船舶設(shè)計(jì)過程中的系泊布置

郭鐵泉

（招商局郵輪制造有限公司，江蘇 南通 226116）

0 引言

相對(duì)于錨泊布置來(lái)說(shuō)，船級(jí)社等規(guī)范并未對(duì)在功能方面有過多的硬性要求，根據(jù)舾裝數(shù)給出的系泊和拖帶的載荷也僅僅是作為指導(dǎo)[1]。因此系泊布置更多的是依靠實(shí)船的操作經(jīng)驗(yàn)和一些布置慣例，這給未接觸過實(shí)船系泊操作的設(shè)計(jì)者在布置相關(guān)系泊件時(shí)帶來(lái)很大的困擾。此外系泊布置還涉及到纜繩、各類型的系泊裝置和絞車等相關(guān)的設(shè)備，其內(nèi)在各元素的相互關(guān)聯(lián)、相互制約的關(guān)系也容易帶來(lái)困擾。

針對(duì)以上問題展開討論，主要關(guān)注系泊的功能和布置，系泊裝置的設(shè)計(jì)載荷和相應(yīng)的選型。

1 一般原則

系泊，即指將船固定在碼頭。為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)高效的系泊方式，并且該方式對(duì)船舶及船員，靠泊的碼頭以及環(huán)境是安全的，有必要搞清楚下面的問題：

1）有什么樣的載荷施加在船身上？

2）用什么原則來(lái)決定如何把這些作用力分配到纜索中去？

3）怎樣去應(yīng)用上述的原則來(lái)建立一個(gè)好的系泊布置。

施加載荷在船身上主要有如下因素：風(fēng)，水流，潮汐，船舶駛過產(chǎn)生的縱蕩，波浪/涌浪/靜震，冰，吃水的變化。

有關(guān)風(fēng)等因素對(duì)船泊施加的載荷比較容易理解，作用在船上使船遠(yuǎn)離碼頭或沿碼頭前后。吃水的變化會(huì)影響到載荷的主要原因?yàn)樽枞?yīng)，由于船底與水底的間距減小，成比例的水流改從船的兩側(cè)流過，增加了對(duì)船的載荷[2]。

2 系泊布置

系泊主要組成：纜繩，系泊件（導(dǎo)纜孔、帶纜樁、導(dǎo)纜器等），設(shè)備（絞車或絞盤等），船體結(jié)構(gòu)反面支撐結(jié)構(gòu)。

一般布置原則：

1）纜索的布置盡可能與船舯位置對(duì)稱。一個(gè)對(duì)稱布置比一個(gè)不對(duì)稱布置能更可靠地保證良好的負(fù)荷分配。

2）橫纜盡量垂直于船的縱向中心線并盡可能靠近船艉和船艏。

3）倒纜盡可能平行于船的縱向中心線。

4）系泊纜繩的垂向角應(yīng)保持最小。纜索的角度愈是平坦，纜索將更有效地承受作用在船上的水平力。

5）因?yàn)槔|索的彈性主要取決于其材料、構(gòu)造、長(zhǎng)度和直徑。為了實(shí)現(xiàn)載荷在各纜索間比較平均的分配，應(yīng)該盡量使用相同尺寸和形式（材料）的系泊纜。如果無(wú)法實(shí)現(xiàn)，那么用于橫纜功能的纜索、倒纜功能的纜索等需要一一相同。

6）如果在鋼纜末端使用纜尾索，則應(yīng)以相同尺寸和形式的纜尾索用于所有相同任務(wù)的纜索上。

7）布置纜索，應(yīng)使作用相同的纜索在船上絞車和岸上系纜樁間的長(zhǎng)度大致相同。纜索的彈性直接隨長(zhǎng)度而變化，較短的纜將會(huì)承受較大的負(fù)荷。

2.1 纜繩選用

首先是確定纜繩的破斷載荷，一般是根據(jù)舾裝數(shù)計(jì)算來(lái)確定。舾裝數(shù)有關(guān)系泊纜繩的要求雖然不作為入級(jí)要求，但是各船級(jí)社還是包含了纜繩的數(shù)量、長(zhǎng)度及破斷載荷的推薦。

因?yàn)橄噍^于常規(guī)船，液貨船對(duì)于系泊有著更高的要求，船東或許會(huì)要求用軟件模擬的方式來(lái)檢驗(yàn)載荷是否恰當(dāng)。

接下來(lái)是系泊纜繩材質(zhì)。按照材質(zhì)，系泊纜繩一般可以分為合成纖維繩或者為鋼絲繩。

比較常見的合成纖維繩材質(zhì)為丙綸、滌綸、尼龍、高分子纖維等。其中丙綸浮于水，但強(qiáng)度一般、耐磨性和抗紫外線不佳；滌綸沉于水，但強(qiáng)度和耐磨性優(yōu)于丙綸；尼龍也沉于水，強(qiáng)度比滌綸高一點(diǎn)；高分子纖維浮于水，強(qiáng)度很大，但是價(jià)格比較貴。

基于操作性方面的考量，合成纖維繩的直徑一般不大于80 mm。其安全工作負(fù)荷一般是最小破斷載荷的45%～50%。

大噸位的船舶，纜繩有可能會(huì)使用鋼絲繩?；诓僮鹘?jīng)驗(yàn)，直徑44 mm被認(rèn)為是可操作的上限，不過48 mm也會(huì)被偶爾用到。出于彈性方面的考量，末端會(huì)連接一段尾繩，以此彌補(bǔ)鋼絲繩彈性小的不足。

破斷載荷和材質(zhì)確定后，纜繩的直徑大小便確定了。

2.2 系泊件選擇

系泊件主要有：帶纜樁、導(dǎo)纜孔、導(dǎo)纜器。帶纜樁有雙柱帶纜樁、十字帶纜樁、嵌入式帶纜樁等；導(dǎo)纜孔有纖維繩用導(dǎo)纜孔、鋼絲繩用導(dǎo)纜孔、巴拿馬導(dǎo)纜孔；導(dǎo)纜器有多滾柱導(dǎo)纜器、水平滾柱導(dǎo)纜器、水平滾輪導(dǎo)纜器、羊角單滾輪導(dǎo)纜器等。

系泊件標(biāo)準(zhǔn)眾多，有各國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)，也有國(guó)際的ISO標(biāo)準(zhǔn)。雖然標(biāo)準(zhǔn)多，但總體上來(lái)說(shuō)，相應(yīng)的系泊件基本上大同小異。

出于維修成本和維修難易的考慮，系泊件一個(gè)大的原則便是當(dāng)受到極端載荷情況，在纜繩遭到破壞時(shí)，系泊件完好,所以舾裝件的安全工作負(fù)荷為繩子最小破斷載荷[3]，因此根據(jù)纜繩的破斷載荷，便可以選擇相應(yīng)的型號(hào)。

載荷是選擇系泊件的主要指標(biāo)，其他影響因素有繩子的直徑大小。因?yàn)槔K子的打折會(huì)損失其強(qiáng)度，尤以鋼絲繩為甚。據(jù)研究得出鋼絲繩的彎曲曲率之比（系泊件圓弧面直徑與鋼絲繩直徑之比）為12時(shí)，鋼芯鋼絲繩強(qiáng)度為其原來(lái)的90%左右，纖維芯鋼絲繩僅為80%左右，因此在重要場(chǎng)合推薦使用鋼芯鋼絲繩，并且彎曲曲率至少為12，在特殊情況下也可放寬至10。而對(duì)于合成纖維繩，彎曲曲率一般需要由制造廠商推薦，如今在實(shí)際使用中一般常用的是固定表面彎曲曲率為8，滾動(dòng)表面為4。

導(dǎo)纜孔受到的合力為：F=2×SWL×cos（A/2）；最大為F=2SWL，其它系泊件如滾柱導(dǎo)纜器，滾輪導(dǎo)纜器與此相似，需要特別說(shuō)明的是帶纜樁。帶纜樁會(huì)根據(jù)其系繩子的方式不同而受到不同的力。當(dāng)以8字帶纜方式時(shí)，由于受到繩子內(nèi)力的作用，帶纜樁本身承受的載荷最大可為2倍的SWL，而當(dāng)以眼環(huán)的方式時(shí)其受力為SWL，因此帶纜樁的設(shè)計(jì)載荷為2SWL。8字帶纜一般用于系泊和拖離功能，而繩環(huán)方式一般用于拖帶。

導(dǎo)纜器與上述導(dǎo)纜孔類似。

2.3 系泊絞車

系泊絞車用來(lái)儲(chǔ)存纜繩；在工作狀態(tài)收放纜繩的長(zhǎng)度和預(yù)緊纜繩，繩子調(diào)整完后，通過卷筒的剎車力來(lái)維持纜繩的狀態(tài)。絞車的剎車力同時(shí)也是于整個(gè)系泊系統(tǒng)的一種保險(xiǎn)。當(dāng)受到突發(fā)載荷時(shí)，外力逼近繩子的破斷載荷。這時(shí)候也會(huì)超過剎車的設(shè)定值，卷筒會(huì)釋放纜繩，以此來(lái)避免纜繩的斷裂。

絞車參與系泊的幾個(gè)直接部件，首先是卷筒。卷筒的大概形式主要分為整體式和分隔式。分隔式卷筒由張力部分和儲(chǔ)繩部分組成。分隔式卷筒的優(yōu)點(diǎn)在于系泊索總是從卷筒張力部分的第一層拉出，絞進(jìn)力不會(huì)因?yàn)閮?chǔ)繩厚度的增加而減少[4]。而整體式卷筒的絞進(jìn)力會(huì)因?yàn)榇鎯?chǔ)繩厚度的變化而變化。分離式卷筒的缺點(diǎn)是增加了人員操作的難度，而整體式卷筒操作會(huì)簡(jiǎn)易一些。

其次便是卷筒剎車能力。主剎車應(yīng)調(diào)整到承受系泊索的60%MBL?？紤]到使用過程中剎車的磨損，建議新的剎車應(yīng)設(shè)計(jì)成能承受纜索的80%MBL，但是能夠?qū)⑵湎抡{(diào)到纜索60%MBL的能力。80%MBL也是LR，DNV等船級(jí)社的要求。

2.4 船體支撐結(jié)構(gòu)要求

根據(jù)規(guī)范要求，船體支撐結(jié)構(gòu)的承載能力需要根據(jù)具體的布置計(jì)算出合力，可參見2.2中導(dǎo)纜孔合力計(jì)算方式。

至此常規(guī)的系泊功能要求和系泊組成要素已介紹完畢，以某小型極地探險(xiǎn)郵輪為例來(lái)具體闡述相應(yīng)的布置。

小型極地探險(xiǎn)郵輪和普通商船在系泊方面的要求并無(wú)區(qū)別，但是由于是小型船舶，而且甲板上需要堆放探險(xiǎn)工具，導(dǎo)致系泊空間有限。另外，船舶前往的區(qū)域?yàn)闃O地這類天氣比較極端的區(qū)域，船東會(huì)希望有更多的冗余。

以圖1為例，有2個(gè)特點(diǎn)：一艘小型船舶單舷側(cè)能有11根繩子，冗余設(shè)計(jì)；空間有限，僅首部由絞車卷筒，其余依靠帶纜樁來(lái)帶纜。

圖1 系泊布置圖

從上面的系泊布置圖上可以看出1份完整的系泊的組成：用于艏倒纜的帶纜樁和導(dǎo)纜孔/導(dǎo)纜器；用于艏橫纜的絞車卷筒，羊角導(dǎo)纜器和滾柱導(dǎo)纜器；用于艏纜的絞車卷筒和導(dǎo)纜孔/導(dǎo)纜器；用于艉橫纜和艉倒纜的帶纜樁和導(dǎo)纜孔/導(dǎo)纜器；用于艉纜的帶纜樁和導(dǎo)纜孔/導(dǎo)纜器。

首部右舷還增加了一個(gè)絞盤，作為錨絞機(jī)失效時(shí)的補(bǔ)充。

根據(jù)SOLAS的要求，無(wú)需專用的緊急拖帶裝置，因此可以利用現(xiàn)有的系泊布置來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)急拖帶的功能。

3 其它系泊功能

對(duì)于液貨船，因?yàn)樗d運(yùn)的是易燃易爆的危險(xiǎn)貨物，所以系泊功能較之其他普通商船及客船，有更多的功能要求。

或者船舶在通過一些特殊的水域，比如巴拿馬運(yùn)河時(shí)，相關(guān)的系泊布置需要滿足運(yùn)河方的相關(guān)要求，以便船舶能夠順利通過。

3.1 護(hù)航/后拖（Pull Back）

在一些狹窄的水域，因?yàn)榇氨旧肀容^大，難以靈活避讓、剎停，為了避免由此帶來(lái)的一些安全事故，需要由一艘或多艘拖船進(jìn)行護(hù)航，其一便有一艘拖船在液貨船尾部用繩索相連接，在必要的時(shí)候往后拖住液貨船，輔助液貨船減速。

在許多船上，SOLAS要求的應(yīng)急拖帶也能滿足這個(gè)要求，但是不能占用或影響應(yīng)急拖帶的使用。在新船設(shè)計(jì)時(shí)，OCIMF推薦在設(shè)計(jì)應(yīng)急拖帶時(shí)兼顧這項(xiàng)功能。

3.2 拖離（Pull Off）要求

在液貨船靠泊時(shí)，碼頭或者靠泊點(diǎn)發(fā)生了火災(zāi)或者爆炸之類的險(xiǎn)情，這種情況下需要能夠在無(wú)液貨船船員的協(xié)助下便可將船拖走，即防火纜的使用。防火纜目前因?yàn)榉阑鸬奶匦?，使用的是鋼絲繩，但不排除以后發(fā)展出可以防火的合成纖維繩。

根據(jù)OCIMF推薦，其要求的載荷根據(jù)液貨船的大小來(lái)決定。

有的客船也會(huì)有此功能，同樣處于安全方面的考量。

3.3 港口拖帶要求

在大型的液貨船上，一般會(huì)要求設(shè)置5個(gè)推/拉點(diǎn)，而小型的船舶一般為3個(gè)。一般會(huì)在頂推點(diǎn)布置帶纜樁和導(dǎo)纜孔，用于拖帶。

根據(jù)IACS UR A2規(guī)定，用于此目的的系泊件的安全工作負(fù)荷應(yīng)為1.25倍的期許的最大拖力（靜態(tài)系柱拖力）。但設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)階段往往接觸不到港口配備的拖輪的實(shí)際參數(shù)。因此還可以根據(jù)一些文獻(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)推薦值，如OCIMF。

3.4 船對(duì)船系泊

對(duì)于小型的氣體運(yùn)輸船來(lái)說(shuō)，一般為取貨船，其標(biāo)準(zhǔn)的系泊就可適用于船對(duì)船系泊。

對(duì)于大型的氣體運(yùn)輸船來(lái)說(shuō)，一般都為卸貨船。對(duì)于16×104DWT以上的船，在右舷額外配置2對(duì)重型閉式導(dǎo)纜孔，500 mm×400 mm，在管匯前后35 m，或竟可能靠近此位置。16×104DWT以下的船一般的系泊布置即可滿足。

3.5 運(yùn)河要求

主要的運(yùn)河有巴拿馬、蘇伊士、圣勞倫斯運(yùn)河等，各自都有一些對(duì)于系泊的要求，可以根據(jù)具體運(yùn)河的通航要求來(lái)布置。

3.6 應(yīng)急拖帶裝置

對(duì)于液貨船，SOLAS要求需要專門的應(yīng)急拖帶布置，具體可參見MSC.35（63）相關(guān)的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

系泊布置不屬于船級(jí)社入級(jí)項(xiàng)目，船級(jí)社對(duì)此沒有過多的描述。因此系泊布置更多的是依據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)要求和使用慣例來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

通過對(duì)系泊操作要求的梳理，并輔以實(shí)例，加深了系泊布置的理解，并為以后相應(yīng)的系泊布置打下基礎(chǔ)，以便更安全、經(jīng)濟(jì)、有效地布置系泊件。