45萬(wàn)噸超大型油輪系纜方式及安全作業(yè)試驗(yàn)研究

王長(zhǎng)利，黃宣軍，蔣冰，張先波

（1.中化泉州石化有限公司，福建 泉州 362103；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，中國(guó)交建海岸工程水動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；3.國(guó)家海洋信息中心，天津 300171）

0 引言

隨著國(guó)際石油海運(yùn)量的高速增長(zhǎng)，油輪的尺度和載重量也在不斷增大，現(xiàn)役最主要的大型油輪以30萬(wàn)噸級(jí)為主，自2002年韓國(guó)大宇重工建造了4艘45萬(wàn)t雙殼油輪后，大型油輪的規(guī)模也逐步向45萬(wàn)t超大型油輪發(fā)展。為此，國(guó)內(nèi)多個(gè)30萬(wàn)噸級(jí)油輪碼頭結(jié)構(gòu)均按可停靠45萬(wàn)t超大型油輪進(jìn)行設(shè)計(jì)，如青島港30萬(wàn)噸級(jí)原油碼頭、曹妃甸中石化30萬(wàn)噸級(jí)石油碼頭、寧波大榭中油燃料油碼頭30萬(wàn)噸級(jí)油碼頭、中化泉州30萬(wàn)噸級(jí)原油碼頭等。本文通過(guò)對(duì)45萬(wàn)t超大型油輪在風(fēng)、波浪、潮流等外荷載聯(lián)合作用下的系纜方式研究，揭示不同纜繩直徑、纜繩材質(zhì)對(duì)船舶系泊運(yùn)動(dòng)量和系纜力的影響，給出了船舶安全作業(yè)的波浪條件，為45萬(wàn)t超大型油輪的系纜方式提供科學(xué)指導(dǎo)，研究成果具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和研究?jī)r(jià)值。

1 試驗(yàn)研究條件

1.1 船型參數(shù)

45萬(wàn)t超大型油輪的主尺度和運(yùn)動(dòng)特性分別見(jiàn)表1和表2。

表1 試驗(yàn)船型主尺度Table1 Principal dimension of thetest tanker

表2 運(yùn)動(dòng)特性參數(shù)Table2 Motion characteristic parameter

1.2 碼頭結(jié)構(gòu)形式

碼頭采用蝶形布置形式，由1座工作平臺(tái)、2座靠船墩和6座系纜墩組成，泊位長(zhǎng)度為455 m，每個(gè)靠船墩上水平布置2個(gè)3 000H標(biāo)準(zhǔn)反力一鼓一板橡膠護(hù)舷，每個(gè)護(hù)舷的設(shè)計(jì)反力為4 400 kN。

1.3 系纜布置形式

試驗(yàn)纜繩規(guī)格為3種，分別是：

1）直徑44 mm鋼纜，破斷力為1 070 kN；

2）直徑52 mm鋼纜，破斷力1 470 kN；

3）直徑52 mm組合纜（主要為鋼纜，與纜鉤連接處有15 m長(zhǎng)的尼龍纜，尼龍纜直徑為100 mm），組合纜的破斷力仍接近1 470 kN。

其中，直徑44 mm鋼纜和直徑52 mm鋼纜的系纜方式為3-4-4-3，直徑52 mm組合纜的系纜方式為4-3-3-2，系纜布置見(jiàn)圖1。

圖1 系纜布置圖Fig.1 Mooring pattern

1.4 船舶安全作業(yè)條件

參考OCMIF制定的指導(dǎo)原則和以往油輪系泊試驗(yàn)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，大型油輪安全作業(yè)條件是船舶運(yùn)動(dòng)量的縱移≤±2.0 m，橫移≤±2.0 m，升沉≤±0.5 m，橫搖≤±2°；系泊纜繩最大允許拉力為纜繩破斷力的50%；船舶對(duì)護(hù)舷的擠靠力不超過(guò)護(hù)舷的設(shè)計(jì)反力。

2 試驗(yàn)方法

1）試驗(yàn)設(shè)備及儀器：試驗(yàn)在60 m×40 m×1.0 m的大型水池中進(jìn)行（見(jiàn)圖2（a）），測(cè)量?jī)x器包括：智能數(shù)據(jù)采集儀、波高傳感器、六分量運(yùn)動(dòng)儀、32通道護(hù)舷纜力儀、小威龍流速儀等；

2）模型比尺：試驗(yàn)比尺按重力相似律及JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)[1]，模型比尺為 1∶79；

3）纜繩模擬：保證纜繩的長(zhǎng)度和彈性相似，模擬的纜繩彈性曲線和理論曲線基本相似。纜繩的受力-伸長(zhǎng)曲線按JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》給出的公式算出（見(jiàn)圖2（b））；

圖2 船模及模擬曲線Fig.2 Thetanker model and simulation curves

4）護(hù)舷模擬：護(hù)舷模擬要保證模型護(hù)舷的反力-變位曲線及能量吸收曲線與原型滿足相似（見(jiàn)圖 2（c））；

5）船舶模擬：試驗(yàn)用船模與原型船滿足幾何相似、重量相似和動(dòng)力相似；

6）波浪模擬：采用碼頭泊位處H4%波高，不規(guī)則波的頻譜為JONSWAP譜。

3 試驗(yàn)結(jié)果

一般的船舶系泊試驗(yàn)中，相同波高及周期條件下，橫浪對(duì)系泊船舶的影響比斜向浪和順浪都要大，在船舶載度與水位組合中，滿載與低水位的組合和壓載與高水位的組合堪稱(chēng)系泊試驗(yàn)中的2種最不利工況組合。根據(jù)我國(guó)JTJ 211—1999《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]的有關(guān)規(guī)定：“船舶裝卸作業(yè)的允許波高為橫浪H4%≤1.5 m，允許周期為T(mén)≤8 s，允許風(fēng)速≤6級(jí)風(fēng)”。為此，本試驗(yàn)研究的波浪條件采用90°橫浪，試驗(yàn)波高H4%=1.2 m、1.5 m，周期T=7 s、8 s，試驗(yàn)工況示意圖見(jiàn)圖3，試驗(yàn)工況組合見(jiàn)表3。

圖3 試驗(yàn)工況示意圖Fig.3 Sketch of thetest condition

表3 45萬(wàn)t超大型油輪系泊試驗(yàn)工況Table 3 Mooring test condition of 450 000 DWT supertanker

基于上述試驗(yàn)條件，本文主要對(duì)試驗(yàn)結(jié)果中船舶運(yùn)動(dòng)量的橫移量和橫搖角，船舶纜繩的最大系纜力以及船舶對(duì)護(hù)舷的最大擠靠力進(jìn)行分析[3－5]。

直徑44 mm鋼纜的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，直徑52 mm鋼纜的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，直徑52 mm組合纜的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表4 直徑44 mm鋼纜的試驗(yàn)結(jié)果（系纜方式3-4-4-3）Table 4 Test resultsof 44 mm diameter steel lines(mooringmanner is3-4-4-3)

表5 直徑52 mm鋼纜的試驗(yàn)結(jié)果（系纜方式3-4-4-3）Table5 Test resultsof 52 mm diameter steel lines(mooringmanner is3-4-4-3)

表6 直徑52 mm組合纜的試驗(yàn)結(jié)果（系纜方式4-3-3-2）Table 6 Test resultsof 52 mm diameter combination cables(mooringmanner is4-3-3-2)

由上述試驗(yàn)結(jié)果，船舶壓載工況下，在相同3-4-4-3的系纜方式及波浪（H4%=1.5 m、周期T=7 s）、吹開(kāi)風(fēng)及漲潮流聯(lián)合作用下，直徑44 mm鋼纜時(shí)，船舶橫移量為0.95 m，單根纜繩系纜力最大為694 kN，超過(guò)纜繩破斷力50%；增大直徑至52 mm后，船舶橫移量為0.74 m，單根纜繩系纜力為725 kN，盡管系纜力有所增大，但未超過(guò)纜繩破斷力的50%，增強(qiáng)了船舶的作業(yè)能力。

此外，船舶壓載工況下，在相同波高H4%=1.5 m、周期T=7 s的波浪、吹開(kāi)風(fēng)13.8 m/s及漲潮流0.85 m/s聯(lián)合作用下，直徑52 mm鋼纜時(shí)，船舶橫移量為0.82 m、橫搖角為1.56°，單根纜繩系纜力最大1 018 kN；采用52 mm組合纜及系纜方式為4-3-3-2后，船舶橫移量為1.09 m、橫搖角為2.0°，單根纜繩系纜力最大為777 kN。由于組合纜的彈性變形大，船舶的運(yùn)動(dòng)量有所增大，但纜繩數(shù)量和最大纜繩拉力有所減小，相比之下也增強(qiáng)了船舶的作業(yè)能力。

4 結(jié)語(yǔ)

45萬(wàn)t超大型油輪在不同載度、不同水位及風(fēng)、浪、流外荷載聯(lián)合作用下，采用直徑44 mm鋼纜（系纜方式3-4-4-3），滿足船舶安全作業(yè)波浪條件是H4%≤1.5m、T≤6 s；采用直徑52 mm鋼纜（系纜方式3-4-4-3），滿足船舶安全作業(yè)波浪條件是H4%≤1.5m、T≤7s；采用直徑52 mm組合纜（系纜方式4-3-3-2），滿足船舶安全作業(yè)波浪條件是H4%≤1.5 m、T≤7 s。

單純?cè)龃罄|繩的直徑，對(duì)減小船舶的運(yùn)動(dòng)量有所幫助，但并未減小纜繩的系纜力。通過(guò)增大纜繩的直徑，增強(qiáng)纜繩的破斷力，從而增強(qiáng)船舶的作業(yè)能力。相對(duì)于單純鋼纜，組合纜的彈性變形增大，使得船舶運(yùn)動(dòng)量有所增大，但纜繩的拉力比單純鋼纜時(shí)要小，且采用4-3-3-2組合纜的系纜方式后，不僅纜繩的系纜力有所減小，而且纜繩的數(shù)量有所減少以及船舶的作業(yè)能力有所提高，可以為今后超大型船舶系纜方式的選擇提供參考。

[1]JTJ/T 234—2001，波浪模型試驗(yàn)規(guī)程[S].JTJ/T 234—2001,Wavemodel test regulation[S].

[2]JTJ211—1999，海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].JTJ211—1999,Design codeof general layout for seaport[S].

[3]中化泉州石化項(xiàng)目配套碼頭工程青蘭山水域1號(hào)泊位船舶系泊整體物理模型試驗(yàn)研究報(bào)告[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2009.Overall physical model test report on ship mooring of Qinglanshan No.1 berth of Sinochem Quanzhou Petrochemical project supportingwharf engineering[R].Tianjin:CCCCTianjian Port Engineering Institute Co.,Ltd.,2009.

[4]中委廣東石化原油及產(chǎn)品油碼頭工程30萬(wàn)噸級(jí)油輪系泊物理模型試驗(yàn)研究報(bào)告[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2009.Physical model testreporton 300 000 DWTtanker mooringof China and Venezuela Guangdong Petrochemical crude oil and product oil wharf engineering[R].Tianjin:CCCC Tianjian Port Engineering Institute Co.,Ltd.,2009.

[5]中化泉州石化項(xiàng)目30萬(wàn)噸級(jí)原油碼頭工程船舶系泊物理模型試驗(yàn)研究報(bào)告[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2010.Physical model test report on ship mooring of Sinochem Quanzhou Petrochemical 300 000 DWTcrudeoil wharf engineering[R].Tianjin:CCCCTianjian Port Engineering Institute Co.,Ltd.,2010.