碼頭內(nèi)大型船舶雙船系泊方案研究

孔令海，孫寅博，曲昭宇，張 鑫

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

為了提高碼頭的利用率和滿足造船的需要，可以在碼頭采用雙船并排系泊的方式。本文以某船廠的17 萬噸散貨船為研究對象，對其進(jìn)行碼頭雙船并排系泊系統(tǒng)的設(shè)計，分析碼頭以及周圍環(huán)境參數(shù)，進(jìn)行相關(guān)水動力分析計算，提出系泊方案。通過結(jié)合各個因素最優(yōu)值，最終提出碼頭雙船并排系泊常規(guī)方案。在尋找最為合理的系泊方案計算中，總結(jié)了一系列適用于碼頭雙船并排系泊并且能對抗臺風(fēng)的系泊規(guī)律，為實際工程提供參考。

1 系泊動態(tài)分析理論

進(jìn)行系泊系統(tǒng)動力計算的方法主要有連續(xù)介質(zhì)法和集中質(zhì)量法。本文采用連續(xù)介質(zhì)法進(jìn)行動力分析。離散有限元模型動力平衡方程[72]：

慣性矢量表示為：

其中： M 是系統(tǒng)質(zhì)量矩陣，包含結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣 MS，內(nèi)部流體質(zhì)量矩陣 MF； MH為Morison 公式中結(jié)構(gòu)加速度水動力質(zhì)量矩陣，是局部坐標(biāo)附加質(zhì)量的一部分。

阻尼矢量表示為：

其中： C 為系統(tǒng)阻尼矩陣，包含結(jié)構(gòu)阻尼矩陣 CS(r)；CH(r) 為考慮繞射作用的水動力阻尼矩陣； CD為與位移有關(guān)的特定離散阻尼矩陣。

2 碼頭情況及水文氣象條件

某舾裝碼頭共有4 座碼頭，1，2 號碼頭位于1 號船塢上游，3，4 號碼頭位于2 號船塢的下游，1，2 號碼頭全長640 m，碼頭上共有2 000 kN 的系纜樁8 個，1 500 kN 系纜樁24 個。碼頭前沿水深在10～15 m 之間。計算時采取高潮位時的水深，即15 m。臺風(fēng)狀況時，臺風(fēng)向陸地移動的時候，因為臺風(fēng)的強力和低氣壓的作用，海平面會產(chǎn)生風(fēng)暴潮使海平面上升，因此采用最大水深。參考我國經(jīng)常遭受臺風(fēng)侵襲的地圖海域海流速度統(tǒng)計，其最大流速為2 m/s 左右，結(jié)合海流速度，取1.5 m/s 作為普通臺風(fēng)時的海流速度。當(dāng)?shù)爻ｏL(fēng)向冬季為北風(fēng)，夏季為東南風(fēng)，實測最大風(fēng)速為28 m/s。臺風(fēng)最大風(fēng)速估計為38 m/s。

圖 1 碼頭示意圖Fig. 1 Dock schematic

3 系泊方案的設(shè)計

本節(jié)主要通過計算碼頭與雙船之間連接纜繩的數(shù)量和布局，分析纜繩和護舷布局對碼頭雙船系泊的影響，確定碼頭與兩船以及兩船之間的纜繩連接布置方式。最終綜合以上分析計算結(jié)果確定適用于臺風(fēng)工況下的系泊方案。

3.1 船舶系泊繩數(shù)目計算

船舶在碼頭系泊時，船舶與碼頭之間的纜繩提供主要的約束力。首先，計算確定碼頭與船舶之間的系泊纜繩最佳數(shù)量以及布置位置。要得到纜繩的最佳數(shù)量，需要計算船舶的舾裝數(shù)。根據(jù)散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范要求，計算得舾裝數(shù) EN=5 633。根據(jù)已取得的舾裝數(shù)，該船舾裝數(shù) 5 500 ＜EN ＜5 800。通過查閱鋼制海船入級與建造規(guī)范可知，該船至少應(yīng)配置8 根系泊繩。

3.2 工況及環(huán)境參數(shù)

使用商用軟件AQWA 對碼頭雙船并排系泊多浮體進(jìn)行水動力分析計算，坐標(biāo)系的原點設(shè)在內(nèi)船的中心，垂向在靜水線面上，外船則是沿著y 軸正方形移動一段距離。臺風(fēng)的方向設(shè)為–150°～+180°，每隔30°進(jìn)行一次計算。計算時采用的是API 風(fēng)譜，JONSWAP 波浪譜以及均勻流，選擇28 m/s 為非錨泊的風(fēng)速，流速都采用1.5 m/s，同時根據(jù)實際情況，碼頭沿江而建，流速主要由長江水流引起，確定流載荷方向為0°，風(fēng)浪同向。

主要計算工況（28 m/s）如表1 所示。

表 1 主要計算工況Tab. 1 The main calculation conditions

3.3 碼頭并排系泊布置設(shè)計

依據(jù)實際情況，選取船舶吃水7.5 m，兩船間距3 m，碼頭水深15 m 為計算參數(shù)，在既經(jīng)濟又安全的基礎(chǔ)上對碼頭雙船并排系泊的布纜方式進(jìn)行研究。以下提供初步系泊方案，其系泊點布置根據(jù)實際情況來確定。

方案中具體系泊纜繩布置圖如圖2 所示。

3.4 并排系泊布置設(shè)計結(jié)果分析

對碼頭系泊纜繩受力分析如圖3 所示。

通過對碼頭系泊兩船纜繩受力分析可知，兩船的纜繩均勻平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)受力突變情況。兩船纜繩受力均在60°左右時開始受力增加，在風(fēng)浪方向為90°時達(dá)到極值，且各纜繩受力變化趨勢相同，各纜繩受力均處于安全受力范圍內(nèi)。

圖 2 碼頭雙船系泊方案Fig. 2 Wharf double ship mooring program

圖 3 兩船纜繩受力對比Fig. 3 Two ships cable force contrast

碼頭護舷受力分析如圖4 所示。

由圖4 可以發(fā)現(xiàn)，碼頭與內(nèi)船之間的護舷，在–90°與120°風(fēng)浪方向時受力較大，但均處于安全受力范圍內(nèi)。兩船之間護舷在90°風(fēng)浪方向時受力明顯增大，且均處于安全受力范圍內(nèi)。

內(nèi)船在縱蕩、橫蕩、首搖3 個自由度上運動情況分析如圖5 所示。

圖 4 兩船護舷受力對比Fig. 4 Two ship fenders force comparison

外船在縱蕩、橫蕩、首搖3 個自由度上運動情況分析如圖6 所示。

綜上所述方案提出的纜繩布置方案能夠滿足大部分海況時的系泊要求，可以作為碼頭雙船并排系泊的常規(guī)系泊方案。

但當(dāng)遇到臺風(fēng)等惡劣海況時，需要對系泊船舶進(jìn)行拋錨作業(yè)，依靠錨鏈的抓地力以提高碼頭系泊船舶的穩(wěn)定性安全性，保證系泊船舶在臺風(fēng)等惡劣海況下的系泊安全性。

3.5 預(yù)拋錨系泊布置方案

以設(shè)計方案的系泊布置方式為基礎(chǔ)，對在臺風(fēng)情況下系泊船舶采用拋錨方式時檢驗方案能否滿足碼頭抗臺風(fēng)系泊要求，系泊方案示意圖如圖7 所示。風(fēng)浪方向為–90°到90°，流向為0°。風(fēng)速選擇12 級臺風(fēng)32 m/s。

圖 5 內(nèi)船運動隨風(fēng)向變化Fig. 5 The movement of the vessel varies with the direction of the wind

圖 6 外船運動隨風(fēng)向變化Fig. 6 The movement of the outer vessel varies with the direction of the wind

圖 7 碼頭雙船預(yù)拋錨布置方案Fig. 7 Double ship pre-broken anchor layout plan

3.6 預(yù)拋錨系泊布置方案結(jié)果分析

船纜繩受力分析如圖8 所示。

通過對兩船纜繩的受力分析可以發(fā)現(xiàn)，纜繩受力較非臺風(fēng)狀態(tài)時有明顯變化，兩船纜繩均在90°風(fēng)浪方向時受力最大，外船在30°風(fēng)浪方向時，纜繩受力也出現(xiàn)了一個峰值。同時可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)船的8，15，16 號纜繩以及外船的27，30 號纜繩略微超出安全受力范圍，在實際系泊操作中可采用雙纜，能夠有效降低單纜的受力。

護舷受力分析如圖9 所示。

可知，兩組護舷均在–90°風(fēng)浪方向和90°風(fēng)浪方向時所受壓力較大，其中在90°風(fēng)浪方向時所受擠壓力最大且未超出安全受力范圍內(nèi)，說明護舷采用上下雙層的布置方法能夠有效保證船舶的碰撞安全。

對內(nèi)船三自由度分析如圖10 所示。

對外船三自由度分析如圖11 所示。

圖 8 兩船纜繩受力對比Fig. 8 Two ships cable force contrast

圖 9 兩船護舷受力對比Fig. 9 Two ship fenders force comparison

圖 10 內(nèi)船運動隨風(fēng)向變化Fig. 10 The movement of the vessel varies with the direction of the wind

圖 11 外船運動隨風(fēng)向變化Fig. 11 The movement of the outer vessel varies with the direction of the wind

通過對比兩船在縱蕩、橫蕩、首搖三自由度上分析可以發(fā)現(xiàn)，在縱蕩方向上兩船均在60°風(fēng)浪方向上達(dá)到最大值，外船縱蕩幅值要大于內(nèi)船，兩船在臺風(fēng)拋錨狀態(tài)下的縱蕩幅值均大于非拋錨狀態(tài)下的幅值。在橫蕩和首搖方向上兩船運動趨勢一致。

4 結(jié) 語

本文研究確定了碼頭雙船并排系泊的作業(yè)工況以及環(huán)境參數(shù)，在此基礎(chǔ)上分析設(shè)計并確定雙船并排系泊的纜繩布置方式，驗證臺風(fēng)狀態(tài)時在拋錨狀態(tài)下布纜方式的可靠性。

在確定碼頭雙船并排系泊方案的過程中，通過系泊船舶舾裝數(shù)的計算確定最少系泊纜繩數(shù)量，確定碼頭單船的系泊方式。在此基礎(chǔ)上，保證安全經(jīng)濟的前提下，逐步確立雙船并排系泊的纜繩布置方案。同時可以得出以下規(guī)律結(jié)論：

1）碼頭系泊時，船舶的縱向、橫向受風(fēng)面積都非常大，要盡可能增加倒纜數(shù)量，同時纜繩布置要盡可能對稱分布，外船的運動幅度較內(nèi)船略大。

2）在強臺風(fēng)情況下，系泊船舶采取拋錨方式能有效提高系泊安全性，同時應(yīng)對部分纜繩采用雙股纜繩的布置方式以增加纜繩承受力。

3）兩船的纜繩受力在60°～90°風(fēng)浪方向時受力較大，護舷在–90°風(fēng)浪方向與90°風(fēng)浪方向時整體受力均較大，在離岸風(fēng)向時，下層護舷受力較大，在靠岸風(fēng)向時，船尾處護舷受力較大。

4）在縱蕩方向上，兩船均從0°風(fēng)浪方向時開始增大，在90°風(fēng)浪方向時取得最大值，與纜繩受力趨勢一致。在橫蕩方向上，兩船運動趨勢大體一致。在艏搖方向上，內(nèi)船在30°風(fēng)浪方向時運動幅度最大，外船在–30°風(fēng)浪方向時運動幅度最大。