大型浮船塢牽引力計算分析

陳曉華 張 瑩

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

大型浮船塢牽引力計算分析

陳曉華 張 瑩

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

為分析浮船塢牽引船舶入塢時的牽引力，以指導牽引設備的選型或入塢操作，介紹一種浮船塢牽引船舶入塢所需牽引力的計算方法，并根據船型資料，計算牽引力的大小，并對浮船塢牽引設備的選型進行分析。牽引力的計算方法為類似浮船塢設計或實際入塢工程的操作提供了重要的理論支持。

浮船塢；牽引方式；牽引力計算；牽引設備

引 言

浮船塢是一種在海上對船舶或海上浮式結構物進行維修和建造的大型浮動平臺。對船舶進行維修和改裝之前，需要依靠浮船塢上的牽引設備將船舶牽引入塢。維修完成后再利用牽引設備將承修船舶牽引出塢。每一型浮船塢能否對目標船型順利地進行進出塢操作，主要取決于浮船塢上牽引設備的能力。

在浮船塢的設計過程中，需要根據所承修的最大船型，對牽引力進行合理分析，并對牽引設備進行適當的選型。特別是對大型浮船塢而言，通常其承修船舶的尺度較大，在進出塢時受到環境力的影響很大。因此，更需要在一定的環境條件下，對船舶進出塢的牽引力進行合理分析，來指導牽引設備的選型。

本文以某大型浮船塢為例，提出合理的環境條件，對牽引最大船型時的牽引力進行計算，并對牽引設備的選型進行分析。

1 牽引系統及牽引方式

牽引系統包括牽引設備和牽引的目標船型。對牽引力進行計算，首先應明確牽引系統的布置以及對進塢船舶的牽引方式。

1.1 牽引設備布置

該船塢牽引設備主要包括牽引定位絞車、導軌、導向滑輪、引船小車和牽引纜繩等。牽引設備布置于浮船塢頂甲板，具體布置見圖1。

1.2 牽引目標船型

考慮該型浮船塢承載的最大船型，牽引目標為大型FPSO（浮式生產儲油裝置），其主要尺度見表1。

表1 牽引目標船型尺度m

1.3 牽引方式

浮船塢牽引FPSO入塢，從浮船塢尾部附近開始牽引。絞車纜繩通過導向滑輪連接引船小車，將牽引纜一端連接小車，另一端連接FPSO首部拖帶纜樁。通過絞車收放纜繩拉動引船小車，將FPSO緩緩牽引入塢。FPSO入塢方式見圖3。

2 環境力分析

2.1 環境條件

浮船塢牽引設備的牽引力主要取決于最大進出塢船舶所受的環境力。因此，牽引力的計算需要確定合適的環境條件，才能得到合理的計算結果。

入塢船舶受到的環境力與浮船塢牽引船舶時所處的環境有關，本文所述浮船塢所處位置如圖4所示。浮船塢右側受防波堤保護，前方是碼頭，主要受到船尾部和左側的海流及各個方向的風力影響。

對海流的影響而言，進出塢時，考慮到船舶都是頂流；對于平潮進出塢的，水流速度可以取值很低［1］。風力的影響主要隨風速和風向的變化而變化，通常浮船塢進出塢作業時，風級應不大于5級［2］，從安全性考慮，應盡量選擇頂風時進塢。牽引力的計算，需要確定流速、風速和環境力方向。

根據頂風、頂流的原則，同時結合入塢時所處的位置，牽引過程中受到的環境條件如圖5所示。

此外，風速和流速的確定，一方面要考慮船東對浮船塢使用條件的要求；另一方面，考慮到最大船型的船舶入塢并非浮船塢塢修的常態，過高的環境要求也并非必要。綜合考慮，本文計算取用風速VW= 21 kn（約10.8 m/s，5級風）， 流速VC= 1 kn。

2.2 環境力計算

根據經驗公式對環境力的計算通常只有首向和側向環境力，對于其他方向的環境力，可按式（1）進行轉換［3］：

式中：Fφ為斜向環境力， N；Fx為首向環境力， N；Fy為側向環境力， N；φ為環境力方向（相對于船首的角度，文中 φ為 0°和15°）。

2.2.1 風力計算

作用在FPSO上的穩定風力可按式（2）計算：

式中：FW為風力，N； CW為風力系數，取0.615 N·s/m；Cs為形狀系數；Ch為高度系數；A為每個受風面的投影面積，m2；VW為設計風速，m/s。

2.2.2 海流力計算

對FPSO來說，海流力可按下式（3）計算［3-4］：

式中：Fcx為首向流力，N；Cc為流力系數，首向或尾向取2.89 N·s2/m4，側向海流力取72.37 N·s2/m4；S為包括附體的船體濕表面積，m2；VC為設計流速，m/s。

根據以上風力和海流力的計算公式，將FPSO的實船參數代入，得到在所要求環境條件下的環境力，如表2所示。

表2 環境力計算結果

3 牽引力計算

浮船塢對入塢船舶的牽引力即是與入塢船相連的牽引纜繩的受力。因此，數學計算模型圍繞牽引纜繩的受力情況和布置進行分析。

3.1 參數及坐標定義

根據FPSO的牽引方式，建立如圖6所示的坐標系統，并定義牽引纜繩的布置角度。其中X軸沿浮船塢中心線，Y軸指向浮船塢左舷，Z軸向上。α角為牽引纜繩在X-Y平面上的投影與X軸的夾角，β角為牽引纜繩在Y-Z平面上的投影與Y軸的夾角。d為入塢船船首距浮船塢尾部的距離，φ為環境力合力的方向角。

3.2 數學模型建立

牽引力的計算主要是根據環境力求解牽引纜繩上所受的拉力，即牽引力FR。根據圖6中牽引纜繩的布置，可將牽引力FR分解到X、Y和Z三個方向上，即：FX、FY、FZ，如圖7所示。圖中角度α和β與3.1中的定義一致。

三個方向上的分力之間關系如下：

考慮到牽引船舶僅受環境力影響， FX為X方向上的環境分力，FY為Y方向上的環境分力。則確定牽引船舶在X、Y方向上受到的環境分力即可求得牽引纜的牽引力。

3.3 牽引FPSO計算分析

大型FPSO的入塢，主要受到的環境力方向是朝船首向的。計算牽引力時，只考慮牽引纜繩克服沿X軸方向的環境受力。Y方向上的分力由實際入塢時船側的拖輪頂推抵消。

考慮兩根纜繩的受力，單根纜繩上X軸方向的受力Fx按式（8）計算：

式中：φ為環境力合力方向（相對于入塢船首的角度）；F為 環境合力。

因此，單根纜繩上的牽引力為：

在第3部分中，已確定了環境力F和環境力方向，α和β角取決于牽引纜繩的布置。根據圖6，在牽引FPSO時，纜繩從引船小車連接到FPSO船首的拖帶設備上綁扎，固定好后小車牽引船舶入塢。在入塢過程中，牽引纜繩的長度保持不變。因此，纜繩的α和β角可根據初始狀態確定。一般入塢時，入塢船與浮船塢之間的間距d一般為20 ～ 50 m，間距越大，纜繩與X方向的角度越小，受力情況越好。本文按最不利情況考慮，d取20 m。纜繩與FPSO的連接位置取決于船首部拖帶設備的布置。按圖6所示，可確定α角度：

β角也可根據圖6的布置確定：

將表2中環境力的計算結果代入，可得到牽引FPSO時單根纜繩的牽引力FR，見表3。

表3 牽引力計算結果(FPSO)kN

3.4 計算結果分析

根據表3中的計算結果，可以得到21 kn風速和1 kn流速，不同環境力方向作用下牽引纜繩上的最大牽引力，見下頁表4。

表4 最大牽引力kN

在表4中，單根牽引纜所需最大牽引力為427.2 kN，出現在牽引FPSO入塢，受到相對船首15°側向風和流的環境力作用時。這主要是由于大型FPSO側向受風面積較大，同時考慮了側向海流的原因。

浮船塢牽引船舶入塢的牽引力主要是由牽引絞車提供的，絞車工作負荷的選取以表4中的結果為基礎，但參考計算結果的同時，還應結合實際情況確定。在實際牽引過程中，特別是大型船舶入塢的情況，在船側和船尾會有拖船頂推或協助牽引，以彌補絞車牽引能力的不足，并防止環境條件突然變化造成的影響。此外，選擇多大工作負荷的絞車還應綜合考慮大型船舶入塢的頻率、絞車成本、輔助拖船的使用情況等。一般情況下，選取工作負荷接近最大牽引力的工作絞車即可，不必過分要求絞車能力。

4 結 論

本文通過合理分析入塢船舶所受的環境力，并結合浮船塢牽引船舶入塢的方式，提出了一種浮船塢牽引船舶入塢時牽引力的計算方法。通過計算結果，可以對浮船塢牽引設備的設計和選型提供理性的指導。同時，本文的計算方法還可拓展延伸至對浮船塢牽引一般船舶入塢的實際工程項目分析中，對牽引船舶入塢操作和入塢程序有一定的指導意義。

［1］邱崚. 浮船塢的設備［J］. 船舶設計通訊， 1993（2，3）：40.

［2］CB/T 3673-1995， 船舶進出浮船塢技術要求［S］. 1995.

［3］Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structures［M］. Washington D C： American Petroleum Institute， 2005：66-67.

［4］葉邦全. 船舶設計實用手冊（舾裝分冊）［M］. 第3版.北京： 國防工業出版社， 2013： 114.

［5］邱崚， 施正禮， 王延珍. 30萬噸級浮船塢開發設計綜述［J］. 船舶設計通訊， 2007（2）： 24-27.

信息動態

MARIC作為主席單位主持ITTC“船舶營運性能委員會”日本會議

2017年1月18～20日，ITTC“船舶營運性能委員會”第五次會議在日本召開，來自10個國家的12位委員參加了會議。作為本屆委員會的主席，中國船舶及海洋工程設計研究院（MARIC）基礎研究部主任王金寶研究員主持了本次會議。

會議在經過了激烈的爭論與討論之后，最終在淺水修正、剪切彈性模量的取值以及風阻力修正等多個主要方面形成共識。對于中國提出的“基于三大主流船型開展實船不同吃水試航”的建議，會議給予了極大關注，并同意將該建議納入下一屆委員會的研究內容。

此次會議圍繞實船測試等規程開展了最后一次深入討論并達成共識，為即將向ITTC提交最后的版本創造了條件；主導了推薦給下一屆委員會的工作，為中國在下一屆委員會爭取主動打下了基礎。此次會議的“人數之多、任期內共召開的會議之多（5次，每次會議用足3天）、討論爭論之激烈”也堪稱ITTC所有委員會之最。中國人首次擔任“最艱難”委員會的主席，機遇和挑戰并存，但中國人的敬業和協調能力也受到了委員們的一致肯定。

Analysis and calculation of warping force for large fl oating dock

CHEN Xiao-hua ZHANG Ying
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

This paper introduces a method for the calculation of the required warping force while the fl oating dock is docking the ship to guide the selection or docking operation by analysis of the warping force. Based on the ship data, the warping force is calculated for the selection of the warping equipment on the fl oating dock. The calculation method of the warping force can provide important theoretical basis for the design of the similar floating docks and the practical docking operation.

fl oating dock; warping operation; calculation of warping force; warping equipment

U673.332

A

1001-9855（2017）01-0068-06

2016-07-19；

2016-08-08

陳曉華（1987-），男，工程師。研究方向：船舶與海洋工程舾裝設計與研究。張 瑩（1982-），女，高級工程師。研究方向：船舶與海洋工程舾裝設計與研究。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2017.01.068