船舶系泊布置設(shè)計初步研究

郭朝義， 柳紅兵， 張敬黨

(泰州口岸船舶有限公司， 江蘇 泰州 225300)

船舶系泊布置設(shè)計初步研究

郭朝義， 柳紅兵， 張敬黨

(泰州口岸船舶有限公司， 江蘇 泰州 225300)

提出了系泊布置設(shè)計的一般方法，將系泊布置設(shè)計劃分為系泊屬具配置設(shè)計和系泊屬具布置設(shè)計兩個相互補充的方面。并對系泊索、系泊屬具的配置、船舶的帶纜方式以及系泊屬具布置約束進行了研究。最后通過檢驗實船系泊布置設(shè)計對設(shè)計方法進行了驗證。

系泊布置設(shè)計 系泊屬具配置 系泊屬具布置

1 引言

系泊布置設(shè)計一般指為滿足船舶安全?？看a頭、拖曳等需要，而對船舶系泊屬具進行布置的一種設(shè)計方法。它主要是在系泊索已選型的前提下，對包括絞車、帶纜樁、導(dǎo)纜孔、導(dǎo)向滾輪等進行選型與布置的設(shè)計。在系泊設(shè)計研究方面，陳汝夏等人對Q-MAX型LNG船舶的系泊方案進行了研究，基于OPTIMOOR計算結(jié)果，提出了較優(yōu)的3-5-2系泊方案[1]；姜季江等人對改裝船船體總段碼頭系泊設(shè)計進行了研究，根據(jù)系泊計算結(jié)果對系泊屬具布置進行了設(shè)置，為以后類似的設(shè)計提供了參考[2]；舒斌等人通過分析超大型船舶系泊試驗時的系纜力，對纜樁布置進行了優(yōu)化[3]。目前，對系泊設(shè)計的研究多集中在通過受力分析，軟件計算對布置進行設(shè)計及優(yōu)化[4～6]。本文在系泊布置設(shè)計有關(guān)公約規(guī)范、以及相關(guān)文獻研究的基礎(chǔ)上，對船舶系泊布置方法、系泊屬具配置以及系泊屬具布置進行了研究，從而形成系泊設(shè)計的完成過程，以期對設(shè)計人員起到參考與借鑒作用。

2 系泊設(shè)計的組成

船舶系泊設(shè)計包括兩個方面：(1) 系泊索與系泊屬具的配置設(shè)計；(2) 系泊屬具的布置設(shè)計。系泊屬具的布置設(shè)計依據(jù)并深化系泊屬具的配置設(shè)計，系泊屬具配置設(shè)計是系泊屬具布置設(shè)計的基礎(chǔ)。船舶設(shè)計實用手冊舾裝分冊[7]、巴拿馬運河規(guī)范[8]等對系泊索的配備與選型，系泊屬具的配備與布置等都有相應(yīng)的要求，國際航運協(xié)會對系泊狀態(tài)下船舶的運動量也有限制[9]。

2.1 系泊屬具配置設(shè)計

系泊索與系泊屬具的配置設(shè)計方法如圖1所示。從圖中可以看出系泊索的配置是系泊屬具配置設(shè)計的關(guān)鍵，同時也是整個系泊設(shè)計的基礎(chǔ)；在以纜繩的破斷載荷為基準(zhǔn)的條件下，系泊屬具安全系數(shù)大于1，這主要是對系泊屬具、船舶結(jié)構(gòu)以及環(huán)境安全等進行的一種保護。另外，埃克森石油公司系泊能力標(biāo)準(zhǔn)指出絞纜機剎車力小于纜繩破斷負(fù)荷[10]。

圖1 系泊屬具配備關(guān)系圖

2.2 系泊屬具布置設(shè)計

在系泊屬具配置設(shè)計的基礎(chǔ)上，即可對系泊屬具的布置進行設(shè)計。系泊屬具布置設(shè)計需要綜合考慮系泊屬具與船體結(jié)構(gòu)、舾裝設(shè)備布置、船舶系泊方式以及其他系泊屬具之間的各種約束限制。系泊屬具布置設(shè)計即是協(xié)調(diào)各系泊屬具之間、系泊屬具與外部關(guān)系的基礎(chǔ)上，進行設(shè)計-修調(diào)整-再設(shè)計的過程，直到最終得到滿意的系泊布置方案。圖2為系泊屬具布置設(shè)計關(guān)系圖。

圖2 系泊屬具布置關(guān)系圖

3 系泊設(shè)計方法

船舶帶纜方式與系泊屬具布置約束是系泊設(shè)計需要解決的兩個問題。船舶帶纜方式需在系泊設(shè)計之初確定，在具體系泊屬具布置設(shè)計時可根據(jù)系泊屬具布置約束關(guān)系對船舶帶纜方式進行調(diào)整，以使二者相互協(xié)調(diào)，從而得到設(shè)計船舶的帶纜方式以及系泊屬具布置。

3.1 船舶帶纜方式

系泊狀態(tài)下船體所受外力可分解為沿船長方向的縱向作用力、沿船寬方向的橫向作用力以及沿型深方向的垂向作用力。船舶的帶纜方式倒纜、橫纜和艏艉纜主要是為了限制船舶在上述作用力下的移動，各帶纜對船舶的位移約束如圖3所示。

圖3 系纜約束與位移關(guān)系

圖4為船舶的帶纜走向圖。對于倒纜而言，系泊屬具盡量靠近船艏艉布置，使纜繩的走向與船體縱向的夾角越小越好，同時，舷邊導(dǎo)纜器又必須布置于平行中體部分的甲板上以避免纜繩在外板上摩擦；對于橫纜，系泊屬具的配備應(yīng)使纜繩的走向垂直于船體縱向中心線；艏艉纜為對橫纜、倒纜系泊的加強，其纜繩的走向應(yīng)與船體縱向中心線保持一定的角度。系泊屬具的布置是保證船舶帶纜方式的關(guān)鍵，一定程度上決定著船舶的帶纜走向。

圖4 船舶帶纜走向圖

3.2 系泊屬具布置約束

系泊設(shè)備布置約束主要指系泊屬具在布置過程中各系泊屬具之間，系泊屬具與外部影響之間為滿足帶纜走向，系泊屬具布置本身所受的限制。系泊屬具布置約束可通過協(xié)調(diào)各系泊屬具布置以及增加必要的導(dǎo)向滾輪而得到解決。

3.2.1 絞車布置

OCIMF系泊設(shè)備規(guī)范[11]對于纜繩的作用下各系泊設(shè)備的受力方向有一定的要求。對于絞車而言，在帶纜情況下，纜繩作用力方向應(yīng)盡量垂直于纜車卷筒的軸向，如不能滿足，其纜繩走向與卷筒軸向垂直面的夾角應(yīng)小于4°，如圖5所示。

圖5 絞車卷筒受力方向約束

3.2.2 導(dǎo)向滾輪布置

受船體結(jié)構(gòu)、舾裝設(shè)備以及其他方面的影響，纜繩不能從纜車直接引向舷邊導(dǎo)纜器時，就需要布置導(dǎo)向滾輪改變纜繩的走向，從而滿足系泊屬具布置要求。導(dǎo)向滾輪布置的原則是盡可能少，且因?qū)驖L輪布置而使纜繩走向的改變也盡可能小。圖6為較為典型的導(dǎo)向滾輪布置。

圖6 典型導(dǎo)向滾輪布置圖

從圖6可以看出，在沒有布置導(dǎo)向滾輪的情況下，布置1中纜繩的走向與上建結(jié)構(gòu)以及舷梯布置沖突，且纜繩與絞車副卷筒軸向夾角也不滿足規(guī)范要求；布置2為增加一個導(dǎo)向滾輪后可行的布置方案。

3.2.3 滾輪導(dǎo)纜器布置

對于滾輪導(dǎo)纜器的布置而言，布置于船舷同側(cè)的滾輪導(dǎo)纜器與系泊絞車位置關(guān)系應(yīng)滿足可直接從纜車引出纜繩通過導(dǎo)纜器實現(xiàn)纜繩系泊；對于異側(cè)的布置而言，應(yīng)盡量減少導(dǎo)向滾輪布置的數(shù)量。

圖7為滾輪導(dǎo)纜器與絞車布置約束關(guān)系。

圖7 滾輪導(dǎo)纜器布置約束

滾輪導(dǎo)纜器的導(dǎo)纜數(shù)量應(yīng)滿足船舷同側(cè)纜車卷筒帶纜需要，另外還要滿足系泊方式下，異側(cè)引出纜繩數(shù)量的要求。

3.2.4 導(dǎo)纜孔與帶纜樁布置

除船舶中部用于倒纜系泊布置所需的帶纜樁之外，導(dǎo)纜孔與帶纜樁的布置基本按照巴拿馬運河規(guī)范的要求即可，圖8所示為船長超過173.74 m，船寬大于27.73 m的情況下，巴拿馬型導(dǎo)纜孔的布置簡圖。對于其他主尺度的船舶導(dǎo)纜孔的布置，巴拿馬運河規(guī)范也有明確的要求。

帶纜樁一般與導(dǎo)纜孔配合布置。帶纜樁的底座邊緣應(yīng)距系船索不小于50 mm，且盡可能平行與纜索走向。另外，纜樁與舷墻的距離一般不小于1.5倍纜樁直徑，與舷側(cè)導(dǎo)纜孔或?qū)Ю|器之間的距離應(yīng)

圖8 巴拿馬型導(dǎo)纜孔布置約束

大于6倍纜樁直徑，帶纜樁周圍1 m以內(nèi)不得有障礙。圖9為帶纜樁布置約束(D為纜樁直徑)。

圖9 帶纜樁布置約束

4 實例檢驗

本文實例驗證主要分析已設(shè)計船的系泊布置，對其優(yōu)化布置，得到滿意的系泊布置方案。

實例選擇為本廠為某國外船東建造的系列7.6萬載重噸巴拿馬型散貨船的系泊布置。

4.1 滿足纜繩配置的帶纜方式

本船入“GL”船級社，其舾裝數(shù)為

E·N=Δ2/3+2BH+0.1A=3 580

E·N∈[3 400,3 600]，根據(jù)“GL”規(guī)范要求可得到本船的纜繩配備，實際情況下，纜繩的配備一般高于規(guī)范要求。表1為本船的纜繩配備表。

表1 纜繩配備表

從表1中可以看出，設(shè)計船的實際纜繩配置10根(船艏4根，船舯2根，船艉4根)大于規(guī)范要求的6根，且纜繩的破斷載荷也高于規(guī)范要求，這主要是因為規(guī)范規(guī)定的纜繩數(shù)主要反映錨泊時的受力狀態(tài)，而對側(cè)面受力為主的系泊狀態(tài)考慮不夠。系泊狀態(tài)下，本船的纜繩走向如圖10所示。

圖10 設(shè)計船帶纜走向圖

圖10所示為設(shè)計船系泊狀態(tài)下纜繩的走向圖。在設(shè)計條件下本船只需要系1、3、4、5、6、8、9、10號纜繩即可；惡劣環(huán)境下需全部帶纜，且5、6號纜繩均可通過繞過碼頭上的纜樁經(jīng)船舷導(dǎo)纜器引回船上，并固定在帶纜樁上，以增加船舶的系纜力。另外2、7兩根纜繩可根據(jù)船舶受力狀態(tài)，選擇系橫纜或者艏艉纜方式。

4.2 系泊屬具配置

根據(jù)船舶帶纜方式需要，本船艏艉部各配置對稱于船體中心線的2個絞車(每個絞車附2個卷筒)；船中2個絞車(每個絞車附1個卷筒)。

對于導(dǎo)纜孔與帶纜樁的配置而言，設(shè)計船需要通航于巴拿馬運河，依據(jù)巴拿馬運河規(guī)范，本船的導(dǎo)纜孔和帶纜樁的配置如表2所示。

表2 巴拿馬型導(dǎo)纜孔與帶纜樁的配置

滾輪導(dǎo)纜器的布置需與絞車的布置相協(xié)調(diào)，且應(yīng)滿足單舷帶纜方式需要。船艏1號纜繩為艏纜系泊需要，可經(jīng)艏部巴拿馬型導(dǎo)纜孔導(dǎo)出；2、3、4號纜繩需設(shè)置滿足其導(dǎo)纜所需的滾輪導(dǎo)纜器，且2號纜繩需從船舷異側(cè)引出，應(yīng)布置相應(yīng)的導(dǎo)向滾輪。船中5、6號纜繩分別布置一個三滾輪導(dǎo)纜器和一個輕型帶纜樁，滿足在惡劣工況下回纜系泊需要。

需要說明的是，設(shè)計船需配置盡可能少的導(dǎo)向滾輪以滿足巴拿馬型導(dǎo)纜孔系泊的需要。

4.3 實船系泊布置

圖11為設(shè)計船舶的系泊布置圖，根據(jù)系泊設(shè)備約束、系泊屬具配置、船舶帶纜方式以及有關(guān)規(guī)范等對上述系泊布置圖進行檢驗。從細(xì)節(jié)上可以發(fā)現(xiàn)，船艏部靠近船舷一側(cè)與巴拿馬型雙式導(dǎo)纜孔對應(yīng)的重型帶纜樁在纜繩收放線路上。因此，對其進行重新調(diào)整如圖12所示。

圖11 系泊系統(tǒng)布置圖

圖12 船艏重型帶纜樁調(diào)整

另外，本船的系泊布置設(shè)計，選用十字帶纜樁用于巴拿馬型單式導(dǎo)纜孔帶纜，且更改了重型帶纜樁的標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)強度計算其設(shè)計負(fù)荷(見表3)滿足纜繩破斷要求。十字帶纜樁和更改形式后的重型帶纜樁與普通帶纜樁相比在重量上均有大幅度的減輕；在制作方面，十字帶纜樁與重型帶纜樁在結(jié)構(gòu)形式上也要比普通帶纜樁簡單，由此，在制作工藝和焊接以及材料控制方面也都可為船廠節(jié)約不少的成本。

表3 不同帶纜樁對比

5 總結(jié)

本文在參閱大量系泊布置相關(guān)規(guī)范、設(shè)計手冊以及文獻的前提下，提出了將系泊布置設(shè)計分為系泊屬具配置設(shè)計和系泊屬具布置設(shè)計兩個方面，并分別對其進行了研究，并通過實船檢驗對上述方法進行了驗證。系泊設(shè)計在船舶設(shè)計中屬于較為靈活的部分，對設(shè)計者的要求較高，希望本文對從事船舶方面的設(shè)計人員具有一定的參考意義。

[ 1 ] 陳汝夏，王立國，劉濤.Q-MAX型LNG船舶系泊方案[J].設(shè)計計算,2012，31(z1):9-13.

[ 2 ] 姜季江，郭學(xué)峰. 改裝船船體總段碼頭臨時系泊設(shè)計[J].中國修船,2010，23(1):34-36.

[ 3 ] 舒斌，焦磊.超大型船舶系泊試驗時系纜力分析[J].中國水運,2012，12(12):9-11.

[ 4 ] 胡毅，胡紫劍，劉元丹等.基于AQWA 的大型LNG 船碼頭系泊分析[J].艦船科學(xué)技術(shù),2012，34(2):70-73.

[ 5 ] 高峰，孟祥瑋，鄭寶友等.船舶系泊問題的試驗研究技術(shù)[J].水道港口,2012，33(2):106-112.

[ 6 ] 徐庭留，朱克強，周江華等.大型船舶系泊系統(tǒng)的動力響應(yīng)研究[J].港工技術(shù),2012，49(1):4-6.

[ 7 ] 中國船舶工業(yè)總公司.船舶設(shè)計實用手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，2002.

[ 8 ] OCIMF. Mooring Equipment Guidelines：MEG3[R].United Kingdom: OCIMF, 2008.

[ 9 ] Permanent International Association of Navigation Congresses. Criteria for Movements of Moored Ships in Harbours: A Practical Guide[R].Belgium：PIANC，1995.

[10] 秦子君，魏昌理.纜繩荷載監(jiān)測系統(tǒng)在開敞式碼頭的應(yīng)用與分析[J].水運工程,2007，9(7):100-107.

[11] 巴拿馬運河管理當(dāng)局.巴拿馬運河規(guī)范[S].船舶通告,2005.

The Preliminary Research on Mooring ArrangementDesign of Vessel

GUO Chao-yi, LIU Hong-bing, ZHANG Jing-dang

(Taizhou Kouan Shipbuilding Co., Ltd., Taizhou Jiangsu 225300, China)

This article provides a general method for mooring arrangement design, and divides it into two complementary aspects, which are mooring fitting equipping design and mooring fitting arranging design, then researches the disposition of mooring ropes and mooring fittings, mooring method and the restriction of the mooring fitting arrangement. Finally, the design method is testified by actual ship experiment.

Mooring arrangement design Mooring fittings equipped Mooring fittings arrangement

郭朝義(1964-)，男，高級工程師。

U662

A