系泊新要求對不同船型的影響研究

翟帥帥，夏玉濤

(上海船舶研究設(shè)計院，上海 201203)

0 引言

系泊對于船舶的運營有著舉足輕重的作用。為了能更好地預(yù)報船舶系泊過程中系泊纜的受力，很多學(xué)者做了大量研究。楊勇[1]分析了碼頭附近水域的水流特點并結(jié)合工作實踐,給出了船舶系泊期間的纜繩調(diào)整方法。忻永恩[2]就防止船舶在泊斷纜及適卸的問題進行了探討。然而，船舶系泊過程中發(fā)生纜繩斷裂的事故仍然屢見不鮮。針對這情況，國際船級社協(xié)會(lACS)在2017年3月推出的共同要求A2章節(jié)(UR A2)“一般船舶拖帶和系泊下的屬具及結(jié)構(gòu)加強 (Shipboard fittings and supporting hull strctures associated with towing and mooring on conventional ships)”和 推薦10(REC10)“錨泊、系泊和拖帶設(shè)備(recommendation No.10Anchoring, Mooring and Towing Equipment)”中，系泊部分做了重大修改,摒棄了以舾裝數(shù)為基準的選取原則，代之以側(cè)投影面積為自變量的回歸公式。正如石油公司國際海事論壇(OCIMF)在《系泊設(shè)備指南》中指出的，船級社的規(guī)定是建立在IACS舾裝數(shù)基礎(chǔ)上的，這對考慮錨設(shè)備是個良好的基礎(chǔ)，但它不能充分反映作用于所約束船舶的橫向載荷。而對250 000載重噸大型油輪(VLCC)的研究表明，在同一風(fēng)速下船舶所受最大橫向風(fēng)力約為縱向風(fēng)力的5倍。由于橫向風(fēng)力是系泊系統(tǒng)主要輸入載荷，因此，基于側(cè)受風(fēng)面積的纜繩選取標準更加符合實際情況。根據(jù)IACS提供的技術(shù)背景文件可看出，本次修正正是基于多型船舶的數(shù)值模擬結(jié)果，最終形成了以側(cè)投影面積為自變量的纜繩數(shù)量和纜繩強度的回歸公式。

本次修改對大型船舶尤其是側(cè)投影面積較大的船舶影響很大。為此，本文將探討系泊新要求與舊的選取標準之間的差異，梳理各大主流船級社在最新規(guī)范中的適用情況，然后分析不同船型在新舊不同要求下纜繩數(shù)量和纜繩破斷力的不同，從而使設(shè)計者更直觀了解新要求對系泊布置的影響。

1 基于舾裝數(shù)EN的系泊選取原則

在系泊新要求UR A2發(fā)布之前，系泊纜繩選取是基于舾裝數(shù)EN，即

EN=Δ2/3+2.0BH+0.1A

式中：Δ為夏季載重水線下的船舶型排水量，t；B為型寬，m；H為有效高度，m；A為計算錨的側(cè)投影面積,m2。

以計算出的舾裝數(shù)EN為基準，通過查詢表格即可得到需要的纜繩數(shù)量以及纜繩破斷力。

從舾裝數(shù)計算公式可以看出，沿船長方向的水流作用以及正投影受風(fēng)面積所受風(fēng)力占據(jù)更大權(quán)重，而反映系泊狀態(tài)纜繩抵御側(cè)面風(fēng)力的側(cè)投影面積占比較小。

2 舾裝數(shù)EN>2 000的系泊新要求

在最新的UR A2中，首纜、橫纜和尾纜的數(shù)量和強度將取決于側(cè)投影面積，在計算系泊側(cè)投影面積A1時需考慮以下因素：

(1)油船、化學(xué)品船、散貨船和礦砂船采用最輕載吃水；其他船型，如果一般裝載工況下最輕載吃水和滿載吃水下的干舷之比≥2，則采用一般裝載工況下的最輕載吃水。

(2)若船舶不?？吭谕坏淌酱a頭，在計算側(cè)投影面積時可不計入水線上方3 m高度的面積。

(3)計算具有甲板貨的船舶時，取滿載帶甲板貨側(cè)投影面積和最輕載不帶甲板貨側(cè)投影面積兩者中的較大者。

對不同船型，風(fēng)速Vw做以下假定：

(1)對于2 000 m2

(2)對于A1>4 000 m2的客船、渡輪和汽車滾裝船，Vw=21.0 m/s。

(3)其他船型，Vw=25.0 m/s。

雖然目前的假定條件可適用大部分港口航線，然而對于設(shè)計者和船東來說，還需要特別關(guān)注具體船舶的這些因素：所處港口水文環(huán)境；是否會遭遇更強烈的風(fēng)、更大的流；是否會有風(fēng)與橫向流的疊加；是否會有浪的影響；系泊布置是否合理。這些因素都將影響船舶纜繩實際所受載荷，從而增加纜繩破斷風(fēng)險。

2.1 纜繩最小破斷力

纜繩最小破斷力MBL按下式計算：

MBL=0.1A1+350

式中：MBL*為實際所選纜繩能夠承受的最大破斷力，kN。

如果外界風(fēng)力大于前述假設(shè)風(fēng)力，纜繩破斷力需要按照實際風(fēng)速進行換算：

2.2 纜繩數(shù)量

首纜、尾纜和橫纜總數(shù)量n按下式計算：

(1)油船、化學(xué)品船、散貨船和礦砂船：n=8.3×10-4A1+4。

(2)其他船型：n=8.3×10-4A1+6。

如果纜繩數(shù)量增加到n*，則纜繩破斷力調(diào)整為MBL*=1.2MBL·n/n*≤MBL；如果纜繩數(shù)量減少到n*，則纜繩破斷力調(diào)整為MBL*=MBL·n/n*。倒纜的總數(shù)量n1：

n1=2EN<5 000；n1=4EN≥5 000。

2.3 纜繩長度

對于EN>2 000的船舶，纜繩長度為200 m。每根纜繩的長度允許最多7%的長度誤差，但是所有纜繩的總長度不能小于要求之值。

3 技術(shù)背景

IACS按照舾裝數(shù)EN大小將船舶纜繩數(shù)量和強度的確定方法分為2類：EN≤2 000的船舶纜繩數(shù)量和最小破斷力的確定方式保持不變，而在結(jié)構(gòu)加強上由原來的1.25倍安全系數(shù)降為1.15倍，降低了對結(jié)構(gòu)加強的要求；EN>2 000的船舶纜繩數(shù)量和纜繩破斷力的回歸公式是通過對不同船型進行數(shù)值模擬計算后確定。船型數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。

表1 船型數(shù)據(jù)統(tǒng)計

計算過程假定：

(1)典型天氣情況下,風(fēng)速25 m/s，持續(xù)時間30 s，方向間隔10°。

(2)無實心防波堤，流速沿船首船尾1.5 m/s，偏離船首船尾10°時1.0 m/s；有實心防波堤，只考慮朝防波堤的流向。

該假定考慮了船舶遇到的大多數(shù)情況，但是，如果船舶所?？扛劭诃h(huán)境比較惡劣，則需要特殊評估系泊系統(tǒng)所承受的風(fēng)險。計算過程中，僅針對油船考慮了非實體防波堤的情況，其他船型默認有防波堤。對于油船和散貨船，滿載和空載情況下吃水變化較大，因此2種吃水情況都將考慮，其他船型則僅考慮設(shè)計吃水。另外，集裝箱船甲板貨的側(cè)投影面積在計算中將計入。

阻力系數(shù)的確定：油船采用OCIMF已發(fā)表數(shù)據(jù)，其他船型通過計算流體動力仿真確定。在此基礎(chǔ)上，考慮纜繩幾何非線性和材料非線性影響，通過不斷迭代直至系統(tǒng)達到準靜態(tài)平衡。纜繩以建議REC 10第2版修訂所給出的數(shù)量為起始數(shù)量(記為N1)，分析船舶實際可行的帶纜情況，計算每一種分布下纜繩最大載荷(記為l1,l2,l3,···)，以此便可確定出該纜繩數(shù)量N1下的纜繩最大載荷L1[L1=max(l1,l2,l3,···)]，然后增加纜繩數(shù)量到N2，重復(fù)上述步驟，于是得到纜繩數(shù)量與纜繩最大載荷之間的一一對應(yīng)關(guān)系。

計算結(jié)果表明：纜繩強度基于側(cè)投影面積的線型回歸方程，其標準差比基于舾裝數(shù)EN的方程要更小，因此，在此次改動中將側(cè)投影面積作為纜繩強度的決定參數(shù)，從而建立以側(cè)投影面積為自變量的纜繩數(shù)量和纜繩強度線型回歸方程。對于主要抵抗縱向流力的倒纜依然由舾裝數(shù)EN決定。

4 各船級社對于UR A2的實施情況

國際主要船級社2019年規(guī)范更新總結(jié)內(nèi)容見表2。

表2 國際主要船級社2019年規(guī)范更新總結(jié)

注： “Y”表示適用，“N”表示不適用，“-”表示無要求。

從上表看出，各大船級社基本沿用了IACS里的描述，有些細微修改。同時，還可以看出，系泊纜繩的確定不再不分船型，只看舾裝數(shù)來確定了，而是根據(jù)不同船型的特點給予不同考量因素。規(guī)范更多的是給出指導(dǎo)，讓設(shè)計者根據(jù)具體船型及船舶營運環(huán)境確定系泊纜，有利于提高船舶系泊安全性。

5 實例分析

如上所述，IACS分船型給予了不同的回歸公式。為了更直觀比較不同船型在新舊要求下的變化，下面將對82 000 t散貨船、114 000 t原油船、308 000 t大型油船、325 000 t大型礦砂船、2 400 TEU集裝箱船、2 500 TEU集裝箱船、“生生3號”客滾船進行比較研究，結(jié)果見表3。

從表3可以看出：對于油船、散貨船、礦砂船，側(cè)投影面積相比之前有明顯增大，約為原計算面積的2倍，側(cè)投影面積增大主要是因為新要求的吃水采用輕載吃水計算；纜繩數(shù)量有所增加，約為原數(shù)量的1.3倍，纜繩強度在10萬噸級及以下增加不多，而到30萬噸級時破斷力約為原來的1.4倍，這也從側(cè)面反映出橫向受風(fēng)載荷是系泊的決定性因素。

對于支線型集裝箱船，側(cè)投影面積變化較小，原因是在計算側(cè)投影面積時通常都是滿載帶貨的工況面積最大，所以新舊要求在計算側(cè)投影面積這一項中沒有區(qū)別，但是對于集裝箱船纜繩數(shù)量有明顯提高，約為原數(shù)量的1.5倍，而纜繩強度變化不大，約為原來的1.2倍。纜繩破斷力的增大對于設(shè)備選型有所影響，會導(dǎo)致絞車尺寸變大，從而影響系泊布置；而纜繩數(shù)量的變多直接影響系泊布置，尤其對于甲板空間緊張的集裝箱船，系泊布置空間更需要在前期充分考慮。

對于客滾船，纜繩數(shù)量約為原來的1.3倍，而纜繩破斷力增大為原來的1.5倍。比較客滾船和兩型集裝箱船可看出，兩者側(cè)投影面積差不多，而客滾船的舾裝數(shù)明顯較小，這就導(dǎo)致按照原要求選取纜繩時，纜繩破斷力較小。而因為原要求中建議側(cè)投影面積與舾裝數(shù)之比大于1.2時，纜繩數(shù)量增加3條，所以在纜繩數(shù)量上新要求并未較舊要求增大很多。

表3 新舊規(guī)范實船計算對比

6 結(jié)論

本文針對此次UR A2的修訂，深入分析了其背后修訂的原理，同時借助不同船型的比較研究可得出如下結(jié)論：

(1)側(cè)投影面積成為系泊纜繩和破斷力的決定因素，這也符合船舶系泊過程中系泊纜主要抵抗橫向受力的實際情況。

(2)實船計算結(jié)果表明，新要求對系泊纜繩和纜繩破斷力提出了更高要求，不同船型影響不同。

(3)針對不同船型的計算結(jié)果表明：10萬噸級及以下散貨船、油船、礦砂船在新舊要求下變化不大，而30萬噸級側(cè)投影面積顯著增大的船舶有較大影響；對于支線型箱船，纜繩數(shù)量影響顯著，而纜繩破斷力影響較小。然而數(shù)量的增加卻對系泊的布置造成相當不利的影響；對于客滾船，纜繩破斷力影響較大，而纜繩數(shù)量的影響相對較小。