纜繩初張力對(duì)系泊船舶的影響

陳　奇，鄭寶友，唐志波（.浙江海洋學(xué)院海運(yùn)與港航建筑工程學(xué)院，浙江舟山　360；.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津　300456）

纜繩初張力對(duì)系泊船舶的影響

陳奇1，鄭寶友2，唐志波1
（1.浙江海洋學(xué)院海運(yùn)與港航建筑工程學(xué)院，浙江舟山316022；
2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

以某開(kāi)敞式LNG接收站碼頭工程為例，通過(guò)系泊船物理模型實(shí)驗(yàn)，在不同纜繩初張力下，針對(duì)26.6萬(wàn)m3和17.7萬(wàn)m3兩種LNG船型進(jìn)行了多種環(huán)境載荷下的纜繩張力和船舶運(yùn)動(dòng)量研究。以減小系泊船舶運(yùn)動(dòng)量和均勻化各纜力為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)不同初張力下LNG船舶系泊狀態(tài)時(shí)的運(yùn)動(dòng)量和系纜力以及纜力均勻性進(jìn)行了分析，為碼頭工程設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

系泊船舶；初張力；運(yùn)動(dòng)量；系纜力；系纜力分布

船舶的系泊條件一直是港口設(shè)計(jì)和使用過(guò)程中比較關(guān)心的問(wèn)題，特別是近年來(lái)隨著港口建設(shè)的發(fā)展，開(kāi)敞式碼頭逐漸增多，且均具有大型化、深水化特征，停泊區(qū)普遍存在浪大、流急的情況，對(duì)碼頭船舶的停泊條件提出了挑戰(zhàn)。對(duì)于船舶系泊問(wèn)題，通常是利用物理模型試驗(yàn)對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行模擬，得到所需參數(shù)為實(shí)際工程提供系泊條件，而達(dá)到優(yōu)化系泊系統(tǒng)的有效途徑就是調(diào)整系纜方式，其中包括系纜數(shù)量、纜繩初張力等因素。其中纜繩初張力是指通過(guò)船舶纜繩卷?yè)P(yáng)機(jī)（或其它調(diào)整纜繩的松緊程度的機(jī)械系統(tǒng)）人工加載于纜繩的力，主要用來(lái)控制船舶泊穩(wěn)。纜繩初張力不同時(shí)，船舶在環(huán)境動(dòng)力作用下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)將有一定的差別，進(jìn)而導(dǎo)致纜繩張力的變化。合理的纜繩初張力能有效減少船舶的運(yùn)動(dòng)量，均勻各個(gè)纜繩受力。

本文通過(guò)水池物理模型實(shí)驗(yàn)，以減小系泊船舶運(yùn)動(dòng)量和均勻化各纜力為優(yōu)化目標(biāo)，針對(duì)26.6萬(wàn)m3和17.7萬(wàn)m3兩種LNG船型在不同纜繩初張力下，在風(fēng)、浪、流環(huán)境載荷下的纜繩張力和船舶運(yùn)動(dòng)量進(jìn)行研究，為碼頭工程設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)條件和內(nèi)容

1.1實(shí)驗(yàn)條件1.1.1實(shí)驗(yàn)船型

設(shè)計(jì)船型為26.6萬(wàn)m3和17.7萬(wàn)m3，船型主尺度見(jiàn)表1。

表1　試驗(yàn)船型主尺度表Tab.1　Principle dimensions of test vessel

1.1.2纜繩布置

采用3-3-2-2的布纜方式，8個(gè)系纜墩上分別布置1 500 kN（三鉤）快速脫纜鉤。系纜纜繩采用高分子量高密度聚乙烯纜（HMPE）及11 m長(zhǎng)的尼龍纜尾索。

1.1.3實(shí)驗(yàn)水位

設(shè)計(jì)高水位4.71 m。

截止隨訪日期，共納入的62例前列腺癌患者，中位總生存時(shí)間（median overall survival，mOS）為（13.68±5.79）月，中位無(wú)進(jìn)展生存期時(shí)間（median progression free survival，mPFS）為（7.19±3.93）月，患者10個(gè)月的生存率為74.2%、15個(gè)月的生存率為38.7%、20個(gè)月的生存率為14.5%?？偵鏁r(shí)間（OS）曲線見(jiàn)圖1，表明患者總的生存率隨時(shí)間的推進(jìn)而逐漸降低；無(wú)進(jìn)展生存期時(shí)間（PFS）曲線見(jiàn)圖2，表明患者總的無(wú)進(jìn)展生存率隨時(shí)間的推進(jìn)而逐漸降低。

1.1.4系泊工況

纜繩初張力為140 kN和100 kN兩種情況；風(fēng)速20 m/s，吹開(kāi)風(fēng)90°；流速V=0.11 m/s，與碼頭呈8°夾角；波高H4%=1.5 m周期分1.2 s和1.5 s兩種，橫向浪90°。

1.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

測(cè)定在風(fēng)、浪、流耦合作用下兩種船型在140 kN和100 kN兩種不同初張力下船舶的運(yùn)動(dòng)量、纜繩的受力情況以及受力均勻性。

2　模型概況

2.1模型設(shè)計(jì)

由于碼頭區(qū)域海底地形平緩，根據(jù)試驗(yàn)要求，不考慮地形影響，模型地型取平底.碼頭等水工建筑物到造波機(jī)的距離大于6～7倍波長(zhǎng)，建筑物兩側(cè)垂直波向的方向上取3～6倍波長(zhǎng)，兩側(cè)邊界在不影響水流處設(shè)直立吸收式導(dǎo)波設(shè)施，防止波能橫向擴(kuò)散。波浪傳播末端的開(kāi)邊界水域設(shè)消波裝置。

2.2船舶模擬

按照波浪模型實(shí)驗(yàn)規(guī)程要求，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅瘸呷?：60。模型按重力相似設(shè)計(jì)滿足以下條件：①幾何相似：模型船與原型船保持線性尺度相似；②靜力相似：采用配重方法，在適當(dāng)位置放置適當(dāng)?shù)闹匚?，使其符合不同載重時(shí)的重量及其分布要求，并保證重心的縱向和垂向位置相似；③動(dòng)力相似：對(duì)船模的質(zhì)量慣性矩進(jìn)行校準(zhǔn)，保證其橫搖及縱搖周期符合相似條件。

2.3纜繩模擬

纜繩的模擬主要考慮：①幾何相似，即原模型船舶上帶纜點(diǎn)和碼頭上帶纜點(diǎn)之間的距離相似；②彈性相似，即原模型纜繩受力-變形曲線滿足相似條件。模擬時(shí)，將艏艉纜、艏艉橫纜和艏艉倒纜中的各根纜合并進(jìn)行模擬。纜繩的受力-變形關(guān)系按Wilson經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

式中：Tm為模型纜繩拉力（N）；Cp為原型纜繩彈性系數(shù)，無(wú)實(shí)測(cè)值時(shí)，尼龍纜取Cp=1.540×104MPa；dp為原型纜繩直徑（m）；△S/S為原型纜繩相對(duì)伸長(zhǎng)；n為指數(shù)，纜繩為尼龍時(shí)n=3；λ為模型長(zhǎng)度比尺。

2.4護(hù)舷模擬

護(hù)舷模型主要模擬護(hù)舷的反力-變形曲線相似。試驗(yàn)中，每個(gè)系靠船墩上安裝1個(gè)護(hù)舷模型，4個(gè)系靠船墩共安裝4個(gè)。SUC2500H一鼓一板低反力型橡膠護(hù)舷的模擬結(jié)果如圖1，圖中紅色是設(shè)計(jì)護(hù)舷曲線，黑色是模擬護(hù)舷曲線，從中可知模擬效果較好。

圖1　護(hù)舷模擬結(jié)果Fig.1　Simulation result of fender

3　實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法

3.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在波浪水池中進(jìn)行，該水池長(zhǎng)40 m，寬30 m，深1.0 m。水池中配備不規(guī)則波造波機(jī)，可產(chǎn)生試驗(yàn)要求的不規(guī)則波浪，并設(shè)置了一定數(shù)量的潛水泵和相應(yīng)配套回水廊道，使之構(gòu)成可控生流系統(tǒng)，可在水池中產(chǎn)生所要求的恒定水流。

波高測(cè)試系統(tǒng)采用SG2000型波浪試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，其波高傳感器安裝在測(cè)架上可根據(jù)試驗(yàn)觀測(cè)需要，放置于模型水域中所關(guān)心的位置，并根據(jù)試驗(yàn)的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，以確保捕捉到大波。系纜力和撞擊力測(cè)量采用水工船模力綜合測(cè)試系統(tǒng)（TSG-2008）。水流測(cè)量采用多普勒三維流速測(cè)試系統(tǒng)。風(fēng)速測(cè)量采用熱線風(fēng)速風(fēng)量傳感器。船舶運(yùn)動(dòng)量測(cè)量采用FL-NH型非接觸式船模運(yùn)動(dòng)量測(cè)試系統(tǒng)。

3.2實(shí)驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)不規(guī)則波連續(xù)采集的波浪個(gè)數(shù)大于100個(gè)，采樣時(shí)間間隔為0.02 s，小于有效波周期的1/10，每組試驗(yàn)均重復(fù)3次以上，取每組最大值的平均值作為最終結(jié)果。船舶的6個(gè)運(yùn)動(dòng)量均指所采集的運(yùn)動(dòng)量時(shí)間歷程中各個(gè)峰、谷值中絕對(duì)值最大者，亦即船重心離開(kāi)平衡位置的最大值。對(duì)于纜繩，每組纜繩是由2根或3根纜繩合并成一根進(jìn)行模擬，表3所示為每組纜繩中單根纜繩的系纜力，忽略了每組中單根纜繩系纜力的不均勻性。

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1初張力對(duì)系泊船舶運(yùn)動(dòng)量的影響

表2列出了兩種船型不同初始力時(shí)的最大運(yùn)動(dòng)量。試驗(yàn)表明，初始力增大后，纜繩對(duì)船舶的束縛能力增強(qiáng)，當(dāng)相同動(dòng)力條件時(shí)，采用140 kN初始力的船舶運(yùn)動(dòng)量比100 kN時(shí)的整體上有減小趨勢(shì)。

表2　兩種不同初張力下LNG船的運(yùn)動(dòng)量最大值Tab.2 Maximum displacement of LNG ship in two different initial tension

4.2預(yù)張力對(duì)系纜力的影響

表3列出了兩種船型不同初始力時(shí)的最大單根系纜力對(duì)比情況。試驗(yàn)表明：初始力增大，系纜力略有增大，可能是纜繩彈性變小的緣故，但由于初始力增大，船舶運(yùn)動(dòng)量有所減小，也會(huì)使得系纜力減小，因此初始力增大對(duì)系纜力的影響是兩者綜合作用的結(jié)果，比較復(fù)雜，初始力的選擇，應(yīng)主要參考運(yùn)動(dòng)量的變化以及船舶自身?xiàng)l件而確定。

表3　兩種不同初張力下LNG船的系纜力最大值（kN）Tab.3　Maximum mooring force of LNG ship in two different initial tension

4.3預(yù)張力對(duì)系纜力分布的影響

定義船舶系纜力分布系數(shù)η：

式中：Fmin為所有纜繩中受力最小的纜力值（kN）；F為各位置纜繩的纜力值（kN）。

表4列出了在兩種不同纜繩初張力時(shí)的系纜力分布系數(shù)η的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從表中可以看出，纜繩初張力增大時(shí)，η值相對(duì)較小，表明適當(dāng)增加纜繩初張力可在一定程度上使纜繩張力分布均勻化。

表4　兩種不同初張力下LNG船各位置纜繩的η比較Tab.4　η of various mooring lines in two different initial tension

5　結(jié)語(yǔ)

隨著船舶大型化、專業(yè)化以及開(kāi)敞式碼頭的增多，船舶系、靠泊安全日益受到重視。LNG船由于其高危險(xiǎn)性，安全性要求極高，通過(guò)物理模型試驗(yàn)研究LNG船系、靠泊安全條件十分必要。本次試驗(yàn)較好的模擬了兩種不同初張力對(duì)系泊LNG船的影響，但由于模擬方法仍與實(shí)際引航靠泊情況有一定差距，也未對(duì)其他的初張力以及工況進(jìn)行研究，因此研究成果有一定的局限性，需要實(shí)際工程的檢驗(yàn)。

［1］郭劍峰，李焱，高峰，等.LNG船舶靠泊對(duì)護(hù)舷的撞擊力實(shí)驗(yàn)分析［J］.水道港口，2011，32（1）：24-27.

［2］李焱，鄭寶友，高峰，等.流浪作用下系泊船舶撞擊力和系纜力實(shí)驗(yàn)研究［J］.海洋工程，2007，25（2）：57-63.

［3］時(shí)恩哲，裴玉國(guó)，羅立群.開(kāi)敞式碼頭泊位長(zhǎng)度優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究［J］.應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，19（6）：894-899.

Effect of Initial Tension on Mooring Vessel

CHEN Qi1，ZHENG Bao-you2，TANG Zhi-bo1
（1.School of Shipping and Ports Architecture Engineering of Zhejiang Ocean University，Zhoushan316022；2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，Key Laboratory of Engineering Sediment，Ministry of Transport，Tianjin300456，China）

Based on physical model tests of an open sea LNG receiving terminal，a research aiming at the motions and mooring line tensions of the 26.6×104m3and 17.7×104m3liquefied natural gas（LNG）carrier was carried out using the way of different initial tension in a physical model test.A initial tension optimization plan was put forward focuses on reducing vessel movements and averaging line tensions distribution after analyzing different initial tension schemes，which scientific basis for the project designing.

mooring vessel；initial tension；vessel movement；line tension；line tensions distribution

U661.7

A

1008-830X（2015）04-0354-04

2014-06-10

中央級(jí)公益性科研院所專項(xiàng)資金項(xiàng)目（tks130203）

陳奇（1988-），男，浙江岱山人，碩士研究生，研究方向：船舶現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù).E-mail：771829811@qq.com