工程船定位移船系統設計探討

胡斌

摘 要：本文通過搜集國內外關于工程船定位移船的相關資料，對現有工程船的定位移船系統設計方法進行探討，并以起重船為計算實例進行分析，以期為其它工程船的定位移船系統設計提供參考。

關鍵詞：工程船；風阻力；流阻力；工作錨；移船絞車

中圖分類號：U674.3 文獻標識碼：A

1 引言

工程船主要用于水上施工作業，其作業時需在一定水域內拋錨定位，通過操縱錨泊設備來實現船舶的精確定位，而且定位一般需拖船或拋錨艇協助。施工時，同一作業水域可能有幾艘船舶同時施工，另外還有已安裝或未安裝的工程構件，周圍環境復雜，如果出現船舶走錨或錨鏈破斷，不僅影響工程工期、質量，嚴重時還將造成船舶損壞、碰撞等事故。因此，定位移船系統在工程船設計和施工中尤其重要，而系泊船舶在風浪流綜合作用下的系泊力計算是定位移船系統設計的關鍵所在。

2 設計方法分析

目前，船舶設計者一般都是按照舾裝數來確定錨及系泊設備。然而，許多工程船并不是簡單地在錨地拋錨，而必須在規定的工地、規定的海況下進行拋錨定位作業。因此，對于該類型的工程船，采用抓持力法來確定錨泊系統為好。所謂抓持力法，就是根據錨及錨索鏈在海底所提供的抓持力與作用在船舶上的環境載荷平衡條件，來確定錨及錨索鏈尺寸。這樣，準確的計算作用在船舶的環境載荷就顯得十分重要。另外，確定環境載荷之后也可以更經濟的配備移船絞車、工作錨以及系泊鋼絲繩。

計算作用在船舶上的環境載荷的方法，主要有靜態經驗公式估算和動態時域模擬仿真兩種。其中，靜態計算的方法簡單，可用的經驗公式也很多，但不同的公式適用范圍不同，精度有限；動態分析的方法使用水動力計算軟件如AQWA、ARAINE等進行動態模擬，精度較高但成本也高。實際設計中，由于普通工程船的作業環境（港口或遮蔽水域作業，一般波高不超過0.5 m）都比較溫和，波浪動態影響較小，故用靜態計算的方法能滿足工程要求。本文通過檢索國內外已有的系泊力靜態計算公式，對其進行比較分析，以期得出工程船定位移船系泊力的合理計算方法，為工程船定位移船系統設計提供參考。

3 系泊力計算

3.1 《海船系泊設備配置設計通則》（CB/T 3911-1999）

《海船系泊設備配置設計通則》主要用于海洋船舶系泊屬具的選型，附錄中給出了作用在大型船舶上外力的計算方法，計算公式如下：

（1）風壓阻力

Ra = KaVa2Aa kN （1）

式中：Ka = 0. 000 720 8 （橫方向）， 0.0004207 （縱方向 ） ；

Va ——相對風速，m/s；

Aa——水線以上受風部位的投影面積，不計梁拱、舷弧和縱傾，m2。

（2）水流阻力

Rw=1.188 6×0.001×Aw（（Vw+Vs）2+0.33（Vw+Vs）） kN （2）

式中： A w——設計船舶的浸水面積，m2；

Vw——水流速度，m/s；

Vs——移船速度m/s。

（3）形狀阻力

Rv=0.717 8As（Vw+Vs）2 kN （3）

式中：As——水線以下側向投影面積，m2。

（4）推進器阻力

Rp=0.25 89D2（Vw+Vs）2 kN （4）

式中： D——螺旋槳直徑，m。

（5）總阻力

R=[（Ra+Rv）2+（Rw+Rp）2]0.5 kN （5）

3.2 《港口工程荷載規范》JTJ 215—1999

《港口工程荷載規范》主要用于港口工程設計，規范中給出了船舶所受環境力的計算方法，計算公式如下：

系泊船舶所受環境力：F=FW+Fc （6）

FW=49.0×10-5AV2wξ （7）

FC=Cρ/2VC2S （8）

式中：Fw、Fc——風力、水流力引起的船舶系泊力（kN）；

A ——水面以上船體縱向受風面積（m2），與船型和裝載情況有關；

Vw、Vc ——風速、水流速度（m/s）；

ξ ——風壓不均勻折減系數，與船舶水面以上最大輪廓尺寸有關，取ξ=0.6～1.0；

C ——水流力系數，與雷諾數、船舶方形系數、吃水等因素有關；

S ——船舶水面以下的表面積（m2）。

3.3 《內河工程船舶工作錨質量計算指南》（2005）

該指南主要用于滿足《鋼質內河船舶入級與建造規范》規定的絞吸挖泥船、斗輪式挖泥船、鏈斗挖泥船、抓斗挖泥船、起重船和打樁船工作錨質量計算，其計算公式如下：

（1）對起重船和打樁船系泊系統的總環境力：

F=R1+R2 （9）

R1=705V2Am （10）

R2=1.2qA （11）

（2）首邊錨質量

應不小于M=0.103（R1+R2）/K （12）

式中：R1——水流力（kN）；

R2——風阻力（kN）；

K——選用錨的錨抓力系數；

V——水流速度（包括絞纜速度）m/s，取2.15 m/s或按設計要求確定；

Am=B·d，其中B為船寬（m），d為吃水（m）。

q——風壓，一般取170 N/m2，

A——水線以上船舶側投影面積，取實際的0.6倍，m/s。

3.4 日本《工程船舶設計基準》

日本的《工程船舶設計基準》中對工程船的移船絞車和工作錨有明確規定，起重船移船絞車的拉力按船舶中心線30°方向受到風和潮流的作用，其計算公式如下：

（1）移船絞車的總拉力

T=Qa+Qw （13）

Qa=C·q·Aa·Ka （14）

Qw= ρ·V2·1.2Aw·Cw （15）

（2）工作錨質量

應不小于M=T/（0.87K） （16）

式中：Qa——風力（kN）；

Qw——風阻力（kN）；

C——風力系數，平面取1.2；

q——風壓， ；

v ——為風速（m/s）；

h——受風面距水線的高度，小于15 m者取15 m；

Aa——水線以上船體正投影面積，m2；

Ka——風向影響系數，取1.2；

ρ——海水密度，g/cm3 ；

V——絞纜速度+潮流速度，潮流速度一般取1. 56 m/s ；

Aw——水線以下正投影面積，m2；

Cw——阻尼系數，取1.4。

3.5 石油公司國際海事論壇（OCIMF）《超大型油船的風載和流載計算方法》

石油公司國際海事論壇組織通過一系列大型油船的模型試驗，提出了大型船舶的環境載荷計算公式，在船舶系泊設備設計、碼頭設施配置等方面得到了廣泛的應用。 其計算公式如下：

（1）風載荷：Fxw=1/2Cxwρwνw2AT kN （17）

式中：Cxw——風力系數，按推薦圖譜選取；

ρw ——空氣密度（g/cm3）；

νw——風速（m/s）；

AT——受風面積（m2）。

（2）流載荷：Fxc=1/2Cxcρc νc2LBPT kN （18）

式中：Cyc——流力系數，按推薦圖譜選取；

ρc——水密度（g/cm3）；

νc——流速（m/s）；

LBP——船體兩柱間長（m）；

T——吃水（m）。

3.6 計算結果

用以上5種方法，對一艘總長89.6 m、寬36 m、型深7 m、設計吃水3.82 m的1 500 t沿海起重船進行系泊力計算：作業環境條件取極限風速20 m/s（相應風壓約250 Pa），作業區流速取極限流速3 kn即1.56 m/s，移船速度0.2 m/s；同時對一艘總長55.5 m、寬23.0 m、型深4.5 m、吃水2.9 m的500 t起重船進行計算：作業環境條件取極限風速16 m/s（相應風壓約170 Pa），作業區流速取極限流速3 kn即1.56 m/s，移船速度0.2 m/s。計算結果如表1所示。

4 分析及結論

通過對以上公式的計算結果及分析，可以看出：每一種計算公式的側重點不同，考慮的因素也不同，系泊力計算結果差異較大，最大差異甚至接近1.8倍。因此，需要從公式組成和表達形式上進行分析和甄選，尋求適合工程船定位系統使用的系泊力計算公式。

對于風引起的系泊力計算，各計算公式是依據流體力學流體壓力計算原理，取風壓和受風面積的乘積，并考慮一定的因素影響系數，這種表達形式得到廣泛認可。但是各公式考慮的風向角和風力系數各不相同，日本《工程船舶設計基準》取30°風向角和較大的風力系數，其他各公式均取橫向90°風。從計算結果來看，各公式計算結果存在差異，規律也不是很明顯，但《超大型油船的風載和流載計算方法》計算的風載荷基本為各公式計算風載荷的中間值，而且該方法的風力系數是通過多條船的風洞試驗得到，可信度較高。

對于水流引起的系泊力，各公式采用的計算原理和表達形式有較大的差異：《港口工程荷載規范》采用對船舶浸水表面摩擦阻力的表達形式，故計算結果最小；《內河工程船舶工作錨質量計算指南》、日本《工程船舶設計基準》、《超大型油船的風載和流載計算方法》采用同風作用相似的流體壓力理論計算其形體阻力（動水壓力），但《內河工程船舶工作錨質量計算指南》、日本《工程船舶設計基準》都是取正向的受流面積乘以一定的系數計算流力，只有《超大型油船的風載和流載計算方法》可以取縱向受流面積計算得到橫向流力，故三者的計算結果也存在一些差異，但日本《工程船舶設計基準》計算時在流速中疊加移船速度比較合理；《海船系泊設備配置設計通則》認為水流力引起的系泊力包括形體阻力和水流摩擦力，而且形體阻力也是取側向受流面積計算的，故方法計算的系泊力最大。

實際作用于船舶上的水流力可能存在摩擦阻力、形體阻力和興波阻力，不同情況下這3 種阻力成分不同，一般而言船首或船尾方向來流以摩擦阻力為主，而水流來自船舶側向時，以形體阻力為主。海況溫和時移船興波阻力相對較小，通常不計。

對于工程船的系泊力計算來說，靜態計算只要得到某一時刻最大系泊力即可根據該系泊力來安全的配置定位移船設備，而計算結果顯示形體阻力遠遠大于摩擦阻力，故水流力計算時考慮最惡劣情況時的形體阻力即可。

綜合以上各種計算方法，個人認為石油公司國際海事論壇《超大型油船的風載和流載計算方法》考慮因素比較全面，橫向90°風、流方向的計算結果比較合理，可以用來初步確定工程船定位移船時的系泊力大小。但對于計算中使用的作業環境條件如風速、流速（取實際流速疊加上移船速度）應根據工程船實際作業工況予以明確。

參考文獻

[1]王丹. 工程船舶錨泊系統分析與應用. 武漢理工大學碩士論文，2007

[2]周奇才. 大型工程船舶錨泊移位系統研究. 中國航海，2009年第2期

[3]中華人民共和國交通部. 港口工程荷載規范.JTJ 215-98

[4]中國船級社. 內河工程船舶工作錨質量計算指南.2005

[5]日本工程船舶設計標準編訂委員會.工程船舶設計標準.1971

[6]石油公司國際海事論壇（OCIMF）. Mooring Equipment Guidelines 3rd .2008

[7]石油公司國際海事論壇（OCIMF）. Prediction of Wind and Current Loads on