55 000 t散貨船在風(fēng)浪聯(lián)合作用下的系泊試驗(yàn)研究

馬雋 ，耿寶磊 *，李偉遷 ，2，李焱 ，3，高峰 ，3

（1．交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院，港口水工建筑技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室&工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456；2．河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；3．天津大學(xué)，建筑工程學(xué)院，天津 300072）

散貨船自20世紀(jì)50年代中期出現(xiàn)以來，總體上保持著強(qiáng)勁的增長勢(shì)頭。在國際航運(yùn)業(yè)中，散貨船運(yùn)輸占貨物運(yùn)輸?shù)?0%以上，由于貨運(yùn)量大，貨源充足，航線固定，裝卸效率高等因素，散貨船運(yùn)輸能獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益，散貨船已成為運(yùn)輸船舶的主力軍。隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，散貨船運(yùn)輸仍將保持較高的增長勢(shì)頭[1]。而碼頭船舶系泊纜繩的受力是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，在強(qiáng)風(fēng)大浪的作用下，碼頭系泊船舶往往纜繩崩斷，容易造成嚴(yán)重的海損事故，這在國內(nèi)外屢見不鮮。隨著港口建設(shè)的發(fā)展，大型船舶日益增多，對(duì)系泊船舶在風(fēng)浪作用下的系纜力確定的研究日顯重要[2]。劉文華[3]依據(jù)散貨船結(jié)構(gòu)共同規(guī)范，采用MSC Patran/Nastran、CSR、CCS-Tools和 Ship Right SDA 2007，對(duì)30 000噸級(jí)散貨船進(jìn)行了貨艙結(jié)構(gòu)的整體有限元分析、高應(yīng)力區(qū)域細(xì)化網(wǎng)格有限元分析和疲勞敏感區(qū)域精細(xì)網(wǎng)格有限元分析。劉青明等[4]針對(duì)復(fù)雜水動(dòng)力開敞式大型散貨碼頭的泊穩(wěn)問題采用國際通用的船舶運(yùn)動(dòng)量分析了碼頭泊穩(wěn)條件的方法。郭科等[5]結(jié)合工程實(shí)際，研究了船舶單獨(dú)作業(yè)以及與另一艘船舶同時(shí)?？坑诖a頭兩種情況下船舶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及系纜力大小的差別，分析了1條船的?？繉?duì)所研究船舶作業(yè)狀態(tài)的影響。

本項(xiàng)目為印度尼西亞S2P公司1×660 MW電廠配套碼頭工程，計(jì)劃建設(shè)14 000 DWT駁船泊位1座，55 000 DWT散貨泊位1座。工程位于印尼爪洼島Cilacap市東側(cè)，距離市區(qū)約為10 km。工程海域直接面對(duì)印度洋，外海長周期波浪特征明顯，為了確保本工程建成以后，船舶系泊的安全和可靠性，擬通過物理模型試驗(yàn)測(cè)定船舶在風(fēng)、波浪、潮流等動(dòng)力因素不同組合工況下的船舶運(yùn)動(dòng)量、纜繩拉力、護(hù)舷承受的撞擊力，以及船舶靠泊產(chǎn)生的撞擊力和撞擊能量等，從而確定合理的船舶系纜方式，為工程設(shè)計(jì)的更加經(jīng)濟(jì)、合理提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)條件

1.1 船型尺度

本次試驗(yàn)為55 000 DWT散貨船，船舶裝載狀態(tài)包括滿載、半載和壓載3種，不同狀態(tài)下船舶主要尺度與參數(shù)見表1。

表1 55 000 DWT散貨船主要尺度與參數(shù)Table 1 Main dimensions and parameters of 55 000 DWT bulk carriers

1.2 風(fēng)浪及水位條件

1）風(fēng)

主要考慮E向的最不利風(fēng)向，對(duì)應(yīng)散貨船碼頭為艏吹攏風(fēng)，與碼頭夾角23°，風(fēng)速取18 m/s。

2） 波浪

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)波浪條件與碼頭岸線方向，考慮角度為 30°艉來浪作用，波高取 0．3～0．8 m，平均周期為12 s。

圖1 系纜方式示意圖Fig.1 Schematic diagram of mooring mode

3）水位

以工程附近Serayu河河口附近理論最低潮面為基準(zhǔn)（平均海平面（MSL）1．208 m），本次船模試驗(yàn)選用設(shè)計(jì)高水位為+2．46 m、設(shè)計(jì)低水位+0．42 m。

1.3 系纜布置方式

兩種系纜方式均為3∶3∶2布置，其區(qū)別在于艏艉橫纜的系泊位置，見圖1。

1.4 系纜及護(hù)舷

55 000 DWT散貨船纜繩采用尼龍纜，直徑φ=80 mm，破斷力900 kN，初始力為破斷力的5%～10%，即45～90 kN。護(hù)舷選用SC1250一鼓一板標(biāo)準(zhǔn)反力型，設(shè)計(jì)反力696 kN，設(shè)計(jì)吸收能量382 kN·m，采用1 000 kN系船柱系纜。

其中系纜方式一為艏艉橫纜分別系于4號(hào)（距碼頭前端 43．62 m）和 16 號(hào)（距碼頭后端 29．6 m）系船柱；系纜方式二為艏艉纜分別系于3號(hào)（距碼頭前端 29．62 m）和 17 號(hào)（距碼頭后端15．6 m）系船柱，同時(shí)船上系纜位置也相應(yīng)調(diào)整?？傮w比較，系纜方式二的艏、艉橫纜的纜繩長度比系纜方式一增加 2．0～3．8 倍。

2 模型設(shè)計(jì)與制作

2.1 模型比尺選擇

本模型為風(fēng)、浪兩種動(dòng)力條件綜合作用下的船舶系泊物理模型，遵照試驗(yàn)規(guī)程應(yīng)采用正態(tài)整體物理模型，當(dāng)有船舶模型置于其中時(shí)，模型長度比尺不應(yīng)大于80的原則。綜合試驗(yàn)?zāi)康募耙?，結(jié)合試驗(yàn)場(chǎng)地和設(shè)備，確定模型幾何比尺為1∶50。

2.2 纜繩模擬

纜繩模擬時(shí)，長度按照自船上絞車經(jīng)帶纜孔至碼頭上帶纜鉤間的總長度進(jìn)行模擬，船與岸相對(duì)位置固定后，長度自動(dòng)滿足幾何相似。模型系纜系統(tǒng)由線繩和彈性鋼片復(fù)合而成，其中纜繩用杜邦Kevlar線制作。纜繩模擬時(shí)，如1組纜繩的根數(shù)為2根或4根時(shí)，通常將2根纜繩合并成1根進(jìn)行其受力-變形曲線的模擬，如1組纜繩的根數(shù)為3根時(shí)，則將3根纜繩合并成1根模擬。圖2給出了系纜方式二、船舶滿載、高水位時(shí)系泊纜繩的模擬結(jié)果，從中可知模擬效果較好。

圖2 55 000 DWT散貨船滿載、高水位時(shí)系泊纜繩模擬結(jié)果Fig.2 Simulation results of mooring line at full load and high water level for 55 000 DWT bulk carrier

2.3 護(hù)舷模擬

護(hù)舷模型主要模擬護(hù)舷的反力-變形曲線相似。55 000 DWT散貨船碼頭共模擬了可能與船舶碰觸的13個(gè)護(hù)舷，但實(shí)際能與船舶碰觸的只有10個(gè)護(hù)舷，模擬結(jié)果見圖3，從圖中可知，2種護(hù)舷的模擬效果較好。

圖3 55 000 DWT散貨碼頭SC1250一鼓一板標(biāo)準(zhǔn)反力型護(hù)舷模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of 55 000 DWT bulk terminal SC1250 one drum set of standard reaction fender

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 系纜方式一

3.1.1 系泊力和撞擊力

試驗(yàn)結(jié)果表明，在30°艉斜浪的作用下，橫纜的受力較大，艏、艉纜和橫纜之間的受力不均勻，主要原因是各組纜繩的長度相差較大，艏、艉纜的纜繩長度為艏艉橫纜長度的5～7倍；斜浪作用下，船頭和船尾處的幾個(gè)護(hù)舷所受撞擊力比中間的護(hù)舷受力要大。從纜繩受力和護(hù)舷受力（見表2）來看：

1）當(dāng)波高H4%為0．4 m，周期12 s時(shí)，最大艏橫纜力已大于φ80 mm的尼龍纜的最小破斷力的45%（405 kN），故系纜方式一滿足船舶系纜力要求的限制波浪工況為：H4%＜0．4 m，≤12 s。

2） 當(dāng)波高 H4%為 0．5 m，周期 12 s 時(shí)，SC1250一鼓一板護(hù)舷所受的撞擊力及撞擊能量的最大值分別為702 kN和398 kJ，已超過護(hù)舷的設(shè)計(jì)撞擊力（696 kN）和撞擊能量（382 kJ），故系纜方式一滿足設(shè)計(jì)護(hù)舷要求的限制波浪工況為：H4%＜0．5 m，≤12 s。

表2 兩種系纜方式的單根系纜力、撞擊力和撞擊能量最大值Table 2 Maximum values of single mooring force,impact force and impact energy for two mooring modes

3.1.2 運(yùn)動(dòng)量

表3列出了兩種系纜方式運(yùn)動(dòng)量最大值。從表3中可以看出，當(dāng)波高H4%為0．8 m，周期12 s時(shí)，橫移為1．14 m，超出了PIANC給出的建議最大允許運(yùn)動(dòng)量推薦值（橫移1．0 m），其他運(yùn)動(dòng)量則在最大允許運(yùn)動(dòng)量推薦值范圍內(nèi)。故系纜方式一滿足船舶運(yùn)動(dòng)量的限制波浪工況為：H4%≤0．6 m，≤12 s。

表3 兩種系纜方式運(yùn)動(dòng)量最大值Table 3 Maximum motion of two mooring modes

3.2 系纜方式二

3.2.1 系泊力和撞擊力

試驗(yàn)結(jié)果表明，由于系纜方式二的艏、艉橫纜的纜繩長度比系纜方式一大幅增加2．0～3．8倍，使得橫纜受力有所減小，艏、艉纜和艏、艉橫纜繩受力更為均勻。30°艉斜浪作用下，船頭和船尾處的幾個(gè)護(hù)舷所受撞擊力比中間護(hù)舷受力要大；船舶三個(gè)載度中，壓載的撞擊力和撞擊能量最小，當(dāng)波高小于等于0．4 m時(shí)，半載的撞擊力和撞擊能量大于滿載，當(dāng)波高大于等于0．5 m時(shí)，滿載的撞擊力和撞擊能量大于半載。從纜繩受力和護(hù)舷受力（見表2）來看：

1）當(dāng)波高H4%為0．6 m，周期12 s時(shí)，最大艉橫纜力為414 kN，略大于直徑φ80 mm尼龍纜最小破斷力的45%（405 kN），約為最小破斷力的46%，故系纜方式二滿足船舶系纜力要求的限制波浪工況為：H4%＜0．6 m，≤12 s。

2） 當(dāng)波高 H4%為 0．4 m，周期 12 s時(shí)，SC1250一鼓一板護(hù)舷所受的最大撞擊力及撞擊能量的最大值分別為696 kN和351 kJ，其中最大撞擊力已達(dá)到設(shè)計(jì)值（696 kN），最大撞擊能量還小于設(shè)計(jì)吸能量（382 kJ）；當(dāng)波高H4%為0．5 m，周0．5 m，≤12 s。

3.2.2 運(yùn)動(dòng)量

從表3中可以看出，對(duì)于系纜方式二，當(dāng)波高H4%為0．8 m，周期12 s時(shí)，橫移為1．19 m，超出了PIANC給出的建議最大允許運(yùn)動(dòng)量推薦值（橫移1．0 m），其他運(yùn)動(dòng)量則在最大允許運(yùn)動(dòng)量推薦值范圍內(nèi)。當(dāng)波高H4%為0．8 m，周期10 s時(shí)，橫移為1．02 m，超出了PIANC給出的建議最大允許運(yùn)動(dòng)量推薦值（橫移1．0 m），其他運(yùn)動(dòng)量則在最大允許運(yùn)動(dòng)量推薦值范圍內(nèi)。故系纜方式二滿足船舶運(yùn)動(dòng)量的限制波浪工況為：H4%≤0．6 m，T≤期12 s時(shí)，SC1250一鼓一板護(hù)舷所受的最大撞擊力及撞擊能量的最大值分別為702 kN和398 kJ，均超過護(hù)舷的設(shè)計(jì)撞擊力和撞擊能量，故系纜方式二滿足設(shè)計(jì)護(hù)舷要求的限制波浪工況為：H4%＜12 s和 H4%＜0．8 m，≤10 s。

3.3 靠泊試驗(yàn)

研究進(jìn)一步測(cè)定了55 000 DWT散貨船滿載、靜水條件下靠泊對(duì)護(hù)舷的撞擊作用，船舶靠泊角度5°，靠泊速度為0．20 m/s，試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)船舶牽引離護(hù)舷2～3 cm時(shí)，關(guān)閉牽引動(dòng)力，讓船模依慣性撞擊護(hù)舷（護(hù)舷編號(hào)從船頭～船尾為1號(hào)～10號(hào)，見圖4），同步測(cè)量撞擊力和撞擊能量。

圖4 靠泊試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.4 The picture of berthing test

試驗(yàn)中船首端先靠上1號(hào)護(hù)舷，此時(shí)1號(hào)護(hù)舷所受到的撞擊力最大，撞擊能量也最大，隨著1號(hào)護(hù)舷的變形，2號(hào)護(hù)舷受到撞擊，然后整個(gè)船體靠上，但船首受護(hù)舷的反作用力，使得船尾處的9號(hào)、10號(hào)護(hù)舷受力也較大，因此，船舶靠泊時(shí)，艏、艉兩端護(hù)舷的受力最大。圖5是55 000 DWT散貨船滿載靠泊過程中最大受力護(hù)舷撞擊受力的整個(gè)過程曲線。

圖5 靠泊撞擊力過程線圖Fig.5 The hydrograph figure of berthing impact force

從圖5曲線可以看出護(hù)舷的撞擊力瞬間突變衰減；本次試驗(yàn)條件下，鼓型SC1250一鼓一板護(hù)舷所受最大撞擊力為1 119 kN，大于SC1250一鼓一板護(hù)舷的設(shè)計(jì)反力（696 kN），最大撞擊能量為428 kJ，大于SC1250一鼓一板護(hù)舷的設(shè)計(jì)吸能量（382 kJ）。因此，所選護(hù)舷不能滿足船舶以0．20 m/s靠泊速度時(shí)的靠泊要求。

4 結(jié)語

對(duì)于55 000 DWT散貨船，采用φ80 mm尼龍纜和鼓型SC1250一鼓一板護(hù)舷時(shí)：

1）由于系纜方式二的艏、艉橫纜的纜繩長度比系纜方式一大幅增加2．0～3．8倍，使得橫纜受力有所減小，艏、艉纜和艏、艉橫纜繩受力更為均勻，建議采用系纜方式二。

2）護(hù)舷選型SCN1250一鼓一板偏軟，建議適當(dāng)加大至SC1450一鼓一板標(biāo)準(zhǔn)反力型，其設(shè)計(jì)反力和設(shè)計(jì)吸能量分別為936 kN和596 kJ，最大反力和最大吸能量分別為995 kN和631 kJ，則系纜方式二滿足SC1450型一鼓一板護(hù)舷的限制波高可增大至 0．8 m。