石化碼頭系泊浮筒式防撞設(shè)施整體模型試驗(yàn)

王 鑫，張寧川

大連理工大學(xué)海岸及近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116024

石化碼頭系泊浮筒式防撞設(shè)施整體模型試驗(yàn)

王 鑫，張寧川

大連理工大學(xué)海岸及近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116024

物理模型試驗(yàn)是預(yù)測(cè)碼頭引橋、橋梁等防撞設(shè)施受力情況和防撞效果的主要手段之一。文章結(jié)合廈門港古雷作業(yè)區(qū)南2 號(hào)液體化工碼頭工程的防撞設(shè)施，介紹了系泊浮筒式防撞設(shè)施整體模型的試驗(yàn)方法及試驗(yàn)結(jié)果，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出了系泊浮筒式防撞設(shè)施設(shè)計(jì)改進(jìn)建議，研究結(jié)果對(duì)類似防撞設(shè)施建設(shè)具有參考意義。

碼頭；系泊浮筒；防撞；模型；試驗(yàn)

1 概述

為了滿足大型油輪?？恳?，我國(guó)沿海地區(qū)建設(shè)的石油化工碼頭常采用離岸式布置，離岸碼頭通過(guò)引橋與陸地相連[1]，引橋上設(shè)有管廊帶，布置各種輸送石油化工產(chǎn)品的管道。為防止意外情況下船舶直接撞擊到離岸式碼頭引橋支墩上，造成重大財(cái)產(chǎn)損失和海洋環(huán)境污染，在被保護(hù)引橋外圍一定距離設(shè)置防撞設(shè)施是行之有效的方法[2]。

外圍防撞設(shè)施有多種型式，按大類型劃分通?？煞譃閯傂苑雷苍O(shè)施和柔性防撞設(shè)施，剛性防撞設(shè)施有防護(hù)樁、防護(hù)墩等型式，柔性防撞設(shè)施有系泊浮筒、防撞浮箱等型式。一旦船舶失控，首先撞擊到設(shè)置的防撞設(shè)施上，因而可避免船舶直接撞擊到被保護(hù)構(gòu)筑物上，或者能夠緩解船舶的撞擊力，從而達(dá)到保護(hù)構(gòu)筑物的目的。

廈門港古雷作業(yè)區(qū)南 2 號(hào)液體化工碼頭位于廈門東山灣東側(cè)古雷經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)。該碼頭所在海域水深、流急、浪高，工程地質(zhì)復(fù)雜[3]。結(jié)合碼頭功能要求和所處位置環(huán)境條件，2號(hào)碼頭采用離岸圓沉箱墩式結(jié)構(gòu)，碼頭平臺(tái)總長(zhǎng) 480 m，通過(guò)長(zhǎng) 583 m 的鋼引橋與陸上罐區(qū)相連，為防止鋼引橋受到船舶的意外撞擊，在引橋港池側(cè)外圍設(shè)有系泊浮筒式防撞設(shè)施，總體布置見(jiàn)圖1。

這種系泊浮筒式柔性防撞設(shè)施利用系統(tǒng)變形和系泊纜的張力所做的功來(lái)抵消撞擊船舶的動(dòng)能，與之前常用的剛性防撞系統(tǒng)作用機(jī)理相差較大[4]。本文通過(guò)水池模擬試驗(yàn)，模擬該系泊浮筒式防撞系統(tǒng)的防護(hù)效果及系泊張力，對(duì)防撞設(shè)施設(shè)計(jì)提出了改進(jìn)建議，研究結(jié)果對(duì)類似防撞設(shè)施建設(shè)具有參考意義。

圖1 碼頭位置示意

2 防撞設(shè)施總體布置

廈門港古雷作業(yè)區(qū)南 2 號(hào)液體化工碼頭引橋防撞設(shè)施沿引橋方向布置在引橋的港池側(cè)，防撞設(shè)施長(zhǎng) 478 m，由浮筒、系泊錨及系泊鏈組成，見(jiàn)圖2。浮筒共 21 個(gè)，每個(gè)浮筒長(zhǎng) 18.0 m，直徑 2.0 m，浮筒外包裹厚 1.0 m的泡沫材料以增大浮力，吸收船舶的撞擊能量。浮筒之間相距 5.0 m，采用錨鏈相連。每個(gè)浮筒采用 4 根錨鏈系泊于海底，防撞設(shè)施兩端也設(shè)有系泊錨鏈。

圖2 防撞設(shè)施示意

3 模型試驗(yàn)方案

3.1 試驗(yàn)工況

根據(jù)浮式防撞設(shè)施的功能要求，需要測(cè)定包括以下工況時(shí)防撞設(shè)施的運(yùn)動(dòng)形態(tài)及系泊錨鏈的張力：

（1）極端高、低水位和設(shè)計(jì)高、低水位，重現(xiàn)期 50年波浪作用。

（2）設(shè)計(jì)高、低水位，5 000 DWT 化學(xué)品船滿載下，以不同的法向速度撞擊防撞設(shè)施。

（3）設(shè)計(jì)高、低水位，5 000 DWT 化學(xué)品船滿載下，在逃逸波浪和海流 (V= 1.2 m/s）作用下，自由漂泊撞擊防撞設(shè)施。

3.2 試驗(yàn)船型

參照J(rèn)TJ 211-1-99《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]，試驗(yàn)?zāi)M船型主尺寸為：船體長(zhǎng) 110 m，型寬 20.0 m，型深 9.9 m，吃水 5.9 m。

3.3 模型相似

本試驗(yàn)按照重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行模擬，模擬比尺 1 :40。飄浮船體及浮筒系泊系統(tǒng)在波浪、水流共同作用下，主要受波流力、系纜力作用，其中波浪力和水流力應(yīng)按重力相似進(jìn)行模擬，系纜力受外力和慣性力的影響外，還受本身彈性特性的影響，因此在纜繩模擬時(shí)需要考慮彈性相似[6]。

3.3.1 飄浮船體及浮筒

按重力相似需要滿足以下條件：

（1）幾何相似：模型船、模型浮筒與原型船、原型浮筒保持線性尺度相似，模型制作完全以原型線形圖按模型比例縮小。

（2）重力相似：在滿足幾何相似的模型中，采用配重方法，在適當(dāng)位置放置適當(dāng)?shù)闹匚?，使其符合不同載量時(shí)的重量要求。

（3）動(dòng)力相似：重心、橫搖及縱搖周期應(yīng)符合相似條件。

3.3.2 錨泊纜繩

纜繩相似需要滿足以下條件：

（1）幾何相似：原、模型上的帶纜點(diǎn)和錨泊點(diǎn)之間的距離相似。

（2）重力相似：原、模型纜繩單位長(zhǎng)度重量滿足重力相似要求。

（3）彈性相似：原、模型纜繩的受力—變形曲線滿足相似條件，模型纜繩的受力—變形關(guān)系可用 Wilson公式計(jì)算[7]。

3.4 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在大連理工大學(xué)海岸及近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室波流水池中進(jìn)行，該水池長(zhǎng) 50 m，寬 24 m，深 1.2 m。波浪測(cè)量采用北京水科院研制生產(chǎn)的 DS30 型波浪測(cè)量系統(tǒng),流速測(cè)量采用美國(guó) Sontek 公司生產(chǎn)的 ADV 超聲波三維流速儀,纜力測(cè)量采用北京水科院研制生產(chǎn)的船舶模型試驗(yàn)測(cè)量 DJ800 系統(tǒng)中的纜力拉力計(jì)，浮筒六運(yùn)動(dòng)分量測(cè)量采用南京水科院生產(chǎn)的 FL_08B 型微型重量接觸超聲波運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。

3.5 測(cè)試方法

原始波要素和流速測(cè)量是在模型放置之前的純天然地形上進(jìn)行的，在預(yù)定的浮筒設(shè)定位置處放置波高儀和流速儀，采用三次重復(fù)的平均值做為最終結(jié)果。對(duì)于纜繩，模擬使其受力/變形曲線與原型一致，試驗(yàn)時(shí)將在每根纜繩上施加 100 kN 預(yù)拉力，同步測(cè)量各纜繩上的拉力，取多組重復(fù)試驗(yàn)最大纜繩拉力的平均值為最終結(jié)果。對(duì)于浮筒運(yùn)動(dòng)量，采用六分量同步測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，以一個(gè)完整的不規(guī)則波系列（約 120 ～ 130 個(gè)波浪）中的最大值為該波列的運(yùn)動(dòng)量值，取多組重復(fù)試驗(yàn)的平均值為最終結(jié)果。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 波浪 + 水流共同作用于浮筒

4.1.1 波浪 + 水流作用時(shí)浮筒運(yùn)動(dòng)量

50 年重現(xiàn)期波浪 + 1.2 m/s 水流作用時(shí)浮筒運(yùn)動(dòng)量試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 波浪 + 水流作用下，中間浮筒橫向運(yùn)動(dòng)分量

從表1可看出，即使在 50 年重現(xiàn)期波浪 + 1.2 m/s水流共同作用下，浮筒最大位移也只有 4.5 m 左右，對(duì)柔性浮筒體系整體而言，其運(yùn)動(dòng)量不算大，表明系泊方案對(duì)浮筒的約束良好。

4.1.2 波浪 + 水流作用時(shí)系泊張力

50 年波浪 + 1.2 m/s 水流作用時(shí)浮筒系泊張力試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 50 年波浪 + 1.2 m/s 水流作用時(shí)浮筒系泊張力

從表2可看出浮筒系泊端錨纜最大張力為 691.6 kN，浮筒間最大拉力為500.3kN，中間纜繩最大張力為624.9 kN，應(yīng)根據(jù)測(cè)定的張力值設(shè)計(jì)系泊蛙錨重量。

4.2 船舶以一定速度正向撞擊浮筒

試驗(yàn)時(shí)采用變頻拖車與船舶用牽引繩連接，保持船舶以一定的速度正向撞擊系泊浮筒。分別測(cè)試了不同撞擊速度時(shí)浮筒的運(yùn)動(dòng)量及系泊張力。

4.2.1 船舶以不同速度正向沖擊浮筒時(shí)浮筒運(yùn)動(dòng)量

分別測(cè)試了 5 000 DWT 船舶以不同的速度正向撞擊浮筒鏈中間位置時(shí)中間浮筒的橫向位移量。試驗(yàn)結(jié)果表明，船舶撞擊浮筒中間位置時(shí)浮筒橫向位移量最大，見(jiàn)表3。

表3 不同速度撞擊浮筒中間部位時(shí)浮筒橫移量

4.2.2 船舶以不同速度正向撞擊浮筒時(shí)系泊張力

同樣，分別測(cè)試了 5 000 DWT 船舶以不同的速度正向撞擊浮筒不同位置時(shí)系泊張力，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4和表5。

表4 不同速度撞擊兩浮筒中間部位時(shí)系泊張力

表5 不同速度撞擊兩浮筒之間部位時(shí)系泊張力

綜合不同撞擊部位的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，船舶滿載條件下以不同速度正向作用于浮筒系統(tǒng)時(shí)，最大約束拉力出現(xiàn)在浮筒之間的連接纜繩上。當(dāng)船舶滿載條件下以0.58 m/s 左右的速度正向作用于浮筒系統(tǒng)時(shí)，浮筒之間的連接纜繩上最大纜繩拉力平均水平可達(dá) 900 kN，該量值可能導(dǎo)致浮筒之間的連接纜繩斷纜，為確保安全，船舶航速以不大于 0.4 m/s為宜。

4.3 船舶以自由姿態(tài)撞擊浮筒

分析可知，波浪 + 水流 + 風(fēng) 為最不利工況，此工況下船舶有無(wú)數(shù)種自由姿態(tài)。試驗(yàn)時(shí)根據(jù)工程實(shí)際需要，設(shè)定不同的船舶初始位置，在波、流、風(fēng)聯(lián)合作用下使船舶撞擊浮筒。試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4 種不同的最初撞擊姿態(tài)，分別為：姿態(tài)一：船艏先撞擊浮筒體系中心；姿態(tài)二：船艉先撞擊浮筒體系中心；姿態(tài)三：船艏先以一定角度撞擊浮筒體系中心；姿態(tài)四：船側(cè)撞擊浮筒體系邊緣。對(duì)于 5 000 DWT 船舶滿載時(shí)，在逃逸波高、流速為 1.2 m/s、風(fēng)速 20、25、30 m/s 工況下，4 種不同起始撞擊姿態(tài)對(duì)應(yīng)的系泊張力最大值見(jiàn)表6。

表6 不同起始撞擊姿態(tài)、不同風(fēng)速時(shí)浮筒系泊張力

從表6可以看出，船舶自由姿態(tài)撞擊浮筒體系時(shí)，風(fēng)和流起到主要作用，逃逸波高以內(nèi)的波浪對(duì)船舶自由姿態(tài)撞擊浮筒體系時(shí)纜繩張力的貢獻(xiàn)不大。

5 結(jié)論及建議

通過(guò)模擬試驗(yàn)結(jié)果可以看出，廈門港古雷作業(yè)區(qū)南 2號(hào)液體化工碼頭引橋防撞設(shè)施采用系泊浮筒式柔性防撞型式，在浮筒系泊穩(wěn)定的條件下，可以阻止 5 000 DWT級(jí)船舶通過(guò)該水域，能夠起到較好的防護(hù)作用?；谠摲雷蚕到y(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果，在具體實(shí)施時(shí)建議：

（1）5 000 DWT 級(jí)船舶在浮筒防撞設(shè)施附近行駛時(shí)航速應(yīng)不大于 0.4 m/s。

（2）風(fēng)速對(duì)系泊張力影響較大，需要重視風(fēng)的作用，建議 5 000 DWT級(jí)船舶的逃逸風(fēng)速定為 20 m/s。

（3）錨纜長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)水深調(diào)整，保證浮筒體系兩端蛙錨能抵抗 800 kN 張力，迎浪側(cè)蛙錨能抵抗 600 kN 張力。

（4）相對(duì)剛性防撞設(shè)施，系泊浮筒式柔性防撞設(shè)施防護(hù)范圍大，對(duì)于類似石化碼頭引橋防護(hù)設(shè)計(jì)是較為適用的防撞方案。

[1]何小林,馬輝.液體化工品碼頭平面布置 [J].水運(yùn)工程,2008,（10）:120-123.

[2]高家鏞,張甫杰,馬雪泉.橋梁防撞設(shè)施模型試驗(yàn) [J].上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報(bào),2011,3（1）:1-7.

[3]向軍,陳磊.漳州港古雷港區(qū)南2#液體化工碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) [J].中國(guó)水運(yùn),2012,12（6）:29-30.

[4]陳徐均,黃光遠(yuǎn),吳廣懷，等.柔性浮式系統(tǒng)受撞后運(yùn)動(dòng)的算法及其收斂性[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2011,（5）：501-506.

[5]JTJ 211-1-99,海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].

[6]張日向,劉忠波,張寧川.系泊船在風(fēng)浪流作用下系纜力和撞擊力的試驗(yàn)研究 [J].中國(guó)海洋平臺(tái),2003,18（1）：28-32.

[7]馬小劍,孫昭晨,張志明 .風(fēng)流作用下碼頭系泊船舶纜繩張力及運(yùn)動(dòng)量研究 [J].水道港口,2010,31（3）:164-169.

2013年原油進(jìn)口突破2.8億t

2013年我國(guó)累計(jì)生產(chǎn)原油20 812.9萬(wàn)t，與前年相比基本持穩(wěn)；原油進(jìn)口量28195萬(wàn)t，同比增長(zhǎng)4.03%。2013年我國(guó)煤炭、石油和天然氣三大傳統(tǒng)能源對(duì)外依存度呈現(xiàn)出普遍上漲格局，其中，煤炭進(jìn)口依存度上漲至8.13%，天然氣對(duì)外依存度上漲至30.5%，原油對(duì)外依存度達(dá)到57.39%，距離61%“紅線”已經(jīng)非常接近。

（本刊摘錄）

Integral Model Test of Mooring Buoy Type Anti-collision Facilities of Petrochemical Wharf

Wang Xin,Zhang Ningchuan
Dalian University Of Technology,Dalian 116024,China

Model experiment is one of the main means for predicting loads and anti-collision effects on anti-collision facilities at wharf approach bridges and other bridges.Associated with the anti-collision facilities of Xiamen Gulei No.2 liquid chemical wharf project,this paper introduces the integral model test methods and test results of the mooring buoy type anti-collision facilities.Based on the test results,some improvement suggestions are put forward.The test results provide significant reference for the constructions of similar anti-collision facilities.

wharf;mooring buoy;anti-collision;model;experiment

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.01.003

王 鑫（1986－），男，山東東營(yíng)人，大連理工大學(xué)碩士研究生，現(xiàn)從事石油化工碼頭的防撞研究工作。

2013-07-23