大型開敞式原油碼頭船舶作業(yè)和系泊安全條件試驗研究

李焱,王智勇,鄭寶友

（1.交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456；2.青島港（集團）有限公司，青島266011）

大型開敞式原油碼頭船舶作業(yè)和系泊安全條件試驗研究

李焱1,王智勇2,鄭寶友1

（1.交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456；2.青島港（集團）有限公司，青島266011）

為保障某大型開敞式原油碼頭船舶作業(yè)和系泊安全，采用整體物理模型，試驗測量了不同風浪流組合作用下，系泊船舶的運動量、系纜力和撞擊力，并分別以運動量和系纜力為衡量標準，分析得到不同風流條件下45萬t和10萬t油船作業(yè)和系泊的允許波高及周期。結果表明：油船縱、橫移運動量最大允許值取2m較為合適；我國現(xiàn)行規(guī)范對10萬t油船允許作業(yè)波高及周期的規(guī)定時合適的，而單橫浪作用下，45萬t油船的允許作業(yè)波高則可提高至2.0m，對應平均波周期為8 s。

油船；運動量；系纜力；撞擊力；模型試驗

判斷系泊船舶能否安全裝卸作業(yè)的標準，我國原設計規(guī)范[1-2]是直接給出不同船型允許的波高、波周期和風力等環(huán)境荷載限制條件，如規(guī)定允許風力不大于6級等，這其中并給出水流和平均波周期大于8 s以上波高的限制要求，而強水流和長周期波對船舶作業(yè)與系泊安全影響較大[3-6]。事實上，更為準確的方法是通過船舶運動量和系纜力等指標作為判斷船舶作業(yè)和系泊安全的限制條件[7-9]。

大型開敞式碼頭建設海域通常離岸較遠，水深流大，由于沒有防波堤的掩護，環(huán)境條件較為惡劣，船舶在作業(yè)和系泊過程中，有時瞬時風力會較大（超過6級風），同時大型船舶的受風流面積也較大，故船舶的泊穩(wěn)條件較為復雜，國內已建成的開敞式碼頭都曾發(fā)生過船舶斷纜事故[10-11]，對碼頭的安全生產(chǎn)構成嚴重的威脅，因此準確確定大型開敞式碼頭作業(yè)和系泊安全條件是港口設計和運營最關心的問題之一。以青島董家口大型原油碼頭工程為例，通過船舶系泊整體物理模型試驗，以船舶運動量和系纜力為衡量標準，得到不同風流條件下船舶安全作業(yè)和系泊的允許波高和周期，可為工程設計和運營提供參考。

1 工程概況

青島董家口港區(qū)位于青島市南翼的膠南市轄區(qū)瑯琊臺灣，港區(qū)近海自然水深平均-15m，距岸1 000m水深可達-20m，是不可多得的天然優(yōu)良深水港。港區(qū)原油碼頭工程為開敞式，碼頭呈蝶形布置，由工作平臺、6個系纜墩（MD1～MD6）、4個靠船墩（BD1～BD4）及引橋組成。碼頭總長為450m，前沿底高程-27.0m，引橋總長455m（圖1）。碼頭結構考慮重力式圓沉箱結構方案，圓沉箱直徑均為15m，系纜墩頂高程為+9.5m，靠船墩頂高程為+10.5m，工作平臺面板高程+13.5m；系纜墩、靠船墩和工作平臺之間由人行橋連接，設計最大停靠45萬t級油船。

圖1 碼頭平面布置圖及45萬t油船系纜方式Fig.1 Layout of jetty andmooring arrangment of 450,000 t oil tanker

2 試驗內容

（1）測定系泊船舶在不同風、浪、流條件作用下，船舶運動量（縱移、橫移、升沉、縱搖、橫搖、回旋）和系纜力、撞擊力及撞擊能量。

（2）提出不同工況條件下的船舶作業(yè)和系泊安全條件。

3 試驗條件

3.1 試驗船型

試驗船型為45萬和10萬t大型油船，其主尺度及有關特征指標見表1。船舶裝載狀態(tài)包括滿載、半載和壓載3種。

3.2 試驗水位（當?shù)乩碚撟畹统泵妫?/p>

設計高水位為4.71m，設計低水位為0.67m。

3.3 纜繩和系纜方式

45萬和10萬t油船的系纜繩均為直徑Ф=75mm尼龍纜，45萬t油船纜繩的布置方式為4∶3∶3（圖1），10萬t油船纜繩的布置方式為4∶2∶2（圖2）；對于纜繩的初張力，預試驗表明初張力為10 t時的船舶橫移很大，難以將船舶系牢，正式試驗時，45萬t船舶的初張力調整為15 t，10萬t船舶的初張力為12 t。

3.4 護舷

4個靠船墩上分別設置二鼓一板3 000 H低反力型鼓型橡膠護舷，單鼓護舷設計反力為3 750（kN），最大反力為4 400（kN），設計吸能量為4 300 kJ，最大吸能量為4 650 kJ。

3.5 環(huán)境荷載

（1）風：考慮開敞式碼頭在船舶作業(yè)和系泊過程中，可能會承受較大的瞬時風力，為安全起見，試驗采用9級風，風速為24.4m/s，風向包括橫吹開風、橫吹攏風和順風（圖2）。

（2）流：包括與碼頭夾角為15°的開流和夾角為0°的順流，開流流速為1.2m/s；順流流速為1.5m/s（圖2）。

（3）波浪：本次試驗只進行了90°橫浪一個方向，波高為0.8～2.0m，平均波周期為7～12 s，具體組合見表2。

表1 試驗船型主尺度及特征指標Tab.1 main parameters of prototype ship

圖2 10萬t油船系纜方式Fig.2 mooring arrangement of 100，000 t oil tanker

表2 試驗波要素Tab.2 Wave parameters for test

4 模型概況

4.1 模型比尺

采用整體正態(tài)物理模型，試驗波浪水池長44m，寬40m，深1.0m，配備有風機、不規(guī)則造波機和水泵等模擬風浪流的設備。遵照波浪模型試驗規(guī)程，當有船舶模型置于整體物理模型之中時，模型長度比尺不應大于80，結合試驗場地和設備，確定模型幾何比尺為1：74。

4.2 模型制作及布置

碼頭和引橋的外形尺寸和高程按設計圖紙模擬，其中圓墩用水泥漿灌注并固定在地面上，工作平臺面板和引橋等用木板制作，并保證碼頭的整體強度能承受船模的作用。由于工程區(qū)地形較平坦，試驗區(qū)域的地形大部分均開挖至-27.0m，故模型未考慮地形。

碼頭等水工建筑物到造波機的距離大于6～7倍波長，建筑物兩側垂直波向的方向上取3～6倍波長，兩側邊界在不影響水流處設直立吸收式導波設施，防止波能橫向擴散。波浪傳播末端的開邊界水域設消波裝置。

4.3 船舶模擬

船模按重力相似模擬，應滿足幾何相似、靜力相似和動力相似。模擬時采用配重方法，使其符合不同載重時的重量及其分布要求，達到船舶的重心、橫搖及縱搖周期相似，船舶上部結構準確模擬，以滿足風壓面積相似。

4.4 纜繩和護舷模擬

纜繩模擬主要考慮長度和彈性相似，即原、模型船舶上帶纜點和碼頭上帶纜點之間的距離相似，以及原、模型纜繩受力—變形曲線相似，75mm尼龍纜的受力～變形關系可用Wilson公式計算。纜繩模擬時，一組纜繩是由2～4根纜繩合并成一根進行模擬。護舷模擬主要考慮原、模型的護舷反力—變形曲線相似，模擬時將原型中的二鼓一板護舷合成在一起進行模擬。纜繩和護舷的模擬結果見圖3和圖4，從中可知，模擬效果良好。

圖3 纜繩受力與變形關系曲線模擬結果Fig.3 Simulation result ofmooring line elasticity

圖4 護舷反力與變形關系曲線模擬結果Fig.4 Simulation result of performance curve of fender

4.5 數(shù)據(jù)采集及統(tǒng)計

試驗同步測量了船舶運動量、系纜力、護舷撞擊力及變形。不規(guī)則波試驗采樣時間間隔小于有效波周期的1/10，連續(xù)采集的波浪個數(shù)大于100個，每組試驗均重復3次，取每組最大值的平均值作為最終結果。

5 有關船舶作業(yè)和系泊標準

5.1 運動量標準

國外在20世紀進行過按船舶類型（散貨船、集裝箱船、油船、雜貨船等）區(qū)分的港口裝卸安全作業(yè)與船舶運動量相關標準的研究。國際航運會議常設協(xié)會（PIANC）于1995年推薦了可接受的船舶最大運動量值供參考（非絕對標準）[12]，其中油船允許最大縱、橫移的推薦值均為3m，其他4個運動量未要求。而英國標準BS6349中相關規(guī)定，油輪、液化天然氣（LNG）和液化石油氣（LPG）船系泊作業(yè)期間的運動往往決定于工作平臺上設置的裝卸臂所容許的運動量[13]。我國于2014年5月1日實施的《海港總體設計規(guī)范》（JTS 165-2013）中也首次給出了不同船型裝卸作業(yè)允許的船舶運動量，其中油船縱、橫移的允許值均為0.5～2.0m。本試驗是在2013年進行的，當時我國對系泊船舶運動量還沒有標準，因此在研究過程中，重點分析了試驗中縱、橫移大于2m和3m的工況。

5.2 船舶系纜力和撞擊力標準

（1）系纜力標準。根據(jù)石油公司國際海事論壇（OCIMF）[14]的有關規(guī)定，“對于鋼纜，其纜繩所受拉力不應大于其最小破斷力（MBL）的55%；對于尼龍纜，其纜繩所受拉力不應大于其最小破斷力的45%；其中對系泊絞車的指導要求為絞車功能使用應小于纜繩最小破斷力的60%”。我國《港口工程荷載規(guī)范》（JTS 144-1-2010）10.2.4條規(guī)定“系纜力的標準值不應大于纜繩的破斷力”；同時該規(guī)范附錄給出的不同直徑尼龍纜的破斷力，其中75mm尼龍纜破斷力為800 kN左右。從兩者的規(guī)定來看，差異較大，本次試驗選取系纜力不大于600 kN的工況條件進行分析，供設計參考。

（2）撞擊力標準。當實測撞擊力和撞擊能量超過護舷的設計撞擊力和撞擊能量時，則認為護舷型號不滿足要求。

6 試驗成果分析

進行了3種組合工況的試驗：（1）單橫浪作用；（2）風+浪+15°開流；（3）風+浪+0°順流。

6.1 運動量分析

風、浪、流共同作用下，不同載度的船舶運動量變化較為復雜，主要是不同載度對風、浪、流三種荷載的響應不同。

（1）水流對船舶的作用主要與船舶吃水線以下的受力面積有關。15°開流作用下，船舶滿載時受水流作用力最大，其縱、橫移運動量明顯大于半載和壓載；0°順流作用下，船舶滿載時的縱移增幅也明顯大于半載和壓載。

（2）風對船舶的作用與船舶吃水線以上的受力面積有關，這正好與水流作用相反。船舶半載和壓載時由于受風面積較大，橫吹開風作用時，橫移明顯大于滿載；橫吹攏風則使得橫移減??；順風由于作用面積有限，對船舶運動量的影響則并不大。

（3）波浪對船舶的作用與船舶固有自搖周期等有關。對于固有橫搖周期而言，滿載通常大于半載和壓載，因此橫浪作用下，船舶半載和壓載時的橫搖較大。對于45萬t船舶，單橫浪作用時，壓載是其運動量的控制載度；對于10萬t船舶，由于其半載和壓載的固有橫搖周期能接近波浪周期，此時船舶的運動量均較大，尤其是橫移和橫搖。

（4）不同水位條件下船舶運動量相差不大。10萬t船舶的升沉普遍要大于45萬t船。

（5）風浪流共同作用下，45萬t船舶因船體較大，受水流作用明顯，其縱、橫移互有大小，兩者均有可能超標，故均起控制作用；而對于10萬t船舶，由于其尺度和重量相對要小，其橫移通常比縱移大，故橫移是否超標起控制作用。

6.2 系纜力和撞擊力分析

（1）15°的開流（船尾來流）作用下，艉纜、艉橫纜和艏、艉倒纜的纜力均明顯增大；0°順流（船尾來流）作用下，艉纜和艏倒纜的纜力明顯增大；對于45萬t船舶而言，由于其船體較大，水流對其的作用力也較大，艏、艉倒纜所受力不容忽視，艏、艉倒纜采用3根纜繩是必要的。

（2）橫吹開風使得纜繩受力增大；順風作用下，由于受風面積小，對纜力的增加并不明顯；吹攏風則會減小系纜力，因此系纜力的最不利風向為橫吹開風。

（3）開流和吹開風均會使得船舶離開護舷，此時波浪作用下4個護舷的受力不均；護舷的最大受力主要發(fā)生在順流時的吹攏風和順風工況；45萬t船舶的3個載度中，壓載時對護舷的撞擊力最大，而10萬t船舶的3個載度中，滿載對護舷的撞擊力最大。

表3 45萬t油船的允許作業(yè)條件和系泊安全條件Tab.3 Permission conditions for handling operation andmooring of 450,000 t oil tanker

（4）單浪作用下，不同水位時的船舶系纜力和撞擊力互有大小，相差不大；風浪流共同作用下，設計低水位船舶滿載時的系纜力要普遍大于設計高水位，其他載度不同水位的影響不大。

6.3 船舶允許的作業(yè)和系泊條件分析

船舶運動量、系纜力和撞擊力隨著波高和波周期的增大而增大，綜合船舶的3個載度試驗結果，得到試驗風流條件下45萬和10萬t油船以運動量和系纜力分別作為船舶作業(yè)和系泊安全條件的控制波高和周期，詳見表3和表4。

（1）從表3和表4可知，對于45萬和10萬t油船，“運動量中縱、橫移以3m為控制作業(yè)指標下的允許波浪條件”絕大部分大于或等于“單根系纜力以600 kN為控制系泊指標下的允許波浪條件”，也即說明運動量中縱、橫移以3m來控制作業(yè)標準偏大，因為此時系泊安全已受到威脅。故建議運動量中縱、橫移控制標準最大為2m，此時允許作業(yè)條件均小于或等于系泊安全指標。

（2）從得到的安全作業(yè)限制條件來看，現(xiàn)行規(guī)范中對10萬t油船裝卸作業(yè)允許波高及周期的規(guī)定時合適的，45萬t油船的允許波高則可提高至2.0m。

（3）對于船舶撞擊力和撞擊能量，SUC3000H（低反力型）2鼓一板護舷所受力在多數(shù)波浪條件下均滿足要求，兩種船舶超標的工況均僅限于H4%=1.5m，Tˉ=10 s和H4%=2.0m，Tˉ=9 s兩種，總體而言，護舷型號選擇是合適的。

表4 10萬t油船的允許作業(yè)條件和系泊安全條件Tab.4 Permission conditions for handling operation andmooring of 100,000 t oil tanker

7 結論

（1）風浪流共同作用下，不同船舶載度時的運動量的變化較為復雜，主要是載度對風、浪、流三種荷載的響應不同，水流對船舶的作用主要與船舶吃水線以下的受力面積有關；風對船舶的作用與船舶吃水線以上的受力面積有關；波浪對船舶的作用與船舶的固有自搖周期等有關，因此對不同的環(huán)境荷載需要具體分析。

（2）船舶運動量、系纜力和撞擊力隨著波高和波周期的增大而增大，對比試驗所得到的船舶裝卸作業(yè)和安全系泊的允許波浪條件可知，PIANC推薦的船舶縱、橫移運動量最大允許值為3m偏大，取2m更為合適，這與我國現(xiàn)行規(guī)范中給出的油船縱、橫移的允許值為0.5～2.0m一致，應該說明的是，這一結論是在9級風條件下得到的，如風力降低到我國現(xiàn)行規(guī)范所要求的6級風，則船舶作業(yè)和系泊條件均將有一定改善。

（3）從得到的安全作業(yè)限制條件來看，現(xiàn)行規(guī)范中對10萬t油船裝卸作業(yè)允許波高及周期的規(guī)定時合適的，45萬t油船的允許波高則可提高至2.0m。

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Model test on ship operating andmooring safety condition of large?scale open crude oil terminal

LI Yan1,WANG Zhi?yong2,ZHENG Bao?you1
（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456，China;2.Qingdao Port Group Co.,Ltd.，Qingdao 266011,China）

For guarantee the ship operating andmooring safety of one large?scale open crude oil terminal,themooring shipmovements,mooring force,impact force weremeasured under different combination action of wind, wave and flow in overall physicalmodel,and asmeasured bymovements andmooring force,the allowed operating andmooring wave height and period of 450,000 t and 100,000 t crude oil ship were obtained.The results show that themaximum longitudinal and transversemovement should be less than 2m.The allowed operating wave height and period in current code is appropriate for 100,000 t crude oil tanker,while under the action of single transverse wave,the allowed operating wave height of 450,000 t crude oil tanker can be increased to 2.0m,and the correspond?ing average wave period is 8 s.

crude oil tanker;movement;mooring force;impact force;model test

TV 143；O 242.1

A

1005-8443（2015）03-0185-06

2014-06-09；

2014-08-07

李焱（1972-），男，江西省人，副研究員，主要從事港口與航道工程方面研究工作。

Biography：LI Yan（1972?），male，associate professor.