泥駁旁靠挖泥船系泊系統分析研究

金海豐 鄒 雯 單鐵兵 趙柯翔

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

引 言

傳統的挖泥船基本疏浚周期包括將泥沙泵入泥艙內，再前往吹填現場排放后重返疏浚現場，效率低下。近年來出現一種新的疏浚方式：挖泥船開始作業時，一艘空載泥駁旁靠系泊于挖泥船一側并進行裝駁作業，該泥駁裝載滿后駛向吹填現場，由另一艘空載泥駁接替，以此實現挖泥船長時間持續作業，大大提高了疏浚效率。

疏浚作業中進行裝駁作業大多是在水深較淺和非自航的情況下進行的。自航耙吸式挖泥船的裝駁作業則與此有所不同。

自航耙吸式挖泥船在裝駁過程中需拖帶著系泊于船側的泥駁一道前進。由于近海疏浚現場氣候條件較為惡劣，該系統需克服相當大的環境力作用。其次，兩船的旁靠作業屬于多浮體干擾問題，有較為復雜的耦合運動，這將導致纜繩張力的驟變［1］。此外，在裝駁作業過程中，兩船相對吃水會發生較大變化，從而導致系泊纜繩被過度拉伸。以上幾點均會影響裝駁作業安全。

本文就某自航耙吸挖泥船與某自航泥駁的旁靠系泊系統進行研究，采用ARIANE系泊分析軟件進行系泊分析，計算船體運動偏移以及在不同風浪流角度下，系泊纜張力的大小及變化等。最后，通過分析結果給出適用于該工況的靠駁設備的配置及原理，并為類似系統的設計提供參考。

1 旁靠系泊系統環境載荷估算

挖泥船與泥駁的主尺度如表1所列。

表1 挖泥船與泥駁主尺度m

兩船分別處在重載狀態時，所受到的環境載荷最大，對靠駁設備的要求也最高。因此分別按兩船的重載狀態進行環境載荷估算。

裝駁系泊作業的設計環境條件如表2。

計算所采用的風、浪、流方向的定義如圖1所示。

由于挖泥船頂流作業，故本文環境載荷作用方向僅考慮首向±15°范圍，正向角度為環境載荷來自駁船右舷側方向（見圖1）。

表2 作業環境條件

圖1 環境載荷的作用方向

1.1 風載荷

風載荷作為定常力，作用在船體水線以上部分。本文不考慮遮蔽效應。計算所得結果列于下頁表3。

1.2 流載荷

作業條件下水流的對地速度最大為5 kn。挖泥船以2.5 kn的對地速度拖帶泥駁頂流作業，則船與水流的相對速度為7.5 kn。因此流載荷以7.5 kn的相對流速進行估算。

流載荷也是一種定常力，不考慮遮蔽效應。計算結果列于下頁表3。計算結果表明，相比風和浪載荷，流載荷隨攻角增大而增加的幅度遠大于前兩者，這同時也說明挖泥船為何要頂流作業的原因。

表3 風、流和平均波浪漂移力結果kN

1.3 波浪載荷

采用HYDROSTAR軟件計算挖泥船和泥駁的頻域水動力性能。其中，遭遇浪向為-15°～15°，中間間隔5°，頻率為0.02～2.0 rad/s，中間間隔0.02 rad/s。根據船體型線圖建立面元模型并計算。

波浪力包括一階波頻力、二階低頻力和二階平均波浪漂移力［2］。HYDROSTAR計算所得平均波浪漂移力結果列于表3。

2 旁靠系泊系統分析

系泊分析采用BV船級社開發的ARIANE軟件。由于該軟件不能計算移動的系統，還要經過特殊處理。建立一套多點錨泊系統將挖泥船“固定住”，泥駁通過首尾2根八股丙綸長絲纖維纜繩系固在挖泥船右舷，兩船之間建立4個高壓充氣橡膠碰墊模型，風浪流攻角為船首方向，特別是流速按實際作業時船與流的相對速度（計算模型如圖2所示）。不考慮多點錨泊系統的響應以及它對挖泥船運動的影響，重點評估1號、2號纜繩的響應［3］。

圖2 系泊分析計算模型

2.1 系泊纜繩響應分析

表4為系泊纜繩的初始狀態，下頁表5為不同環境載荷攻角下系泊纜繩響應。雖然挖泥船實際為頂流作業，但系泊分析也計算了環境攻角在±15°范圍內的系泊系統響應，以供設備配置參考。

表4 系泊纜繩初始狀態

系泊纜繩張力值見下頁表5。由表5數據可知，系泊系統主要受力纜繩為1號纜繩，重點關注該纜繩張力變化情況。

表5 系泊纜繩張力kN

隨著環境載荷攻角逐漸增大，環境載荷逐漸增大，纜繩張力亦隨之增大。綜合考慮適用性及經濟性指標，確定挖泥船允許作業的工況為±10°環境載荷攻角內，而超出該范圍后，環境載荷及設備的配置要求將大幅提高，顯然得不償失。

此外，環境載荷來自挖泥船側，相比駁船側纜繩的張力值更大。這是由于駁船在下風側時，外載有使兩船分離的趨勢，1號纜繩需額外提供橫向的分力，從而使合力增加。因此建議靠駁作業優先在環境載荷為正向角度下進行。

2.2 碰墊響應分析

泥駁旁靠時，為避免兩船直接相碰造成危險，在挖泥船舷側設置4個吸收沖擊能量的護舷。護舷位置見表6，其中X、Y、Z為護舷距離泥駁重心位置的距離。

表6 護舷的位置

表7 護舷作用力kN

根據上文確定的靠駁作業工況，考察±10°環境載荷范圍內，4個護舷的受力情況。其中，靠近船尾的1號護舷受力最大，最大受力發生在正向10°環境力方向下，最大值為289.3 kN。

3 設備配置

3.1 系泊纜繩

根據上文分析計算結果，考慮±10°環境載荷攻角范圍內作業，纜繩最大張力值為681.9 kN，故破斷負荷取1 200 kN（根據BV規范關于系泊張力衡準的規定選取1.75倍最大張力值）。若選用常規的丙綸長絲系泊纜繩，該破斷負荷下纜繩直徑將超過100 mm，這將使靠駁設備的整體尺寸及質量也隨之增大，同時操作上也多有不便。

因此可以考慮使用八股超高分子量聚乙烯纜繩替代常規的系泊纜繩。超高分子量聚乙烯纜繩具有優越的抗張弛和彎曲疲勞性能以及抗老化、抗化學腐蝕性能；具有超高強度，能夠浮于水面。40 mm直徑的八股超高分子量聚乙烯纜繩既能滿足1 200 kN破斷負荷的要求。

3.2 靠駁絞車

由上文的分析計算可知，在任何角度下，纜繩的最大張力響應值遠大于駁船在相同角度下受到的環境載荷值。增加的值中有很大的成分是由兩船耦合運動引起的，這就要求靠駁絞車需要適應這種纜繩張力大小瞬時變化的工況：在瞬時張力過大的情況下能夠自動放出纜繩防止崩斷，在張力突然減少的情況下能夠及時收緊纜繩使旁靠狀態保持穩定。

為滿足自動收放纜繩的要求，需要采用一種帶恒張力功能的液壓絞車作為靠駁絞車。該絞車配備有帶恒張力功能的液壓控制系統，可以通過纜繩的自動收放來實現纜繩張力的自動調節：設置一個合理的纜繩張力值區間，當纜繩張力低于該區間下限值時，絞車自動收纜，當纜繩張力超過該區間上限值時，絞車自動放纜，從而使纜繩張力始終保持在該區間范圍內。［4-5］通過該控制系統，既能維持纜繩對泥駁的恒定約束，避免泥駁發生偏移，同時又能避免纜繩張力過大而發生斷裂的風險。

3.3 護 舷

護舷常見的有橡膠充氣式護舷和聚氨酯護舷。橡膠充氣式護舷需配充氣設備，易漏氣、怕扎怕劃。聚氨酯護舷具有免維護、質量輕、耐海水腐蝕、耐酸堿、吸收能量高等優點。根據上文分析計算結果，本系統中護舷受力較大，沖撞能量也較大，因此選用聚氨酯實心護舷，規格為2.0 m×3.5 m，當變形60%時，吸收能量為310 kJ，反力為884 kN。

4 結 論

泥駁配合挖泥船進行裝駁作業，可以大大提高疏浚施工效率，降低作業成本，在當今疏浚吹填工程中得到越來越廣泛的應用。本文通過實際案例對泥駁旁靠挖泥船系泊系統進行計算分析，給出適合進行作業的環境條件，并推薦一套更為適合該工況的靠駁設備，可為類似系統設計時參考。

［參考文獻］

［1］ 楊江輝，袁遠，黃錫玲，等. LNG系統旁靠外輸作業時的水動力性能數值研究［J］. 船舶工程，2016（9）：52-56.

［2］ 何進輝，唐坤. 某單點系泊FPSO運動性能計算分析［J］. 船舶，2014（3）：7-13.

［3］ 單鐵兵，潘方豪. 西非海域FPSO多點系泊系統的疲勞壽命分析［J］. 船舶，2015（5）：52-56.

［4］ 陳亮，余建勛. 液壓絞車的一種恒張力設計［J］. 機床與液壓，2013（10）：110-111.

［5］ 鄢華林，宋林. 恒張力絞車的應用研究［J］. 液壓與氣動，2011（7）：80-82.