40萬噸級超大型油輪船舶系泊動態響應的試驗研究

聶鴻鵬

（中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

隨著海上運輸船舶大型化發展，國際上已相繼使用30萬～40萬噸級以上超大型船舶作為海上運輸的主要船舶。近幾年來我國在天津、唐山、大連、上海、寧波、廣東等地建成了30萬噸級油碼頭和礦石碼頭，為我國海上運輸事業的蓬勃發展打下了基礎。

本文是根據40萬噸級超大型油輪船舶系泊試驗結果[1]，通過研究分析40萬噸級超大型油輪在碼頭系泊時，在風、浪、流聯合作用下船舶的動態響應及船舶系纜力、護舷撞擊力，提出了40萬噸級超大型油輪在碼頭系泊、作業時船舶的系泊方式及應注意的問題。

1 試驗條件

1）試驗船型：40萬噸級超大型油輪，船舶全長378 m，型寬70 m，型深29 m，吃水22.9 m。

2）碼頭平面布置：碼頭為蝶形布置，設1座工作平臺、2座靠船墩和6座系纜墩[2]。碼頭平面及系纜方式見圖1。

圖1 碼頭平面及系纜方式

3）護舷規格及布置型式：每個靠船墩安裝1套SUC2500H（R0）鼓型橡膠護舷，布置型式為兩鼓一板垂直型。護舷模擬曲線見圖2。

4）纜繩規格及布置方式：纜繩材質為鋼絲纜，直徑40 mm，纜繩破斷力為1 200 kN，纜繩允許張力為破斷力的60%，纜繩初始張力為100 kN；40萬噸級油輪采用4、2、2、2系纜方式。纜繩模擬曲線見圖3。

圖2 護舷模擬曲線

圖3 艏纜纜繩模擬曲線（L=75 m）

5）波浪要素 （碼頭泊位處）波向：90°（橫浪）、0°（順浪）[3]。

橫浪波高：H4%=1.5 m、2.0 m、0.1 m、0.15 m；周期T=8 s、9.5 s、14 s、30 s。

順浪波高：H4%=2.0 m、2.5 m、0.15 m；周期T=8 s、9.5 s、14 s、30 s。

6）風要素：風向為吹開風、吹攏風；風速為U1=13.8 m/s，U2=22 m/s。

7）潮流：漲潮流，流向與船舶縱軸線夾角12°，流速為0.48 m/s；落潮流，流向與船舶縱軸線夾角50°，流速為0.42 m/s。

2 試驗結果與初步分析

2.1 不同波高對系泊船舶的影響

波浪是系泊船舶運動的主要荷載，波高不同，船舶運動量也會不同，相應系纜力和護舷撞擊力也有所不同。本節論述其他條件相同、波高不同對系泊船舶的影響。

2.1.1 船舶運動量隨波高的變化

橫浪作用下，船舶的縱移、橫移和升沉變化見圖4～圖6所示。

從圖中可以看出，總體上H4%=1.5 m時船舶運動量小于H4%=2.0 m時船舶運動量。分析原因，由于波高增大，波浪荷載增大，使船舶運動增大。因此，在其他條件相同，波高不同時，隨著波高的增大，40萬噸級油輪的運動量增大。

2.1.2 護舷撞擊力隨波高的變化

從圖7可以看出，H4%=1.5 m時船舶對于護舷撞擊力小于H4%=2.0 m時船舶對護舷撞擊力，由于波高增大，使船舶運動增大，在裝載度相同情況下，運動量越大，護舷的撞擊力也就越大。

因此，在其他條件相同，波高不同時，隨著波高的增大，相應的40萬噸級油輪對護舷的撞擊力也就越大。

圖4 橫浪作用下船舶縱移隨波高的變化

圖5 橫浪作用下船舶橫移隨波高的變化

圖6 橫浪作用下船舶升沉隨波高的變化

圖7 橫浪作用下船舶對護舷撞擊力隨波高的變化

2.1.3 纜繩系纜力隨波高的變化

從圖8可知，其他外部條件不變，吹開風作用時，會令船舶產生離岸運動，離岸后的船舶在不同波浪條件的作用下，船舶運動量隨著波浪增大而增大，相應的船舶系纜力也增大。

圖8 橫浪作用下纜繩系纜力隨波高的變化

2.2 不同波浪周期對系泊船舶的影響

2.2.1 船舶運動量隨波浪周期的變化

從圖9分析，其他外部條件不變，吹開風作用時在波浪作用下，波高相同時船舶運動隨著周期的增大而增大，當波浪周期接近船舶自搖周期時，將產生共振。由于船舶運動加劇，引起纜繩纜力以及護舷撞擊力急劇增大。

圖9 順浪作用下船舶橫移隨波浪周期的變化

2.2.2 護舷撞擊力隨波浪周期的變化

通過圖10分析可知，當波浪周期增大，其他外部條件不變，吹開風作用下，護舷撞擊力增大比較劇烈，究其原因，由于14 s波浪周期較接近船舶自搖周期，引起了橫搖共振，致使船舶橫搖運動量增大，從而使得船舶撞擊護舷力增大。

圖10 順浪作用下護舷撞擊力隨波浪周期的變化

2.2.3 纜繩系纜力隨波浪周期的變化

從圖11可知，由于波浪周期增大，船舶運動加劇，使得纜繩系纜力增大。特別是當波浪周期在船舶自搖周期范圍內時，注意斷纜情況的發生。

圖11 順浪作用下纜繩系纜力隨波浪周期的變化

3 結語

通過對40萬噸級油輪系泊試驗研究，得到以下結論：

1）波浪周期和波高越大，船舶運動越大，纜繩纜力和護舷撞擊力也越大，當波浪周期接近船舶自搖周期時，船舶運動更加劇烈。纜繩纜力和護舷撞擊力也隨之增加。

2）工程中應對達到船舶自搖周期的波浪以及長周期的涌浪作特別關注，一方面在船舶自搖周期的波浪會使系泊船舶運動劇烈，不能滿足船舶系泊和作業的要求，還有可能導致纜繩破斷或者撞壞護舷等，可能會導致海損事故的發生；另一方面，長周期涌浪對船舶的作用也可能導致纜繩破斷等，后果較嚴重。

[1]JTJ/T234-2001，波浪模型試驗規程[S].

[2]JTJ304-2003，液化天然氣碼頭設計規程（試行）[S].

[3]JTJ213-98，海港水文規范[S].