工程船定位移船系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

胡斌

摘 要：本文通過搜集國(guó)內(nèi)外關(guān)于工程船定位移船的相關(guān)資料，對(duì)現(xiàn)有工程船的定位移船系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行探討，并以起重船為計(jì)算實(shí)例進(jìn)行分析，以期為其它工程船的定位移船系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：工程船；風(fēng)阻力；流阻力；工作錨；移船絞車

中圖分類號(hào)：U674.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言

工程船主要用于水上施工作業(yè)，其作業(yè)時(shí)需在一定水域內(nèi)拋錨定位，通過操縱錨泊設(shè)備來實(shí)現(xiàn)船舶的精確定位，而且定位一般需拖船或拋錨艇協(xié)助。施工時(shí)，同一作業(yè)水域可能有幾艘船舶同時(shí)施工，另外還有已安裝或未安裝的工程構(gòu)件，周圍環(huán)境復(fù)雜，如果出現(xiàn)船舶走錨或錨鏈破斷，不僅影響工程工期、質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)還將造成船舶損壞、碰撞等事故。因此，定位移船系統(tǒng)在工程船設(shè)計(jì)和施工中尤其重要，而系泊船舶在風(fēng)浪流綜合作用下的系泊力計(jì)算是定位移船系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。

2 設(shè)計(jì)方法分析

目前，船舶設(shè)計(jì)者一般都是按照舾裝數(shù)來確定錨及系泊設(shè)備。然而，許多工程船并不是簡(jiǎn)單地在錨地拋錨，而必須在規(guī)定的工地、規(guī)定的海況下進(jìn)行拋錨定位作業(yè)。因此，對(duì)于該類型的工程船，采用抓持力法來確定錨泊系統(tǒng)為好。所謂抓持力法，就是根據(jù)錨及錨索鏈在海底所提供的抓持力與作用在船舶上的環(huán)境載荷平衡條件，來確定錨及錨索鏈尺寸。這樣，準(zhǔn)確的計(jì)算作用在船舶的環(huán)境載荷就顯得十分重要。另外，確定環(huán)境載荷之后也可以更經(jīng)濟(jì)的配備移船絞車、工作錨以及系泊鋼絲繩。

計(jì)算作用在船舶上的環(huán)境載荷的方法，主要有靜態(tài)經(jīng)驗(yàn)公式估算和動(dòng)態(tài)時(shí)域模擬仿真兩種。其中，靜態(tài)計(jì)算的方法簡(jiǎn)單，可用的經(jīng)驗(yàn)公式也很多，但不同的公式適用范圍不同，精度有限；動(dòng)態(tài)分析的方法使用水動(dòng)力計(jì)算軟件如AQWA、ARAINE等進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，精度較高但成本也高。實(shí)際設(shè)計(jì)中，由于普通工程船的作業(yè)環(huán)境（港口或遮蔽水域作業(yè)，一般波高不超過0.5 m）都比較溫和，波浪動(dòng)態(tài)影響較小，故用靜態(tài)計(jì)算的方法能滿足工程要求。本文通過檢索國(guó)內(nèi)外已有的系泊力靜態(tài)計(jì)算公式，對(duì)其進(jìn)行比較分析，以期得出工程船定位移船系泊力的合理計(jì)算方法，為工程船定位移船系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

3 系泊力計(jì)算

3.1 《海船系泊設(shè)備配置設(shè)計(jì)通則》（CB/T 3911-1999）

《海船系泊設(shè)備配置設(shè)計(jì)通則》主要用于海洋船舶系泊屬具的選型，附錄中給出了作用在大型船舶上外力的計(jì)算方法，計(jì)算公式如下：

（1）風(fēng)壓阻力

Ra = KaVa2Aa kN （1）

式中：Ka = 0. 000 720 8 （橫方向）， 0.0004207 （縱方向 ） ；

Va ——相對(duì)風(fēng)速，m/s；

Aa——水線以上受風(fēng)部位的投影面積，不計(jì)梁拱、舷弧和縱傾，m2。

（2）水流阻力

Rw=1.188 6×0.001×Aw（（Vw+Vs）2+0.33（Vw+Vs）） kN （2）

式中： A w——設(shè)計(jì)船舶的浸水面積，m2；

Vw——水流速度，m/s；

Vs——移船速度m/s。

（3）形狀阻力

Rv=0.717 8As（Vw+Vs）2 kN （3）

式中：As——水線以下側(cè)向投影面積，m2。

（4）推進(jìn)器阻力

Rp=0.25 89D2（Vw+Vs）2 kN （4）

式中： D——螺旋槳直徑，m。

（5）總阻力

R=[（Ra+Rv）2+（Rw+Rp）2]0.5 kN （5）

3.2 《港口工程荷載規(guī)范》JTJ 215—1999

《港口工程荷載規(guī)范》主要用于港口工程設(shè)計(jì)，規(guī)范中給出了船舶所受環(huán)境力的計(jì)算方法，計(jì)算公式如下：

系泊船舶所受環(huán)境力：F=FW+Fc （6）

FW=49.0×10-5AV2wξ （7）

FC=Cρ/2VC2S （8）

式中：Fw、Fc——風(fēng)力、水流力引起的船舶系泊力（kN）；

A ——水面以上船體縱向受風(fēng)面積（m2），與船型和裝載情況有關(guān)；

Vw、Vc ——風(fēng)速、水流速度（m/s）；

ξ ——風(fēng)壓不均勻折減系數(shù)，與船舶水面以上最大輪廓尺寸有關(guān)，取ξ=0.6～1.0；

C ——水流力系數(shù)，與雷諾數(shù)、船舶方形系數(shù)、吃水等因素有關(guān)；

S ——船舶水面以下的表面積（m2）。

3.3 《內(nèi)河工程船舶工作錨質(zhì)量計(jì)算指南》（2005）

該指南主要用于滿足《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶入級(jí)與建造規(guī)范》規(guī)定的絞吸挖泥船、斗輪式挖泥船、鏈斗挖泥船、抓斗挖泥船、起重船和打樁船工作錨質(zhì)量計(jì)算，其計(jì)算公式如下：

（1）對(duì)起重船和打樁船系泊系統(tǒng)的總環(huán)境力：

F=R1+R2 （9）

R1=705V2Am （10）

R2=1.2qA （11）

（2）首邊錨質(zhì)量

應(yīng)不小于M=0.103（R1+R2）/K （12）

式中：R1——水流力（kN）；

R2——風(fēng)阻力（kN）；

K——選用錨的錨抓力系數(shù)；

V——水流速度（包括絞纜速度）m/s，取2.15 m/s或按設(shè)計(jì)要求確定；

Am=B·d，其中B為船寬（m），d為吃水（m）。

q——風(fēng)壓，一般取170 N/m2，

A——水線以上船舶側(cè)投影面積，取實(shí)際的0.6倍，m/s。

3.4 日本《工程船舶設(shè)計(jì)基準(zhǔn)》

日本的《工程船舶設(shè)計(jì)基準(zhǔn)》中對(duì)工程船的移船絞車和工作錨有明確規(guī)定，起重船移船絞車的拉力按船舶中心線30°方向受到風(fēng)和潮流的作用，其計(jì)算公式如下：

（1）移船絞車的總拉力

T=Qa+Qw （13）

Qa=C·q·Aa·Ka （14）

Qw= ρ·V2·1.2Aw·Cw （15）

（2）工作錨質(zhì)量

應(yīng)不小于M=T/（0.87K） （16）

式中：Qa——風(fēng)力（kN）；

Qw——風(fēng)阻力（kN）；

C——風(fēng)力系數(shù)，平面取1.2；

q——風(fēng)壓， ；

v ——為風(fēng)速（m/s）；

h——受風(fēng)面距水線的高度，小于15 m者取15 m；

Aa——水線以上船體正投影面積，m2；

Ka——風(fēng)向影響系數(shù)，取1.2；

ρ——海水密度，g/cm3 ；

V——絞纜速度+潮流速度，潮流速度一般取1. 56 m/s ；

Aw——水線以下正投影面積，m2；

Cw——阻尼系數(shù)，取1.4。

3.5 石油公司國(guó)際海事論壇（OCIMF）《超大型油船的風(fēng)載和流載計(jì)算方法》

石油公司國(guó)際海事論壇組織通過一系列大型油船的模型試驗(yàn)，提出了大型船舶的環(huán)境載荷計(jì)算公式，在船舶系泊設(shè)備設(shè)計(jì)、碼頭設(shè)施配置等方面得到了廣泛的應(yīng)用。 其計(jì)算公式如下：

（1）風(fēng)載荷：Fxw=1/2Cxwρwνw2AT kN （17）

式中：Cxw——風(fēng)力系數(shù)，按推薦圖譜選??；

ρw ——空氣密度（g/cm3）；

νw——風(fēng)速（m/s）；

AT——受風(fēng)面積（m2）。

（2）流載荷：Fxc=1/2Cxcρc νc2LBPT kN （18）

式中：Cyc——流力系數(shù)，按推薦圖譜選??；

ρc——水密度（g/cm3）；

νc——流速（m/s）；

LBP——船體兩柱間長(zhǎng)（m）；

T——吃水（m）。

3.6 計(jì)算結(jié)果

用以上5種方法，對(duì)一艘總長(zhǎng)89.6 m、寬36 m、型深7 m、設(shè)計(jì)吃水3.82 m的1 500 t沿海起重船進(jìn)行系泊力計(jì)算：作業(yè)環(huán)境條件取極限風(fēng)速20 m/s（相應(yīng)風(fēng)壓約250 Pa），作業(yè)區(qū)流速取極限流速3 kn即1.56 m/s，移船速度0.2 m/s；同時(shí)對(duì)一艘總長(zhǎng)55.5 m、寬23.0 m、型深4.5 m、吃水2.9 m的500 t起重船進(jìn)行計(jì)算：作業(yè)環(huán)境條件取極限風(fēng)速16 m/s（相應(yīng)風(fēng)壓約170 Pa），作業(yè)區(qū)流速取極限流速3 kn即1.56 m/s，移船速度0.2 m/s。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

4 分析及結(jié)論

通過對(duì)以上公式的計(jì)算結(jié)果及分析，可以看出：每一種計(jì)算公式的側(cè)重點(diǎn)不同，考慮的因素也不同，系泊力計(jì)算結(jié)果差異較大，最大差異甚至接近1.8倍。因此，需要從公式組成和表達(dá)形式上進(jìn)行分析和甄選，尋求適合工程船定位系統(tǒng)使用的系泊力計(jì)算公式。

對(duì)于風(fēng)引起的系泊力計(jì)算，各計(jì)算公式是依據(jù)流體力學(xué)流體壓力計(jì)算原理，取風(fēng)壓和受風(fēng)面積的乘積，并考慮一定的因素影響系數(shù)，這種表達(dá)形式得到廣泛認(rèn)可。但是各公式考慮的風(fēng)向角和風(fēng)力系數(shù)各不相同，日本《工程船舶設(shè)計(jì)基準(zhǔn)》取30°風(fēng)向角和較大的風(fēng)力系數(shù)，其他各公式均取橫向90°風(fēng)。從計(jì)算結(jié)果來看，各公式計(jì)算結(jié)果存在差異，規(guī)律也不是很明顯，但《超大型油船的風(fēng)載和流載計(jì)算方法》計(jì)算的風(fēng)載荷基本為各公式計(jì)算風(fēng)載荷的中間值，而且該方法的風(fēng)力系數(shù)是通過多條船的風(fēng)洞試驗(yàn)得到，可信度較高。

對(duì)于水流引起的系泊力，各公式采用的計(jì)算原理和表達(dá)形式有較大的差異：《港口工程荷載規(guī)范》采用對(duì)船舶浸水表面摩擦阻力的表達(dá)形式，故計(jì)算結(jié)果最??；《內(nèi)河工程船舶工作錨質(zhì)量計(jì)算指南》、日本《工程船舶設(shè)計(jì)基準(zhǔn)》、《超大型油船的風(fēng)載和流載計(jì)算方法》采用同風(fēng)作用相似的流體壓力理論計(jì)算其形體阻力（動(dòng)水壓力），但《內(nèi)河工程船舶工作錨質(zhì)量計(jì)算指南》、日本《工程船舶設(shè)計(jì)基準(zhǔn)》都是取正向的受流面積乘以一定的系數(shù)計(jì)算流力，只有《超大型油船的風(fēng)載和流載計(jì)算方法》可以取縱向受流面積計(jì)算得到橫向流力，故三者的計(jì)算結(jié)果也存在一些差異，但日本《工程船舶設(shè)計(jì)基準(zhǔn)》計(jì)算時(shí)在流速中疊加移船速度比較合理；《海船系泊設(shè)備配置設(shè)計(jì)通則》認(rèn)為水流力引起的系泊力包括形體阻力和水流摩擦力，而且形體阻力也是取側(cè)向受流面積計(jì)算的，故方法計(jì)算的系泊力最大。

實(shí)際作用于船舶上的水流力可能存在摩擦阻力、形體阻力和興波阻力，不同情況下這3 種阻力成分不同，一般而言船首或船尾方向來流以摩擦阻力為主，而水流來自船舶側(cè)向時(shí)，以形體阻力為主。海況溫和時(shí)移船興波阻力相對(duì)較小，通常不計(jì)。

對(duì)于工程船的系泊力計(jì)算來說，靜態(tài)計(jì)算只要得到某一時(shí)刻最大系泊力即可根據(jù)該系泊力來安全的配置定位移船設(shè)備，而計(jì)算結(jié)果顯示形體阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于摩擦阻力，故水流力計(jì)算時(shí)考慮最惡劣情況時(shí)的形體阻力即可。

綜合以上各種計(jì)算方法，個(gè)人認(rèn)為石油公司國(guó)際海事論壇《超大型油船的風(fēng)載和流載計(jì)算方法》考慮因素比較全面，橫向90°風(fēng)、流方向的計(jì)算結(jié)果比較合理，可以用來初步確定工程船定位移船時(shí)的系泊力大小。但對(duì)于計(jì)算中使用的作業(yè)環(huán)境條件如風(fēng)速、流速（取實(shí)際流速疊加上移船速度）應(yīng)根據(jù)工程船實(shí)際作業(yè)工況予以明確。

參考文獻(xiàn)

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