船舶系水鼓防臺受力分析和工藝措施

摘要：系水鼓是船舶防臺風的常用方法之一，文章對系水鼓防臺時的船舶受力情況進行了分析，系水鼓防臺時船舶可能同時受到風作用力、水流作用力、波浪作用力的作用，當三者同向同時沖擊船首時，即是船舶的最危險狀態，對這種狀態的受力提出了計算方法，同時提出了船舶系水鼓防臺的工藝措施。

關鍵詞：系水鼓；風作用力；水流作用力；波浪作用力；工藝措施

中圖分類號：U676文獻標識碼：A

Force Analysis And Technical Measures of Doing Up Water Drum For Typhoon Combating of Ship

WANG Jiping

( Zhanjiang Haibin Shipyard,Zhanjiang 524000 )

Abstract: Doing up water drum is one of the methods commonly used in typhoon combating of ship,This paper analyses the force of ship when doing up water drum,The ship might be affected by wind force and current force and wave force at the same time when doing up water drum,It is the most dangerous state of ship When the three syntropy forces concussion the bow at the same time,And the calculating method for the forces is proposed, And put forward the technical measures of doing up water drum for typhoon combating of ship.

Key words: Water drum;Wind force;Current force;Wave forces;Technical Measures

在我國南方沿海地區，每年的6月至10月是臺風多發季節，防臺風幾乎是所有船舶每年都要面對的一項重大考驗，稍有不慎便可能造成財產和生命的重大損失，可見船舶防臺措施的重要性，尤其是對船舶建造或修理單位而言，由于駐廠的船只多、船舶尚未完工或防臺設備設施有限等因素影響，船舶防臺任務更加艱巨。船舶抵御臺風的方法有多種，其中系水鼓防臺是比較常用的方法之一，以下對系水鼓防臺的受力情況和工藝措施進行簡要介紹。

1 系水鼓防臺的前提條件

在確定采取系水鼓防臺前，首先可通過查閱有關設計圖紙找出滿載排水量狀態下船舶的最大抗風能力，若最大抗風能力無法抵御臺風，則該船不能系水鼓防臺，而必須上排、進塢座墩或前往無臺風區域暫避。系水鼓防臺的方法是：將鋼絲繩或錨鏈穿過主甲板首部中縱剖面處的導纜孔，一端系在船上，另一端系水鼓。系水鼓防臺時，船必須處于設計滿載排水量狀態。

2受力分析

系水鼓時船的受力情況比較復雜，可能同時受到風作用力、水流作用力和波浪作用力等危害力的作用，并且船的位置會隨著風、水流、波浪的大小和方向的改變而變化。臺風吹襲時，風作用力遠比水流作用力和波浪作用力大，故風作用力是主要的。假設風向與船長成α夾角（根據經驗可知α應小于90°），詳見圖1所示。風速V可分解成兩個相互垂直的分量：與船長平行的分量V1；與船長垂直的分量V2。V1產生的風作用力與船長平行，推動船只遠離水鼓；V2產生的風作用力與船長垂直，使船產生橫向傾斜或繞著水鼓轉。

圖1風速V分解成兩個相互垂直的分量

圖2 船舶和系水鼓的受力狀況

由上述分析可知，系水鼓防臺時，船的危險狀態有兩種：

（1）橫向傾覆。當風向與船長垂直時，船受到的傾覆力矩最大，此時最易發生橫向傾覆；

（2）斷纜。當風、水流和波浪三者同方向，并且與船長平行時，系水鼓鋼絲繩或錨鏈承受的力最大。

對于橫向傾覆危險狀態，只能依靠船自身的抗風能力進行抵御，當船的抗風能力無法對抗臺風時，不能采用系水鼓防臺的方法，故不討論此種危險狀態。

斷纜狀態受力計算主要是對風作用力、水流作用力和波浪作用力的分析與計算。在滿足工程安全計算的前提下，為方便計算，盡量簡化力學模型，詳見圖2所示：A為船首出纜點，B為A在水平面的投影點，O為水鼓系點，F為鋼絲繩或錨鏈的拉力，F1為F的水平分力，F2為F的豎直分力，Pw為風作用力，Pb為波浪作用力，PL水流作用力。由于在實際工作狀態中，無法確定O點至水面的垂直距離（O點也有可能浸沒于水中），故且假定O與B同處一水平面。

2.1風作用力Pw計算

假設各部位的受風面積和風作用力中心至水面的距離為：主船體受風面積S1，風作用力中心距水面Z1；上建受風面積S2，風作用力中心距水面Z2；主桅受風面積S3，風作用力中心距水面Z3…。受風面積和風作用力中心至水面距離的計算，可參照《船舶與海上設施法定檢驗規則》的有關要求進行，總受風面積S和風作用力中心至水面距離Z按下式計算：

S = k1S1+ k2S2+ k3S3+… m2（1）

Z =（k1S1Z1+ k2S2 Z2+ k3S3 Z3+…）/ S m （2）

式中：ki-滿實系數，按《船舶與海上設施法定檢驗規則》的要求選取。

參照JTJ215-1998《港口工程荷載規范》中有關風載荷的計算公式，風作用力Pw可按下式進行計算：

Pw = kjkzSV2 / 1 600 kN（3）

式中：kj—風壓增大系數，按表1選取；

kz—風壓高度變化系數，按表2選取；

S—總受風面積（m2）；

V為風速（m/s），查設計圖，取船能承受的最大風速。

表1海上風壓增大系數

表2 風壓高度變化系數

2.2水流作用力PL計算

參照JTJ215-1998《港口工程荷載規范》的有關計算公式，船正面承受的水流作用力可按下計算：

PL = 0.5CγSV2kN （4）

C = 0.46Re-0.134+b

Re = VL/v

式中：C—水流阻力系數；

Re—雷諾數；

b—系數，取0.15；

γ—水的密度（t/m3）；

S—船的濕表面積（m2）；

L—船的水線長（m）；

V—水流速度（m/s），根據錨地水文資料選取；

v—水的運動粘性系數，按表3選取。

表3水的運動粘性系數

2.3 波浪作用力Pb計算

參照JTJ213-1998《海港水文規范》的有關計算公式，船正面承受的波浪作用力可按下式計算：

Pb = 0.139γBHL tanh（6.28d/L） kN（5）

式中：γ—水的密度（t/m3）；

B—船的水線寬（m）；

H—浪高（m），根據氣象預報選取；

L—波長（m），根據氣象預報選取；

d—錨地水深（m），根據錨地水文資料選取。

2.4鋼絲繩或錨鏈拉力F計算

根據以上的分析與計算，鋼絲繩或錨鏈的拉力F可按下式計算：

F = F1/ sinθ kN（6）

cosθ= AB/AO

F1= Pw+PL+PbkN

3系泊設備的選擇

（1） 若采用鋼絲繩系水鼓，以拉力F作為工作負荷確定鋼絲繩的型號與規格。在船上，鋼絲繩系在帶纜樁或眼板上（注：之前應對帶纜樁、眼板及周圍的船體結構進行強度校核）；

（2）若采用船上現有的錨鏈系水鼓，需校核錨鏈的工作負荷是否符合要求，并應充分考慮錨鏈的磨損、疲勞狀況等，適當增加安全系數；

（3）以拉力F作為水鼓的工作負荷，選擇合適的系泊水鼓。

4船體密性要求

（1）所有的水密門、風雨密門、艙口蓋、人孔蓋、舷窗等應完好；

（2）所有水密部位的臨時開口，如設備出艙口、管子接口、電纜孔、工藝孔等應回裝完，無法回裝的需用蓋或盲板封堵，達到水密要求；

（3）所有通海設備（如海底門、尾軸出口、放泄塞等）應回裝完，或用盲板封堵；

（4）船體外板開口應回裝完，焊縫密試完；

（5）所有可移動的物品應搬上岸，所有腳手架應拆除下船；

（6）恢復甲板疏排水系統的功能；

（7）恢復所有液艙的水密完整性，使其具備壓載功能。

5船舶浮態調整

（1）要求將浮態調至設計滿載排水量狀態，橫傾角小于0.5°，首尾吃水差小于1‰水線長。

（2）液艙壓載：所有水艙、燃油艙和滑油艙都必須壓載。原則上淡水艙壓淡水；壓載水艙壓海水，若壓載水管路系統尚不能使用，亦可壓淡水；燃油艙和滑油艙應裝載足夠的燃油和滑油，供主副機使用，其余未裝油料的艙壓淡水；

（3）所有壓載的液艙務必裝滿，不能存在自由液面，未壓載的艙必須清干凈艙內的水或油；

（4）加注壓載水的原則順序：由底層往上、由船舯向首尾展開；

（5）貨艙應裝滿或用壓載代替。

6船上防臺設備的完整性

（1）配電系統、錨機、錨燈、主要部位的照明能正常使用；

（2）保證船上一臺發電機組能正常使用，供電給錨機、錨燈和照明使用，否則必須配備一臺功率合適的移動式發電機組代替；

（3）保證船上一臺甚高頻電臺能正常作用；

（4）保證船上部分生活設施能正常使用；

（5）船上所有欄桿、繩索應安全可靠；

（6）應準備足夠的堵漏器材、救生衣、救生圈、手電筒等。

7 總結

船舶防臺事關重大，絲毫不能怠慢，應時刻掌握臺風的位置變化和風速大小等情況。應根據船型特點認真分析與計算，全面詳細地考慮防臺風的工藝措施及其可操作性，及時充分做好準備，結合防臺設備設施等條件選擇合適的、經濟的防臺風方法。

參考文獻

[1] 中華人民共和國海事局. 船舶與海上設施法定檢驗規則[S]. 2004: 235-

236.

[2] 中華人民共和國交通部. JTJ215-1998港口工程荷載規范[S]. 1998: 48-

86.

[3] 中華人民共和國交通部. JTJ213-1998海港水文規范[S]. 1998: 156-157.

作者簡介：王繼平（1974-），男，工程師。主要從事船舶建造和修理工作。

收稿日期：2013-12-02