大型原油碼頭船舶系泊試驗研究

張萬威，王 晟，王 靜，陳國平，嚴(yán)士常*

(1.海岸災(zāi)害及防護教育部重點實驗室(河海大學(xué))， 南京 210098；2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院， 南京 210098；3.上海灘涂海岸工程技術(shù)研究中心，上海 200061)

近年來，我國沿海港口建設(shè)逐漸向深水化、船舶大型化發(fā)展，相對于傳統(tǒng)碼頭建設(shè)，這對技術(shù)層面提出了更高的要求。由于船舶停泊水域的風(fēng)、浪、流等自然環(huán)境條件隨機性較強，在外界環(huán)境的綜合動力荷載作用下，系泊船舶的運動響應(yīng)及受力情況更為復(fù)雜。系泊船舶運動幅度過大會影響碼頭正常作業(yè)，纜繩受力過大會導(dǎo)致斷纜，造成嚴(yán)重的損失[1]。我國現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范[2]指出系泊船舶在風(fēng)、浪、流作用下的綜合運動情況可通過物理模型試驗結(jié)合數(shù)值模擬試驗確定。林尚飛等[3]通過船舶泊穩(wěn)試驗，研究了不同泊位長度、系纜墩布置型式及船舶帶纜方式對船舶系纜力、運動量、護弦撞擊力及撞擊能量的影響。李焱等[4]通過整體物理模型試驗，以船舶運動量和系纜力為衡量標(biāo)準(zhǔn)，得到不同風(fēng)、流條件下船舶安全作業(yè)和系泊的允許波浪波高及周期，并建議油船縱、橫移運動量最大允許值取2 m較為合適。高峰等[5]通過物理模型試驗，分別對26.6萬m3船型在 370 m和390 m兩種泊位長度進行了對比論證，并對兩種系纜方式(3322和4222)進行了對比試驗。耿寶磊等[6]通過物理模型試驗，對14 000 DWT駁船在風(fēng)、波浪荷載不同組合工況下船舶系泊運動量、纜繩拉力、護舷承受的撞擊力，以及船舶靠泊產(chǎn)生的撞擊力和撞擊能量進行了研究。陳春升[7]運用不規(guī)則波及規(guī)則波作用、物理模型和數(shù)學(xué)模型、船艏艉對調(diào)試驗對比等多種研究手段對碼頭長度370 m、26.6萬m3LNG船在不同風(fēng)、浪、流組合作用下的船舶運動量、系纜力和撞擊力進行了研究，以達(dá)到LNG船舶安全系泊的要求。王志斌等[8]通過30萬t級散貨碼頭系泊物理模型試驗，在風(fēng)、浪、流組合工況下，對不同系泊方式的系纜力和船舶運動進行分析，最后得出流向和纜繩長度對系纜張力有顯著影響。朱奇等[9]通過物理模型試驗，研究了風(fēng)、浪、流共同作用下系泊船舶的運動量和系纜力，分析了泊位長度與系纜方式對系泊船舶的影響，最后得出較短的泊位長度對橫向運動有較好的約束，能減少艏艉纜及倒纜的受力。

準(zhǔn)確確定大型碼頭船舶作業(yè)和系泊安全條件是碼頭工程設(shè)計中的重要問題之一，本次研究通過船舶系泊物理模型試驗，分別對風(fēng)、浪、流不同組合工況下的纜繩系纜力、船舶運動量以及系纜方式等進行了試驗研究，可為設(shè)計和運營提供參考。

1 物理模型試驗布置

試驗在河海大學(xué)波浪港池中進行，港池長40 m、寬30 m、深1.2 m。港池的四周設(shè)置消浪緩坡，來消除波浪二次反射影響，港池內(nèi)配有可移動式造波機，可產(chǎn)生試驗所要求的3個方向的不規(guī)則波浪。物理模型整體布置如圖1所示，試驗遵循JTS/T 231-2021《水運工程模擬試驗技術(shù)規(guī)范》[10]，采用正態(tài)比尺，主要考慮因素為重力相似，綜合考慮確定模型幾何比尺為1∶58，本試驗原油碼頭布置在新建防波堤內(nèi)測，與防波堤平行布置。防波堤主要由堤心石和護面塊體組成，防波堤布置照片如圖2所示，碼頭結(jié)構(gòu)由有機玻璃進行模擬，通過在護舷傳感器底部增加木板使得護舷的重心高程與原型相似，通過調(diào)整橡膠成分和護舷傳感器頂部重物質(zhì)量使模型護舷的力學(xué)性能曲線與原型相似，橡膠護舷模型模擬曲線如圖3所示。纜繩模型由相同的纜繩合并采用一根纜繩模擬，采用基本無彈性(本次試驗測力范圍內(nèi))的鋼絲與多級彈簧鋼片的組合體模擬，通過改變彈簧鋼片的長度來模擬不同的拉力-伸長曲線，以達(dá)到拉力-伸長相似。同時，纜繩的長度、系纜位置以及系纜角度也與原型相似。船舶模型采用玻璃鋼制作，與原型保持幾何相似。對船舶的不同載重狀況分別采用鐵制砝碼壓載配重，使船舶模型滿足吃水、重量、重心位置、質(zhì)量慣性矩和自振周期等與原型相似。

圖1 模型布置圖

圖2 防波堤布置照片

30萬t級油船纜繩采用直徑Ф 44 mm纖維芯鋼纜, 每根纜繩配11 m Φ 96 mm尼龍尾纜，經(jīng)過系纜方式比選試驗后，確定纜繩布置采用4∶2∶2∶2方式，共計20根纜繩，15萬t級油船纜繩采用直徑Ф 38 mm纖維芯鋼纜, 每根纜繩配11 m Φ 80 mm尼龍尾纜，纜繩布置采用2∶2∶2∶2方式，共計16根纜繩，5萬t級油船纜繩采用直徑Ф 28 mm纖維芯鋼纜, 每根纜繩配11 m Φ 60 mm尼龍尾纜，纜繩布置采用2∶2∶2∶2方式，共計16根纜繩。30萬t和15萬t級油船單根纜繩初始拉力調(diào)整為100 kN，5萬t級油船單根纜繩初始拉力調(diào)整為60 kN。外側(cè)靠船墩橡膠護舷規(guī)格為兩鼓一板SUC2500H鼓型標(biāo)準(zhǔn)反力橡膠護舷，內(nèi)側(cè)靠船墩橡膠護舷規(guī)格為一鼓一板SUC2500H鼓型標(biāo)準(zhǔn)反力橡膠護舷。

不規(guī)則波波譜采用JONSWAP譜，譜峰因子γ取值為3.3,水流荷載和風(fēng)荷載模擬均滿足重力相似，試驗時采用掛重法進行模擬。試驗采用六自由度運動測量儀測量船舶的六分量，纜繩力和船舶擠靠能量分別通過傳感器(圖4)測量，采集頻率為100 Hz。試驗船型為30萬t、15萬t、5萬t油船，船舶裝載狀態(tài)包括滿載、壓載。試驗分別測量了三種船型在表1的試驗環(huán)境不同組合工況下纜繩系纜力、船舶運動量、護舷撞擊力及撞擊能量，總計215組。為保證試驗的可靠性，試驗時每種工況重復(fù)3次，取3次測量數(shù)據(jù)的平均值為最終結(jié)果。

圖4 護舷傳感器

表1 試驗環(huán)境條件

2 試驗結(jié)果與分析

系纜力分布不均勻是造成船舶系泊狀態(tài)下纜繩斷纜的原因之一，因此需要選擇合適的系纜方式使得各纜繩拉力分布盡量均勻，定義各纜繩拉力標(biāo)準(zhǔn)差與均值的比值σ/x為纜繩拉力不均勻系數(shù)，特別說明，本文所呈現(xiàn)的試驗結(jié)果數(shù)據(jù)均是通過試驗測量值乘以模型比尺因子換算得到的原型值，并且本文中的各組系纜力均是單根纜繩的系纜力。由于篇幅的限制以30萬t級油船系泊試驗的各組數(shù)據(jù)為例進行分析。

2.1 系纜方式比選試驗

試驗中對30萬t級油船的不同系纜方式進行了比選，分別采用4222布置和2332布置，其系纜布置如圖5所示。如圖6和圖7所示，在W方向波浪作用下，兩種系纜方式的各組纜繩系纜力極值及運動量極值差別不大，2332的橫移和縱移均比同組的4222稍大，而4222系纜方式條件下各組纜繩受力更均勻，其纜繩拉力不均勻系數(shù)均比同組的2332小30%，2332系纜方式導(dǎo)致船舶的艏橫纜受力較大，故后續(xù)30萬t級油船系泊試驗均采用4222系纜方式。

圖5 30萬t級油船系纜布置圖

7-a 橫移、縱移、升沉 7-b 橫搖、縱搖、回旋

2.2 系纜力分析

在不同的風(fēng)、浪、流組合情況下，不同船型、不同載度的油船系纜力變化較為復(fù)雜。

根據(jù)課題組多年從事船舶系泊試驗的經(jīng)驗[11-13]和本次試驗的結(jié)果，得到結(jié)論：對于系泊系統(tǒng)的動力因素波浪、水流和風(fēng)來說，波浪的影響程度為三者中的最大。其中，在壓載時，風(fēng)的影響程度比水流大，在滿載時，水流的影響程度比風(fēng)大，在采用《系泊設(shè)備指南》[14]計算風(fēng)荷載和水流荷載時，風(fēng)荷載主要與船舶吃水線以上的受力面積有關(guān)，而水流荷載主要與船舶吃水線以下的受力面積有關(guān)，這導(dǎo)致兩者在不同載度時對系泊系統(tǒng)的影響程度不同。從圖8可以看出，15萬t壓載油船僅在SSW方向的波浪作用下，隨著波高的增大船舶系纜力相應(yīng)增大，且不同位置的纜繩對波高增大的響應(yīng)程度不一，艏纜、艏橫纜隨著波高的增大，船舶系纜力增大明顯，艉纜、艉橫纜在波浪波高為2.5 m和2 m時得到的系纜力接近，這是因為該碼頭受到防波堤掩護作用。從圖9可以看出，波浪周期對船舶系纜力影響尤其明顯，H4%=2.5 m，T=10 s的波浪在單獨作用和風(fēng)浪流共同作用時均使30萬t油船各組纜繩的系纜力嚴(yán)重超出設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，與H4%=2.5 m，T=8 s的波浪作用時的系纜力對比，較長周期波浪作用船舶時的系纜力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于短周期波浪作用時的值，這是因為30萬t級油船在壓載時橫、縱搖周期為10 s左右，產(chǎn)生共振使得船舶搖擺幅度變大，并且較長周期波浪自身的能量比短周期波浪大，根據(jù)試驗中碼頭前沿波高的統(tǒng)計數(shù)據(jù)得到，10 s波浪的波長平均是8 s波浪的1.62倍，對于船舶的沖擊作用也更大。

圖8 15萬t壓載油船在SSW向波浪作用下纜繩系纜力隨波高變化

不同波向?qū)ο道|力的影響有較大差異。由以往文獻得知[15]，一般情況下相同波高、周期作用下，橫浪作用下的系纜力要比順浪和斜浪大得多。表2是試驗所得的各船型船舶在各個浪向不同載度時的船舶極限波高，即系泊船舶所能承受的最大波高，在此波高的波浪作用下，船舶的各組纜繩系纜力均滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，在W向波浪作用時，波向?qū)τ诖盀?0°橫浪，在同等工況下系纜力比SSW向作用時大，在ENE向波浪作用時，波浪從北側(cè)堤頭繞射，形成使船舶推離碼頭的橫浪，得到的船舶極限波高與W向接近。該試驗碼頭與開敞式碼頭不同，由于碼頭位于防波堤的內(nèi)側(cè)，碼頭前沿既有繞射波浪也有順堤波浪，波況較為復(fù)雜，導(dǎo)致系泊船舶的系纜力前后分布不均勻，運營期間應(yīng)根據(jù)實際波況及時調(diào)整纜力。

表2 各船型船舶在各個浪向不同載度時的船舶極限波高

試驗時同一船舶在兩個水位同種工況下得到的船舶系纜力互有大小且相差不大。這是因為試驗時計算風(fēng)荷載不再計及設(shè)計水位不同帶來的風(fēng)荷載的微小差別，只需在水位發(fā)生變化時調(diào)節(jié)掛重位置使得風(fēng)力作用方向保證處于水平狀況，該試驗兩個水位相差不大，相同工況下模擬風(fēng)荷載所用重物質(zhì)量相同，低水位時模擬水流荷載所用的重物比高水位的稍重一些，由于各纜繩長度與系纜角度隨著水位變化發(fā)生的變化也帶來了系纜力的些許不同。

圖10為30萬t油船壓載狀態(tài)下在波向W上不同風(fēng)、流荷載時船舶系纜力變化圖。由圖可得，橫吹開風(fēng)和90°的開流使得各組纜繩系纜力增加，且各組系纜力隨著風(fēng)速的增加而增加，艏艉橫纜系纜力增加幅度較其他位置要大。橫吹攏風(fēng)和攏流則會減小各組系纜力，減小幅度明顯，并使得各組纜繩系纜力更加均勻。多種環(huán)境荷載耦合時對船舶的運動產(chǎn)生不同的影響，產(chǎn)生的船舶系纜力不是各單一荷載作用的疊加，如圖11所示，15萬t級油船在波向W、高水位、壓載的情況下疊加了風(fēng)荷載和水流荷載反而使得系纜力不均勻系數(shù)從單浪作用下的0.27下降為0.25，各組纜力平均下降25%。

圖10 30萬t壓載油船在W向波浪作用下纜繩系纜力隨風(fēng)、流荷載變化

2.3 運動量分析

不同波向?qū)Υ斑\動量的影響有較大差異。從圖12可以看出，在SSW向波浪作用時，碼頭前沿既有繞射波浪也有順堤波浪，船舶運動量中縱移通常比橫移大，此時以縱移是否超標(biāo)為準(zhǔn)，在W向波浪作用時，船舶的橫移一般比縱移大，在ENE向波浪作用時，船舶的縱、橫移相差不大，均起到控制作用。船舶各運動量對橫吹開風(fēng)和90°的開流響應(yīng)程度不同，其中橫搖增加的程度最大。橫移在波浪浪向為SSW、W時，橫吹開風(fēng)和90°的開流會使其增大，在ENE向波浪作用時，橫吹開風(fēng)和90°的開流對其影響較小。其他運動量對橫吹開風(fēng)和90°的開流響應(yīng)均較小。

圖12 不同波向運動量極值對比

波周期對運動量的影響較顯著。當(dāng)船舶本身固有周期接近波浪周期時，容易發(fā)生運動諧振，此時船舶的運動量則相對增大，如30萬t級油船在壓載時的橫搖周期為10.02 s，縱搖周期為9.76 s，使得縱移在10 s周期下最大達(dá)到6.65 m，橫移可達(dá)到1.28 m。此現(xiàn)象在5萬t級油船上較為明顯，該船型的自搖周期為6.44～18.21 s，使得縱移在8 s周期的波浪作用下最大達(dá)到1.4 m,此時雖然在允許運動量3 m以下，但是多個纜繩系纜力超標(biāo)，影響船舶的安全系泊。

根據(jù)JTS165-2013《海港總體設(shè)計規(guī)范》[2]，船舶裝卸作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)宜采用船舶主要運動分量的限值表示，查表可得，油船裝卸作業(yè)允許的船舶運動量為縱移、橫移均在0.5～2.0 m。該規(guī)定中提到原油碼頭系泊船舶其他的運動量，包括搖擺、升沉等，對于現(xiàn)代性能良好的輸油臂來說正常情況均是可以適應(yīng)的。國際航運協(xié)會(PIANC ,1995)安全作業(yè)推薦的允許運動范圍標(biāo)準(zhǔn)，即油船允許最大縱、橫移的推薦值均為3 m，其他4個運動量沒有要求[16]。但在15萬t船舶試驗時，發(fā)現(xiàn)在船舶橫移在1 m附近，縱移在0.3 m附近時多個纜繩系纜力超標(biāo)，此時橫搖值突然增大到5°，大幅度的橫搖運動導(dǎo)致纜繩的系纜力突然達(dá)到峰值，極其影響船舶的安全系泊。建議對油船系泊時除縱、橫移以外的運動量給予更多關(guān)注。

試驗時同一船舶在兩個水位同種工況下得到的船舶運動量互有大小且相差不大。

3 結(jié)論

(1)對30萬t級油船的不同系纜方式進行了比選，最終選擇的4222布置可以使得各組纜繩受力更加均勻，其纜繩拉力不均勻系數(shù)均比同組的2332小30%。(2)對于系泊系統(tǒng)的動力因素波浪、水流和風(fēng)來說，波浪的影響程度為三者中的最大。其中，在壓載時風(fēng)的影響程度比水流大，在滿載時水流的影響程度比風(fēng)大。隨著波高的增大，船舶系纜力相應(yīng)增大。波浪周期的影響尤其明顯，較長周期的波浪作用船舶時的系纜力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于短周期波浪作用時的值。(3)不同波向?qū)Υ跋道|力和運動量的影響有較大差異，試驗時同一船舶在兩個水位同種工況下得到的船舶系纜力、運動量互有大小且相差不大。多種環(huán)境荷載耦合時產(chǎn)生的船舶系纜力不是各單一荷載作用的疊加。(4)波浪周期對運動量的影響較顯著，當(dāng)船舶本身固有周期接近波浪周期時，容易發(fā)生運動諧振，此時船舶的運動量相對增大，建議對油船系泊時除縱、橫移以外的運動量給予更多關(guān)注。(5)本次試驗中模擬了一期及二期所有防波堤，碼頭位于防波堤內(nèi)側(cè)，與開敞式碼頭不同，碼頭前沿既有繞射波浪也有順堤波浪，波況較為復(fù)雜，導(dǎo)致系泊船舶的系纜力前后分布不均勻，運營期間應(yīng)根據(jù)實際波況及時調(diào)整纜力。