45萬噸超大型油輪系纜方式及安全作業(yè)試驗研究

王長利，黃宣軍，蔣冰，張先波

（1.中化泉州石化有限公司，福建 泉州 362103；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，中國交建海岸工程水動力重點實驗室，天津 300222；3.國家海洋信息中心，天津 300171）

0 引言

隨著國際石油海運量的高速增長，油輪的尺度和載重量也在不斷增大，現(xiàn)役最主要的大型油輪以30萬噸級為主，自2002年韓國大宇重工建造了4艘45萬t雙殼油輪后，大型油輪的規(guī)模也逐步向45萬t超大型油輪發(fā)展。為此，國內多個30萬噸級油輪碼頭結構均按可停靠45萬t超大型油輪進行設計，如青島港30萬噸級原油碼頭、曹妃甸中石化30萬噸級石油碼頭、寧波大榭中油燃料油碼頭30萬噸級油碼頭、中化泉州30萬噸級原油碼頭等。本文通過對45萬t超大型油輪在風、波浪、潮流等外荷載聯(lián)合作用下的系纜方式研究，揭示不同纜繩直徑、纜繩材質對船舶系泊運動量和系纜力的影響，給出了船舶安全作業(yè)的波浪條件，為45萬t超大型油輪的系纜方式提供科學指導，研究成果具有重大的現(xiàn)實意義和研究價值。

1 試驗研究條件

1.1 船型參數(shù)

45萬t超大型油輪的主尺度和運動特性分別見表1和表2。

表1 試驗船型主尺度Table1 Principal dimension of thetest tanker

表2 運動特性參數(shù)Table2 Motion characteristic parameter

1.2 碼頭結構形式

碼頭采用蝶形布置形式，由1座工作平臺、2座靠船墩和6座系纜墩組成，泊位長度為455 m，每個靠船墩上水平布置2個3 000H標準反力一鼓一板橡膠護舷，每個護舷的設計反力為4 400 kN。

1.3 系纜布置形式

試驗纜繩規(guī)格為3種，分別是：

1）直徑44 mm鋼纜，破斷力為1 070 kN；

2）直徑52 mm鋼纜，破斷力1 470 kN；

3）直徑52 mm組合纜（主要為鋼纜，與纜鉤連接處有15 m長的尼龍纜，尼龍纜直徑為100 mm），組合纜的破斷力仍接近1 470 kN。

其中，直徑44 mm鋼纜和直徑52 mm鋼纜的系纜方式為3-4-4-3，直徑52 mm組合纜的系纜方式為4-3-3-2，系纜布置見圖1。

圖1 系纜布置圖Fig.1 Mooring pattern

1.4 船舶安全作業(yè)條件

參考OCMIF制定的指導原則和以往油輪系泊試驗的相關經(jīng)驗，大型油輪安全作業(yè)條件是船舶運動量的縱移≤±2.0 m，橫移≤±2.0 m，升沉≤±0.5 m，橫搖≤±2°；系泊纜繩最大允許拉力為纜繩破斷力的50%；船舶對護舷的擠靠力不超過護舷的設計反力。

2 試驗方法

1）試驗設備及儀器：試驗在60 m×40 m×1.0 m的大型水池中進行（見圖2（a）），測量儀器包括：智能數(shù)據(jù)采集儀、波高傳感器、六分量運動儀、32通道護舷纜力儀、小威龍流速儀等；

2）模型比尺：試驗比尺按重力相似律及JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗規(guī)程》的有關規(guī)定進行設計[1]，模型比尺為 1∶79；

3）纜繩模擬：保證纜繩的長度和彈性相似，模擬的纜繩彈性曲線和理論曲線基本相似。纜繩的受力-伸長曲線按JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗規(guī)程》給出的公式算出（見圖2（b））；

圖2 船模及模擬曲線Fig.2 Thetanker model and simulation curves

4）護舷模擬：護舷模擬要保證模型護舷的反力-變位曲線及能量吸收曲線與原型滿足相似（見圖 2（c））；

5）船舶模擬：試驗用船模與原型船滿足幾何相似、重量相似和動力相似；

6）波浪模擬：采用碼頭泊位處H4%波高，不規(guī)則波的頻譜為JONSWAP譜。

3 試驗結果

一般的船舶系泊試驗中，相同波高及周期條件下，橫浪對系泊船舶的影響比斜向浪和順浪都要大，在船舶載度與水位組合中，滿載與低水位的組合和壓載與高水位的組合堪稱系泊試驗中的2種最不利工況組合。根據(jù)我國JTJ 211—1999《海港總平面設計規(guī)范》[2]的有關規(guī)定：“船舶裝卸作業(yè)的允許波高為橫浪H4%≤1.5 m，允許周期為T≤8 s，允許風速≤6級風”。為此，本試驗研究的波浪條件采用90°橫浪，試驗波高H4%=1.2 m、1.5 m，周期T=7 s、8 s，試驗工況示意圖見圖3，試驗工況組合見表3。

圖3 試驗工況示意圖Fig.3 Sketch of thetest condition

表3 45萬t超大型油輪系泊試驗工況Table 3 Mooring test condition of 450 000 DWT supertanker

基于上述試驗條件，本文主要對試驗結果中船舶運動量的橫移量和橫搖角，船舶纜繩的最大系纜力以及船舶對護舷的最大擠靠力進行分析[3－5]。

直徑44 mm鋼纜的試驗結果見表4，直徑52 mm鋼纜的試驗結果見表5，直徑52 mm組合纜的試驗結果見表6。

表4 直徑44 mm鋼纜的試驗結果（系纜方式3-4-4-3）Table 4 Test resultsof 44 mm diameter steel lines(mooringmanner is3-4-4-3)

表5 直徑52 mm鋼纜的試驗結果（系纜方式3-4-4-3）Table5 Test resultsof 52 mm diameter steel lines(mooringmanner is3-4-4-3)

表6 直徑52 mm組合纜的試驗結果（系纜方式4-3-3-2）Table 6 Test resultsof 52 mm diameter combination cables(mooringmanner is4-3-3-2)

由上述試驗結果，船舶壓載工況下，在相同3-4-4-3的系纜方式及波浪（H4%=1.5 m、周期T=7 s）、吹開風及漲潮流聯(lián)合作用下，直徑44 mm鋼纜時，船舶橫移量為0.95 m，單根纜繩系纜力最大為694 kN，超過纜繩破斷力50%；增大直徑至52 mm后，船舶橫移量為0.74 m，單根纜繩系纜力為725 kN，盡管系纜力有所增大，但未超過纜繩破斷力的50%，增強了船舶的作業(yè)能力。

此外，船舶壓載工況下，在相同波高H4%=1.5 m、周期T=7 s的波浪、吹開風13.8 m/s及漲潮流0.85 m/s聯(lián)合作用下，直徑52 mm鋼纜時，船舶橫移量為0.82 m、橫搖角為1.56°，單根纜繩系纜力最大1 018 kN；采用52 mm組合纜及系纜方式為4-3-3-2后，船舶橫移量為1.09 m、橫搖角為2.0°，單根纜繩系纜力最大為777 kN。由于組合纜的彈性變形大，船舶的運動量有所增大，但纜繩數(shù)量和最大纜繩拉力有所減小，相比之下也增強了船舶的作業(yè)能力。

4 結語

45萬t超大型油輪在不同載度、不同水位及風、浪、流外荷載聯(lián)合作用下，采用直徑44 mm鋼纜（系纜方式3-4-4-3），滿足船舶安全作業(yè)波浪條件是H4%≤1.5m、T≤6 s；采用直徑52 mm鋼纜（系纜方式3-4-4-3），滿足船舶安全作業(yè)波浪條件是H4%≤1.5m、T≤7s；采用直徑52 mm組合纜（系纜方式4-3-3-2），滿足船舶安全作業(yè)波浪條件是H4%≤1.5 m、T≤7 s。

單純增大纜繩的直徑，對減小船舶的運動量有所幫助，但并未減小纜繩的系纜力。通過增大纜繩的直徑，增強纜繩的破斷力，從而增強船舶的作業(yè)能力。相對于單純鋼纜，組合纜的彈性變形增大，使得船舶運動量有所增大，但纜繩的拉力比單純鋼纜時要小，且采用4-3-3-2組合纜的系纜方式后，不僅纜繩的系纜力有所減小，而且纜繩的數(shù)量有所減少以及船舶的作業(yè)能力有所提高，可以為今后超大型船舶系纜方式的選擇提供參考。

[1]JTJ/T 234—2001，波浪模型試驗規(guī)程[S].JTJ/T 234—2001,Wavemodel test regulation[S].

[2]JTJ211—1999，海港總平面設計規(guī)范[S].JTJ211—1999,Design codeof general layout for seaport[S].

[3]中化泉州石化項目配套碼頭工程青蘭山水域1號泊位船舶系泊整體物理模型試驗研究報告[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2009.Overall physical model test report on ship mooring of Qinglanshan No.1 berth of Sinochem Quanzhou Petrochemical project supportingwharf engineering[R].Tianjin:CCCCTianjian Port Engineering Institute Co.,Ltd.,2009.

[4]中委廣東石化原油及產(chǎn)品油碼頭工程30萬噸級油輪系泊物理模型試驗研究報告[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2009.Physical model testreporton 300 000 DWTtanker mooringof China and Venezuela Guangdong Petrochemical crude oil and product oil wharf engineering[R].Tianjin:CCCC Tianjian Port Engineering Institute Co.,Ltd.,2009.

[5]中化泉州石化項目30萬噸級原油碼頭工程船舶系泊物理模型試驗研究報告[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2010.Physical model test report on ship mooring of Sinochem Quanzhou Petrochemical 300 000 DWTcrudeoil wharf engineering[R].Tianjin:CCCCTianjian Port Engineering Institute Co.,Ltd.,2010.