大型浮船塢牽引力計(jì)算分析

陳曉華 張 瑩

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

大型浮船塢牽引力計(jì)算分析

陳曉華 張 瑩

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

為分析浮船塢牽引船舶入塢時(shí)的牽引力，以指導(dǎo)牽引設(shè)備的選型或入塢操作，介紹一種浮船塢牽引船舶入塢所需牽引力的計(jì)算方法，并根據(jù)船型資料，計(jì)算牽引力的大小，并對(duì)浮船塢牽引設(shè)備的選型進(jìn)行分析。牽引力的計(jì)算方法為類(lèi)似浮船塢設(shè)計(jì)或?qū)嶋H入塢工程的操作提供了重要的理論支持。

浮船塢；牽引方式；牽引力計(jì)算；牽引設(shè)備

引 言

浮船塢是一種在海上對(duì)船舶或海上浮式結(jié)構(gòu)物進(jìn)行維修和建造的大型浮動(dòng)平臺(tái)。對(duì)船舶進(jìn)行維修和改裝之前，需要依靠浮船塢上的牽引設(shè)備將船舶牽引入塢。維修完成后再利用牽引設(shè)備將承修船舶牽引出塢。每一型浮船塢能否對(duì)目標(biāo)船型順利地進(jìn)行進(jìn)出塢操作，主要取決于浮船塢上牽引設(shè)備的能力。

在浮船塢的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要根據(jù)所承修的最大船型，對(duì)牽引力進(jìn)行合理分析，并對(duì)牽引設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x型。特別是對(duì)大型浮船塢而言，通常其承修船舶的尺度較大，在進(jìn)出塢時(shí)受到環(huán)境力的影響很大。因此，更需要在一定的環(huán)境條件下，對(duì)船舶進(jìn)出塢的牽引力進(jìn)行合理分析，來(lái)指導(dǎo)牽引設(shè)備的選型。

本文以某大型浮船塢為例，提出合理的環(huán)境條件，對(duì)牽引最大船型時(shí)的牽引力進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)牽引設(shè)備的選型進(jìn)行分析。

1 牽引系統(tǒng)及牽引方式

牽引系統(tǒng)包括牽引設(shè)備和牽引的目標(biāo)船型。對(duì)牽引力進(jìn)行計(jì)算，首先應(yīng)明確牽引系統(tǒng)的布置以及對(duì)進(jìn)塢船舶的牽引方式。

1.1 牽引設(shè)備布置

該船塢牽引設(shè)備主要包括牽引定位絞車(chē)、導(dǎo)軌、導(dǎo)向滑輪、引船小車(chē)和牽引纜繩等。牽引設(shè)備布置于浮船塢頂甲板，具體布置見(jiàn)圖1。

1.2 牽引目標(biāo)船型

考慮該型浮船塢承載的最大船型，牽引目標(biāo)為大型FPSO（浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置），其主要尺度見(jiàn)表1。

表1 牽引目標(biāo)船型尺度m

1.3 牽引方式

浮船塢牽引FPSO入塢，從浮船塢尾部附近開(kāi)始牽引。絞車(chē)?yán)|繩通過(guò)導(dǎo)向滑輪連接引船小車(chē)，將牽引纜一端連接小車(chē)，另一端連接FPSO首部拖帶纜樁。通過(guò)絞車(chē)收放纜繩拉動(dòng)引船小車(chē)，將FPSO緩緩牽引入塢。FPSO入塢方式見(jiàn)圖3。

2 環(huán)境力分析

2.1 環(huán)境條件

浮船塢牽引設(shè)備的牽引力主要取決于最大進(jìn)出塢船舶所受的環(huán)境力。因此，牽引力的計(jì)算需要確定合適的環(huán)境條件，才能得到合理的計(jì)算結(jié)果。

入塢船舶受到的環(huán)境力與浮船塢牽引船舶時(shí)所處的環(huán)境有關(guān)，本文所述浮船塢所處位置如圖4所示。浮船塢右側(cè)受防波堤保護(hù)，前方是碼頭，主要受到船尾部和左側(cè)的海流及各個(gè)方向的風(fēng)力影響。

對(duì)海流的影響而言，進(jìn)出塢時(shí)，考慮到船舶都是頂流；對(duì)于平潮進(jìn)出塢的，水流速度可以取值很低［1］。風(fēng)力的影響主要隨風(fēng)速和風(fēng)向的變化而變化，通常浮船塢進(jìn)出塢作業(yè)時(shí)，風(fēng)級(jí)應(yīng)不大于5級(jí)［2］，從安全性考慮，應(yīng)盡量選擇頂風(fēng)時(shí)進(jìn)塢。牽引力的計(jì)算，需要確定流速、風(fēng)速和環(huán)境力方向。

根據(jù)頂風(fēng)、頂流的原則，同時(shí)結(jié)合入塢時(shí)所處的位置，牽引過(guò)程中受到的環(huán)境條件如圖5所示。

此外，風(fēng)速和流速的確定，一方面要考慮船東對(duì)浮船塢使用條件的要求；另一方面，考慮到最大船型的船舶入塢并非浮船塢塢修的常態(tài)，過(guò)高的環(huán)境要求也并非必要。綜合考慮，本文計(jì)算取用風(fēng)速VW= 21 kn（約10.8 m/s，5級(jí)風(fēng)）， 流速VC= 1 kn。

2.2 環(huán)境力計(jì)算

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)環(huán)境力的計(jì)算通常只有首向和側(cè)向環(huán)境力，對(duì)于其他方向的環(huán)境力，可按式（1）進(jìn)行轉(zhuǎn)換［3］：

式中：Fφ為斜向環(huán)境力， N；Fx為首向環(huán)境力， N；Fy為側(cè)向環(huán)境力， N；φ為環(huán)境力方向（相對(duì)于船首的角度，文中 φ為 0°和15°）。

2.2.1 風(fēng)力計(jì)算

作用在FPSO上的穩(wěn)定風(fēng)力可按式（2）計(jì)算：

式中：FW為風(fēng)力，N； CW為風(fēng)力系數(shù)，取0.615 N·s/m；Cs為形狀系數(shù)；Ch為高度系數(shù)；A為每個(gè)受風(fēng)面的投影面積，m2；VW為設(shè)計(jì)風(fēng)速，m/s。

2.2.2 海流力計(jì)算

對(duì)FPSO來(lái)說(shuō)，海流力可按下式（3）計(jì)算［3-4］：

式中：Fcx為首向流力，N；Cc為流力系數(shù)，首向或尾向取2.89 N·s2/m4，側(cè)向海流力取72.37 N·s2/m4；S為包括附體的船體濕表面積，m2；VC為設(shè)計(jì)流速，m/s。

根據(jù)以上風(fēng)力和海流力的計(jì)算公式，將FPSO的實(shí)船參數(shù)代入，得到在所要求環(huán)境條件下的環(huán)境力，如表2所示。

表2 環(huán)境力計(jì)算結(jié)果

3 牽引力計(jì)算

浮船塢對(duì)入塢船舶的牽引力即是與入塢船相連的牽引纜繩的受力。因此，數(shù)學(xué)計(jì)算模型圍繞牽引纜繩的受力情況和布置進(jìn)行分析。

3.1 參數(shù)及坐標(biāo)定義

根據(jù)FPSO的牽引方式，建立如圖6所示的坐標(biāo)系統(tǒng)，并定義牽引纜繩的布置角度。其中X軸沿浮船塢中心線(xiàn)，Y軸指向浮船塢左舷，Z軸向上。α角為牽引纜繩在X-Y平面上的投影與X軸的夾角，β角為牽引纜繩在Y-Z平面上的投影與Y軸的夾角。d為入塢船船首距浮船塢尾部的距離，φ為環(huán)境力合力的方向角。

3.2 數(shù)學(xué)模型建立

牽引力的計(jì)算主要是根據(jù)環(huán)境力求解牽引纜繩上所受的拉力，即牽引力FR。根據(jù)圖6中牽引纜繩的布置，可將牽引力FR分解到X、Y和Z三個(gè)方向上，即：FX、FY、FZ，如圖7所示。圖中角度α和β與3.1中的定義一致。

三個(gè)方向上的分力之間關(guān)系如下：

考慮到牽引船舶僅受環(huán)境力影響， FX為X方向上的環(huán)境分力，F(xiàn)Y為Y方向上的環(huán)境分力。則確定牽引船舶在X、Y方向上受到的環(huán)境分力即可求得牽引纜的牽引力。

3.3 牽引FPSO計(jì)算分析

大型FPSO的入塢，主要受到的環(huán)境力方向是朝船首向的。計(jì)算牽引力時(shí)，只考慮牽引纜繩克服沿X軸方向的環(huán)境受力。Y方向上的分力由實(shí)際入塢時(shí)船側(cè)的拖輪頂推抵消。

考慮兩根纜繩的受力，單根纜繩上X軸方向的受力Fx按式（8）計(jì)算：

式中：φ為環(huán)境力合力方向（相對(duì)于入塢船首的角度）；F為 環(huán)境合力。

因此，單根纜繩上的牽引力為：

在第3部分中，已確定了環(huán)境力F和環(huán)境力方向，α和β角取決于牽引纜繩的布置。根據(jù)圖6，在牽引FPSO時(shí)，纜繩從引船小車(chē)連接到FPSO船首的拖帶設(shè)備上綁扎，固定好后小車(chē)牽引船舶入塢。在入塢過(guò)程中，牽引纜繩的長(zhǎng)度保持不變。因此，纜繩的α和β角可根據(jù)初始狀態(tài)確定。一般入塢時(shí)，入塢船與浮船塢之間的間距d一般為20 ～ 50 m，間距越大，纜繩與X方向的角度越小，受力情況越好。本文按最不利情況考慮，d取20 m。纜繩與FPSO的連接位置取決于船首部拖帶設(shè)備的布置。按圖6所示，可確定α角度：

β角也可根據(jù)圖6的布置確定：

將表2中環(huán)境力的計(jì)算結(jié)果代入，可得到牽引FPSO時(shí)單根纜繩的牽引力FR，見(jiàn)表3。

表3 牽引力計(jì)算結(jié)果(FPSO)kN

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)表3中的計(jì)算結(jié)果，可以得到21 kn風(fēng)速和1 kn流速，不同環(huán)境力方向作用下?tīng)恳|繩上的最大牽引力，見(jiàn)下頁(yè)表4。

表4 最大牽引力kN

在表4中，單根牽引纜所需最大牽引力為427.2 kN，出現(xiàn)在牽引FPSO入塢，受到相對(duì)船首15°側(cè)向風(fēng)和流的環(huán)境力作用時(shí)。這主要是由于大型FPSO側(cè)向受風(fēng)面積較大，同時(shí)考慮了側(cè)向海流的原因。

浮船塢牽引船舶入塢的牽引力主要是由牽引絞車(chē)提供的，絞車(chē)工作負(fù)荷的選取以表4中的結(jié)果為基礎(chǔ)，但參考計(jì)算結(jié)果的同時(shí)，還應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況確定。在實(shí)際牽引過(guò)程中，特別是大型船舶入塢的情況，在船側(cè)和船尾會(huì)有拖船頂推或協(xié)助牽引，以彌補(bǔ)絞車(chē)牽引能力的不足，并防止環(huán)境條件突然變化造成的影響。此外，選擇多大工作負(fù)荷的絞車(chē)還應(yīng)綜合考慮大型船舶入塢的頻率、絞車(chē)成本、輔助拖船的使用情況等。一般情況下，選取工作負(fù)荷接近最大牽引力的工作絞車(chē)即可，不必過(guò)分要求絞車(chē)能力。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)合理分析入塢船舶所受的環(huán)境力，并結(jié)合浮船塢牽引船舶入塢的方式，提出了一種浮船塢牽引船舶入塢時(shí)牽引力的計(jì)算方法。通過(guò)計(jì)算結(jié)果，可以對(duì)浮船塢牽引設(shè)備的設(shè)計(jì)和選型提供理性的指導(dǎo)。同時(shí)，本文的計(jì)算方法還可拓展延伸至對(duì)浮船塢牽引一般船舶入塢的實(shí)際工程項(xiàng)目分析中，對(duì)牽引船舶入塢操作和入塢程序有一定的指導(dǎo)意義。

［1］邱崚. 浮船塢的設(shè)備［J］. 船舶設(shè)計(jì)通訊， 1993（2，3）：40.

［2］CB/T 3673-1995， 船舶進(jìn)出浮船塢技術(shù)要求［S］. 1995.

［3］Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structures［M］. Washington D C： American Petroleum Institute， 2005：66-67.

［4］葉邦全. 船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)（舾裝分冊(cè)）［M］. 第3版.北京： 國(guó)防工業(yè)出版社， 2013： 114.

［5］邱崚， 施正禮， 王延珍. 30萬(wàn)噸級(jí)浮船塢開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)綜述［J］. 船舶設(shè)計(jì)通訊， 2007（2）： 24-27.

信息動(dòng)態(tài)

MARIC作為主席單位主持ITTC“船舶營(yíng)運(yùn)性能委員會(huì)”日本會(huì)議

2017年1月18～20日，ITTC“船舶營(yíng)運(yùn)性能委員會(huì)”第五次會(huì)議在日本召開(kāi)，來(lái)自10個(gè)國(guó)家的12位委員參加了會(huì)議。作為本屆委員會(huì)的主席，中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院（MARIC）基礎(chǔ)研究部主任王金寶研究員主持了本次會(huì)議。

會(huì)議在經(jīng)過(guò)了激烈的爭(zhēng)論與討論之后，最終在淺水修正、剪切彈性模量的取值以及風(fēng)阻力修正等多個(gè)主要方面形成共識(shí)。對(duì)于中國(guó)提出的“基于三大主流船型開(kāi)展實(shí)船不同吃水試航”的建議，會(huì)議給予了極大關(guān)注，并同意將該建議納入下一屆委員會(huì)的研究?jī)?nèi)容。

此次會(huì)議圍繞實(shí)船測(cè)試等規(guī)程開(kāi)展了最后一次深入討論并達(dá)成共識(shí)，為即將向ITTC提交最后的版本創(chuàng)造了條件；主導(dǎo)了推薦給下一屆委員會(huì)的工作，為中國(guó)在下一屆委員會(huì)爭(zhēng)取主動(dòng)打下了基礎(chǔ)。此次會(huì)議的“人數(shù)之多、任期內(nèi)共召開(kāi)的會(huì)議之多（5次，每次會(huì)議用足3天）、討論爭(zhēng)論之激烈”也堪稱(chēng)ITTC所有委員會(huì)之最。中國(guó)人首次擔(dān)任“最艱難”委員會(huì)的主席，機(jī)遇和挑戰(zhàn)并存，但中國(guó)人的敬業(yè)和協(xié)調(diào)能力也受到了委員們的一致肯定。

Analysis and calculation of warping force for large fl oating dock

CHEN Xiao-hua ZHANG Ying
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

This paper introduces a method for the calculation of the required warping force while the fl oating dock is docking the ship to guide the selection or docking operation by analysis of the warping force. Based on the ship data, the warping force is calculated for the selection of the warping equipment on the fl oating dock. The calculation method of the warping force can provide important theoretical basis for the design of the similar floating docks and the practical docking operation.

fl oating dock; warping operation; calculation of warping force; warping equipment

U673.332

A

1001-9855（2017）01-0068-06

2016-07-19；

2016-08-08

陳曉華（1987-），男，工程師。研究方向：船舶與海洋工程舾裝設(shè)計(jì)與研究。張 瑩（1982-），女，高級(jí)工程師。研究方向：船舶與海洋工程舾裝設(shè)計(jì)與研究。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2017.01.068