基于使用要求的小型船舶系泊設(shè)備的布置和選型設(shè)計

中圖分類號：U662.2 文獻標志碼：A

Layout and Selection Design of Mooring Equipment for Small Vessels Based on Operational Requirements

ZHOU Jianhua， ZHOU Dewu， ZHONG Xuyan， CHEN Haiguang， CHEN Jiacong （Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 51025o， China）

Abstract： Drawing on design experience from recent projects involving 150＼～350 t class fast boats and official vessels，this study systematically investigates the layout and selection of mooring equipment （including mooring ropes，bollards，fairleads，hawse pipes，and mooring rollers）fromboth engineering and user-experience perspectives. It calculates，analyzes，and compares selection criteria betweenoldand new standards for bollrds，adressing key challenges in spatial arrangement and functional compatibility.The proposed methodology optimizes equipment configuration while ensuring operational ergonomics，providing actionable guidance for smallvessel mooring system design.

Key words： mooring ropes; bollards; fairleads; hawse pipes; equipment selection

1 引言

系泊設(shè)備是船舶最常見的設(shè)備，包括系泊索、帶纜樁、導纜孔、導纜鉗、導纜器等。本文基于作者多年來承擔的 1 5 0 ～ 3 5 0 t 級高速公務(wù)船系泊設(shè)備設(shè)計經(jīng)驗總結(jié)、船廠和用戶使用反饋，開展系泊設(shè)備的布置和選型論述。

2 系泊索的選取

2.1纜繩類型的選取

船用系泊索常見的類型有丙綸、丙綸長絲、錦綸、錦綸復(fù)絲、滌綸等。丙綸，又叫聚丙烯纖維（PP），它是用石油精煉的副產(chǎn)物丙烯為原料制得的合成纖維。丙綸據(jù)客戶反饋使用時間久了容易起毛。但因其生產(chǎn)工藝簡單、價格低廉、重量最輕，適合在一些使用頻率不高，重量要求很高的中小型高速船上。滌綸屬于聚酯纖維的一種，滌綸繩具有優(yōu)良的強度、彈性、耐腐蝕性、耐磨性和回復(fù)性。但滌綸繩是這幾類繩索里面最重的，從客戶的使用體驗和設(shè)計角度都不是最優(yōu)選擇。錦綸為聚酰胺纖維，也就是所謂的尼龍。錦綸的強力好、抗堿、抗酸，其耐磨性是棉纖維的10倍，因此，耐用性極佳。從易燃性來講，錦綸不易燃，丙綸、滌綸易點燃。從手感來講，滌綸手感比較粗糙，錦綸手感比較幼滑一些。

表1為某纜繩廠家提供的6股繩各類型纜繩直徑、密度和破斷負荷數(shù)據(jù)對比。

按廠家提供重量密度數(shù)據(jù)，以4根直徑 3 6 m m 長度 6 0 m 的系泊索為例計算對比各纜繩重量見表2。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，從耐磨性、重量、破斷負荷、易燃性等方面綜合對比，錦綸復(fù)絲的性能最優(yōu)，錦綸其次。錦綸復(fù)絲的價格相對錦綸要貴一些，其重量相對錦綸也重一些。對一些需要纜繩破斷負荷很大的大型船舶來說，選擇錦綸復(fù)絲可減小纜繩直徑和重量，使用起來會方便很多。而對 1 5 0 ～ 3 5 0 t 級的船來說，船舶設(shè)計最小破斷負荷較小，按纜索設(shè)計破斷負荷選取纜繩直徑都不大，選擇錦綸的強度已經(jīng)足夠了，從價格、重量、耐用性等綜合考慮，錦綸是最佳選擇。

2.2纜繩直徑的選取

某 3 0 0 t 級公務(wù)船在設(shè)計初期，用戶就提出盡量加大纜繩的意見。按規(guī)范計算得系泊索破斷負荷為5 6 k N ，選取直徑 1 8 m m 的錦綸繩就能滿足規(guī)范要求。按客戶需求選取時將系泊索直徑增大到直徑 2 8 m m 對應(yīng)破斷負荷 。但是在后續(xù)使用中，用戶反饋系泊纜繩直徑還是太小。

而另一艘同一級別的船，按規(guī)范計算只需要直徑2 0 m m 錦綸繩，在設(shè)計時也加大了幾檔，選擇了直徑2 4 m m 的纜繩。但是用戶覺得還是不夠，將錦綸繩的直徑由 2 4 m m 換成 3 8 m m 。

以上兩個案例說明，這一級別的船，即使選取直徑 2 8 m m 的纜繩比規(guī)范計算出的破斷負荷大了好幾檔，對用戶來說還是不夠的。因為纜繩在使用過程中會有磨損，在磨損后纜繩的破斷負荷就達不到新纜繩的性能，所以在選擇纜繩的時候需要適量加大纜繩的直徑。而根據(jù)用戶的使用情況得知，即使加大三檔，對于經(jīng)常用系泊索的船來說，還是不夠，到底增加多少才合適？這和系泊索的使用頻率和更換周期有關(guān)系。因此在纜繩直徑的選取上應(yīng)該尊重用戶的意見。在重量允許，儲纜卷車大小和存儲空間足夠的情況下盡量加大纜繩直徑。

3 帶纜樁的選型及布置

3.1帶纜樁的布置

帶纜樁的布置應(yīng)能使船舶同時抵抗橫向及縱向受力時處于穩(wěn)定狀態(tài)。這一級別的船舶在系泊的時候一般是中間交叉兩根倒纜使船舶承受縱向的水流力和風力和艉各一根橫纜使船舶承受縱向的水流力和風力，圖1的a）、b）、c）圖分別表示幾例同級別的公務(wù)船系泊布置示意圖。

在布置圖中，由于甲板面空間限制，橫纜要依靠艉拖樁和導纜孔來實現(xiàn)，圖1c）的倒纜被迫布置得太靠前。如果布置空間能調(diào)整的話，最好將首部的拖樁分成2個兼顧橫纜使用，圖1c）的首部雙柱帶纜樁和對應(yīng)的導纜孔盡量往后挪一些，倒纜的角度和受力會更好。

3.2帶纜樁的選型

帶纜樁分斜式帶纜樁、普通雙柱帶纜樁、嵌入式雙柱帶纜樁、單十字帶纜樁等?？砂聪鄳?yīng)纜繩的安全工作負荷在標準ISO13795：2020（E）、GB/T554-2 、GB/T3845-2013、CB/T169-2011選取。也可根據(jù)破斷負荷設(shè)計帶纜樁。

帶纜樁的選型主要根據(jù)甲板面上的空間和布置決定。在甲板面空間不足的情況下需要選用單十字帶纜樁。但由于大部分用戶都習慣用雙柱帶纜樁的8字帶纜的系泊方式，所以在有空間的條件下，盡量選取雙柱帶纜樁以方便用戶帶纜。在一些甲板面空間很緊湊又需要布置雙柱帶纜樁的情況下，使用嵌入式帶纜樁能騰出更多甲板面空間。在船中部的帶纜樁（如圖1c））是用于系泊小艇的，由于這個位置一般都在通道內(nèi)，為了通道更開闊，在設(shè)計上都會選擇十字帶纜樁。也有用戶不習慣十字帶纜樁的帶纜方式，要求更換成雙柱帶纜樁。這取決于用戶在行走空間的舒適性和帶纜的便利性之間是選擇前者還是后者。

3.3帶纜樁的尺寸

某300t級公務(wù)船交付后，發(fā)現(xiàn)帶纜樁比以往同級別船要大。為此，根據(jù)帶纜樁的標準，重新核算了該船系泊設(shè)備的受力。根據(jù)裝數(shù)所得的系泊索最小破斷負荷（MBLSD）為 5 6 k N ，帶纜樁所承受的相應(yīng)的彎曲應(yīng)力（即最大彎曲應(yīng)力）和剪應(yīng)力（即最大剪切應(yīng)力）應(yīng)小于選用的帶纜樁材料的許用彎曲應(yīng)力和許用剪切應(yīng)力。根據(jù)標準ISO13795：2020（E）計算帶纜樁的彎曲許用應(yīng)力，帶纜樁材料為普通碳素鋼Q235A，屈服強度為 ，樁柱外徑 ，壁厚 8 m m ，帶纜樁內(nèi)徑為 2 1 6 . 3 -8 × 2 =2 0 0 . 3 m m 。下面校核此帶纜樁的尺寸是否滿足受力計算要求。

根據(jù)標準ISO13795：2020（E）的附錄A，帶纜樁許用彎曲應(yīng)力為材料屈服強度的 8 5 % ，即

帶纜樁的許用剪切應(yīng)力為材料屈服強度的 6 0 % 即 （20

帶纜樁的最大剪切應(yīng)力 （202

帶纜樁的最大彎矩

鋼管的抗彎截面系數(shù)

帶纜樁的最大彎曲應(yīng)力 式中：H為帶纜樁樁柱高度（兩樁柱連接部分除外）；F1為纜繩的安全工作負荷即船舶設(shè)計最小破斷負荷（MBLSD） 5 6 k N 。

以上計算結(jié)果顯示該船選用的標準滿足船舶設(shè)計最小破斷負荷（MBLSD） 5 6 k N 的要求。

選擇更小型號的帶纜樁受力能否滿足該纜繩破斷負荷要求？按以上的計算方法，計算結(jié)果列表如表3所示。

由表3得出：在 5 6 k N 拉力的作用下，選用比標準里面的安全工作負荷小1檔的帶纜樁A150，其受力計算也滿足要求。

是否ISO13795：2020（E）的帶纜樁選型偏大？為了解決這個問題，按IS013795：2020（E）附錄中的受力計算方法，推導出材料的許用剪切應(yīng)力對應(yīng)的纜索最大拉力F[+]、許用彎曲應(yīng)力對應(yīng)的纜索最大拉力F[ σ ∥ k N ，F(xiàn)[τ]及F[σ]兩者取最小值為單根纜繩最大拉力 ，得出表4，其中SWL為單根纜繩安全工作負荷。

從表4可以看出，如果用直接計算受力的方法校核帶纜樁直徑，比按單根纜繩安全工作負荷SWL選取的帶纜樁要小。那么以前的船為什么就不存在這樣的問題？

經(jīng)核查，以前的船是按CB/T169-1999，GB/T554-1996，GB556-1965等當時有效的標準設(shè)計。通過對比舊的帶纜樁標準和當時現(xiàn)行的帶纜樁標準，CB/T169-2011，GB/T554-2008，發(fā)現(xiàn)新標準增加了安全工作負荷（SWL）的數(shù)值規(guī)定。而 3 0 0 t 公務(wù)船于2013年設(shè)計建造，采用了更新后的標準GB/T554-2008。標準GB/T554-2008增加了安全工作負荷SWL的規(guī)定，其尺寸規(guī)格對應(yīng)的SWL值與ISO13795：2020（E）標準中的一致。

目前新標準GB/T554-2023已于2023年12月正式實施，該標準已代替GB/T554-2008。該標準對安全工作負荷的規(guī)定更詳細，細分為系一根纜繩，系2根纜繩和用于拖帶（系繩圈）這三種情況的安全工作負荷。按系一根纜繩的情況作受力計算，將GB/T554-2023增加F[τ]、F[σ]及 F m 三項內(nèi)容得出表5。

注：1） 為按許用剪切應(yīng)力計算的纜索最大拉力；2） 為按許用彎曲應(yīng)力計算的纜索最大拉力。

由表5可以看到，按新標準單根纜繩SWL選取，某 3 0 0 t 級公務(wù)船項目MBLSD為 5 6 k N ，對應(yīng)選取公稱直徑 2 0 0 m m 的帶纜樁，和目前選取的直徑一樣，比以往的船大。

表6以直徑 1 8 m m 的錦綸繩（破斷負荷為56kN）系泊索為例，列表對比不同年份帶纜樁的適用標準及纜樁公稱直徑的選取依據(jù)。

通過表6的對比，發(fā)現(xiàn)如果按新標準規(guī)定的安全工作負荷選取的帶纜樁，普遍都比按舊標準中依據(jù)纖維索的直徑，麻索的最大圓周這些系泊索的參數(shù)選取的帶纜樁尺寸要大很多。因為所有帶纜樁的標準都更新了，增加了安全工作負荷，按這個安全工作負荷選出來的帶纜樁尺寸都比以往船用的帶纜樁尺寸要大。

查閱現(xiàn)行的IMO、ISO等國際組織的規(guī)范、標準，對船舶系泊和拖帶設(shè)備安全要求也越來越高，如：海安會第194號決議中1175號通函規(guī)定的內(nèi)容中，就有對安全工作負荷的規(guī)定?，F(xiàn)行IS013795：2020《船舶和海上技術(shù)船舶系泊和拖帶設(shè)備海船用鋼質(zhì)焊接帶纜樁》也增加了正常使用情況下，纜繩承受的最大工作負荷的要求。因此，現(xiàn)有帶纜樁標準應(yīng)增加安全工作負荷的要求，其目的是要和國際標準接軌，滿足國內(nèi)外船舶的使用要求。

在后續(xù)船舶設(shè)計中是采用直接計算校核選取較小的帶纜樁還是選擇標準中的安全工作負荷相應(yīng)的帶纜樁？這個問題需要具體分析。對于一些在高海況環(huán)境中也需要使用系泊設(shè)備的船，比如說有靠幫需求的沿?；蜻h海的公務(wù)船，或在國外惡劣環(huán)境使用系泊設(shè)備的船舶，選擇更可靠的系泊設(shè)備很重要，按標準選取能規(guī)避風險，讓船舶更安全。而對于一些在內(nèi)河航行，系泊環(huán)境受風浪影響小的船舶，如果選擇尺寸大的帶纜樁對甲板空間或重量影響較大，可以按裝數(shù)中纜繩的破斷負荷用標準ISO13795：2020（E）里面直接計算帶纜樁的彎矩和剪力公式去計算校核帶纜樁的直徑，選取更小一檔的帶纜樁。

4 導纜設(shè)備

4.1導纜孔

1）導纜孔的選型

導纜孔有ISO13729：2020閉式導纜孔、ISO13713：2020系泊導纜孔、IS013728：2020巴拿馬導纜孔、CB/T34-2007等標準。某型導纜孔側(cè)視圖和俯視圖如圖2所示。此導纜孔主要安裝于有骨材的舷墻上，和舷墻的骨材焊接在一起。

某型導纜孔側(cè)視圖和俯視圖如圖3所示。

此導纜孔主要用于甲板上的欄桿下，能避免導纜孔刮擦欄桿。某型導纜孔側(cè)視圖如圖4所示。此導纜孔主要安裝在舷墻外板上沒有肋骨的地方。為更方便帶纜，我們的其中一艘船在某定制導纜孔上方開槽，如圖5所示。這種形式可考慮在其它船上借鑒使用。

H

2）導纜孔的尺寸選取

某 3 0 0 t 級公務(wù)船的實際使用中，用戶反饋選用安裝在舷墻上的導纜孔尺寸過小，不好穿纜繩。該船系泊索直徑 2 8 m m ，按標準選取的導纜孔為標準C-120CB/T 。該導纜孔內(nèi)徑 m m 。將纜繩直徑、導纜孔的實際尺寸、 1 . 7 5 m 的人和其它相關(guān)的設(shè)備綜合在一起模擬后的情況見圖

從圖6看到，該尺寸雖然符合標準要求，能帶相應(yīng)的纜繩，但尺寸過小，對實際的帶纜操作來說，使用起來確實不方便，因此改大了一檔，選取標準C-160CB/T34-2007導纜孔。由此可見導纜孔設(shè)計中，雖然可按標準選取相應(yīng)規(guī)格導纜孔，但盡量不要選尺寸太小的導纜孔，應(yīng)該根據(jù)實際舷墻大小，能選大的盡量選大，方便用戶帶纜。

4.2導纜鉗

現(xiàn)行 代替了舊標準CB/T38-1999，其中一個改動是刪除了CB/T38-1999里面的A型導纜鉗。原因是A型導纜鉗容易割纜繩。

CB/T4323-2013中，導纜鉗分B、C、D、E、Z、R等類型。

由于重量和布置空間限制，在150＼～350t級的船首舷墻上常使用CB/T4323-2013的E型小艇用導纜鉗，如圖7所示紅圈部分。在船中或尾部常使用CB/T4323-2013的D型導纜鉗，如圖8所示。

4.3導纜器

導纜器分為滾柱導纜器、羊角單滾輪導纜器等。滾柱導纜器尺寸大、重量重，主要安裝在較大型的船上，不適合 1 5 0 ～ 3 5 0 t 級的船。

但在一些需要改變纜繩方向的地方，可以使用羊角單滾輪導纜器，如圖9所示。

由圖9可以看到，通過羊角單滾輪導纜器能將纜繩方向改變到適合錨機的系纜絞盤使用。

5 結(jié)語

從以上分析得出，無論是從用戶的使用體驗，還是對安全的考慮，系泊索，帶纜樁和導纜孔的尺寸都希望選大一些更好。但是由于150＼～350t級船舶的空間布置有限，特別是一些高速船船型削瘦，船寬窄，對重量的變化敏感，系泊設(shè)備的尺寸和選型應(yīng)綜合考慮衡量各種因素的利弊，選取適合該級別船型的最優(yōu)方案。

希望上述系泊設(shè)備的設(shè)計經(jīng)驗和用戶的使用體驗?zāi)芗訌姶霸O(shè)計和使用人員對系泊設(shè)備的了解，讓系泊設(shè)備的設(shè)計更人性化，用戶使用更便利。

參考文獻

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