新ISO 13795帶纜樁標準的開發(fā)、編制及驗證

桑 巍

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

特邀專欄

新ISO 13795帶纜樁標準的開發(fā)、編制及驗證

桑 巍

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

文章全面介紹了新ISO 13795帶纜樁標準的開發(fā)、編制及驗證全過程。在分析原ISO帶纜樁標準不足的基礎上，結合新的規(guī)范規(guī)則要求編制新ISO標準。通過簡單梁分析法、有限元方法及拉力試驗法進行分析、比較與驗證，結果證明：新型ISO 13795標準帶纜樁尺寸較小，質量較輕、結構合理、強度可靠，更適應船舶市場的需求。

ISO帶纜樁標準；結構強度；簡單梁；有限元法；拉力試驗

引 言

根據(jù)馬恩島政府2007年的統(tǒng)計報告,運營船舶由于系泊拖帶設備及錨泊設備引起的安全方面問題約占事故的18%，包括系泊設備被拉斷，特別是系泊設備的結構支撐被破壞的事情時有發(fā)生。

系泊拖帶舾裝設備需滿足新規(guī)范、法規(guī)和標準的要求，主要有IMO MSC/Circular.1175，IACS UR A2，OCIMF（Oil Companies International Marine Forum）MEG3 2008版和巴拿馬運河規(guī)則等要求。MSC/ Circular.1175與IACS UR A2均對系泊拖帶舾裝設備及結構加強的安全工作負荷、設計載荷、許用應力、腐蝕余量和系泊拖帶布置圖提出了新的要求。

面對遇到的事故和新的規(guī)范、規(guī)則，國際船舶行業(yè)急需更新帶纜樁的ISO標準。

1 原帶纜樁標準存在的主要問題

1.1 沒有完整統(tǒng)一的系泊拖帶舾裝設備國際標準

對于現(xiàn)有系泊拖帶舾裝設備（包括常用的導纜孔、導纜滾輪、滾柱導纜器、巴拿馬帶纜孔等），各個船廠只能使用本國的標準或企業(yè)標準，然而這些標準卻存在載荷和設計參數(shù)不同甚至矛盾的問題，缺少統(tǒng)一且各方一致認可的標準。

1.2 原ISO 3913-1977帶纜樁標準不完善

原ISO 3913-1977帶纜樁標準本身不夠完善，主要存在以下幾個方面：

（1）不適合作為產(chǎn)品標準。該標準只有帶纜樁柱的尺寸，卻沒有相應的底座及強度要求，而很多強度問題往往出現(xiàn)在樁柱與底座處。此外，原有帶纜樁的尺寸規(guī)格和分檔已經(jīng)不適宜船舶制造業(yè)的發(fā)展。

（2）標識不夠明確。該標準中僅注明單根纜繩的最大載荷，而未明確標注不同規(guī)格帶纜樁安全工作負荷，這兩個概念非常容易引起混淆和誤解。

（3）帶纜樁設計強度的基準不明確。該標準中的附錄A.1中，規(guī)定了帶纜樁的兩種受力模型：第一種模型，繞8字纜的模型，規(guī)定帶纜樁應能承受兩根8字纜的負荷，每根繞5圈左右，每根纜受最大拉力F；第二種模型，套圈纜的模型，規(guī)定帶纜樁應能承受一根繩端為套圈的纜繩套在帶纜樁一根樁柱上，纜繩受力高度為1.2倍樁柱直徑，纜繩受最大拉力為2F。此受力模型存在兩個問題：一是第一種模型沒有規(guī)定8字纜的受力高度限制；二是并未明確是第一種模型中的單根纜繩還是第二種模型中的單根纜繩同標準表格中的單根纜繩相對應，因而容易引起混淆。

（4）安全系數(shù)沒有明確。由于該標準中并未明確安全工作負荷，因此也未明確安全工作系數(shù)，僅僅在附錄A.2中提到了設計應力值，彎曲許用應力不超過材料屈服極限的85%，剪切許用應力不超過材料屈服極限的60%，換算成安全系數(shù)約為1.18左右。

（5）該標準沒有涉及到帶纜樁的船體結構加強強度。

（6）該標準尚未獲得IMO、船級社以及OCIMF等組織的認同，且不同組織對于該標準的理解也各不相同。

2 新ISO 13795帶纜樁標準中的主要修改內(nèi)容

2.1 關于MSC/Circular.1175和IACS UR A2的要求

近年生效的MSC/Circular.1175和IACS UR A2對系泊拖帶舾裝設備及結構加強的安全工作負荷（SWL）、設計載荷、許用應力和系泊拖帶布置圖均作出明確要求，在IACS UR A2中還增加了對腐蝕余量的要求。對于需滿足CSR的船舶船體支撐結構兩側總腐蝕余量應不小于CSR相關要求；而不需要滿足CSR的船舶的相應腐蝕余量應不小于2 mm。

2.2 關于帶纜樁型式的確定

中國船舶行業(yè)受日本影響較深，很多標準也是參照日本的JIS標準編制的，例如GB/T 554-1996

帶纜樁標準A型和JIS 2008-90帶纜樁近似。但因底座較大，故較重。以德國DIN標準為基礎的緊湊底座型帶纜樁，在世界范圍內(nèi)應用也較廣泛，其特點是輕且尺寸小。本次編制的標準包含以上兩種形式的帶纜樁，分別為A型和B型。從同等強度

下減輕舾裝件質量考慮，本次標準編制將緊湊底座型帶纜樁（A型）放在前面意即優(yōu)先推薦。

2.3 關于帶纜樁公稱直徑系列的確定

帶纜樁公稱直徑系列為150～600，考慮了中小

型船舶到大型船舶的廣泛適用。為增加公稱直徑檔次，使選用針對性更強且減輕實船質量，大部分帶纜樁的公稱直徑都分了A級、B級?？紤]實際帶纜操作的方便性，取消了600 mm直徑以上的帶纜樁，這樣帶纜樁的外形尺寸減小，布置也更方便，安全工作負荷已滿足當前最大型船舶的需求，如20 000標準箱集裝箱船、VLCC、ULCC、LNGC（210 000/270 000）等。有些B級分檔還滿足一些特殊的使用要求，如350B和400B考慮了巴拿馬運河的要求。

2.4 關于帶纜樁安全工作負荷（SWL）的標定方法、帶纜樁的強度校核方法以及帶纜樁的強度衡準

2.4.1 載 荷

帶纜樁設計用來承受系泊和（或）拖帶纜繩施加的載荷。如果在帶纜樁上系兩根纜繩，每根纜繩上適用的最大載荷為安全工作負荷（見標準中使用兩根繩的數(shù)據(jù)）。該受力工況下，纜繩應系得盡量低以減少樁柱上的彎曲應力。在一般的系泊狀態(tài)下，每個帶纜樁只系一根繩。

在帶纜樁系八字纜時，纜繩上載荷為P，帶纜樁所受的合力約為2P；如果在帶纜樁上系兩根纜繩，在樁柱的底部可承受4P的剪切載荷。

帶纜樁被設計成能承受如下載荷工況：

（1）工況1 -纜繩系泊時的彎曲載荷（系一根纜繩）

如圖1所示，帶纜樁承受一根纜繩載荷P，作用高度為基座以上4/5H處。

（2）工況2 -纜繩系泊時的剪切載荷（系兩根纜繩）

如圖2所示，在帶纜樁上系兩根纜繩，帶纜樁承受剪切外力4P，作用高度為樁柱的根部。

（3）工況3 -纜繩拖帶時的彎曲載荷

2.4.2 設計載荷和應力準則

當帶纜樁承受安全工作載荷的外力時,彎曲應力應不超過材料屈服極限的85%，剪切應力應不超過材料屈服極限的60%。

3 新ISO 13795標準關于帶纜樁的結構強度校核

3.1 簡單梁模型校核

3.1.1 系泊纜繩的彎曲應力校核

纜繩彎曲載荷作用在距底板4/5H處，纜繩產(chǎn)生的彎曲載荷為2P（參見圖1）產(chǎn)生彎矩M：

纜柱的剖面模數(shù)W：

式中：d、D分別為纜柱的外徑、內(nèi)徑，mm，而且要分別考慮到材料厚度的腐蝕。

彎曲正應力：

3.1.2 系泊纜繩的剪切應力校核

在使用兩根纜繩的情況下，帶纜樁設計為能承受兩根纜繩產(chǎn)生的剪切作用載荷4P，作用位置在纜柱底部，載荷示意圖見圖2。

剪切應力的計算考慮到實際參與剪切的面積，計算參考公式如下：

實際剪切面的面積：

式中：d、D分別為纜柱的外徑、內(nèi)徑，mm，而且要分別考慮到材料厚度的腐蝕。

剪切應力：

3.1.3 纜繩拖帶作用下的系泊纜繩彎曲應力校核

纜繩拖帶彎曲載荷作用在距底板4/5H處，纜繩產(chǎn)生的彎曲載荷為P；載荷示意圖見圖3；彎曲正應力的計算跟系泊彎曲載荷下的計算近似；所產(chǎn)生的彎矩M：

纜柱的剖面模數(shù)W以及彎曲正應力計算可分別參照式（2）、式（3）。

3.1.4 計算結果分析總結

校核帶纜樁的系泊工況，彎曲應力應不超過材料屈服極限的85%，彎曲應力實際計算值都在200 MPa左右，滿足許用應力的要求。校核帶纜樁的系泊和拖帶工況，剪切應力應不超過材料屈服極限的60%，一般在140 MPa左右，滿足許用應力的要求。

3.2 有限元法

（1）借助通用有限元軟件MSC/PATRAN 、NASTRAN，采用有限元分析的方法，對帶纜樁各工況下的結構強度進行計算及校核；有限元結構屬性、載荷的施加和計算結果的校核等均按照ISO 13795標準的規(guī)定。

（2）所有帶纜樁結構均采用殼體單元模擬，有限元單元間距依據(jù)各型號的結構進行適當調整；底座下的加強肘板結構因單元劃分需要，局部位置稍有調整。纜樁有限元計算模型示意圖見圖4，纜樁底座下結構有限元模型示意圖見圖5。

（3）邊界約束及載荷。在纜樁底座四周邊上施加x、y、z三個方向的簡支約束，借助剛性約束單元RBE2施加各工況載荷；系泊工況下的彎曲載荷、剪切載荷以及拖帶工況下的彎曲載荷施加示意圖見圖6—圖8。

（4） 計算結果分析總結。由有限元計算結果可知，計算結果基本滿足許用應力的要求，但在結構突變處和纜繩受力處會出現(xiàn)應力值過大的現(xiàn)象。根據(jù)經(jīng)驗，結構突變處和纜繩受力處都存在應力集中現(xiàn)象，但在帶纜樁實際使用中可忽略這些影響。OCIMF對舾裝件的有限元分析也有如下類似的解釋，在進行有限元分析時，由于突變的幾何形狀，約束及在載荷施加處會產(chǎn)生局部熱點，熱點處的應力會超過屈服極限。對于延伸性材料，這些局部的高應力區(qū)可以接受，因為這些區(qū)域的應力會重新分布，并不影響整個結構的安全。

由圖9和圖10中所示的應力分布可知，樁柱上的Von mises、 Normal、 Shear stress沿纜繩方向和垂向方向的平面對稱分布。此處需注意：圖中正應力的分布因牽涉到有限元單元法線方向的不同，云圖中看半圓柱的正應力分布規(guī)律即可；實際纜樁正應力分布關于XZ平面對稱，載荷施加是在X方向的情況下。

3.3 帶纜樁拉力試驗法

3.3.1 試驗條件

帶纜樁拉力試驗在具有國家計量中心認可和國際權威計量機構認證的機構進行，主要采用如下檢測儀器設備：

● 210-結構加載試驗系統(tǒng)

試驗用帶纜樁采用ISO 13795標準尺寸制造。帶纜樁的工裝、基座按照結構加載試驗系統(tǒng)工作臺的要求及試驗用帶纜樁的尺寸進行專門設計。

3.3.2 試驗項目

帶纜樁試驗項目是在結構加載試驗機上進行拉力試驗。試驗樣品選取ISO 13795標準中最常用的A型帶纜樁的450A、450B和B型帶纜樁的350A、350B 四檔。由于ISO標準的A型、B型中再使用450A、450B、350A、350B的分檔方法與國內(nèi)標準（GB）分檔方法不同，為防止因不同習慣而引起的差錯，故在本次試驗中分別作如下處理：將A型帶纜樁的450A、450B命名為A450、A450 Q （輕型）；將B型帶纜樁的350A、350B命名為B350、B350 Q （輕型）。

3.3.3 試驗負荷

帶纜樁的拉力試驗負荷需考慮到帶纜樁本身的磨損及腐蝕等余量，故取帶纜樁安全工作負荷（SWL）的1.35倍作為拉力試驗的試驗負荷。

● 帶纜樁A450（SWL = 77 t）

試驗負荷104 t

● 帶纜樁A450Q（SWL = 39 t）

試驗負荷 53 t

● 帶纜樁B350（SWL = 45 t）

試驗負荷 61 t

● 帶纜樁B450Q（SWL = 25 t）

試驗負荷 34 t

3.3.4 試驗狀態(tài)

試驗為水平加載，試驗用鋼絲繩壓制繩頭的一端頭與試驗液壓油缸端部為銷軸連接，鋼絲繩壓制繩頭另一端與工裝眼板用銷軸連接（如圖11所示）。每個試驗帶纜樁根分別設置13個應力測量點，其中單向應力片測量點6個，三向應力花測量點7個。

3.3.5 加載方式

每個帶纜樁試樣在負荷試驗前先進行預加載，然后進行正式加載。正式加載是按照試驗負荷的大小分級進行，每級保持負荷5 min，最終加載至試驗負荷，持負荷5 min后再卸載至0。每個規(guī)格帶纜樁的試驗負荷分級在檢測報告都有明確規(guī)定。

3.3.6 強度驗證

各個規(guī)格帶纜樁的強度驗證是以單向以及三向應力測量點的檢測結果匯總表和最大主應力—荷載曲線圖的形式提供檢測數(shù)據(jù)及報告，參見圖12。檢測結果分析則以B350帶纜樁為例，表1為B350帶纜樁單向測點與三向測點的應力結果。

表1 B350帶纜樁單向測點應力結果

由表1可見：1號測點的應力值最大，當荷載為610 kN時，最大應力達到372.8 MPa。

第5～10號測點的最大主應力-荷載曲線如圖13所示。

3.3.7 試驗室結論及建議

本次試驗針對4種規(guī)格的ISO 13795標準帶纜樁分別進行靜載及應力測試，試驗結果顯示：試樣整體結構完好，并未發(fā)現(xiàn)裂紋及明顯變形，符合要求。

本次試驗結果出現(xiàn)應力值局部超過屈服應力的情況，這種現(xiàn)象在結構使用中雖然是允許的，不影響帶纜樁整體結構強度；但仍建議對結構設計和生產(chǎn)工藝進行修改，盡量降低帶纜樁的局部應力。

拉力試驗也驗證了有限元計算的結果，但需引起注意的是：為減少可能產(chǎn)生應力集中的影響，在帶纜樁的制造過程中，應盡量避免采用不合理的生產(chǎn)制造工藝。

4 應用情況與展望

新型ISO 13795標準帶纜樁由于減小了結構尺寸且減輕了質量，故有效降低造船成本，提高了船的經(jīng)濟性。并且新標準的帶纜樁設計更為可靠，在腐蝕和磨損方面均妥善考慮，從而提高了船舶的安全性，減少船舶事故方面的經(jīng)濟損失。2012年“ISO_13795_2012（E）船用焊接帶纜樁”正式出版，新型ISO帶纜樁在各大船廠和設計單位很快獲得廣泛應用，迄今已在船舶行業(yè)應用約4 年。為更便于國內(nèi)造船行業(yè)使用，我國目前也在進行將ISO帶纜樁新標準轉化為國家標準的工作。與此同時，新型ISO帶纜樁在實際應用中所反映出的一些問題（如一些標準編輯上的問題），也已反映到ISO相關標技委，并作了修改。例如，帶纜樁同規(guī)格小型化后，帶纜樁的高度降低，原來習慣在一個帶纜樁上帶很多圈纜或兩根纜的一些船員會覺得不習慣。

綜上所述，新型ISO帶纜樁的眾多優(yōu)點使其得到廣泛應用，而在使用中所反饋的問題都將成為后期修訂標準和轉化國標工作的很好借鑒。我們希望不斷完善的ISO帶纜樁標準能夠更好地服務造船行業(yè)。

［1］ MSC. PATRAN & MSC NASTRAN使用指南［M］.北京：BUAA，2002.

［2］ Mooring Equipment Guidelines 3rdEdition［S］.OCIMF 2008.

［3］ URAZ，shipboard fittings and supporting hull structure associated with towing and mooring on conventional vessels［S］. IACS 2006.

［4］ OP NOTICE TO SHIPPING NO.N-1-2016/Vessel Requirements［S］. PANAMA CANAL AUTHORITY 2016.

［5］ IMO. MSC/Circ. 1175 IMO Guidance on Shipboard Towing And Mooring Equipment［S］. 2005.

［6］ ISO. ISO 3913 Weldecl steel bollards［S］. 1977.

信息動態(tài)

MARIC中標國內(nèi)首制危險品應急指揮船設計

6月26日，中國船舶及海洋工程設計研究院（MARIC）成功中標深圳海事局 “海上危險品應急指揮船設計服務項目”，這是MARIC為深圳東部大鵬灣水域LNG船舶航行監(jiān)護、轄區(qū)危險品碼頭與作業(yè)水域的安全監(jiān)管、以及危險品事故現(xiàn)場應急指揮等用途而優(yōu)化開發(fā)的又一力作。

該船配備強大的綜合信息處理與實時傳輸系統(tǒng)，將擔當綜合應急現(xiàn)場移動指揮中心的重任；具備履行危險品作業(yè)監(jiān)管與護航的能力；可對現(xiàn)場LNG等危險氣體進行檢測與預警，能夠評估危險警戒區(qū)域范圍；擁有較好的自我防護與醫(yī)療應急救助功能，可在警戒區(qū)域內(nèi)安全航行，并實施人員撤離救助；同時在事故現(xiàn)場對溢油范圍、溢油擴散與漂移情況進行評估等多項功能。

MARIC已組織精干的設計團隊，將充分利用其在船舶智能化與信息化的研究成果，采用先進的設計理念進行船舶開發(fā)設計。該船的研制將為深圳大鵬灣LNG樞紐港的安全運行提供強而有力的保障。

Development, establishment and verif i cation of new ISO standard for bitt bollard

SANG Wei
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

The overall process of development, establishment and verification of a new ISO standard for bitt bollard have been introduced in this paper. The new ISO standard is established with consideration of the requirement of the new regulations and rules based on the analysis of the def i ciency of the old ISO standard. The new ISO standard for the bitt bollard is analyzed, compared and verif i ed to be characterized of the reasonable structure and the reliable strength through the simple beam analysis method, the finite element method and the pull experiment. In addition, the size and weight of the new ISO bitt bollard are reduced, which is more suitable for the demand of the shipbuilding market.

ISO standard for bitt bollard; structural strength; simple beam; fi nite element method; pull experiment

U671.91

A

1001-9855（2017）04-0001-08

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.04.001

2017-03-01；

2017-04-05

桑 ?。?973-），男，高級工程師。研究方向：船舶舾裝設計研究。