10萬噸甲板船鋼圓筒運輸、系泊安全技術(shù)探討

張軍

摘要：振華重工為港珠澳大橋東、西人工島建設(shè)建造了120根高45～52m直徑22m的大型鋼圓筒。由振華重工旗下的振華海服集團公司10萬噸甲板船運輸從上海—珠海，全程1600km 。運抵目的地后由振華海服設(shè)計院設(shè)計的4點浮筒系泊，確保了鋼圓筒順利運輸、系泊，為港珠澳大橋建設(shè)做出了貢獻。

關(guān)鍵詞：大型鋼圓筒 10萬噸運輸船航行 四點浮系泊

上海振華海洋工程服務(wù)（集團）有限公司是由原上海振華船運有限公司、上海振華港作輪公司、上海振華海運技術(shù)設(shè)計公司、上海龍源振華風電公司組成的在上海振華重工（集團）公司旗下的子集團公司。上海振華海服集團公司目前擁有24艘重大件運輸船，其中18艘為甲板運輸船，5艘為半潛船，1艘為風電安裝船。公司從1996年成立以來運輸了上千臺套大型鋼結(jié)構(gòu)及港機和海工產(chǎn)品，足跡遍布世界84個國家和地區(qū)，對重大件運輸有一定的心得。2011年舉世聞名的港珠澳大橋工程開始動工。經(jīng)過激烈的競爭，上海振華重工最終拿下了港珠澳大橋東西人工島的120根大型鋼圓筒的生產(chǎn)、運輸、安裝任務(wù)，上海振華海服集團公司受命120根大型鋼圓筒的運輸任務(wù)。下面我把如何確保10萬噸甲板船鋼圓筒運輸、系泊安全操作的應(yīng)對措施提出來供大家探討。

1 航行

1.1船舶信息

（1）主要參數(shù)

運輸船名：振華16

（2）主機功率、螺旋槳參數(shù)及推力

振華16輪運輸船主機最大持續(xù)功率1 505kW，轉(zhuǎn)速75rpm。螺旋槳直徑D=7.8m，靜水航速12節(jié)。

1.2貨物信息

鋼圓筒直徑22.0m，壁厚16mm，筒頂標高+3.5m，筒底標高為-37～-43m。筒重451.44～513.04t。為圓柱體。

1.3 航線

2014年5月22日，隨著一聲嘹亮的汽笛聲，振華16輪滿載9根鋼圓筒從上海振華重工長興分公司NO.6碼頭起航。從上海長興島出發(fā)至廣東珠海，航程1600km（863海里），經(jīng)過28、41、40海區(qū)。

圖1-2 上海長興島振華基地—廣東珠海航線圖（黑色粗線為振華16計劃航線）

從資料顯示40海區(qū)最惡劣氣象在每年的9-11月。從航行季節(jié)的水文、氣象、海況、航線及貨物特點來分析。振華16輪運輸9根大型鋼圓筒具有以下風險源。

（1）風險源

①船長、船員航行值班操作；

②氣象、海況影響（風、浪、流）、貨物移動；

③貨物受風面積大（風阻）、橫搖、縱搖對船舶航行影響。

（2）措施

①振華16滿載9根鋼圓筒后，駕駛臺視線受阻，進出港、進出錨地、通航密集區(qū)，船長必須派船頭瞭望人員協(xié)助駕駛員進行了望。駕駛臺瞭望及駕駛?cè)藛T必須經(jīng)常到兩翼甲板瞭望，利用船首APPAR雷達、AIS等助航儀器設(shè)備協(xié)助瞭望，確保航行安全。以上措施記入航海日志，作為本航次強制性規(guī)定。

②整個航線在11月份可能遇到最大浪高可達6m，故整個航行過程由weather news公司提供軟件系統(tǒng)進行氣象導航，確保船舶航行過程中在4m浪高以下，11月份整個航線中最惡劣海區(qū)為南中國海（40區(qū)），據(jù)此以40海區(qū)11月份的海浪6m有義波高作為極限浪高條件進行海運計算。詳細計算出在大風浪航行過程中船舶的縱、橫搖加速度，從而通過計算設(shè)計海綁，使貨物在整個航行過程中遭遇極端氣象時固定在船舶甲板上不會移動，確保船舶安全航行。另一方面也要科學分析合理計算不能過度綁扎，創(chuàng)造最佳經(jīng)濟效益。

“振華16”運輸船以5kn左右航速在8級風中頂風航行，所受的風力及水流力合力在110t左右，船的主機功率為12505kW，主機推力約在160噸左右能在8級風中頂風航行。在實際航行中振華16曾遇到了8～9級頂風，此時船速在4節(jié)左右基本與理論計算相符。通過6m有義波高下的加速度計算，按有關(guān)國際標準設(shè)計了海運綁扎，使海運綁扎能克服了振華16在滿載9根鋼圓筒時橫搖及縱搖產(chǎn)生的力，能順利通過浪高6m的海區(qū)，不致對振華16輪航行及貨物的綁扎產(chǎn)生危害。

③“振華16”裝運9鋼圓筒時橫向受風面積達8446 m2，初穩(wěn)性高在10.0m左右，橫向受風對船橫傾影響不大，穩(wěn)性滿足要求。根據(jù)計算，振華16輪在航行中縱、橫搖時滿足國際規(guī)范要求，船舶航行是安全的。

2 系泊

2.1 錨泊地域風力環(huán)境

系泊、卸船工程區(qū)域位于亞熱帶季風區(qū)，該區(qū)域盛行風向的季節(jié)變化明顯。根據(jù)香港氣象站歷史測風資料統(tǒng)計，該區(qū)域年盛行風向以東南偏東和東風為主。香港橫瀾島測風站一年四季的盛行風向均為東風，秋冬季主導風向為東北風，春季為東和東南偏東風，夏季主導風向扇面較寬，在西南到東風之間變化，其中以西南風為主。

工程區(qū)大風主要來自熱帶氣旋、強冷空氣和強對流天氣影響，但其最大風均由臺風造成。香港橫瀾島記錄的年平均6級（1小時平均最大風速≥10.8m/s）以上大風日數(shù)142.2d，年平均8級（1小時平均最大風速≥17.2m/s）以上大風日數(shù)9.9d，年平均10級（1小時平均最大風速≥24.5m/s）以上大風日數(shù)1.1d。詳見表2-1：

由此可知，在1～5月，8級以上風力非常少見。且在6—12月，每月均有約1～2天為8級以上風力（1小時最大）。因此，在整個卸船施工期間，排除臺風、龍卷風等極端惡劣天氣后，船舶系泊以8級風作為設(shè)計上限是符合自然條件的。

在用浮吊卸筒安裝時（鋼圓筒），船舶位置必須是不變的，也就是說當浮吊靠泊時，浮吊與大船相對位置保持不變。我們設(shè)計了四點系浮法，確保了運輸船滿載9個大型鋼圓筒后系泊的穩(wěn)定。

（1）風險源：

①運輸船駐位時與浮筒發(fā)生碰撞；

②振華16絞纜機拉力不足導致系泊纜繩滑出，纜繩受力不均造成斷裂；endprint

③突發(fā)情況應(yīng)對措施；

④系纜浮筒拉力不足造成船舶移位；

（2）措施：

①振華16輪駐位前一天拋錨在桂山錨地，桂山錨地距系浮點約30海里，需航行3個小時。據(jù)觀察與資料顯示珠江口落潮流大于漲潮流，大潮汛時最大落潮流速達3節(jié)，漲潮流不超過2節(jié)且漲潮流時間大于落潮流，故運輸船系浮時間定在落末前1小時，即漲潮流來臨之前進行系泊，系泊時風力不大于5級，根據(jù)當?shù)爻绷魈攸c我們的4點浮筒的平行線是與流向平行，克服了船舶系泊時受流壓的影響。駐位操作步驟：

a.控制船速：振華16距四點浮后二點浮1海里時，航速控制在5節(jié)以下；

b.距后兩點浮0.5海里時，航速為3節(jié)以下，把船調(diào)整至四點浮的中心線位置；

c.振華16船首進入后二浮之間時，航速為2節(jié)左右，拖輪帶妥，協(xié)助保向；

d.當振華16輪整個船身在四浮中間時，航速控制為1節(jié)以下，拖輪協(xié)助保向；

e.當船首超過前面二點浮5m時拋下雙錨，此時船速為0，然后慢慢后退，錨鏈慢慢松下至5節(jié)甲板剎住，此時船首距齊前面浮筒約80～100m左右，船尾至后面浮筒約100～80m左右。此時振華16船舶由于受流（頂流）和錨作用很容易控制船舶，利用兩帶纜艇前后同時帶纜，先帶上風側(cè)，再帶下風側(cè)，使船舶在最短時間內(nèi)帶妥上風側(cè)纜繩，使船舶穩(wěn)定。在實際操作中振華16輪船員與帶纜艇船員充分溝通步調(diào)一致快速帶纜，確保在轉(zhuǎn)流之前把纜繩帶妥，如果帶纜艇故障則先帶上風船首側(cè)，在帶上風船尾側(cè)，確保振華16船舶系泊安全。

四個浮筒纜繩全部帶妥后利用船舶絞纜機及拖輪協(xié)助調(diào)整纜繩使均勻受力。

②根據(jù)以下力的計算，由于振華16輪系泊纜機制動力只有45t，故在遇大風（8級風）時纜繩將會自動滑出，造成纜繩受力不均斷纜產(chǎn)生危險。為了克服這一缺陷，我們在所有纜繩帶妥后，利用拖輪協(xié)助，把所有纜繩上樁。纜樁安全負荷為1000kN，破斷可達3000-4000kN。纜樁的破斷力大于纜繩的破斷力。我們在每個浮筒上帶的是回頭纜，這樣就利用“回頭纜” 能自動調(diào)節(jié)纜繩受力不均現(xiàn)象，克服了纜繩受力不均引起斷纜。但他的缺點是在浮筒系纜處容易把纜繩磨損，我們采取每次帶纜時讓他錯位，錯開原來系纜位置最大程度上減少纜繩磨損。

③在系泊時，每個浮筒上系六道纜繩，在突發(fā)意外時船舶能在沒有外部協(xié)助的條件迅速離開駐位點，故每個浮筒上帶的是“回頭纜”，即只要把運輸船上的纜繩一端解掉就可以把整根纜繩收起，然后動車出航道進入寬闊水域，離開駐浮點。這個方法在離港時還能減少拖輪費用節(jié)約了運輸成本。振華16船首拋雙錨，不但使船舶在駐位時能更好的控制船舶位置，另外如突發(fā)情況，纜繩全部斷裂時則有雙錨拉住船舶，主機動車，也能確保船舶安全。振華16駐位地離人工島及右邊航道超過1個船長，故船舶呈拋錨狀態(tài)時也能確保人工島及航道內(nèi)船舶的安全。

④四點系浮，浮筒設(shè)置是根據(jù)運輸船滿載后8級風的受力面積的拉力來計算的，確保有足夠的拉力。

a.受風面積計算

鋼管樁受風面積

橫向受風面積A1=5900m2；

縱向受風面積A2=1797m2。

振華16船體部分受風面積（按吃水6.5m計算）

橫向受風面積： A11=2542.0m2+ 352.5m2=2894.5 m2；

縱向受風面積： A21=231m2+63m2=294 m2。（其余部分被鋼管樁覆蓋）

鋼管樁及船體總受風面積

橫向受風面積AH=8794.5 m2；

縱向受風面積AL=2091.0 m2。

b.風力計算

計算風速：

6級風：10.8m/s～13.8m/s；

7級風：13.9m/s～17.1m/s；

8級風：17.2m/s～20.7m/s。

風力作用力計算

計算公式：

式中：R—風壓力合力；ρ—空氣密度；C—風壓力系數(shù)；

U—風速；

A—水面上船體正投影面積；

B—水面上船體側(cè)投影面積；

θ—風向與船體中心線的夾角。

c.縱向水流計算

計算公式：Rf=0.14S*V2；

計算潮流速度：V1=2.0m/s。

“振華16”運輸船

船體浸水面積：S≈10140 m2

水流力：28747 kg

2.2 “振華16”船用錨鏈及纜繩參數(shù)

（1） 錨鏈型號：AM3， Φ92mm；

單位長度重量：135kg/m

設(shè)計負荷：4260KN；

破斷負荷：6080KN。

（2）纜繩：丙綸長絲繩，8股，Φ104mm；

標稱破斷負荷：1050KN；

實際破斷負荷：1262.7KN。

（3） 錨重：12.9t。

2.3 船舶系泊方式

在系泊水域中按船長方向與流向平行布置4個浮筒，浮筒由錨鏈及沉塊系在海底。船與纜繩—浮筒—錨鏈布向：與船縱向軸線成45°夾角。

艏上系纜孔高度為23m（距船基線）左右（艏樓甲板），距海底約26.5m（取10m水深）。艉部纜繩系纜點高度為20.0m（距船基線）左右（艉樓甲板），距海底約23.5m。按浮筒布置位置，假定船舶吃水6.5m，計算水深10.0m，則浮筒上的纜繩長約52.0m，取浮筒下錨鏈長度55m（2節(jié)錨鏈）。纜繩及錨鏈、連接件等總長110m。

最惡劣作業(yè)工況：8級橫風，計算風速20.7m/s，船舶受到的橫向力為259t，波浪力為風力的60%，風浪聯(lián)合作用力414.4t。錨鏈及纜繩與船縱向軸線平均成45°左右夾角。計算得單個浮筒上受到的水平合力約293t，取不均勻系數(shù)1.2，每個浮筒錨鏈—纜繩所受的水平力約352t。endprint

沉塊抗拔力及沉塊尺度：

取沉塊埋入位置距振華16船的距離約106m，可計算得沉塊所受的垂向力約85t。要求沉塊在水中重量應(yīng)大于85t。

沉塊由鋼筋混凝土制作，取比重2.3t/m3（空氣中），水中比重1.3t/m3，可計算得鋼筋混凝土沉塊的體積約為72m3。

取混凝土沉塊為正方型，則其尺度約為：長4.5m，寬4m，高4m。

3 結(jié)論

（1）在上述計算工況（最惡劣作業(yè)工況：8級橫風）中，浮筒下錨鏈所受拉力在3500KN左右，考慮一定的安全系數(shù)，如采用Φ100mm的二級有擋錨鏈，其試驗拉力為3530KN，破斷拉力為4540KN，能夠滿足要求。

“振華16”纜繩為Φ104mm的丙綸長絲繩，標稱破斷負荷：1050KN；實際破斷負荷：1262.7KN，每個浮筒上帶六根纜繩能滿足要求。

（2）關(guān)于沉塊的埋入深度

對于纜繩—浮筒—錨鏈—沉塊系統(tǒng)，沉塊的作用相當于錨，如沉塊放在泥面上，沉塊所受的水平力，將由混凝土塊與泥面間的摩擦力來平衡，這要求混凝土沉塊很大。為此，混凝土塊需埋入泥面下，沉塊不能被拔出，有足夠的垂向抗拔力。當錨鏈受力時，由埋入沉塊與周圍土間的摩擦力及被動土壓力、主動土壓力來平衡受到的水平力。

經(jīng)計算，沉塊埋入深度不小于5.0m，即4.5m×4m×4m沉塊的底部距泥面不小于5.0m。（見圖3-1）

由理論上計算可知四點系浮是能滿足當?shù)丨h(huán)境的要求的，也能確保振華16輪的系泊安全。經(jīng)過14航次的驗證，理論基本滿足實際情況的，實際在受橫風8級時系纜浮筒沒有發(fā)生移位現(xiàn)象，確保了振華16船舶的安全。

振華16輪每次裝載9根大型鋼圓筒能順利完成運輸、系泊等操作，共14航次歷時半年多。是與科學的理論基礎(chǔ)和熟練的人員操作公司的科學管理是密不可分的，充分體現(xiàn)了人、機、環(huán)、管的和諧統(tǒng)一和有機結(jié)合，其中缺一不可。隨著科學技術(shù)的突飛猛進，計算機技術(shù)在船舶上應(yīng)用的不斷深入，現(xiàn)在已有利用計算技術(shù)進行船舶動力定位。如上述振華16輪的系泊，今后可設(shè)想在動力定位系統(tǒng)下進行系泊也許會更安全，操作更簡便。但無論科學技術(shù)進步到何種程度，都離不開人員的操作，只要有人員操作就有可能產(chǎn)生疏忽，發(fā)生事故，我們可以通過我們的科學管理把人員疏忽風險降到最低，避免重特大事故的發(fā)生，把船舶事故率降到最低或可接受范圍內(nèi)。endprint