系泊新要求對(duì)不同船型的影響研究

翟帥帥，夏玉濤

(上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203)

0 引言

系泊對(duì)于船舶的運(yùn)營(yíng)有著舉足輕重的作用。為了能更好地預(yù)報(bào)船舶系泊過(guò)程中系泊纜的受力，很多學(xué)者做了大量研究。楊勇[1]分析了碼頭附近水域的水流特點(diǎn)并結(jié)合工作實(shí)踐,給出了船舶系泊期間的纜繩調(diào)整方法。忻永恩[2]就防止船舶在泊斷纜及適卸的問(wèn)題進(jìn)行了探討。然而，船舶系泊過(guò)程中發(fā)生纜繩斷裂的事故仍然屢見(jiàn)不鮮。針對(duì)這情況，國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)(lACS)在2017年3月推出的共同要求A2章節(jié)(UR A2)“一般船舶拖帶和系泊下的屬具及結(jié)構(gòu)加強(qiáng) (Shipboard fittings and supporting hull strctures associated with towing and mooring on conventional ships)”和 推薦10(REC10)“錨泊、系泊和拖帶設(shè)備(recommendation No.10Anchoring, Mooring and Towing Equipment)”中，系泊部分做了重大修改,摒棄了以舾裝數(shù)為基準(zhǔn)的選取原則，代之以側(cè)投影面積為自變量的回歸公式。正如石油公司國(guó)際海事論壇(OCIMF)在《系泊設(shè)備指南》中指出的，船級(jí)社的規(guī)定是建立在IACS舾裝數(shù)基礎(chǔ)上的，這對(duì)考慮錨設(shè)備是個(gè)良好的基礎(chǔ)，但它不能充分反映作用于所約束船舶的橫向載荷。而對(duì)250 000載重噸大型油輪(VLCC)的研究表明，在同一風(fēng)速下船舶所受最大橫向風(fēng)力約為縱向風(fēng)力的5倍。由于橫向風(fēng)力是系泊系統(tǒng)主要輸入載荷，因此，基于側(cè)受風(fēng)面積的纜繩選取標(biāo)準(zhǔn)更加符合實(shí)際情況。根據(jù)IACS提供的技術(shù)背景文件可看出，本次修正正是基于多型船舶的數(shù)值模擬結(jié)果，最終形成了以側(cè)投影面積為自變量的纜繩數(shù)量和纜繩強(qiáng)度的回歸公式。

本次修改對(duì)大型船舶尤其是側(cè)投影面積較大的船舶影響很大。為此，本文將探討系泊新要求與舊的選取標(biāo)準(zhǔn)之間的差異，梳理各大主流船級(jí)社在最新規(guī)范中的適用情況，然后分析不同船型在新舊不同要求下纜繩數(shù)量和纜繩破斷力的不同，從而使設(shè)計(jì)者更直觀了解新要求對(duì)系泊布置的影響。

1 基于舾裝數(shù)EN的系泊選取原則

在系泊新要求UR A2發(fā)布之前，系泊纜繩選取是基于舾裝數(shù)EN，即

EN=Δ2/3+2.0BH+0.1A

式中：Δ為夏季載重水線(xiàn)下的船舶型排水量，t；B為型寬，m；H為有效高度，m；A為計(jì)算錨的側(cè)投影面積,m2。

以計(jì)算出的舾裝數(shù)EN為基準(zhǔn)，通過(guò)查詢(xún)表格即可得到需要的纜繩數(shù)量以及纜繩破斷力。

從舾裝數(shù)計(jì)算公式可以看出，沿船長(zhǎng)方向的水流作用以及正投影受風(fēng)面積所受風(fēng)力占據(jù)更大權(quán)重，而反映系泊狀態(tài)纜繩抵御側(cè)面風(fēng)力的側(cè)投影面積占比較小。

2 舾裝數(shù)EN>2 000的系泊新要求

在最新的UR A2中，首纜、橫纜和尾纜的數(shù)量和強(qiáng)度將取決于側(cè)投影面積，在計(jì)算系泊側(cè)投影面積A1時(shí)需考慮以下因素：

(1)油船、化學(xué)品船、散貨船和礦砂船采用最輕載吃水；其他船型，如果一般裝載工況下最輕載吃水和滿(mǎn)載吃水下的干舷之比≥2，則采用一般裝載工況下的最輕載吃水。

(2)若船舶不停靠在突堤式碼頭，在計(jì)算側(cè)投影面積時(shí)可不計(jì)入水線(xiàn)上方3 m高度的面積。

(3)計(jì)算具有甲板貨的船舶時(shí)，取滿(mǎn)載帶甲板貨側(cè)投影面積和最輕載不帶甲板貨側(cè)投影面積兩者中的較大者。

對(duì)不同船型，風(fēng)速Vw做以下假定：

(1)對(duì)于2 000 m2

(2)對(duì)于A1>4 000 m2的客船、渡輪和汽車(chē)滾裝船，Vw=21.0 m/s。

(3)其他船型，Vw=25.0 m/s。

雖然目前的假定條件可適用大部分港口航線(xiàn)，然而對(duì)于設(shè)計(jì)者和船東來(lái)說(shuō)，還需要特別關(guān)注具體船舶的這些因素：所處港口水文環(huán)境；是否會(huì)遭遇更強(qiáng)烈的風(fēng)、更大的流；是否會(huì)有風(fēng)與橫向流的疊加；是否會(huì)有浪的影響；系泊布置是否合理。這些因素都將影響船舶纜繩實(shí)際所受載荷，從而增加纜繩破斷風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 纜繩最小破斷力

纜繩最小破斷力MBL按下式計(jì)算：

MBL=0.1A1+350

式中：MBL*為實(shí)際所選纜繩能夠承受的最大破斷力，kN。

如果外界風(fēng)力大于前述假設(shè)風(fēng)力，纜繩破斷力需要按照實(shí)際風(fēng)速進(jìn)行換算：

2.2 纜繩數(shù)量

首纜、尾纜和橫纜總數(shù)量n按下式計(jì)算：

(1)油船、化學(xué)品船、散貨船和礦砂船：n=8.3×10-4A1+4。

(2)其他船型：n=8.3×10-4A1+6。

如果纜繩數(shù)量增加到n*，則纜繩破斷力調(diào)整為MBL*=1.2MBL·n/n*≤MBL；如果纜繩數(shù)量減少到n*，則纜繩破斷力調(diào)整為MBL*=MBL·n/n*。倒纜的總數(shù)量n1：

n1=2EN<5 000；n1=4EN≥5 000。

2.3 纜繩長(zhǎng)度

對(duì)于EN>2 000的船舶，纜繩長(zhǎng)度為200 m。每根纜繩的長(zhǎng)度允許最多7%的長(zhǎng)度誤差，但是所有纜繩的總長(zhǎng)度不能小于要求之值。

3 技術(shù)背景

IACS按照舾裝數(shù)EN大小將船舶纜繩數(shù)量和強(qiáng)度的確定方法分為2類(lèi)：EN≤2 000的船舶纜繩數(shù)量和最小破斷力的確定方式保持不變，而在結(jié)構(gòu)加強(qiáng)上由原來(lái)的1.25倍安全系數(shù)降為1.15倍，降低了對(duì)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的要求；EN>2 000的船舶纜繩數(shù)量和纜繩破斷力的回歸公式是通過(guò)對(duì)不同船型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算后確定。船型數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 船型數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

計(jì)算過(guò)程假定：

(1)典型天氣情況下,風(fēng)速25 m/s，持續(xù)時(shí)間30 s，方向間隔10°。

(2)無(wú)實(shí)心防波堤，流速沿船首船尾1.5 m/s，偏離船首船尾10°時(shí)1.0 m/s；有實(shí)心防波堤，只考慮朝防波堤的流向。

該假定考慮了船舶遇到的大多數(shù)情況，但是，如果船舶所停靠港口環(huán)境比較惡劣，則需要特殊評(píng)估系泊系統(tǒng)所承受的風(fēng)險(xiǎn)。計(jì)算過(guò)程中，僅針對(duì)油船考慮了非實(shí)體防波堤的情況，其他船型默認(rèn)有防波堤。對(duì)于油船和散貨船，滿(mǎn)載和空載情況下吃水變化較大，因此2種吃水情況都將考慮，其他船型則僅考慮設(shè)計(jì)吃水。另外，集裝箱船甲板貨的側(cè)投影面積在計(jì)算中將計(jì)入。

阻力系數(shù)的確定：油船采用OCIMF已發(fā)表數(shù)據(jù)，其他船型通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力仿真確定。在此基礎(chǔ)上，考慮纜繩幾何非線(xiàn)性和材料非線(xiàn)性影響，通過(guò)不斷迭代直至系統(tǒng)達(dá)到準(zhǔn)靜態(tài)平衡。纜繩以建議REC 10第2版修訂所給出的數(shù)量為起始數(shù)量(記為N1)，分析船舶實(shí)際可行的帶纜情況，計(jì)算每一種分布下纜繩最大載荷(記為l1,l2,l3,···)，以此便可確定出該纜繩數(shù)量N1下的纜繩最大載荷L1[L1=max(l1,l2,l3,···)]，然后增加纜繩數(shù)量到N2，重復(fù)上述步驟，于是得到纜繩數(shù)量與纜繩最大載荷之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

計(jì)算結(jié)果表明：纜繩強(qiáng)度基于側(cè)投影面積的線(xiàn)型回歸方程，其標(biāo)準(zhǔn)差比基于舾裝數(shù)EN的方程要更小，因此，在此次改動(dòng)中將側(cè)投影面積作為纜繩強(qiáng)度的決定參數(shù)，從而建立以側(cè)投影面積為自變量的纜繩數(shù)量和纜繩強(qiáng)度線(xiàn)型回歸方程。對(duì)于主要抵抗縱向流力的倒纜依然由舾裝數(shù)EN決定。

4 各船級(jí)社對(duì)于UR A2的實(shí)施情況

國(guó)際主要船級(jí)社2019年規(guī)范更新總結(jié)內(nèi)容見(jiàn)表2。

表2 國(guó)際主要船級(jí)社2019年規(guī)范更新總結(jié)

注： “Y”表示適用，“N”表示不適用，“-”表示無(wú)要求。

從上表看出，各大船級(jí)社基本沿用了IACS里的描述，有些細(xì)微修改。同時(shí)，還可以看出，系泊纜繩的確定不再不分船型，只看舾裝數(shù)來(lái)確定了，而是根據(jù)不同船型的特點(diǎn)給予不同考量因素。規(guī)范更多的是給出指導(dǎo)，讓設(shè)計(jì)者根據(jù)具體船型及船舶營(yíng)運(yùn)環(huán)境確定系泊纜，有利于提高船舶系泊安全性。

5 實(shí)例分析

如上所述，IACS分船型給予了不同的回歸公式。為了更直觀比較不同船型在新舊要求下的變化，下面將對(duì)82 000 t散貨船、114 000 t原油船、308 000 t大型油船、325 000 t大型礦砂船、2 400 TEU集裝箱船、2 500 TEU集裝箱船、“生生3號(hào)”客滾船進(jìn)行比較研究，結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3可以看出：對(duì)于油船、散貨船、礦砂船，側(cè)投影面積相比之前有明顯增大，約為原計(jì)算面積的2倍，側(cè)投影面積增大主要是因?yàn)樾乱蟮某运捎幂p載吃水計(jì)算；纜繩數(shù)量有所增加，約為原數(shù)量的1.3倍，纜繩強(qiáng)度在10萬(wàn)噸級(jí)及以下增加不多，而到30萬(wàn)噸級(jí)時(shí)破斷力約為原來(lái)的1.4倍，這也從側(cè)面反映出橫向受風(fēng)載荷是系泊的決定性因素。

對(duì)于支線(xiàn)型集裝箱船，側(cè)投影面積變化較小，原因是在計(jì)算側(cè)投影面積時(shí)通常都是滿(mǎn)載帶貨的工況面積最大，所以新舊要求在計(jì)算側(cè)投影面積這一項(xiàng)中沒(méi)有區(qū)別，但是對(duì)于集裝箱船纜繩數(shù)量有明顯提高，約為原數(shù)量的1.5倍，而纜繩強(qiáng)度變化不大，約為原來(lái)的1.2倍。纜繩破斷力的增大對(duì)于設(shè)備選型有所影響，會(huì)導(dǎo)致絞車(chē)尺寸變大，從而影響系泊布置；而纜繩數(shù)量的變多直接影響系泊布置，尤其對(duì)于甲板空間緊張的集裝箱船，系泊布置空間更需要在前期充分考慮。

對(duì)于客滾船，纜繩數(shù)量約為原來(lái)的1.3倍，而纜繩破斷力增大為原來(lái)的1.5倍。比較客滾船和兩型集裝箱船可看出，兩者側(cè)投影面積差不多，而客滾船的舾裝數(shù)明顯較小，這就導(dǎo)致按照原要求選取纜繩時(shí)，纜繩破斷力較小。而因?yàn)樵笾薪ㄗh側(cè)投影面積與舾裝數(shù)之比大于1.2時(shí)，纜繩數(shù)量增加3條，所以在纜繩數(shù)量上新要求并未較舊要求增大很多。

表3 新舊規(guī)范實(shí)船計(jì)算對(duì)比

6 結(jié)論

本文針對(duì)此次UR A2的修訂，深入分析了其背后修訂的原理，同時(shí)借助不同船型的比較研究可得出如下結(jié)論：

(1)側(cè)投影面積成為系泊纜繩和破斷力的決定因素，這也符合船舶系泊過(guò)程中系泊纜主要抵抗橫向受力的實(shí)際情況。

(2)實(shí)船計(jì)算結(jié)果表明，新要求對(duì)系泊纜繩和纜繩破斷力提出了更高要求，不同船型影響不同。

(3)針對(duì)不同船型的計(jì)算結(jié)果表明：10萬(wàn)噸級(jí)及以下散貨船、油船、礦砂船在新舊要求下變化不大，而30萬(wàn)噸級(jí)側(cè)投影面積顯著增大的船舶有較大影響；對(duì)于支線(xiàn)型箱船，纜繩數(shù)量影響顯著，而纜繩破斷力影響較小。然而數(shù)量的增加卻對(duì)系泊的布置造成相當(dāng)不利的影響；對(duì)于客滾船，纜繩破斷力影響較大，而纜繩數(shù)量的影響相對(duì)較小。