40萬(wàn)噸級(jí)超大型油輪船舶系泊動(dòng)態(tài)響應(yīng)的試驗(yàn)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(yùn)輸船舶大型化發(fā)展，國(guó)際上已相繼使用30萬(wàn)～40萬(wàn)噸級(jí)以上超大型船舶作為海上運(yùn)輸?shù)闹饕啊＝鼛啄陙?lái)我國(guó)在天津、唐山、大連、上海、寧波、廣東等地建成了30萬(wàn)噸級(jí)油碼頭和礦石碼頭，為我國(guó)海上運(yùn)輸事業(yè)的蓬勃發(fā)展打下了基礎(chǔ)。

本文是根據(jù)40萬(wàn)噸級(jí)超大型油輪船舶系泊試驗(yàn)結(jié)果[1]，通過(guò)研究分析40萬(wàn)噸級(jí)超大型油輪在碼頭系泊時(shí)，在風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下船舶的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及船舶系纜力、護(hù)舷撞擊力，提出了40萬(wàn)噸級(jí)超大型油輪在碼頭系泊、作業(yè)時(shí)船舶的系泊方式及應(yīng)注意的問(wèn)題。

1 試驗(yàn)條件

1）試驗(yàn)船型：40萬(wàn)噸級(jí)超大型油輪，船舶全長(zhǎng)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(shè)1座工作平臺(tái)、2座靠船墩和6座系纜墩[2]。碼頭平面及系纜方式見(jiàn)圖1。

圖1 碼頭平面及系纜方式

3）護(hù)舷規(guī)格及布置型式：每個(gè)靠船墩安裝1套SUC2500H（R0）鼓型橡膠護(hù)舷，布置型式為兩鼓一板垂直型。護(hù)舷模擬曲線見(jiàn)圖2。

4）纜繩規(guī)格及布置方式：纜繩材質(zhì)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(wàn)噸級(jí)油輪采用4、2、2、2系纜方式。纜繩模擬曲線見(jiàn)圖3。

圖2 護(hù)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(fēng)要素：風(fēng)向?yàn)榇甸_(kāi)風(fēng)、吹攏風(fēng)；風(fēng)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(yàn)結(jié)果與初步分析

2.1 不同波高對(duì)系泊船舶的影響

波浪是系泊船舶運(yùn)動(dòng)的主要荷載，波高不同，船舶運(yùn)動(dòng)量也會(huì)不同，相應(yīng)系纜力和護(hù)舷撞擊力也有所不同。本節(jié)論述其他條件相同、波高不同對(duì)系泊船舶的影響。

2.1.1 船舶運(yùn)動(dòng)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(jiàn)圖4～圖6所示。

從圖中可以看出，總體上H4%=1.5 m時(shí)船舶運(yùn)動(dòng)量小于H4%=2.0 m時(shí)船舶運(yùn)動(dòng)量。分析原因，由于波高增大，波浪荷載增大，使船舶運(yùn)動(dòng)增大。因此，在其他條件相同，波高不同時(shí)，隨著波高的增大，40萬(wàn)噸級(jí)油輪的運(yùn)動(dòng)量增大。

2.1.2 護(hù)舷撞擊力隨波高的變化

從圖7可以看出，H4%=1.5 m時(shí)船舶對(duì)于護(hù)舷撞擊力小于H4%=2.0 m時(shí)船舶對(duì)護(hù)舷撞擊力，由于波高增大，使船舶運(yùn)動(dòng)增大，在裝載度相同情況下，運(yùn)動(dòng)量越大，護(hù)舷的撞擊力也就越大。

因此，在其他條件相同，波高不同時(shí)，隨著波高的增大，相應(yīng)的40萬(wàn)噸級(jí)油輪對(duì)護(hù)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(duì)護(hù)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(kāi)風(fēng)作用時(shí)，會(huì)令船舶產(chǎn)生離岸運(yùn)動(dòng)，離岸后的船舶在不同波浪條件的作用下，船舶運(yùn)動(dòng)量隨著波浪增大而增大，相應(yīng)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(duì)系泊船舶的影響

2.2.1 船舶運(yùn)動(dòng)量隨波浪周期的變化

從圖9分析，其他外部條件不變，吹開(kāi)風(fēng)作用時(shí)在波浪作用下，波高相同時(shí)船舶運(yùn)動(dòng)隨著周期的增大而增大，當(dāng)波浪周期接近船舶自搖周期時(shí)，將產(chǎn)生共振。由于船舶運(yùn)動(dòng)加劇，引起纜繩纜力以及護(hù)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(hù)舷撞擊力隨波浪周期的變化

通過(guò)圖10分析可知，當(dāng)波浪周期增大，其他外部條件不變，吹開(kāi)風(fēng)作用下，護(hù)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(yùn)動(dòng)量增大，從而使得船舶撞擊護(hù)舷力增大。

圖10 順浪作用下護(hù)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(yùn)動(dòng)加劇，使得纜繩系纜力增大。特別是當(dāng)波浪周期在船舶自搖周期范圍內(nèi)時(shí)，注意斷纜情況的發(fā)生。

圖11 順浪作用下纜繩系纜力隨波浪周期的變化

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)40萬(wàn)噸級(jí)油輪系泊試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

1）波浪周期和波高越大，船舶運(yùn)動(dòng)越大，纜繩纜力和護(hù)舷撞擊力也越大，當(dāng)波浪周期接近船舶自搖周期時(shí)，船舶運(yùn)動(dòng)更加劇烈。纜繩纜力和護(hù)舷撞擊力也隨之增加。

2）工程中應(yīng)對(duì)達(dá)到船舶自搖周期的波浪以及長(zhǎng)周期的涌浪作特別關(guān)注，一方面在船舶自搖周期的波浪會(huì)使系泊船舶運(yùn)動(dòng)劇烈，不能滿足船舶系泊和作業(yè)的要求，還有可能導(dǎo)致纜繩破斷或者撞壞護(hù)舷等，可能會(huì)導(dǎo)致海損事故的發(fā)生；另一方面，長(zhǎng)周期涌浪對(duì)船舶的作用也可能導(dǎo)致纜繩破斷等，后果較嚴(yán)重。

[1]JTJ/T234-2001，波浪模型試驗(yàn)規(guī)程[S].

[2]JTJ304-2003，液化天然氣碼頭設(shè)計(jì)規(guī)程（試行）[S].

[3]JTJ213-98，海港水文規(guī)范[S].