浮船塢剛性系泊方案的初步探討

崔冬權(quán)

(南通潤邦工程船舶技術(shù)有限公司，江蘇 南通 226007)

浮船塢剛性系泊方案的初步探討

崔冬權(quán)

(南通潤邦工程船舶技術(shù)有限公司，江蘇 南通 226007)

根據(jù)浮船塢使用特點(diǎn)提出了一種適合于浮船塢系泊用的剛性系泊方案。相比于目前廣泛采用的碼頭帶纜系泊的傳統(tǒng)方式，該系泊方案具有結(jié)構(gòu)簡單可靠，操作維護(hù)簡便，能自適應(yīng)碼頭潮差，無后續(xù)能源消耗，無需人員照看，系統(tǒng)成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)。通過浮船塢系泊力計算模型的建立及詳細(xì)解析，提出了該方案詳細(xì)設(shè)計過程中各主要注意事項，同時對該方案的實際布置及使用給出了建議。

浮船塢；系泊設(shè)備；剛性系泊

0 引言

相較于船舶或浮式平臺這類海上移動建筑系泊裝置的設(shè)計及布置，浮船塢作為一種使用壽命周期內(nèi)工作地點(diǎn)相對較為固定的水上浮體，其系泊系統(tǒng)的設(shè)計及布置帶有鮮明的地域使用特征，這些地域特征主要包括浮船塢工作地域的水文、地質(zhì)及氣象條件。因此，在考慮浮船塢系泊裝置的設(shè)計時，若涉及到設(shè)計計算過程中相關(guān)參數(shù)的選取，則需參考并研究浮船塢工作地域的水文、地質(zhì)、氣象相關(guān)的歷史記錄數(shù)據(jù)及統(tǒng)計資料才能最終決定。而對于一般船舶及海上浮式平臺類系泊裝置的設(shè)計則主要偏向于遵循船級社規(guī)范要求及部分港口的特殊規(guī)定。船舶類主要系泊裝置如錨、錨鏈、錨絞車、纜繩等設(shè)備規(guī)格的選取均基于該船/平臺舾裝數(shù)(EN)的計算結(jié)果。當(dāng)然，對于浮船塢主要系泊設(shè)備的設(shè)計及布置，也可以參考船舶類的設(shè)計方法進(jìn)行，但按此方法設(shè)計所得到的結(jié)果一般會失去其經(jīng)濟(jì)性及實用性。在充分考慮到浮船塢系泊裝置設(shè)計經(jīng)濟(jì)性和實用性的前提下，本文提出了一種針對于浮船塢使用特點(diǎn)的剛性系泊方案。該方案兼顧浮船塢實際操作的便利性及安全性，且在一家國外修船廠的浮船塢項目上實際使用。

1 設(shè)計原理及系泊力計算

1.1設(shè)計原理

船舶、浮船塢等水上浮體的傳統(tǒng)系泊方式一般采用錨泊、碼頭帶纜系泊這2種方式。鑒于錨泊形式不屬于本文研究的方向，故主要針對于傳統(tǒng)的碼頭帶纜系泊方式提出一種經(jīng)改進(jìn)的全新的簡易系泊方式。根據(jù)這種系泊方式的主要特點(diǎn)，可將其定義為第3種系泊形式：剛性系泊，其連接示意圖如圖1所示。相較于傳統(tǒng)的帶纜系泊方式，剛性系泊與其主要差異在于浮體與錨固點(diǎn)之間的連接媒介：傳統(tǒng)的系泊方式一般采用諸如錨鏈、纜繩等柔性連接件連接浮體系固點(diǎn)與錨固點(diǎn)，而剛性系泊則采用點(diǎn)對點(diǎn)剛性接觸的方式完成浮體跟錨固點(diǎn)之間的連接。

對于浮船塢這種特殊的水上浮體而言，此系泊方式有如下主要優(yōu)點(diǎn)：

(1)能充分利用浮船塢及碼頭結(jié)構(gòu)特征合理布置系泊點(diǎn)。

(2)在船塢系泊工作完成后，船塢跟碼頭間在水平面內(nèi)的位置便幾近于固定(無相對位移)，這樣可以縮小對浮船塢正常工作區(qū)域水下泥面淤積的監(jiān)控范圍及實際清淤范圍。

(3)浮船塢能夠自行調(diào)整并適應(yīng)較大的自然潮差且無需人員照看和值守。

(4)跟傳統(tǒng)的帶纜系泊方式相比，能夠節(jié)省大量人工及額外的設(shè)備投資、維護(hù)保養(yǎng)及設(shè)備更換費(fèi)用，提高船塢的利用率。

1.2系泊力計算

碼頭前系泊的浮船塢通常情況下受到風(fēng)、浪、流的自然力作用。鑒于波浪對浮船塢系泊力的影響是一個較為復(fù)雜的動態(tài)過程，且浮船塢一般情況下均安置于具有良好遮蔽性的水體，故本文未考慮波浪對系泊力的影響而僅考慮風(fēng)和流對系泊力的直接作用，以簡化相關(guān)的計算模型。本文系泊力計算采用國際海事論壇組織(OCIMF)所推薦的風(fēng)力、水流力的經(jīng)驗計算公式。

1.2.1受風(fēng)力計算

風(fēng)對塢體的作用力計算公式為：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Fwx、Fwy分別為系泊船塢沿x、y方向的風(fēng)作用力，N；Mwxz、Mwyz、Mwxy分別為風(fēng)作用力在XZ、YZ、XY平面內(nèi)對船塢的回轉(zhuǎn)力矩，N·m；Cwx、Cwy、Cwxz、Cwyz、Cwxy分別為風(fēng)作用力無因次經(jīng)驗系數(shù)，數(shù)值由船塢外形和風(fēng)向角確定；ρw為空氣密度,kg/m3；Vw為風(fēng)速，m/s；a為風(fēng)作用力對船塢的傾覆力臂,m；L為船塢塢體總長,m；AT1、AL1分別為船塢橫向和縱向迎風(fēng)面積,m2。

塢體受風(fēng)、水流面積示意圖如圖2所示。

1.2.2水流力計算

水流對塢體的作用力計算公式為：

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：Fcx、Fcy分別為系泊船塢沿x方向，y方向的流作用力，N；Mcxz、Mcyz、Mcxy分別為水流作用力在XZ、YZ、XY平面內(nèi)對船塢的回轉(zhuǎn)力矩，N·m；Ccx、Ccy、Ccxz、Ccyz、Ccxy分別為水流作用力無因次經(jīng)驗系數(shù)，由船塢外形和流向角確定；ρc為水密度，kg/m3；Vc為水流流速,m/s；b為水流作用力對船塢的傾覆力臂,m；L為船塢塢體總長,m；D為船塢吃水,m。

1.2.3靜水恢復(fù)力矩計算

在系泊狀態(tài)下，當(dāng)塢體在風(fēng)、水流作用下的回轉(zhuǎn)力矩(YZ及XZ平面內(nèi))而產(chǎn)生一個小角度(α、β)偏轉(zhuǎn)后，水對塢體將隨之產(chǎn)生反方向的靜水恢復(fù)力矩，其經(jīng)驗估算公式如下：

MTW=-WαGMT

(11)

MLW=-WβGML

(12)

式中：MTW、MLW分別為船塢在水平面內(nèi)(XY面)繞縱向軸(X軸)及繞橫向軸(Y軸)的靜水恢復(fù)力矩，N·m；α、β分別為船塢相對于水平面(XY面)繞縱向軸(X軸)及繞橫向軸(Y軸)的偏轉(zhuǎn)角，rad；GMT、GML分別為船塢橫搖半徑及縱搖半徑,m；W為船塢排水量,kg。

1.2.4力及力矩平衡計算

當(dāng)船塢處于穩(wěn)定系泊的狀態(tài)下，各系泊點(diǎn)存在如下受力平衡公式：

Fwx+Fcx+2(Mwxy+Mcxy)/B=ΣPxi

(13)

Fwy+Fcy+2 (Mwxy+Mcxy)/L=ΣPyi

(14)

Mwyz+Mcyz+MTW+ΣMPyzi=0

( 15)

Mwxz+Mcxz+MLW+ΣMPxzi=0

( 16)

式中：ΣPxi為各系泊點(diǎn)在X方向的合力，N；i為各系泊點(diǎn)編號，i∈[1,n]；ΣPyi為各系泊點(diǎn)在Y方向的合力，N；B為船塢寬度,m；ΣMPyzi為所有系泊點(diǎn)在YZ面內(nèi)的約束轉(zhuǎn)矩和，N·m；ΣMPxzi為所有系泊點(diǎn)在XZ面內(nèi)的約束轉(zhuǎn)矩和，N·m。

基于各系泊點(diǎn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計安全考慮，實際計算過程中取i=1, 即以單點(diǎn)系泊作為各系泊點(diǎn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核依據(jù)，即有如下簡化后的平衡公式：

Fwx+Fcx+2(Mwxy+Mcxy)/B=Px

(17)

Fwy+Fcy+2(Mwxy+Mcxy)/L=Py

(18)

Mwyz+Mcyz+MTW+ΣMPyz=0

( 19)

Mwxz+Mcxz+MLW+ΣMPxz=0

( 20)

式(19)、式(20)，由于系泊點(diǎn)P僅作為系泊計算的點(diǎn)支撐，即此支撐點(diǎn)除在X、Y方向有位移約束外，Px為系泊點(diǎn)P在X軸方向的分力，Py為系泊點(diǎn)P在Y軸方向的分力。對于其他任何方向的位移及轉(zhuǎn)矩均無約束，即系泊點(diǎn)P處的實際轉(zhuǎn)矩在數(shù)值上始終為零，因此平衡公式(19)、(20)可進(jìn)一步簡化為：

Mwyz+Mcyz+MTW=0

(21)

Mwxz+Mcxz+MLW=0

(22)

式(21)、式(22)中，由風(fēng)、水流對塢體作用的轉(zhuǎn)矩即傾覆力矩Mwxz、Mwyz、Mcxz、Mcyz，在系泊點(diǎn)P作為支撐點(diǎn)的作用下，塢體將產(chǎn)生一定量的橫傾及縱傾，在塢體發(fā)生縱傾及橫傾的過程中，塢體隨之將產(chǎn)生與之反方向的靜水恢復(fù)力矩，此恢復(fù)力矩能及時平衡因風(fēng)、水流作用所產(chǎn)生的傾覆力矩，從而始終保持塢體在水中的動態(tài)平衡，通過平衡公式(21)、(22)，可求得塢體在水平面內(nèi)繞X軸及繞Y軸的最大偏轉(zhuǎn)角α、β。

為保證船塢在上述受力過程中的動態(tài)平衡，作為支撐點(diǎn)的剛性系泊裝置在設(shè)計過程中需要考慮滿足其動態(tài)平衡的特殊結(jié)構(gòu)，理論上應(yīng)在相關(guān)平面YZ、XZ內(nèi)加裝鉸鏈，具體設(shè)計形式如圖3所示。

圖3 鉸鏈裝置示意圖

由式(17)、式(18)可分別計算求得Px及Py的具體數(shù)值，根據(jù)力的合成即可知系泊點(diǎn)的受力P：

(23)

1.3剛性系泊裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計的注意事項

參考圖3鉸鏈裝置示意圖，根據(jù)式(23)計算得到系泊力P。在實際設(shè)計過程中，還需要對系泊裝置的主要零件進(jìn)行強(qiáng)度校核：

(1)各銷軸的剪切強(qiáng)度校核(件2、件3)。

(2)系泊鉤內(nèi)部耐磨材面壓強(qiáng)度校核(件5)。

(3)系泊裝置底座跟碼頭錨定裝置間連接螺栓拉伸強(qiáng)度校核(件4)。

(4)系泊裝置水平連桿跟豎直連桿間的焊腳高度校核(件6、件7)。

(5)連接系泊鉤跟塢體間導(dǎo)軌的強(qiáng)度校核。

2 剛性系泊裝置的布置要領(lǐng)及其他注意事項

圖4為剛性系泊裝置布置圖。根據(jù)浮船塢的外形特征，剛性系泊點(diǎn)一般布置于船塢的艏艉區(qū)域，這跟船舶類的系泊布置選取區(qū)域基本相同。若有特殊要求，船塢中部區(qū)域亦可增加系泊點(diǎn)。系泊點(diǎn)的設(shè)計承載形式分為Y軸單向承載及XY雙向承載，根據(jù)式(17)、式(18)式中系泊力Px、Py的計算結(jié)果詳細(xì)設(shè)計并校核系泊件。

圖4 剛性系泊裝置布置圖

此外，鑒于剛性系泊件的結(jié)構(gòu)及布置特點(diǎn)，考慮到船塢在外界溫差下塢體在長度方向的伸縮變形，以及船塢在空載/滿載情況下的塢體彎曲變形，在設(shè)計系泊件跟碼頭錨固點(diǎn)間的連接時需作特殊考慮。一般所采用的解決方案是：在碼頭錨固點(diǎn)上剛性固定某一端的系泊件而讓另一段的系泊件在X軸方向無約束，以保證塢體在溫差變形及載荷彎曲變形的情況下不對相連的系泊件及塢體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生約束性破壞。

3 剛性系泊和柔性系泊優(yōu)缺點(diǎn)對比

剛性系泊和柔性系泊優(yōu)缺點(diǎn)對比見表1。

表1 剛性系泊和柔性系泊優(yōu)缺點(diǎn)比對表

4 結(jié)語

綜合剛性系泊從設(shè)計到使用的整個過程并參考表1的對比結(jié)果來看，對于浮船塢這類遷移性較小的大型水上浮體，若采用本文所推薦的剛性系泊方式，可顯著降低船塢的使用及維護(hù)成本，同時也能提高作為船舶修造企業(yè)大型核心設(shè)備的利用率，從而提升企業(yè)整體經(jīng)濟(jì)效益。

[1]馬小劍，孫昭晨，等.風(fēng)流作用下碼頭系泊船舶纜繩張力及運(yùn)動量研究[J].水道港口，2010,31(6):164-169.

[2]徐兆全.浪流作用下系泊船舶運(yùn)動及纜繩布局優(yōu)化[D].大連：大連理工大學(xué), 2007.

2014-07-14

崔冬權(quán)(1974-)，男，工程師，主要研究方向為船舶及海洋工程設(shè)計及制造。

U662.2

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