泥駁旁靠挖泥船系泊系統(tǒng)分析研究

金海豐 鄒 雯 單鐵兵 趙柯翔

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

引 言

傳統(tǒng)的挖泥船基本疏浚周期包括將泥沙泵入泥艙內(nèi)，再前往吹填現(xiàn)場(chǎng)排放后重返疏?，F(xiàn)場(chǎng)，效率低下。近年來出現(xiàn)一種新的疏浚方式：挖泥船開始作業(yè)時(shí)，一艘空載泥駁旁靠系泊于挖泥船一側(cè)并進(jìn)行裝駁作業(yè)，該泥駁裝載滿后駛向吹填現(xiàn)場(chǎng)，由另一艘空載泥駁接替，以此實(shí)現(xiàn)挖泥船長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)作業(yè)，大大提高了疏浚效率。

疏浚作業(yè)中進(jìn)行裝駁作業(yè)大多是在水深較淺和非自航的情況下進(jìn)行的。自航耙吸式挖泥船的裝駁作業(yè)則與此有所不同。

自航耙吸式挖泥船在裝駁過程中需拖帶著系泊于船側(cè)的泥駁一道前進(jìn)。由于近海疏?，F(xiàn)場(chǎng)氣候條件較為惡劣，該系統(tǒng)需克服相當(dāng)大的環(huán)境力作用。其次，兩船的旁靠作業(yè)屬于多浮體干擾問題，有較為復(fù)雜的耦合運(yùn)動(dòng)，這將導(dǎo)致纜繩張力的驟變［1］。此外，在裝駁作業(yè)過程中，兩船相對(duì)吃水會(huì)發(fā)生較大變化，從而導(dǎo)致系泊纜繩被過度拉伸。以上幾點(diǎn)均會(huì)影響裝駁作業(yè)安全。

本文就某自航耙吸挖泥船與某自航泥駁的旁靠系泊系統(tǒng)進(jìn)行研究，采用ARIANE系泊分析軟件進(jìn)行系泊分析，計(jì)算船體運(yùn)動(dòng)偏移以及在不同風(fēng)浪流角度下，系泊纜張力的大小及變化等。最后，通過分析結(jié)果給出適用于該工況的靠駁設(shè)備的配置及原理，并為類似系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 旁靠系泊系統(tǒng)環(huán)境載荷估算

挖泥船與泥駁的主尺度如表1所列。

表1 挖泥船與泥駁主尺度m

兩船分別處在重載狀態(tài)時(shí)，所受到的環(huán)境載荷最大，對(duì)靠駁設(shè)備的要求也最高。因此分別按兩船的重載狀態(tài)進(jìn)行環(huán)境載荷估算。

裝駁系泊作業(yè)的設(shè)計(jì)環(huán)境條件如表2。

計(jì)算所采用的風(fēng)、浪、流方向的定義如圖1所示。

由于挖泥船頂流作業(yè)，故本文環(huán)境載荷作用方向僅考慮首向±15°范圍，正向角度為環(huán)境載荷來自駁船右舷側(cè)方向（見圖1）。

表2 作業(yè)環(huán)境條件

圖1 環(huán)境載荷的作用方向

1.1 風(fēng)載荷

風(fēng)載荷作為定常力，作用在船體水線以上部分。本文不考慮遮蔽效應(yīng)。計(jì)算所得結(jié)果列于下頁表3。

1.2 流載荷

作業(yè)條件下水流的對(duì)地速度最大為5 kn。挖泥船以2.5 kn的對(duì)地速度拖帶泥駁頂流作業(yè)，則船與水流的相對(duì)速度為7.5 kn。因此流載荷以7.5 kn的相對(duì)流速進(jìn)行估算。

流載荷也是一種定常力，不考慮遮蔽效應(yīng)。計(jì)算結(jié)果列于下頁表3。計(jì)算結(jié)果表明，相比風(fēng)和浪載荷，流載荷隨攻角增大而增加的幅度遠(yuǎn)大于前兩者，這同時(shí)也說明挖泥船為何要頂流作業(yè)的原因。

表3 風(fēng)、流和平均波浪漂移力結(jié)果kN

1.3 波浪載荷

采用HYDROSTAR軟件計(jì)算挖泥船和泥駁的頻域水動(dòng)力性能。其中，遭遇浪向?yàn)?15°～15°，中間間隔5°，頻率為0.02～2.0 rad/s，中間間隔0.02 rad/s。根據(jù)船體型線圖建立面元模型并計(jì)算。

波浪力包括一階波頻力、二階低頻力和二階平均波浪漂移力［2］。HYDROSTAR計(jì)算所得平均波浪漂移力結(jié)果列于表3。

2 旁靠系泊系統(tǒng)分析

系泊分析采用BV船級(jí)社開發(fā)的ARIANE軟件。由于該軟件不能計(jì)算移動(dòng)的系統(tǒng)，還要經(jīng)過特殊處理。建立一套多點(diǎn)錨泊系統(tǒng)將挖泥船“固定住”，泥駁通過首尾2根八股丙綸長(zhǎng)絲纖維纜繩系固在挖泥船右舷，兩船之間建立4個(gè)高壓充氣橡膠碰墊模型，風(fēng)浪流攻角為船首方向，特別是流速按實(shí)際作業(yè)時(shí)船與流的相對(duì)速度（計(jì)算模型如圖2所示）。不考慮多點(diǎn)錨泊系統(tǒng)的響應(yīng)以及它對(duì)挖泥船運(yùn)動(dòng)的影響，重點(diǎn)評(píng)估1號(hào)、2號(hào)纜繩的響應(yīng)［3］。

圖2 系泊分析計(jì)算模型

2.1 系泊纜繩響應(yīng)分析

表4為系泊纜繩的初始狀態(tài)，下頁表5為不同環(huán)境載荷攻角下系泊纜繩響應(yīng)。雖然挖泥船實(shí)際為頂流作業(yè)，但系泊分析也計(jì)算了環(huán)境攻角在±15°范圍內(nèi)的系泊系統(tǒng)響應(yīng)，以供設(shè)備配置參考。

表4 系泊纜繩初始狀態(tài)

系泊纜繩張力值見下頁表5。由表5數(shù)據(jù)可知，系泊系統(tǒng)主要受力纜繩為1號(hào)纜繩，重點(diǎn)關(guān)注該纜繩張力變化情況。

表5 系泊纜繩張力kN

隨著環(huán)境載荷攻角逐漸增大，環(huán)境載荷逐漸增大，纜繩張力亦隨之增大。綜合考慮適用性及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，確定挖泥船允許作業(yè)的工況為±10°環(huán)境載荷攻角內(nèi)，而超出該范圍后，環(huán)境載荷及設(shè)備的配置要求將大幅提高，顯然得不償失。

此外，環(huán)境載荷來自挖泥船側(cè)，相比駁船側(cè)纜繩的張力值更大。這是由于駁船在下風(fēng)側(cè)時(shí)，外載有使兩船分離的趨勢(shì)，1號(hào)纜繩需額外提供橫向的分力，從而使合力增加。因此建議靠駁作業(yè)優(yōu)先在環(huán)境載荷為正向角度下進(jìn)行。

2.2 碰墊響應(yīng)分析

泥駁旁靠時(shí)，為避免兩船直接相碰造成危險(xiǎn)，在挖泥船舷側(cè)設(shè)置4個(gè)吸收沖擊能量的護(hù)舷。護(hù)舷位置見表6，其中X、Y、Z為護(hù)舷距離泥駁重心位置的距離。

表6 護(hù)舷的位置

表7 護(hù)舷作用力kN

根據(jù)上文確定的靠駁作業(yè)工況，考察±10°環(huán)境載荷范圍內(nèi)，4個(gè)護(hù)舷的受力情況。其中，靠近船尾的1號(hào)護(hù)舷受力最大，最大受力發(fā)生在正向10°環(huán)境力方向下，最大值為289.3 kN。

3 設(shè)備配置

3.1 系泊纜繩

根據(jù)上文分析計(jì)算結(jié)果，考慮±10°環(huán)境載荷攻角范圍內(nèi)作業(yè)，纜繩最大張力值為681.9 kN，故破斷負(fù)荷取1 200 kN（根據(jù)BV規(guī)范關(guān)于系泊張力衡準(zhǔn)的規(guī)定選取1.75倍最大張力值）。若選用常規(guī)的丙綸長(zhǎng)絲系泊纜繩，該破斷負(fù)荷下纜繩直徑將超過100 mm，這將使靠駁設(shè)備的整體尺寸及質(zhì)量也隨之增大，同時(shí)操作上也多有不便。

因此可以考慮使用八股超高分子量聚乙烯纜繩替代常規(guī)的系泊纜繩。超高分子量聚乙烯纜繩具有優(yōu)越的抗張弛和彎曲疲勞性能以及抗老化、抗化學(xué)腐蝕性能；具有超高強(qiáng)度，能夠浮于水面。40 mm直徑的八股超高分子量聚乙烯纜繩既能滿足1 200 kN破斷負(fù)荷的要求。

3.2 靠駁絞車

由上文的分析計(jì)算可知，在任何角度下，纜繩的最大張力響應(yīng)值遠(yuǎn)大于駁船在相同角度下受到的環(huán)境載荷值。增加的值中有很大的成分是由兩船耦合運(yùn)動(dòng)引起的，這就要求靠駁絞車需要適應(yīng)這種纜繩張力大小瞬時(shí)變化的工況：在瞬時(shí)張力過大的情況下能夠自動(dòng)放出纜繩防止崩斷，在張力突然減少的情況下能夠及時(shí)收緊纜繩使旁靠狀態(tài)保持穩(wěn)定。

為滿足自動(dòng)收放纜繩的要求，需要采用一種帶恒張力功能的液壓絞車作為靠駁絞車。該絞車配備有帶恒張力功能的液壓控制系統(tǒng)，可以通過纜繩的自動(dòng)收放來實(shí)現(xiàn)纜繩張力的自動(dòng)調(diào)節(jié)：設(shè)置一個(gè)合理的纜繩張力值區(qū)間，當(dāng)纜繩張力低于該區(qū)間下限值時(shí)，絞車自動(dòng)收纜，當(dāng)纜繩張力超過該區(qū)間上限值時(shí)，絞車自動(dòng)放纜，從而使纜繩張力始終保持在該區(qū)間范圍內(nèi)。［4-5］通過該控制系統(tǒng)，既能維持纜繩對(duì)泥駁的恒定約束，避免泥駁發(fā)生偏移，同時(shí)又能避免纜繩張力過大而發(fā)生斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 護(hù) 舷

護(hù)舷常見的有橡膠充氣式護(hù)舷和聚氨酯護(hù)舷。橡膠充氣式護(hù)舷需配充氣設(shè)備，易漏氣、怕扎怕劃。聚氨酯護(hù)舷具有免維護(hù)、質(zhì)量輕、耐海水腐蝕、耐酸堿、吸收能量高等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)上文分析計(jì)算結(jié)果，本系統(tǒng)中護(hù)舷受力較大，沖撞能量也較大，因此選用聚氨酯實(shí)心護(hù)舷，規(guī)格為2.0 m×3.5 m，當(dāng)變形60%時(shí)，吸收能量為310 kJ，反力為884 kN。

4 結(jié) 論

泥駁配合挖泥船進(jìn)行裝駁作業(yè)，可以大大提高疏浚施工效率，降低作業(yè)成本，在當(dāng)今疏浚吹填工程中得到越來越廣泛的應(yīng)用。本文通過實(shí)際案例對(duì)泥駁旁靠挖泥船系泊系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析，給出適合進(jìn)行作業(yè)的環(huán)境條件，并推薦一套更為適合該工況的靠駁設(shè)備，可為類似系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)參考。

［參考文獻(xiàn)］

［1］ 楊江輝，袁遠(yuǎn)，黃錫玲，等. LNG系統(tǒng)旁靠外輸作業(yè)時(shí)的水動(dòng)力性能數(shù)值研究［J］. 船舶工程，2016（9）：52-56.

［2］ 何進(jìn)輝，唐坤. 某單點(diǎn)系泊FPSO運(yùn)動(dòng)性能計(jì)算分析［J］. 船舶，2014（3）：7-13.

［3］ 單鐵兵，潘方豪. 西非海域FPSO多點(diǎn)系泊系統(tǒng)的疲勞壽命分析［J］. 船舶，2015（5）：52-56.

［4］ 陳亮，余建勛. 液壓絞車的一種恒張力設(shè)計(jì)［J］. 機(jī)床與液壓，2013（10）：110-111.

［5］ 鄢華林，宋林. 恒張力絞車的應(yīng)用研究［J］. 液壓與氣動(dòng)，2011（7）：80-82.