注船的加注站气相和液相管汇接口布置、连接位置和连接方向、间距和接口尺寸等满足 SGMF 《气体燃料动力船管汇布置》（ Manifold Arrangements for Gas Fueled Vessels ）的要求。

图 1    受注船加注站管汇布置

表 2    受注船加注站管汇布置要求

加注船船首加注站管汇用途、设计均不同于 LNG 运输船货物装卸管汇。目前没有行业标准，现行设计考虑工程操作实践，尽可能参考 SGMF 对受注船加注站管汇布置的要求。加注船加注站管汇直径为 200 mm ，管汇间距为 1.50 m ，管汇距离甲板高度 1.55 m ，管汇距舷侧距离 3.29 m 。左舷和右舷加注站管汇排列均为 L-V-L 。受注船和加注船均配备相应的软管鞍座，两船加注站管汇布置兼容性良好。建议《液化天然气燃料加注船舶规范》标准修订时增加加注船加注站管汇布置要求。

两船加注站管汇布置参数见表 3 。

表 3    两船加注站管汇布置参数

受注船加注站位于船首靠近船中区域。加注船加注站位于船首。根据受注船靠泊码头和加注作业计划，加注作业时，受注船左舷靠泊码头，加注船左舷靠泊受注船右舷，加注船采取船首靠泊受注船船首的方式进行系泊。加注船采用船首加注站为受注船加注燃料，较为合理，有利于主碰垫布置和尽可能控制危险区域范围。

3.2   平行中体范围

加注船和受注船加注站管汇位置、平行中体和吃水线的关系见图 2 。

图 2    两船加注站管汇位置、平行中体和吃水线的关系

以两船连接加注站气相管汇中心为基准，两船间重叠平行中体范围最小长度约为 40 m ，后续还将分析重叠范围是否可以布置下主碰垫。

3.3   碰垫

3.3.1  主碰垫

表 4    靠泊系数计算工况和结果

表 4 计算结果显示靠泊系数最大值为 21 512 t ，根据 GB 18180 — 2022 和《船对船过驳指南》，可选择 3 个充气压力为 80 kPa ，直径×长度为 3.3 m × 4.5 m 碰垫作为船对船加注作业时的主碰垫，加注船抵靠速度为 0.25 m/s 。

②吸收靠泊碰撞能量校核

上述国标碰垫快速选取方法都是基于工程经验，还应校核单个碰垫作用时和所有碰垫同时作用时靠泊碰撞能量吸收情况。两船靠泊加注作业期间，相互平行接触较少，单个碰垫更有可能吸收靠泊碰撞能量，故应校核单个碰垫作用时能否满足吸收靠泊碰撞能量的要求。此时靠泊碰撞能量计算通常采用 1.8 倍船舶调整排水量的方式考虑靠泊额外力的作用。依据《船对船过驳指南》，船舶调整排水量计算式为：

表 5    碰垫吸收靠泊碰撞能量校核结果

选择 3 个充气压力为 80 kPa 的 3.3 m × 4.5 m 碰垫作为船对船加注作业时的防撞措施，抵靠速度为 0.25 m/s ，充气橡胶碰垫最大外形尺寸（直径×长度）为 3.74 m × 4.94 m ，质量约为 3.5 t 。

根据分析，平行中体长度大于总碰垫长度，碰垫可设置在两船不同吃水下重叠平行中体范围内，可适应两船船舶吃水变化，实现安全靠泊。

与国际行业标准相比，我国液化气体船舶安全作业国标缺少碰垫靠泊碰撞能量吸收能力校核方法，建议该国标后续修订纳入该要求。

3.3.2  辅助碰垫

应设置辅助碰垫，以避免两船靠泊、加注作业和离泊期间船头和船尾在靠泊和作业期间发生意外碰撞。目前行业没有辅助碰垫选取方法，可参考主碰垫的计算选取方法。抵靠速度根据经验取 0.1 m/s ，根据式（ 5 ）计算得到工况 1 下单个辅助碰垫靠泊碰撞能量为 4.84 t · m 。考虑到更有效提高防撞能力，可选择 2 个充气压力为 50 kPa ，直径×长度为 2.0 m × 5.0 m 碰垫作为船船加注作业时的辅助碰垫，该碰垫压缩 60% 时典型吸收靠泊碰撞能量为 31.4 t · m ，满足单个辅助碰垫作用时靠泊碰撞能量的吸收要求，单个碰垫质量约 1.4 t 。

3.4   加注软管

LNG 加注船船首加注站管汇间距 1.5 m ，加注站管汇距舷侧距离 3.29 m 。受注船加注站管汇间距 1.25 m ，加注站管汇距舷侧距离 1.1 m 。 LNG 船对船加注作业加注站管汇高差统计见表 6 ，表中加注船加注站管汇高于受注船加注站管汇时高度差为正，反之高度差为负。

表 6   LNG 船对船加注作业加注站管汇高差统计

CCS 《液化天然气燃料加注作业指南》建议加注软管长度取高度差绝对值的最大值的 2 倍，但是该长度可能超过单根软管可制造最大长度，需要根据实际情况计算软管最小长度。加注软管的长度选取必须考虑两船最极端加注站管汇高度差、软管最小弯曲半径、船舶垂向和横向运动等因素。选取两船加注站管汇高度差绝对值最大时情形作为软管长度选取的分析场景，考虑两种工况。

工况 a ：考虑两船静止时，两船位置使得软管弯曲部分均呈现最小弯曲圆弧形状，软管长度计算见图 3 。

图 3    软管长度计算

工况 b ：考虑两船最大安全相对运动值时，两船位置使得软管弯曲部分均呈现最小弯曲圆弧形状。

JTS 165 — 2013 《海港总体设计规范》对系泊码头液化气体船的允许运动量要求见表 7 （表中—表明此项无要求）。根据该要求，加注船与受注船之间的相对运动应满足允许运动量要求，工况 b 保守考虑两船间发生 2 m 升沉运动和 2 m 外飘横荡运动，此时两船加注站管汇间软管长度最长。

表 7   JTS 165 — 2013 《海港总体设计规范》对系泊码头液化气体船的允许运动量要求

两船间距保持为主碰垫最大外形直径，即 3.74 m ，按照图 3 计算，两种工况下 LNG 加注软管长度计算结果见表 8 。另外两个状态，软管长度小于表 8 所示两种状态的软管长度。

加注软管连接时还使用了快速接头、紧急脱离装置（ ERC ）和法兰等，长度之和约为 1.15 m ，故加注船配备软管长度为 25.00 m ，可满足加注要求。

表 8    两种工况下 LNG 加注软管长度计算结果

3.5   船 / 船连接（ SSL ）系统和通信系统

LNG 船对船加注作业期间，两船应设置船 / 船连接系统，船 / 船连接系统是通过特定连接方式使两船间具备应急切断、通信和数据传输功能的特设系统。船 / 船连接系统主要功能是保证船 / 船两侧安全系统同时触发阀门紧急切断。

船 / 船连接系统已被高度集成，并同时具有多种连接方式，目前主要有光纤连接、电气连接、气动连接、无线电连接。两船间设置的船 / 船连接系统应至少具有上述 4 种连接方式中的 2 种。根据船型资料， SSL 系统受注船和加注船的连接方式见表 9 。

表 9   SSL 系统受注船和加注船的连接方式

两船的船 / 船连接系统版本兼容，故两船的船 / 船连接系统连接方式和设备是兼容的，并且满足一用一备的功能要求。同时，受注船和加注船均配备多种船舶间通信设备，故通信连接方式和设备是兼容的，并且满足一用一备功能要求。在通信系统满足兼容性基础上，加注双方提前约定采用英语作为沟通语言。

3.6   惰性气体系统

加注船配备惰气系统，包括氮气系统和惰气管路系统等，惰气管路系统吹扫管路通过一个隔离阀用软管与液货管路连接。受注船配备氮气系统，仅用于管路吹扫和燃料舱惰化。加注船配备 360 m ³ 液氮罐和 PSA 型氮气系统，液氮气化后可满足受注船燃料加注管路系统惰化使用。

3.7   起吊设备

加注船起吊设备参数见表 10 。软管吊不仅需要满足运送和安置软管及鞍座的使用要求，而且需要满足收放主碰垫或移动辅助碰垫的工作要求。

表 10    加注船起吊设备参数

根据主碰垫选取计算，单个主碰垫的质量约为 3.5 t ，主碰垫的外形直径为 3.74 m ，单个辅助碰垫的质量约 1.4 t ，直径为 2.0 m 。经校核，加注船软管吊具备吊放和回收主碰垫的能力。

4    结论和建议

针对 8 500 m ³ LNG 加注船新奥普陀号在深圳盐田港集装箱 16 号码头为 LNG 动力集装箱班轮达飞索邦号进行 LNG 加注同步作业，通过开展 LNG 船对船加注兼容性评估，得出以下结论和建议。

①加注船和受注船各方面兼容性良好，满足加注作业需求。

②加注船加注站管汇布置没有标准可循，建议尽可能参考 SGMF 对受注船加注站管汇布置的要求。

③ GB 18180 — 2022 《液化气体船舶安全作业要求》没有碰垫靠泊碰撞能量吸收能力校核方法，建议修订时增加碰垫性能校核方法。

④当两船加注站管汇高度差较小时， CCS 《液化天然气燃料加注作业指南》中软管长度计算方法存在明显缺点，建议该标准修订时新增极限场景下软管长度范围和评估软管是否浸水的具体分析要求。

⑤船对船加注兼容性评估为我国华南首单国际航行船舶 LNG 加注作业的顺利完成提供了科学合理的技术基础和操作依据。

参考文献：

［ 1 ］石国政，张晖，范洪军 .  天然气燃料动力船燃料加注模式研究［ J ］ .  船海工程， 2013 （ 6 ）： 57-60.

［ 2 ］罗肖锋，范洪军，程康，等 .  集装箱船 LNG 燃料加注与装卸货同时操作的安全区域分析［ J ］ .  船舶工程， 2016 （ 4 ）： 13-17.

［ 3 ］齐奎利，袁新星，曹蛟龙，等 . 10 000  m ³  LNG 加注船与 VLOC 加注兼容性评估［ J ］ .  船海工程， 2019 （ 6 ）： 63-67.

（本文责任编辑：刘灵芝）

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