石化碼頭系泊浮筒式防撞設施整體模型試驗

王 鑫，張寧川

大連理工大學海岸及近海工程國家重點實驗室，遼寧大連 116024

石化碼頭系泊浮筒式防撞設施整體模型試驗

王 鑫，張寧川

大連理工大學海岸及近海工程國家重點實驗室，遼寧大連 116024

物理模型試驗是預測碼頭引橋、橋梁等防撞設施受力情況和防撞效果的主要手段之一。文章結合廈門港古雷作業區南2 號液體化工碼頭工程的防撞設施，介紹了系泊浮筒式防撞設施整體模型的試驗方法及試驗結果，并根據試驗結果提出了系泊浮筒式防撞設施設計改進建議，研究結果對類似防撞設施建設具有參考意義。

碼頭；系泊浮筒；防撞；模型；試驗

1 概述

為了滿足大型油輪停靠要求，我國沿海地區建設的石油化工碼頭常采用離岸式布置，離岸碼頭通過引橋與陸地相連[1]，引橋上設有管廊帶，布置各種輸送石油化工產品的管道。為防止意外情況下船舶直接撞擊到離岸式碼頭引橋支墩上，造成重大財產損失和海洋環境污染，在被保護引橋外圍一定距離設置防撞設施是行之有效的方法[2]。

外圍防撞設施有多種型式，按大類型劃分通常可分為剛性防撞設施和柔性防撞設施，剛性防撞設施有防護樁、防護墩等型式，柔性防撞設施有系泊浮筒、防撞浮箱等型式。一旦船舶失控，首先撞擊到設置的防撞設施上，因而可避免船舶直接撞擊到被保護構筑物上，或者能夠緩解船舶的撞擊力，從而達到保護構筑物的目的。

廈門港古雷作業區南 2 號液體化工碼頭位于廈門東山灣東側古雷經濟開發區內。該碼頭所在海域水深、流急、浪高，工程地質復雜[3]。結合碼頭功能要求和所處位置環境條件，2號碼頭采用離岸圓沉箱墩式結構，碼頭平臺總長 480 m，通過長 583 m 的鋼引橋與陸上罐區相連，為防止鋼引橋受到船舶的意外撞擊，在引橋港池側外圍設有系泊浮筒式防撞設施，總體布置見圖1。

這種系泊浮筒式柔性防撞設施利用系統變形和系泊纜的張力所做的功來抵消撞擊船舶的動能，與之前常用的剛性防撞系統作用機理相差較大[4]。本文通過水池模擬試驗，模擬該系泊浮筒式防撞系統的防護效果及系泊張力，對防撞設施設計提出了改進建議，研究結果對類似防撞設施建設具有參考意義。

圖1 碼頭位置示意

2 防撞設施總體布置

廈門港古雷作業區南 2 號液體化工碼頭引橋防撞設施沿引橋方向布置在引橋的港池側，防撞設施長 478 m，由浮筒、系泊錨及系泊鏈組成，見圖2。浮筒共 21 個，每個浮筒長 18.0 m，直徑 2.0 m，浮筒外包裹厚 1.0 m的泡沫材料以增大浮力，吸收船舶的撞擊能量。浮筒之間相距 5.0 m，采用錨鏈相連。每個浮筒采用 4 根錨鏈系泊于海底，防撞設施兩端也設有系泊錨鏈。

圖2 防撞設施示意

3 模型試驗方案

3.1 試驗工況

根據浮式防撞設施的功能要求，需要測定包括以下工況時防撞設施的運動形態及系泊錨鏈的張力：

（1）極端高、低水位和設計高、低水位，重現期 50年波浪作用。

（2）設計高、低水位，5 000 DWT 化學品船滿載下，以不同的法向速度撞擊防撞設施。

（3）設計高、低水位，5 000 DWT 化學品船滿載下，在逃逸波浪和海流 (V= 1.2 m/s）作用下，自由漂泊撞擊防撞設施。

3.2 試驗船型

參照JTJ 211-1-99《海港總平面設計規范》[5]，試驗模擬船型主尺寸為：船體長 110 m，型寬 20.0 m，型深 9.9 m，吃水 5.9 m。

3.3 模型相似

本試驗按照重力相似準則進行模擬，模擬比尺 1 :40。飄浮船體及浮筒系泊系統在波浪、水流共同作用下，主要受波流力、系纜力作用，其中波浪力和水流力應按重力相似進行模擬，系纜力受外力和慣性力的影響外，還受本身彈性特性的影響，因此在纜繩模擬時需要考慮彈性相似[6]。

3.3.1 飄浮船體及浮筒

按重力相似需要滿足以下條件：

（1）幾何相似：模型船、模型浮筒與原型船、原型浮筒保持線性尺度相似，模型制作完全以原型線形圖按模型比例縮小。

（2）重力相似：在滿足幾何相似的模型中，采用配重方法，在適當位置放置適當的重物，使其符合不同載量時的重量要求。

（3）動力相似：重心、橫搖及縱搖周期應符合相似條件。

3.3.2 錨泊纜繩

纜繩相似需要滿足以下條件：

（1）幾何相似：原、模型上的帶纜點和錨泊點之間的距離相似。

（2）重力相似：原、模型纜繩單位長度重量滿足重力相似要求。

（3）彈性相似：原、模型纜繩的受力—變形曲線滿足相似條件，模型纜繩的受力—變形關系可用 Wilson公式計算[7]。

3.4 試驗設備

試驗在大連理工大學海岸及近海工程國家重點實驗室波流水池中進行，該水池長 50 m，寬 24 m，深 1.2 m。波浪測量采用北京水科院研制生產的 DS30 型波浪測量系統,流速測量采用美國 Sontek 公司生產的 ADV 超聲波三維流速儀,纜力測量采用北京水科院研制生產的船舶模型試驗測量 DJ800 系統中的纜力拉力計，浮筒六運動分量測量采用南京水科院生產的 FL_08B 型微型重量接觸超聲波運動測量系統。

3.5 測試方法

原始波要素和流速測量是在模型放置之前的純天然地形上進行的，在預定的浮筒設定位置處放置波高儀和流速儀，采用三次重復的平均值做為最終結果。對于纜繩，模擬使其受力/變形曲線與原型一致，試驗時將在每根纜繩上施加 100 kN 預拉力，同步測量各纜繩上的拉力，取多組重復試驗最大纜繩拉力的平均值為最終結果。對于浮筒運動量，采用六分量同步測量儀進行測量，以一個完整的不規則波系列（約 120 ～ 130 個波浪）中的最大值為該波列的運動量值，取多組重復試驗的平均值為最終結果。

4 試驗結果分析

4.1 波浪 + 水流共同作用于浮筒

4.1.1 波浪 + 水流作用時浮筒運動量

50 年重現期波浪 + 1.2 m/s 水流作用時浮筒運動量試驗結果見表1。

表1 波浪 + 水流作用下，中間浮筒橫向運動分量

從表1可看出，即使在 50 年重現期波浪 + 1.2 m/s水流共同作用下，浮筒最大位移也只有 4.5 m 左右，對柔性浮筒體系整體而言，其運動量不算大，表明系泊方案對浮筒的約束良好。

4.1.2 波浪 + 水流作用時系泊張力

50 年波浪 + 1.2 m/s 水流作用時浮筒系泊張力試驗結果見表2。

表2 50 年波浪 + 1.2 m/s 水流作用時浮筒系泊張力

從表2可看出浮筒系泊端錨纜最大張力為 691.6 kN，浮筒間最大拉力為500.3kN，中間纜繩最大張力為624.9 kN，應根據測定的張力值設計系泊蛙錨重量。

4.2 船舶以一定速度正向撞擊浮筒

試驗時采用變頻拖車與船舶用牽引繩連接，保持船舶以一定的速度正向撞擊系泊浮筒。分別測試了不同撞擊速度時浮筒的運動量及系泊張力。

4.2.1 船舶以不同速度正向沖擊浮筒時浮筒運動量

分別測試了 5 000 DWT 船舶以不同的速度正向撞擊浮筒鏈中間位置時中間浮筒的橫向位移量。試驗結果表明，船舶撞擊浮筒中間位置時浮筒橫向位移量最大，見表3。

表3 不同速度撞擊浮筒中間部位時浮筒橫移量

4.2.2 船舶以不同速度正向撞擊浮筒時系泊張力

同樣，分別測試了 5 000 DWT 船舶以不同的速度正向撞擊浮筒不同位置時系泊張力，試驗結果見表4和表5。

表4 不同速度撞擊兩浮筒中間部位時系泊張力

表5 不同速度撞擊兩浮筒之間部位時系泊張力

綜合不同撞擊部位的試驗結果可以看出，船舶滿載條件下以不同速度正向作用于浮筒系統時，最大約束拉力出現在浮筒之間的連接纜繩上。當船舶滿載條件下以0.58 m/s 左右的速度正向作用于浮筒系統時，浮筒之間的連接纜繩上最大纜繩拉力平均水平可達 900 kN，該量值可能導致浮筒之間的連接纜繩斷纜，為確保安全，船舶航速以不大于 0.4 m/s為宜。

4.3 船舶以自由姿態撞擊浮筒

分析可知，波浪 + 水流 + 風 為最不利工況，此工況下船舶有無數種自由姿態。試驗時根據工程實際需要，設定不同的船舶初始位置，在波、流、風聯合作用下使船舶撞擊浮筒。試驗設計了4 種不同的最初撞擊姿態，分別為：姿態一：船艏先撞擊浮筒體系中心；姿態二：船艉先撞擊浮筒體系中心；姿態三：船艏先以一定角度撞擊浮筒體系中心；姿態四：船側撞擊浮筒體系邊緣。對于 5 000 DWT 船舶滿載時，在逃逸波高、流速為 1.2 m/s、風速 20、25、30 m/s 工況下，4 種不同起始撞擊姿態對應的系泊張力最大值見表6。

表6 不同起始撞擊姿態、不同風速時浮筒系泊張力

從表6可以看出，船舶自由姿態撞擊浮筒體系時，風和流起到主要作用，逃逸波高以內的波浪對船舶自由姿態撞擊浮筒體系時纜繩張力的貢獻不大。

5 結論及建議

通過模擬試驗結果可以看出，廈門港古雷作業區南 2號液體化工碼頭引橋防撞設施采用系泊浮筒式柔性防撞型式，在浮筒系泊穩定的條件下，可以阻止 5 000 DWT級船舶通過該水域，能夠起到較好的防護作用。基于該防撞系統的試驗結果，在具體實施時建議：

（1）5 000 DWT 級船舶在浮筒防撞設施附近行駛時航速應不大于 0.4 m/s。

（2）風速對系泊張力影響較大，需要重視風的作用，建議 5 000 DWT級船舶的逃逸風速定為 20 m/s。

（3）錨纜長度應根據水深調整，保證浮筒體系兩端蛙錨能抵抗 800 kN 張力，迎浪側蛙錨能抵抗 600 kN 張力。

（4）相對剛性防撞設施，系泊浮筒式柔性防撞設施防護范圍大，對于類似石化碼頭引橋防護設計是較為適用的防撞方案。

[1]何小林,馬輝.液體化工品碼頭平面布置 [J].水運工程,2008,（10）:120-123.

[2]高家鏞,張甫杰,馬雪泉.橋梁防撞設施模型試驗 [J].上海船舶運輸科學研究所學報,2011,3（1）:1-7.

[3]向軍,陳磊.漳州港古雷港區南2#液體化工碼頭結構設計 [J].中國水運,2012,12（6）:29-30.

[4]陳徐均,黃光遠,吳廣懷，等.柔性浮式系統受撞后運動的算法及其收斂性[J].解放軍理工大學學報（自然科學版）,2011,（5）：501-506.

[5]JTJ 211-1-99,海港總平面設計規范 [S].

[6]張日向,劉忠波,張寧川.系泊船在風浪流作用下系纜力和撞擊力的試驗研究 [J].中國海洋平臺,2003,18（1）：28-32.

[7]馬小劍,孫昭晨,張志明 .風流作用下碼頭系泊船舶纜繩張力及運動量研究 [J].水道港口,2010,31（3）:164-169.

2013年原油進口突破2.8億t

2013年我國累計生產原油20 812.9萬t，與前年相比基本持穩；原油進口量28195萬t，同比增長4.03%。2013年我國煤炭、石油和天然氣三大傳統能源對外依存度呈現出普遍上漲格局，其中，煤炭進口依存度上漲至8.13%，天然氣對外依存度上漲至30.5%，原油對外依存度達到57.39%，距離61%“紅線”已經非常接近。

（本刊摘錄）

Integral Model Test of Mooring Buoy Type Anti-collision Facilities of Petrochemical Wharf

Wang Xin,Zhang Ningchuan
Dalian University Of Technology,Dalian 116024,China

Model experiment is one of the main means for predicting loads and anti-collision effects on anti-collision facilities at wharf approach bridges and other bridges.Associated with the anti-collision facilities of Xiamen Gulei No.2 liquid chemical wharf project,this paper introduces the integral model test methods and test results of the mooring buoy type anti-collision facilities.Based on the test results,some improvement suggestions are put forward.The test results provide significant reference for the constructions of similar anti-collision facilities.

wharf;mooring buoy;anti-collision;model;experiment

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.01.003

王 鑫（1986－），男，山東東營人，大連理工大學碩士研究生，現從事石油化工碼頭的防撞研究工作。

2013-07-23