船舶系水鼓防臺受力分析和工藝措施

摘要：系水鼓是船舶防臺風(fēng)的常用方法之一，文章對系水鼓防臺時的船舶受力情況進(jìn)行了分析，系水鼓防臺時船舶可能同時受到風(fēng)作用力、水流作用力、波浪作用力的作用，當(dāng)三者同向同時沖擊船首時，即是船舶的最危險狀態(tài)，對這種狀態(tài)的受力提出了計算方法，同時提出了船舶系水鼓防臺的工藝措施。

關(guān)鍵詞：系水鼓；風(fēng)作用力；水流作用力；波浪作用力；工藝措施

中圖分類號：U676文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Force Analysis And Technical Measures of Doing Up Water Drum For Typhoon Combating of Ship

WANG Jiping

( Zhanjiang Haibin Shipyard,Zhanjiang 524000 )

Abstract: Doing up water drum is one of the methods commonly used in typhoon combating of ship,This paper analyses the force of ship when doing up water drum,The ship might be affected by wind force and current force and wave force at the same time when doing up water drum,It is the most dangerous state of ship When the three syntropy forces concussion the bow at the same time,And the calculating method for the forces is proposed, And put forward the technical measures of doing up water drum for typhoon combating of ship.

Key words: Water drum;Wind force;Current force;Wave forces;Technical Measures

在我國南方沿海地區(qū)，每年的6月至10月是臺風(fēng)多發(fā)季節(jié)，防臺風(fēng)幾乎是所有船舶每年都要面對的一項重大考驗(yàn)，稍有不慎便可能造成財產(chǎn)和生命的重大損失，可見船舶防臺措施的重要性，尤其是對船舶建造或修理單位而言，由于駐廠的船只多、船舶尚未完工或防臺設(shè)備設(shè)施有限等因素影響，船舶防臺任務(wù)更加艱巨。船舶抵御臺風(fēng)的方法有多種，其中系水鼓防臺是比較常用的方法之一，以下對系水鼓防臺的受力情況和工藝措施進(jìn)行簡要介紹。

1 系水鼓防臺的前提條件

在確定采取系水鼓防臺前，首先可通過查閱有關(guān)設(shè)計圖紙找出滿載排水量狀態(tài)下船舶的最大抗風(fēng)能力，若最大抗風(fēng)能力無法抵御臺風(fēng)，則該船不能系水鼓防臺，而必須上排、進(jìn)塢座墩或前往無臺風(fēng)區(qū)域暫避。系水鼓防臺的方法是：將鋼絲繩或錨鏈穿過主甲板首部中縱剖面處的導(dǎo)纜孔，一端系在船上，另一端系水鼓。系水鼓防臺時，船必須處于設(shè)計滿載排水量狀態(tài)。

2受力分析

系水鼓時船的受力情況比較復(fù)雜，可能同時受到風(fēng)作用力、水流作用力和波浪作用力等危害力的作用，并且船的位置會隨著風(fēng)、水流、波浪的大小和方向的改變而變化。臺風(fēng)吹襲時，風(fēng)作用力遠(yuǎn)比水流作用力和波浪作用力大，故風(fēng)作用力是主要的。假設(shè)風(fēng)向與船長成α夾角（根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知α應(yīng)小于90°），詳見圖1所示。風(fēng)速V可分解成兩個相互垂直的分量：與船長平行的分量V1；與船長垂直的分量V2。V1產(chǎn)生的風(fēng)作用力與船長平行，推動船只遠(yuǎn)離水鼓；V2產(chǎn)生的風(fēng)作用力與船長垂直，使船產(chǎn)生橫向傾斜或繞著水鼓轉(zhuǎn)。

圖1風(fēng)速V分解成兩個相互垂直的分量

圖2 船舶和系水鼓的受力狀況

由上述分析可知，系水鼓防臺時，船的危險狀態(tài)有兩種：

（1）橫向傾覆。當(dāng)風(fēng)向與船長垂直時，船受到的傾覆力矩最大，此時最易發(fā)生橫向傾覆；

（2）斷纜。當(dāng)風(fēng)、水流和波浪三者同方向，并且與船長平行時，系水鼓鋼絲繩或錨鏈承受的力最大。

對于橫向傾覆危險狀態(tài)，只能依靠船自身的抗風(fēng)能力進(jìn)行抵御，當(dāng)船的抗風(fēng)能力無法對抗臺風(fēng)時，不能采用系水鼓防臺的方法，故不討論此種危險狀態(tài)。

斷纜狀態(tài)受力計算主要是對風(fēng)作用力、水流作用力和波浪作用力的分析與計算。在滿足工程安全計算的前提下，為方便計算，盡量簡化力學(xué)模型，詳見圖2所示：A為船首出纜點(diǎn)，B為A在水平面的投影點(diǎn)，O為水鼓系點(diǎn)，F(xiàn)為鋼絲繩或錨鏈的拉力，F(xiàn)1為F的水平分力，F(xiàn)2為F的豎直分力，Pw為風(fēng)作用力，Pb為波浪作用力，PL水流作用力。由于在實(shí)際工作狀態(tài)中，無法確定O點(diǎn)至水面的垂直距離（O點(diǎn)也有可能浸沒于水中），故且假定O與B同處一水平面。

2.1風(fēng)作用力Pw計算

假設(shè)各部位的受風(fēng)面積和風(fēng)作用力中心至水面的距離為：主船體受風(fēng)面積S1，風(fēng)作用力中心距水面Z1；上建受風(fēng)面積S2，風(fēng)作用力中心距水面Z2；主桅受風(fēng)面積S3，風(fēng)作用力中心距水面Z3…。受風(fēng)面積和風(fēng)作用力中心至水面距離的計算，可參照《船舶與海上設(shè)施法定檢驗(yàn)規(guī)則》的有關(guān)要求進(jìn)行，總受風(fēng)面積S和風(fēng)作用力中心至水面距離Z按下式計算：

S = k1S1+ k2S2+ k3S3+… m2（1）

Z =（k1S1Z1+ k2S2 Z2+ k3S3 Z3+…）/ S m （2）

式中：ki-滿實(shí)系數(shù)，按《船舶與海上設(shè)施法定檢驗(yàn)規(guī)則》的要求選取。

參照J(rèn)TJ215-1998《港口工程荷載規(guī)范》中有關(guān)風(fēng)載荷的計算公式，風(fēng)作用力Pw可按下式進(jìn)行計算：

Pw = kjkzSV2 / 1 600 kN（3）

式中：kj—風(fēng)壓增大系數(shù)，按表1選取；

kz—風(fēng)壓高度變化系數(shù)，按表2選?。?/p>

S—總受風(fēng)面積（m2）；

V為風(fēng)速（m/s），查設(shè)計圖，取船能承受的最大風(fēng)速。

表1海上風(fēng)壓增大系數(shù)

表2 風(fēng)壓高度變化系數(shù)

2.2水流作用力PL計算

參照J(rèn)TJ215-1998《港口工程荷載規(guī)范》的有關(guān)計算公式，船正面承受的水流作用力可按下計算：

PL = 0.5CγSV2kN （4）

C = 0.46Re-0.134+b

Re = VL/v

式中：C—水流阻力系數(shù)；

Re—雷諾數(shù)；

b—系數(shù)，取0.15；

γ—水的密度（t/m3）；

S—船的濕表面積（m2）；

L—船的水線長（m）；

V—水流速度（m/s），根據(jù)錨地水文資料選?。?/p>

v—水的運(yùn)動粘性系數(shù)，按表3選取。

表3水的運(yùn)動粘性系數(shù)

2.3 波浪作用力Pb計算

參照J(rèn)TJ213-1998《海港水文規(guī)范》的有關(guān)計算公式，船正面承受的波浪作用力可按下式計算：

Pb = 0.139γBHL tanh（6.28d/L） kN（5）

式中：γ—水的密度（t/m3）；

B—船的水線寬（m）；

H—浪高（m），根據(jù)氣象預(yù)報選取；

L—波長（m），根據(jù)氣象預(yù)報選取；

d—錨地水深（m），根據(jù)錨地水文資料選取。

2.4鋼絲繩或錨鏈拉力F計算

根據(jù)以上的分析與計算，鋼絲繩或錨鏈的拉力F可按下式計算：

F = F1/ sinθ kN（6）

cosθ= AB/AO

F1= Pw+PL+PbkN

3系泊設(shè)備的選擇

（1） 若采用鋼絲繩系水鼓，以拉力F作為工作負(fù)荷確定鋼絲繩的型號與規(guī)格。在船上，鋼絲繩系在帶纜樁或眼板上（注：之前應(yīng)對帶纜樁、眼板及周圍的船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核）；

（2）若采用船上現(xiàn)有的錨鏈系水鼓，需校核錨鏈的工作負(fù)荷是否符合要求，并應(yīng)充分考慮錨鏈的磨損、疲勞狀況等，適當(dāng)增加安全系數(shù)；

（3）以拉力F作為水鼓的工作負(fù)荷，選擇合適的系泊水鼓。

4船體密性要求

（1）所有的水密門、風(fēng)雨密門、艙口蓋、人孔蓋、舷窗等應(yīng)完好；

（2）所有水密部位的臨時開口，如設(shè)備出艙口、管子接口、電纜孔、工藝孔等應(yīng)回裝完，無法回裝的需用蓋或盲板封堵，達(dá)到水密要求；

（3）所有通海設(shè)備（如海底門、尾軸出口、放泄塞等）應(yīng)回裝完，或用盲板封堵；

（4）船體外板開口應(yīng)回裝完，焊縫密試完；

（5）所有可移動的物品應(yīng)搬上岸，所有腳手架應(yīng)拆除下船；

（6）恢復(fù)甲板疏排水系統(tǒng)的功能；

（7）恢復(fù)所有液艙的水密完整性，使其具備壓載功能。

5船舶浮態(tài)調(diào)整

（1）要求將浮態(tài)調(diào)至設(shè)計滿載排水量狀態(tài)，橫傾角小于0.5°，首尾吃水差小于1‰水線長。

（2）液艙壓載：所有水艙、燃油艙和滑油艙都必須壓載。原則上淡水艙壓淡水；壓載水艙壓海水，若壓載水管路系統(tǒng)尚不能使用，亦可壓淡水；燃油艙和滑油艙應(yīng)裝載足夠的燃油和滑油，供主副機(jī)使用，其余未裝油料的艙壓淡水；

（3）所有壓載的液艙務(wù)必裝滿，不能存在自由液面，未壓載的艙必須清干凈艙內(nèi)的水或油；

（4）加注壓載水的原則順序：由底層往上、由船舯向首尾展開；

（5）貨艙應(yīng)裝滿或用壓載代替。

6船上防臺設(shè)備的完整性

（1）配電系統(tǒng)、錨機(jī)、錨燈、主要部位的照明能正常使用；

（2）保證船上一臺發(fā)電機(jī)組能正常使用，供電給錨機(jī)、錨燈和照明使用，否則必須配備一臺功率合適的移動式發(fā)電機(jī)組代替；

（3）保證船上一臺甚高頻電臺能正常作用；

（4）保證船上部分生活設(shè)施能正常使用；

（5）船上所有欄桿、繩索應(yīng)安全可靠；

（6）應(yīng)準(zhǔn)備足夠的堵漏器材、救生衣、救生圈、手電筒等。

7 總結(jié)

船舶防臺事關(guān)重大，絲毫不能怠慢，應(yīng)時刻掌握臺風(fēng)的位置變化和風(fēng)速大小等情況。應(yīng)根據(jù)船型特點(diǎn)認(rèn)真分析與計算，全面詳細(xì)地考慮防臺風(fēng)的工藝措施及其可操作性，及時充分做好準(zhǔn)備，結(jié)合防臺設(shè)備設(shè)施等條件選擇合適的、經(jīng)濟(jì)的防臺風(fēng)方法。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國海事局. 船舶與海上設(shè)施法定檢驗(yàn)規(guī)則[S]. 2004: 235-

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[2] 中華人民共和國交通部. JTJ215-1998港口工程荷載規(guī)范[S]. 1998: 48-

86.

[3] 中華人民共和國交通部. JTJ213-1998海港水文規(guī)范[S]. 1998: 156-157.

作者簡介：王繼平（1974-），男，工程師。主要從事船舶建造和修理工作。

收稿日期：2013-12-02