無(wú)動(dòng)力平臺(tái)供應(yīng)船碼頭系泊防臺(tái)風(fēng)方案的分析

楊永剛，馬牧原，姚戰(zhàn)鋒

(1.上海外高橋造船海洋工程有限公司，上海 201306；2.上海江南長(zhǎng)興重工有限責(zé)任公司， 上海 201913)

無(wú)動(dòng)力平臺(tái)供應(yīng)船碼頭系泊防臺(tái)風(fēng)方案的分析

楊永剛1，馬牧原2，姚戰(zhàn)鋒2

(1.上海外高橋造船海洋工程有限公司，上海 201306；2.上海江南長(zhǎng)興重工有限責(zé)任公司， 上海 201913)

上海臨港重裝備產(chǎn)業(yè)區(qū)位于杭州灣北岸入?？诘貐^(qū)，易受臺(tái)風(fēng)等災(zāi)害性天氣侵襲，給沿岸無(wú)動(dòng)力船舶防臺(tái)風(fēng)工作帶來(lái)較大難度。針對(duì)無(wú)動(dòng)力平臺(tái)供應(yīng)船在建造過(guò)程中需要在碼頭進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的舾裝作業(yè)，極易受到臺(tái)風(fēng)影響的問(wèn)題，為保證船舶安全，利用Hydro Star和Ariane等軟件工具，分析某無(wú)動(dòng)力平臺(tái)供應(yīng)船的系泊帶纜防臺(tái)風(fēng)方案，驗(yàn)證系泊期間纜繩受力情況。該方案滿足防臺(tái)風(fēng)系泊要求，避免了移泊錨地所產(chǎn)生的費(fèi)用。

平臺(tái)供應(yīng)船；碼頭系泊；方案論證

0 引言

近年來(lái)，隨著海洋資源開(kāi)發(fā)力度的持續(xù)加強(qiáng)，海洋工程船的種類(lèi)和功能不斷發(fā)展和完善，相繼出現(xiàn)了一些功能多、綠色環(huán)保的新船型，其中，專(zhuān)為鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)的平臺(tái)供應(yīng)船(Platform Supply Vessel， PSV)是一種有代表性的船舶。以PX-121型為例，該船型是ULSTEIN公司設(shè)計(jì)的先進(jìn)的電力推進(jìn)PSV船，最大特點(diǎn)是采用X-BOW專(zhuān)利型船艏，配備全動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)和DP2動(dòng)力定位系統(tǒng)，能裝載多種貨物以及油料，具備對(duì)外消防能力，可適應(yīng)歐洲北海等較為惡劣的天氣和海況，具有靈活性高、裝載能力大、噪聲小、油耗低，方便近海及碼頭補(bǔ)給、海工作業(yè)擴(kuò)張性強(qiáng)等特點(diǎn)，但其建造技術(shù)和管理難度遠(yuǎn)高于散貨船、油船等傳統(tǒng)船型，是一種高附加值船型。

由于建造單位處于上海臨港重裝備產(chǎn)業(yè)區(qū)，位于杭州灣北岸入?？诘貐^(qū)，每年6月～10月間易受到西北太平洋的臺(tái)風(fēng)侵襲。臺(tái)風(fēng)給生產(chǎn)作業(yè)活動(dòng)及安全管理工作帶來(lái)不小的影響，特別是對(duì)建造過(guò)程中碼頭系泊的無(wú)動(dòng)力PSV船，造成巨大的破壞，嚴(yán)重時(shí)纜繩斷裂，威脅洋山跨海大橋等重要設(shè)施及人員安全。因此，采取積極措施抵御臺(tái)風(fēng)侵襲，減少或降低臺(tái)風(fēng)對(duì)無(wú)動(dòng)力PSV船造成的影響，可有效減少臺(tái)風(fēng)期間安全隱患發(fā)生。

目前，國(guó)內(nèi)技術(shù)人員對(duì)于無(wú)動(dòng)力船舶碼頭系泊防臺(tái)風(fēng)方案已經(jīng)有了深入研究。袁章新等[1]對(duì)大型散貨船在長(zhǎng)江口地區(qū)的防臺(tái)風(fēng)系泊方案進(jìn)行了研究；李峰等[2]選取廣州地區(qū)VLCC船為研究對(duì)象進(jìn)行了防臺(tái)風(fēng)系泊方案研究。此外，岳智君等[3]、劉成勇等[4]也針對(duì)大型艦船進(jìn)行了防臺(tái)風(fēng)系泊方案的研究，并形成了較為成熟的理論。但上述研究多選取散貨船、油船等傳統(tǒng)船型作為研究對(duì)象，且研究方法以手工數(shù)據(jù)定量分析或定性分析為主，而對(duì)于以PSV船為代表的高附加值船在建造過(guò)程中的系泊防臺(tái)風(fēng)研究較少，實(shí)踐中也缺少資料指導(dǎo)相關(guān)工作開(kāi)展。因此，本文以建造過(guò)程中碼頭系泊無(wú)動(dòng)力PSV船為研究對(duì)象，探討船舶受力情況，并利用Hydro Star和Ariane等軟件，計(jì)算討論該船型碼頭系泊防臺(tái)風(fēng)的可行性，為今后類(lèi)似產(chǎn)品或同類(lèi)地區(qū)碼頭系泊防臺(tái)風(fēng)提供參考。

1 上海臨港地區(qū)水文氣象條件特征

臨港重裝裝備產(chǎn)業(yè)區(qū)地處杭州灣北岸入?？诘貐^(qū)，位于亞熱帶南緣，屬東亞季風(fēng)盛行地區(qū)。由于與東海緊鄰，境內(nèi)水網(wǎng)密布，受冷暖空氣交替影響，溫暖濕潤(rùn)，雨量充沛，四季分明。本文研究的工程海域緊鄰蘆潮港客運(yùn)碼頭，年平均氣溫15.7 ℃，年平均降水量1 174.2 mm，年平均霧日數(shù)：28.3 d。

臨港工程海域的惡劣風(fēng)況主要為臺(tái)風(fēng)期的東南東向風(fēng)。觀測(cè)期間，冬季偏北大風(fēng)影響相對(duì)較小，沒(méi)有出現(xiàn)大于7級(jí)的大風(fēng)。從工程海域各向風(fēng)速頻率圖可以看出：工程海域的年常風(fēng)向?yàn)闁|南東、南東、北方向。工程水域?qū)儆诒眮啛釒эL(fēng)氣候區(qū)，冬季受北方冷高壓控制盛行偏北風(fēng)；夏季受太平洋副熱帶高壓控制，盛行偏南風(fēng)，又常遭受熱帶氣旋的影響和侵襲。春、秋季風(fēng)向交替變化，風(fēng)向的季節(jié)變化明顯。當(dāng)年10月～翌年2月的常風(fēng)向?yàn)槠毕颍?月～9月的常風(fēng)向?yàn)槠珫|南向。工程海域大風(fēng)日數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：每年6級(jí)風(fēng)天數(shù)至少25 d。

2 船舶碼頭系泊防臺(tái)風(fēng)分析研究

2.1 無(wú)動(dòng)力船舶及纜繩系泊

無(wú)動(dòng)力船舶一般是指自身沒(méi)有動(dòng)力裝置的船舶或在碼頭階段進(jìn)行舾裝作業(yè)時(shí)動(dòng)力解除的新建或修理船舶[4]。

通常情況下，無(wú)動(dòng)力船舶防臺(tái)風(fēng)可選擇的方式主要包括碼頭系泊防臺(tái)風(fēng)和錨泊地防臺(tái)風(fēng)。而碼頭系泊防臺(tái)風(fēng)是一種重要的防臺(tái)風(fēng)方法[5]，可以有效避免臺(tái)風(fēng)來(lái)臨前由于預(yù)警時(shí)間不足而無(wú)法拖帶出港防臺(tái)風(fēng)等情況，另外也可以有效地節(jié)省拖船費(fèi)用。

碼頭系泊是船舶系泊的最基本方式，系泊方式效果的好壞主要受系泊模式和纜繩配置影響。系泊模式是指船舶與碼頭間系纜的幾何布置方式。通常情況下，在海浪、水流和風(fēng)力等動(dòng)力載荷的共同作用下，會(huì)產(chǎn)生多達(dá)6個(gè)維度的運(yùn)動(dòng)，包括了升降、橫向移動(dòng)、縱向移動(dòng)、橫向搖動(dòng)、縱向搖動(dòng)、舷尾搖動(dòng)等。系泊模式應(yīng)能抵抗從任何方向來(lái)的外力。

常規(guī)分析時(shí)，可以簡(jiǎn)單地考慮風(fēng)力、海浪、水流、纜繩等對(duì)船舶的綜合作用，把外力分解為縱向和橫向分力。無(wú)論是艏艉風(fēng)還是橫風(fēng)，纜繩在各個(gè)方向上提供的約束力要均衡，防止出現(xiàn)一個(gè)方向上纜繩張力儲(chǔ)備很大，而另一方向上纜繩達(dá)到極限載荷出現(xiàn)隱患。纜繩配置中需考慮人工盤(pán)纜允許的最大纜繩直徑，常規(guī)情況下，選取的鋼纜直徑約48 mm，纖維繩直徑約80 mm[6]。

2.2 船舶碼頭系泊受力分析原理

如前所述，在風(fēng)浪流等外部載荷的共同作用下，碼頭上系泊的船舶會(huì)發(fā)生多個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，纜繩和錨鏈會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，特別是在臺(tái)風(fēng)等惡劣海況下，系泊的船舶會(huì)產(chǎn)生大幅度運(yùn)動(dòng)，系泊纜繩和錨鏈存在斷裂危險(xiǎn)。因此，在臺(tái)風(fēng)等惡劣的海況條件下，有必要估算系泊纜繩和錨鏈的受力，并評(píng)價(jià)該系泊方案是否合理有效，能否有效抵御臺(tái)風(fēng)來(lái)襲。

目前在計(jì)算船舶碼頭系泊防臺(tái)風(fēng)數(shù)值計(jì)算模型方面，主要用到的模型包括《港口工程荷載規(guī)范》(JTS 144-1-2010)、《OCIMF MEG3(2008)》及《Unified Facilities Criteria Design: Moorings》等。本文基于《OCIMF MEG3(2008)》船舶系泊規(guī)范進(jìn)行研究。

2.2.1 風(fēng)力計(jì)算

風(fēng)力計(jì)算見(jiàn)式(1)～式(3)。

(1)

(2)

(3)

式中：FXω為縱向風(fēng)力，N；CXω為縱向風(fēng)力系數(shù)；ρω為空氣密度，kg/m3；Vω為10 m海拔風(fēng)速，m/s；AT為正向受風(fēng)面積，m2；FYω為橫向風(fēng)力，N；CYω為橫向風(fēng)力系數(shù)；AL為舷側(cè)(側(cè)向)受風(fēng)面積，m2；MXYω為風(fēng)力偏航力矩，N·m；CXYω為風(fēng)力偏航力矩系數(shù)；LBP為兩柱間長(zhǎng)，m。

風(fēng)力系數(shù)CXω、CYω、CXYω根據(jù)風(fēng)向角、裝載狀況及船艏形狀可在OCIMF資料中查到。

2.2.2 流力計(jì)算

流力計(jì)算見(jiàn)式(4)～式(6)。

(4)

(5)

(6)

式中:FXc為縱向流力，N；CXc為縱向流力系數(shù)；ρc為水密度，kg/m3；Vc為吃水范圍平均流速，m/s；T為平均吃水，m；FYc為橫向流力，N；CYc為橫向流力系數(shù)；MXYc為流力偏航力矩，N·m；CXYc為流力偏航力矩系數(shù)。

流力系數(shù)CXc、CYc、CXYc根據(jù)流向角、水深吃水比、裝載狀況及船艏形狀在OCIMF資料中查到。

2.2.3 纜繩系泊模型計(jì)算

纜繩系泊模型計(jì)算見(jiàn)式(7)。

(7)

式中：N為系纜力標(biāo)準(zhǔn)值；∑Fx、∑Fy分別為可能同時(shí)出現(xiàn)的風(fēng)浪流對(duì)船舶作用產(chǎn)生的縱向和橫向風(fēng)力總和；K為系船柱受力分布不均勻系數(shù)；n為計(jì)算船舶同時(shí)受力的系船柱數(shù)目。

2.3 無(wú)動(dòng)力PSV船碼頭系泊分析

碼頭系泊防臺(tái)風(fēng)期間采用鋼纜和纖維纜繩相結(jié)合的方式進(jìn)行布置，其系泊示意圖如圖1所示。

在式(1)～式(7)計(jì)算公式中，輸入研究船型主要數(shù)據(jù)參數(shù)等，即可計(jì)算出船舶在系泊期間的受力情況，并通過(guò)對(duì)比纜繩和鋼纜受力載荷來(lái)分析船舶在碼頭系泊防臺(tái)風(fēng)的可行性。

無(wú)動(dòng)力船舶的船體及錨鏈纜繩主要數(shù)據(jù)指標(biāo)分別見(jiàn)表1～表4。

表1 船體尺寸 m

裝載狀態(tài)壓載型長(zhǎng)76．5型寬18型深8

表2 系纜孔位置 m

系纜孔X方向Y方向Z方向1號(hào)-38．252．0010．92號(hào)28．69-5．7413．83號(hào)33．15-2．8013．84號(hào)9．569．0010．95號(hào)-14．309．0010．96號(hào)-38．25-2．0010．97號(hào)36．30010．9

表3 壓載狀態(tài)船體屬性表

表4 錨鏈屬性表

錨鏈號(hào)錨鏈長(zhǎng)度/m錨鏈型號(hào)錨鏈直徑/mm1號(hào)第1段110ORQ?studless581號(hào)第2段140Spiral422號(hào)第1段108ORQ?studless582號(hào)第2段142Spiral423號(hào)162ORQ?studless584號(hào)20尼龍纖維繩605號(hào)20尼龍纖維繩606號(hào)14尼龍纖維繩807號(hào)12尼龍纖維繩80

本文基于上述公式原理，采用更為便捷和準(zhǔn)確的Hydro Star和Ariane軟件進(jìn)行系泊力計(jì)算分析。計(jì)算風(fēng)浪流對(duì)船舶的作用力，并根據(jù)系泊方案計(jì)算纜繩和錨鏈上的受力，分析判斷PSV船在碼頭系泊期間的纜繩和鋼纜受力情況是否滿足纜繩和錨鏈的最大破斷力要求，從而判定碼頭系泊防臺(tái)風(fēng)方案的可行性。

Hydro Star是用來(lái)分析波浪對(duì)船體造成的二階力，得出的Drift load文件內(nèi)容為波浪二階力矩陣，可在后期直接導(dǎo)入至Ariane軟件中。Ariane是一款高效的系泊分析軟件，可以廣泛應(yīng)用于解決多體問(wèn)題的靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)時(shí)域分析。本文主要用Ariane來(lái)分析錨泊系統(tǒng)。

2.3.1 Hydro Star建模及水動(dòng)力分析

利用已知數(shù)據(jù)在Hydro Star上建模，并進(jìn)行水動(dòng)力分析，得出二階力矩陣。船體網(wǎng)絡(luò)模型圖如圖2所示。

2.3.2 模擬臺(tái)風(fēng)海況分析

根據(jù)工程海域水文氣象(風(fēng)力玫瑰圖及漲落潮流速表格)條件，選出3種不同工況下的各個(gè)朝向的風(fēng)速和流速，其屬性見(jiàn)表5。1號(hào)、3號(hào)海況由于岸線和引橋等掩護(hù)，波高達(dá)不到最大值2.4 m，因此海況1取2 m波高，海況2取1 m波高。

表5 3種海況的風(fēng)浪流屬性

海況風(fēng)速/(m·s-1)風(fēng)向/(°)流速/(m·s-1)流向/(°)浪高/m浪向/(°)海況1122700．602702．0270海況220901．50902．490海況3111800．431801．0180

海況1：南向風(fēng)浪分析

海況1為風(fēng)浪流都從船艏270°方向過(guò)來(lái)，只有圖1中左側(cè)3根錨鏈?zhǔn)芰?，?號(hào)、2號(hào)和3號(hào)錨鏈?zhǔn)芰Α?/p>

根據(jù)3根錨鏈的軸向受力圖，經(jīng)分析可知，1號(hào)錨鏈所受最大軸向力約為932 kN；2號(hào)錨鏈所受最大軸向力約為1 184 kN；3號(hào)錨鏈所受最大軸向力約為63 kN，皆不大于1 200 kN，滿足破斷要求。

海況2：西向風(fēng)浪分析

海況2為風(fēng)浪流都從船艏180°方向過(guò)來(lái)，只有斜鏈?zhǔn)芰?，橫鏈達(dá)不到受力狀態(tài)，即1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)錨鏈?zhǔn)芰?。主要受力鏈條為4號(hào)和5號(hào)，而1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)受力較小，只起固定作用以防止船身受力旋轉(zhuǎn)。

根據(jù)5根錨鏈的軸向受力圖，經(jīng)分析可知1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)鏈條整體受力較小，可忽略不計(jì)。而4號(hào)纜繩所受最大軸向力約為3 88 kN；5號(hào)纜繩所受最大軸向力約為456 kN，皆不大于480 kN，滿足破斷要求。

海況3：北向風(fēng)浪分析

海況3為風(fēng)浪流都從船艏90°方向過(guò)來(lái)，只有右側(cè)4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)錨鏈?zhǔn)芰Α?/p>

根據(jù)4根錨鏈的軸向受力圖可知，4號(hào)纜繩所受最大軸向力約為478 kN，5號(hào)纜繩所受最大軸向力約為378 kN，皆不大于480 kN，滿足破斷要求；6號(hào)纜繩所受最大軸向力約為1 062 kN，7號(hào)纜繩所受最大軸向力約為910 kN，皆不大于1 200 kN，滿足破斷要求。

3 結(jié)論

本文根據(jù)蘆潮港水文地理環(huán)境，選取了3種最?lèi)毫拥暮r進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算得出：2號(hào)錨鏈所受最大軸向力最大，約為1 184 kN，小于該錨鏈的破斷力1 200 kN，其他錨鏈和纜繩所受最大軸向力皆遠(yuǎn)小于其本身的破斷拉力。最終得出結(jié)論：PSV船所有系泊錨鏈和纜繩都滿足破斷要求，該系泊方案滿足碼頭防臺(tái)風(fēng)系泊要求，可以有效地消除安全隱患，并避免移泊錨地所產(chǎn)生的費(fèi)用。

[1] 袁新章，屠海洋，丁林森.H1002船開(kāi)錨系泊系統(tǒng)抗臺(tái)風(fēng)安全論證[J].交通部上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報(bào)，2004，27(1):14-33.

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2017-02-20

楊永剛(1983—)，男，碩士研究生，工程師，主要從事船舶及海洋工程等項(xiàng)目的安全生產(chǎn)、涂裝管理工作;馬牧原(1991—)，男，助理工程師，從事船舶工藝工法設(shè)計(jì)工作；姚戰(zhàn)鋒(1983—)，男，助理工程師，從事安全生產(chǎn)技術(shù)研究工作。

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