浮船塢剛性系泊方案的初步探討

崔冬權

(南通潤邦工程船舶技術有限公司，江蘇 南通 226007)

浮船塢剛性系泊方案的初步探討

崔冬權

(南通潤邦工程船舶技術有限公司，江蘇 南通 226007)

根據浮船塢使用特點提出了一種適合于浮船塢系泊用的剛性系泊方案。相比于目前廣泛采用的碼頭帶纜系泊的傳統方式，該系泊方案具有結構簡單可靠，操作維護簡便，能自適應碼頭潮差，無后續能源消耗，無需人員照看，系統成本低等諸多優點。通過浮船塢系泊力計算模型的建立及詳細解析，提出了該方案詳細設計過程中各主要注意事項，同時對該方案的實際布置及使用給出了建議。

浮船塢；系泊設備；剛性系泊

0 引言

相較于船舶或浮式平臺這類海上移動建筑系泊裝置的設計及布置，浮船塢作為一種使用壽命周期內工作地點相對較為固定的水上浮體，其系泊系統的設計及布置帶有鮮明的地域使用特征，這些地域特征主要包括浮船塢工作地域的水文、地質及氣象條件。因此，在考慮浮船塢系泊裝置的設計時，若涉及到設計計算過程中相關參數的選取，則需參考并研究浮船塢工作地域的水文、地質、氣象相關的歷史記錄數據及統計資料才能最終決定。而對于一般船舶及海上浮式平臺類系泊裝置的設計則主要偏向于遵循船級社規范要求及部分港口的特殊規定。船舶類主要系泊裝置如錨、錨鏈、錨絞車、纜繩等設備規格的選取均基于該船/平臺舾裝數(EN)的計算結果。當然，對于浮船塢主要系泊設備的設計及布置，也可以參考船舶類的設計方法進行，但按此方法設計所得到的結果一般會失去其經濟性及實用性。在充分考慮到浮船塢系泊裝置設計經濟性和實用性的前提下，本文提出了一種針對于浮船塢使用特點的剛性系泊方案。該方案兼顧浮船塢實際操作的便利性及安全性，且在一家國外修船廠的浮船塢項目上實際使用。

1 設計原理及系泊力計算

1.1設計原理

船舶、浮船塢等水上浮體的傳統系泊方式一般采用錨泊、碼頭帶纜系泊這2種方式。鑒于錨泊形式不屬于本文研究的方向，故主要針對于傳統的碼頭帶纜系泊方式提出一種經改進的全新的簡易系泊方式。根據這種系泊方式的主要特點，可將其定義為第3種系泊形式：剛性系泊，其連接示意圖如圖1所示。相較于傳統的帶纜系泊方式，剛性系泊與其主要差異在于浮體與錨固點之間的連接媒介：傳統的系泊方式一般采用諸如錨鏈、纜繩等柔性連接件連接浮體系固點與錨固點，而剛性系泊則采用點對點剛性接觸的方式完成浮體跟錨固點之間的連接。

對于浮船塢這種特殊的水上浮體而言，此系泊方式有如下主要優點：

(1)能充分利用浮船塢及碼頭結構特征合理布置系泊點。

(2)在船塢系泊工作完成后，船塢跟碼頭間在水平面內的位置便幾近于固定(無相對位移)，這樣可以縮小對浮船塢正常工作區域水下泥面淤積的監控范圍及實際清淤范圍。

(3)浮船塢能夠自行調整并適應較大的自然潮差且無需人員照看和值守。

(4)跟傳統的帶纜系泊方式相比，能夠節省大量人工及額外的設備投資、維護保養及設備更換費用，提高船塢的利用率。

1.2系泊力計算

碼頭前系泊的浮船塢通常情況下受到風、浪、流的自然力作用。鑒于波浪對浮船塢系泊力的影響是一個較為復雜的動態過程，且浮船塢一般情況下均安置于具有良好遮蔽性的水體，故本文未考慮波浪對系泊力的影響而僅考慮風和流對系泊力的直接作用，以簡化相關的計算模型。本文系泊力計算采用國際海事論壇組織(OCIMF)所推薦的風力、水流力的經驗計算公式。

1.2.1受風力計算

風對塢體的作用力計算公式為：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Fwx、Fwy分別為系泊船塢沿x、y方向的風作用力，N；Mwxz、Mwyz、Mwxy分別為風作用力在XZ、YZ、XY平面內對船塢的回轉力矩，N·m；Cwx、Cwy、Cwxz、Cwyz、Cwxy分別為風作用力無因次經驗系數，數值由船塢外形和風向角確定；ρw為空氣密度,kg/m3；Vw為風速，m/s；a為風作用力對船塢的傾覆力臂,m；L為船塢塢體總長,m；AT1、AL1分別為船塢橫向和縱向迎風面積,m2。

塢體受風、水流面積示意圖如圖2所示。

1.2.2水流力計算

水流對塢體的作用力計算公式為：

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：Fcx、Fcy分別為系泊船塢沿x方向，y方向的流作用力，N；Mcxz、Mcyz、Mcxy分別為水流作用力在XZ、YZ、XY平面內對船塢的回轉力矩，N·m；Ccx、Ccy、Ccxz、Ccyz、Ccxy分別為水流作用力無因次經驗系數，由船塢外形和流向角確定；ρc為水密度，kg/m3；Vc為水流流速,m/s；b為水流作用力對船塢的傾覆力臂,m；L為船塢塢體總長,m；D為船塢吃水,m。

1.2.3靜水恢復力矩計算

在系泊狀態下，當塢體在風、水流作用下的回轉力矩(YZ及XZ平面內)而產生一個小角度(α、β)偏轉后，水對塢體將隨之產生反方向的靜水恢復力矩，其經驗估算公式如下：

MTW=-WαGMT

(11)

MLW=-WβGML

(12)

式中：MTW、MLW分別為船塢在水平面內(XY面)繞縱向軸(X軸)及繞橫向軸(Y軸)的靜水恢復力矩，N·m；α、β分別為船塢相對于水平面(XY面)繞縱向軸(X軸)及繞橫向軸(Y軸)的偏轉角，rad；GMT、GML分別為船塢橫搖半徑及縱搖半徑,m；W為船塢排水量,kg。

1.2.4力及力矩平衡計算

當船塢處于穩定系泊的狀態下，各系泊點存在如下受力平衡公式：

Fwx+Fcx+2(Mwxy+Mcxy)/B=ΣPxi

(13)

Fwy+Fcy+2 (Mwxy+Mcxy)/L=ΣPyi

(14)

Mwyz+Mcyz+MTW+ΣMPyzi=0

( 15)

Mwxz+Mcxz+MLW+ΣMPxzi=0

( 16)

式中：ΣPxi為各系泊點在X方向的合力，N；i為各系泊點編號，i∈[1,n]；ΣPyi為各系泊點在Y方向的合力，N；B為船塢寬度,m；ΣMPyzi為所有系泊點在YZ面內的約束轉矩和，N·m；ΣMPxzi為所有系泊點在XZ面內的約束轉矩和，N·m。

基于各系泊點結構強度設計安全考慮，實際計算過程中取i=1, 即以單點系泊作為各系泊點結構強度校核依據，即有如下簡化后的平衡公式：

Fwx+Fcx+2(Mwxy+Mcxy)/B=Px

(17)

Fwy+Fcy+2(Mwxy+Mcxy)/L=Py

(18)

Mwyz+Mcyz+MTW+ΣMPyz=0

( 19)

Mwxz+Mcxz+MLW+ΣMPxz=0

( 20)

式(19)、式(20)，由于系泊點P僅作為系泊計算的點支撐，即此支撐點除在X、Y方向有位移約束外，Px為系泊點P在X軸方向的分力，Py為系泊點P在Y軸方向的分力。對于其他任何方向的位移及轉矩均無約束，即系泊點P處的實際轉矩在數值上始終為零，因此平衡公式(19)、(20)可進一步簡化為：

Mwyz+Mcyz+MTW=0

(21)

Mwxz+Mcxz+MLW=0

(22)

式(21)、式(22)中，由風、水流對塢體作用的轉矩即傾覆力矩Mwxz、Mwyz、Mcxz、Mcyz，在系泊點P作為支撐點的作用下，塢體將產生一定量的橫傾及縱傾，在塢體發生縱傾及橫傾的過程中，塢體隨之將產生與之反方向的靜水恢復力矩，此恢復力矩能及時平衡因風、水流作用所產生的傾覆力矩，從而始終保持塢體在水中的動態平衡，通過平衡公式(21)、(22)，可求得塢體在水平面內繞X軸及繞Y軸的最大偏轉角α、β。

為保證船塢在上述受力過程中的動態平衡，作為支撐點的剛性系泊裝置在設計過程中需要考慮滿足其動態平衡的特殊結構，理論上應在相關平面YZ、XZ內加裝鉸鏈，具體設計形式如圖3所示。

圖3 鉸鏈裝置示意圖

由式(17)、式(18)可分別計算求得Px及Py的具體數值，根據力的合成即可知系泊點的受力P：

(23)

1.3剛性系泊裝置結構設計的注意事項

參考圖3鉸鏈裝置示意圖，根據式(23)計算得到系泊力P。在實際設計過程中，還需要對系泊裝置的主要零件進行強度校核：

(1)各銷軸的剪切強度校核(件2、件3)。

(2)系泊鉤內部耐磨材面壓強度校核(件5)。

(3)系泊裝置底座跟碼頭錨定裝置間連接螺栓拉伸強度校核(件4)。

(4)系泊裝置水平連桿跟豎直連桿間的焊腳高度校核(件6、件7)。

(5)連接系泊鉤跟塢體間導軌的強度校核。

2 剛性系泊裝置的布置要領及其他注意事項

圖4為剛性系泊裝置布置圖。根據浮船塢的外形特征，剛性系泊點一般布置于船塢的艏艉區域，這跟船舶類的系泊布置選取區域基本相同。若有特殊要求，船塢中部區域亦可增加系泊點。系泊點的設計承載形式分為Y軸單向承載及XY雙向承載，根據式(17)、式(18)式中系泊力Px、Py的計算結果詳細設計并校核系泊件。

圖4 剛性系泊裝置布置圖

此外，鑒于剛性系泊件的結構及布置特點，考慮到船塢在外界溫差下塢體在長度方向的伸縮變形，以及船塢在空載/滿載情況下的塢體彎曲變形，在設計系泊件跟碼頭錨固點間的連接時需作特殊考慮。一般所采用的解決方案是：在碼頭錨固點上剛性固定某一端的系泊件而讓另一段的系泊件在X軸方向無約束，以保證塢體在溫差變形及載荷彎曲變形的情況下不對相連的系泊件及塢體結構產生約束性破壞。

3 剛性系泊和柔性系泊優缺點對比

剛性系泊和柔性系泊優缺點對比見表1。

表1 剛性系泊和柔性系泊優缺點比對表

4 結語

綜合剛性系泊從設計到使用的整個過程并參考表1的對比結果來看，對于浮船塢這類遷移性較小的大型水上浮體，若采用本文所推薦的剛性系泊方式，可顯著降低船塢的使用及維護成本，同時也能提高作為船舶修造企業大型核心設備的利用率，從而提升企業整體經濟效益。

[1]馬小劍，孫昭晨，等.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(6):164-169.

[2]徐兆全.浪流作用下系泊船舶運動及纜繩布局優化[D].大連：大連理工大學, 2007.

2014-07-14

崔冬權(1974-)，男，工程師，主要研究方向為船舶及海洋工程設計及制造。

U662.2

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