緩沖吸能高性能組合纜技術(shù)應(yīng)用

夏運(yùn)強(qiáng)，李欣，王海峰，趙晶

（中國(guó)人民解放軍91053部隊(duì)，北京 100070）

0 引言

通常情況下，船舶碼頭系泊采用單一種類纜索，例如鋼纜或纖維纜。纖維纜以合成纖維纜為主，包括普通纜繩（尼龍纜等）[1]和高性能纜繩。近年來，以超高分子量聚乙烯纖維纜[2]（UHMW-PE或HMSF）為代表的高性能纖維纜由于具備高強(qiáng)、輕質(zhì)、低延性、良好的耐磨、耐輻射、耐腐蝕、耐溫性等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用，我國(guó)艦船特別是大型艦船廣泛配備使用。系泊用高性能纖維纜一般采用8股或12股編和復(fù)編結(jié)構(gòu)。相對(duì)于尼龍纜的高延伸性（破斷延伸率約20%），鋼纜破斷延伸率約2%，高性能纖維纜破斷延伸率3%~5%，后兩者延伸率均較小。低延伸率標(biāo)志著纜繩剛度大，彈性低，緩沖吸能效果差，系泊船舶在波浪等動(dòng)荷載作用下纜繩會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的沖擊荷載，容易造成纜繩、帶纜樁、導(dǎo)纜孔和碼頭系船柱等系泊設(shè)施的破壞，對(duì)船舶駐泊作業(yè)和碼頭設(shè)施安全造成威脅。船舶系泊海港碼頭作業(yè)時(shí)，系纜力通常是由風(fēng)浪流等環(huán)境因素產(chǎn)生，其中波浪作用是主要因素。對(duì)于掩護(hù)條件良好的港口，波浪荷載可以不考慮，而對(duì)于開敞式碼頭或掩護(hù)條件差的港口，波浪荷載是影響船舶系纜安全的主導(dǎo)因素。研究解決高性能纖維纜抗沖擊荷載能力差的問題，對(duì)保障船舶特別是艦船碼頭系泊安全具有重要意義。

1 緩沖吸能組合纜技術(shù)

1.1 組合纜原理

常用系泊纜索性能曲線見圖1。

圖1 常用系泊纜索性能曲線Fig.1 Performance curve of mooring lines in common use

在以油氣運(yùn)輸行業(yè)為主的港口平面配置中，出于高安全性考慮，油輪、LNG和LPG碼頭一般與其他類別碼頭需保持一定安全距離，且通常情況下布置在開敞水域，受波浪作用等影響較大。

目前，100 000噸級(jí)以上油輪等系泊纜主纜索采用鋼纜或高性能纖維纜，在靠岸側(cè)配置一段具有較高延性的合成纖維纜，稱作纜尾索，主纜索、纜尾索以及它們之間的連接件共同組成緩沖吸能組合纜，見圖2。本文重點(diǎn)對(duì)主纜索采用高性能聚乙烯纖維纜的組合纜技術(shù)應(yīng)用問題進(jìn)行探討。

圖2 緩沖吸能組合纜應(yīng)用圖Fig.2 Application of buffering and energy-absorption combined cables

緩沖吸能組合纜的優(yōu)勢(shì)[3-4]體現(xiàn)在：纜尾索提供的附加彈性使船舶能對(duì)風(fēng)浪流（包括船行波）等聯(lián)合作用做出更迅速地反應(yīng)，從而降低了系泊纜的動(dòng)力負(fù)荷。在同樣的作業(yè)情況下，纜尾索使得系泊纜索中的負(fù)荷更均勻。同時(shí)由于纜尾索提供的系泊纜伸長(zhǎng)也降低了因潮差吃水變化，以及系纜操作上缺少對(duì)纜索的松緊調(diào)整次數(shù)和調(diào)整要求的精確程度所帶來的潛在危險(xiǎn)。

纜尾索的主要缺點(diǎn)：1）在系泊中可能成為船舶操作者不易明顯覺察的薄弱環(huán)節(jié)，破壞試驗(yàn)表明，在較短的時(shí)間內(nèi)，纜尾索的破斷強(qiáng)度會(huì)有明顯的降低；2）若纜尾索彈性過大，船舶會(huì)產(chǎn)生過度的運(yùn)動(dòng)，可能會(huì)影響船舶作業(yè)；3）由于纜索彈性吸能作用，一旦破斷會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈回彈，將增加對(duì)人員和設(shè)備的潛在危害。

1.2 組合纜應(yīng)用指南

OCIMF（石油公司國(guó)際海事論壇）[3]對(duì)組合纜中纜尾索的設(shè)計(jì)和使用提供了較為明確的指導(dǎo)建議：1）纜尾索可以選用常規(guī)合成纖維纜，包括聚酯（滌綸）、尼龍（聚酰胺）、聚丙烯、聚乙烯等材質(zhì)，但均需要滿足強(qiáng)度和耐疲勞性要求；2）選用纜尾索濕態(tài)破斷強(qiáng)度要比主纜索高25%~30%；3）組合纜使用過程中避免出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)扭曲，這會(huì)影響纜繩整體的耐疲勞性；4）纜尾索長(zhǎng)度不要超過導(dǎo)纜孔與碼頭系船柱的距離，通常取11 m的倍數(shù)；5）為防止磨損，纜尾索與主纜索連接應(yīng)采用專用連接卸扣，對(duì)高性能纖維纜與纜尾索的連接還可以采用牛結(jié)方式，如圖3所示。但該方式會(huì)造成約15%的承載力損失，且不允許用于芳綸纜和鋼纜。同時(shí)，纜尾索眼環(huán)采用保護(hù)套措施。纜尾索使用前應(yīng)作例行檢查，發(fā)現(xiàn)任何損傷跡象應(yīng)立即棄用。纜尾索至少每18個(gè)月便應(yīng)換新，除非經(jīng)驗(yàn)或檢查表明它們保證可用更長(zhǎng)或更短時(shí)間。

圖3 組合纜連接方式Fig.3 Connection mode of combined cables

油氣行業(yè)船舶組合纜的應(yīng)用，為解決艦船系泊高性能纖維纜抗沖擊荷載能力差問題提供了有效研究思路。

2 緩沖吸能組合纜技術(shù)應(yīng)用效果評(píng)估

部分學(xué)者對(duì)油氣行業(yè)油輪系泊緩沖吸能組合纜技術(shù)應(yīng)用開展了試驗(yàn)研究[3，5-13]，定性或定量分析評(píng)估了組合纜應(yīng)用效果，典型案例列舉如下。

2.1 案例一

劉宇在文獻(xiàn)[8-9]中，運(yùn)用optimoor系泊分析軟件對(duì)300 000 t油輪靠泊開敞蝶形碼頭進(jìn)行模擬計(jì)算，系纜采用4-4-2布纜方式，即艏艉纜各4根，艏艉橫纜各4根，艏艉倒纜各2根，共20根纜繩。論文系統(tǒng)研究了系泊纜索屬性對(duì)系泊安全的影響，對(duì)比分析了42 mm鋼纜方案和42 mm鋼纜與11 m長(zhǎng)90 mm尼龍纜組合纜方案，鋼纜方案預(yù)張力為0 kN，組合纜方案預(yù)張力取100 kN。在最不利工況即壓載、設(shè)計(jì)低水位、橫浪Hs=1.6 m、T=7.5 s和1.65 kn艉向流共同作用下，計(jì)算鋼纜方案船舶運(yùn)動(dòng)量為：橫移0.8 m，縱移0 m，升沉0.3 m，橫搖1.4°；組合纜方案船舶運(yùn)動(dòng)量為：橫移0.7 m，縱移0.2 m，升沉0.3 m，橫搖1.4°，二者差別不大。前者最大計(jì)算纜力843.0 kN（艏橫纜），后者最大纜力234.5 kN（艏纜），減小約70%，降幅顯著。論文得出：采用組合纜可有效減小系泊纜索受力和船舶運(yùn)動(dòng)量，原因在于纜尾索常采用彈性遠(yuǎn)大于鋼纜的尼龍纜，使得船舶對(duì)風(fēng)、浪等外部荷載聯(lián)合作用的反應(yīng)更迅速，從而起到減小系泊纜索受力的作用。

2.2 案例二

OCIMF[3]中例舉了107 000 t油輪靠泊蝶形碼頭，纜繩采用4-2-2布纜方式，主纜索采用高性能纖維纜，測(cè)試了在風(fēng)浪流聯(lián)合作用下船舶有無(wú)纜尾索（采用11 m尼龍纜）方案的纜力值，并對(duì)其中2條纜繩纜力歷時(shí)曲線進(jìn)行對(duì)比，見圖4。由圖可見，采用組合纜后，系泊纜力減幅非常顯著，系纜A最大纜力由820 kN減小為370 kN，減小約55%；系纜B最大纜力由880 kN減小為280 kN，減小約70%。再次說明了緩沖吸能組合纜在減小系泊纜力方面的顯著效果。

圖4 有無(wú)纜尾索方案纜力歷時(shí)曲線對(duì)比示意圖Fig.4 Comparison diagram of cable force duration curve with&without mooring tails

3 相關(guān)問題探討

關(guān)于組合纜應(yīng)用技術(shù)目前僅用于油氣行業(yè)領(lǐng)域，理論上該技術(shù)可以推廣到其它類型碼頭，主要應(yīng)用于駐泊環(huán)境條件較為惡劣的港口碼頭，例如風(fēng)浪掩護(hù)條件差的碼頭、深水開敞碼頭等。但由于船舶類型、碼頭形式、作業(yè)要求等不同，可能會(huì)影響組合纜的使用效果。另外，主纜索和纜尾索材質(zhì)（性能）、長(zhǎng)度、連接件型式等也需開展進(jìn)一步針對(duì)性深化研究。

3.1 船型及碼頭形式影響

集裝箱船、滾裝船、雜貨船、艦船等船型和系纜設(shè)施配置與油輪差別較大，不同類型民用船舶碼頭裝卸作業(yè)船舶允許運(yùn)動(dòng)量[14]差別也較大，通常情況下，其他類型船舶的允許運(yùn)動(dòng)量要求高于油輪。另外，油輪碼頭多采用專用蝶形碼頭，其它類型碼頭多為一字形碼頭，系纜方案包括纜繩根數(shù)、長(zhǎng)度和角度等有較大區(qū)別。

3.2 組合纜性能等參數(shù)影響

對(duì)于超高分子量聚乙烯纖維纜，新纜繩首次使用時(shí)其性能曲線（應(yīng)力-變形曲線）曲率特征明顯；纜繩首次工作后，該曲線基本為直線，即近似處于線彈性工作狀態(tài)，強(qiáng)度增大，延伸率減小，見圖5。通常情況下，纜繩出廠時(shí)需要進(jìn)行預(yù)拉，預(yù)拉力按照不超過50%MBL（最小破斷負(fù)荷）控制。船舶系泊使用時(shí)，纜繩應(yīng)處于工作狀態(tài)。當(dāng)施加纜力超過70%MBL時(shí)，纜繩會(huì)發(fā)生明顯蠕變，導(dǎo)致強(qiáng)度損失和性能降低，安全性會(huì)受到較大影響。因此在實(shí)際使用時(shí)，要控制其最大纜力在許可范圍內(nèi)（OCIMF建議取75%MBL），否則要及時(shí)更換纜繩或采取其它措施。目前油輪纜尾索多采用尼龍纜，盡管其具有較理想的延伸性能，但也具有低濕態(tài)強(qiáng)度和低疲勞壽命的缺點(diǎn)。另外纜尾索長(zhǎng)度模數(shù)與組合纜緩沖吸能效果關(guān)系緊密，需要在組合纜纜繩材質(zhì)選型及模數(shù)確定方面開展研究工作。

圖5 超高分子量聚乙烯纖維纜性能曲線Fig.5 Performance curve of HMSF

3.3 組合纜連接件方案

組合纜連接件是組合纜的重要組成部分，需要保證主纜索和纜尾索2種不同材料性質(zhì)纜繩能夠安全有效地連接，本身要滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求且質(zhì)量也要盡可能小，并且要采取措施防止纜繩磨損情況發(fā)生。連接件一般采用金屬材料制作，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的安全系數(shù)一般不小于3，大于纜繩的安全系數(shù)。主纜索和纜尾索在連接件處均需采用琵琶頭形式連接。連接件組件彎曲半徑D和纜繩直徑d比值不小于4，且盡可能大，以減少纜繩彎折強(qiáng)度損失。主纜索一般連接彎曲半徑小的部位，而直徑較大的纜尾索連接于彎曲半徑大的部位?，F(xiàn)有連接專用卸扣（圖3）彎曲半徑不足，纜繩彎折強(qiáng)度有一定損失，需進(jìn)一步優(yōu)化或提供其它解決方案。圖6提供了2種組合纜連接件方案概念圖。另外，纜索與連接件接觸部位的防磨損措施可采用聚酯纖維材料保護(hù)套，但不建議采用皮革材料，主要因?yàn)槠じ锝髸?huì)變硬，影響保護(hù)效果。

圖6 2種組合纜連接件方案概念圖Fig.6 Concept map of two kinds of combined cable connectors

4 結(jié)語(yǔ)

緩沖吸能組合纜技術(shù)在油氣行業(yè)大型油輪等船舶中得到了較為廣泛地應(yīng)用，本文重點(diǎn)參考OCIMF，對(duì)其原理和應(yīng)用做了較為詳細(xì)地介紹，主要結(jié)論如下：1）已有研究成果表明，采用組合纜技術(shù)可以控制船舶運(yùn)動(dòng)在許可范圍的前提下，顯著降低和均衡由風(fēng)浪流等環(huán)境動(dòng)荷載引起的船舶系纜力，有利于提高船舶系纜作業(yè)安全性，為解決艦船等其他類型船舶碼頭系泊安全問題提供了有效思路；2）組合纜技術(shù)的應(yīng)用推廣需要針對(duì)船型、碼頭形式、組合纜選型、連接件方案等開展進(jìn)一步針對(duì)性研究，驗(yàn)證和優(yōu)化技術(shù)方案。