海洋工程船舶碼頭防臺系泊方案設計及計算分析

衛 欣，吳恭興，史旦達，楊東巖

（上海海事大學 海洋科學與工程學院，上海 201306）

海洋工程船舶碼頭防臺系泊方案設計及計算分析

衛 欣，吳恭興，史旦達，楊東巖

（上海海事大學 海洋科學與工程學院，上海 201306）

從材料選擇、系泊方式、系泊布置等方面，設計了海洋工程船PSV（platform supply vessel）臨時停靠在碼頭的防臺防汛處置方案。綜合蘆潮港碼頭的水文氣象條件，利用Ariane軟件進行了臺風狀態下該方案的可行性驗證。最后，采用港口工程荷載規范對軟件計算結果進行驗證與比較。可為惡劣天氣條件下的系泊停靠提供參考。

臺風；系泊力；系泊系統；時域分析

0 引言

隨著海洋石油的勘探開發，普通概念上用于拖帶的船舶已經不再能滿足供應要求。一種叫做“平臺供應船”（platform supply vessel，簡稱PSV）的多功能海上交通工具也越來越多地出現在人們的視野中。PSV的船體長度從65 ft到350 ft（1 ft=0.304 8 m）不等，主要任務是在海上平臺之間運送人員和物資。

臺風是影響海上船舶航行安全的最主要的災害性天氣之一[1]，由近幾年極端天氣時間頻發的趨勢預測，今年長江中下游地區可能出現較為嚴重的洪澇災害。2016年夏季，船廠新制造的海洋工程船PSV（見圖 1）臨時系泊停靠在上海蘆潮港碼頭，船舶具體參數見表 1。新建的無動力船舶下水后在港內需要停泊一段時間，進行舾裝、主機調試、試泊、試航，檢驗合格后才能投入正常航行，船舶在碼頭舾裝期間本身不具備自航和自救能力[2]。為實現大、中型無動力防臺系泊系統，需迫切解決的問題是開發出簡易、實用、可靠的系纜技術[3]。為了能保證船舶迅速、高效、有序地做好熱帶氣旋或臺風的應急處置工作，把熱帶氣旋或臺風造成的損失降低至最低，特制定本PSV七點系泊方案。

表1 船型尺度

1 防臺系泊方案設計

錨泊布置設計一直是船舶設計工作中的重要組成部分，尤其是在保障船舶安全性上發揮著重要作用[4]。本文防臺系泊方案設計如圖2所示。

臺風預警發布2小時內，碼頭區域各部門將搶險人員排班表報防汛防臺辦公室，總裝部及調試中心錨絞機操作工6人、帶纜工12人、生產保障部電工2人24小時碼頭待命。PSV40首尾分別設兩條直徑為60 mm和80 mm的丙綸常規纜就近掛碼頭纜樁，生產管理部在臺風到達提前48小時落實拖錨船事宜，臺風到達前12 h完成PSV船的拋錨固定任務，除PSV本身錨鏈外，加設錨重5T錨鏈4節，錨鏈直徑為58 mm，鋼纜直徑為42 mm。所以本次方案共設有7根纜繩，其中2根為錨鏈鋼纜混合纜繩，1根為鋼纜，4根丙綸常規纜系在碼頭系船柱上。各纜繩具體屬性如表2所示。

表2 錨鏈屬性及參數

2 可行性分析

2.1 分析思路

船舶系泊時會受到一階波浪力和二階慢漂力的干擾[5]，前者會引起船舶的周期性搖蕩，但不會改變船舶的位置和艏向。而二階波浪力對系泊系統受力影響最大，將會影響系泊船舶偏離初始位置的位移和系泊纜索所受的張力[6]。本文采用水動力學分析軟件Hydro STAR以及錨泊系統分析軟件Ariane對上述系泊方案進行了分析。Hydro STAR用以求解在有限水深條件下，PSV的一階和二階波浪載荷，以及波浪誘導運動。Ariane用于解決PSV的靜態分析和動態時域分析。本文首先利用Hydro STAR軟件對PSV船進行了建模，進行水動力分析，并算出二階波浪力的二次傳遞函數（QTF）矩陣。

在Ariane軟件中，需導入該矩陣計算慢漂力，并根據實際狀況設置導纜孔位置、錨點位置及錨鏈屬性，以確保模擬真實的船舶系泊狀態，導纜孔具體位置見表3和圖3所示。

表3 導纜孔位置

2.2 計算條件設置

現設置的七點系泊方案為：一號錨的下錨點為船首的 270°方向，二號錨的錨點也為船首的 270°方向，三號錨點為船首的280°方向，一二三號為水下拋錨。四號和五號纜繩與船首呈170°，六號七號纜繩與船首呈 90°，都系在碼頭上的系船柱上，防臺系泊方案圖見圖 2。新船系泊在碼頭前沿 ,在臺風襲擊時的風、流和波浪所形成的外力，全靠系泊中的鋼索和錨鏈的拉力來抵擋，選擇合適的風、流、浪的設計數值，對保持抗臺風系泊安全至關重要[7]。系泊方案各參數設定后，以蘆潮港內的歷年風玫瑰圖，極端高水位，最大潮差作為參考，根據碼頭朝向，船舶停靠方向及角度，設置風浪流等參數，即可利用Ariane軟件對該系泊系統進行時域分析。

參考系泊設備指南OCIMF-MEG3-2008[8]以及《運輸船舶設備與系統》[9]，若采用規范進行系泊力的計算，本宜取風向0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°以及對稱的210°、240°、270°、300°、330°各個方向計算風荷載及流荷載,但鑒于本系泊系統設計如上，本方案分別分析了如下3種最不利環境狀態下的系統穩定性以及錨鏈受力情況。

表4 環境條件

由于外力最終可以分解成縱向和橫向分力，不管是首尾風，還是橫風，纜繩在各個方向上提供的約束力要均衡，要避免在一個方向上纜繩張力儲備很大[10]。設船首順時針方向為正，情況一為風浪流都從船首270°方向過來，圖2中左側三根錨鏈受主要拉力，即一、二、三號錨鏈受力。情況二為風浪流都從船首180°方向過來，左側斜鏈受力較大，其余橫鏈受力較小，即四、五號錨鏈受主要力，一、二、三、六、七號錨鏈受力很小（遠小于破斷力），起固定作用，防止船身受力旋轉。情況三為風浪流都從船首 90°方向過來，受力在右側，斜纜達不到受力狀態，右側兩根橫纜為主要受力纜，即六、七號錨鏈受力。

2.3 時域分析結果

在建立船體模型后，再進行各項參數的編輯，即可對船舶進行時域分析。設置時間為12 800 s，分析結果如下：

情況一：由Ariane導出的數據統計可知，一號錨鏈所受的平均軸向力約為122 kN，最大軸向力約為932 kN；二號錨鏈所受的平均軸向力約為107 kN，最大軸向力約為1 184 kN；三號錨鏈所受的平均軸向力約為28 kN，最大軸向力約為63 kN。二號錨鏈受力最大，三號錨鏈受力最小。船首偏轉角度為-0.6°，船體在船身軸線方向的位移為0.98 m。

表5 情況一：一、二、三號錨鏈軸向受力結果

情況二：由Ariane導出的數據可知，四號纜繩所受的平均軸向力約為 114 kN，最大軸向力約為389 kN；五號纜繩所受的平均軸向力約為69 kN，最大軸向力約為456 kN。船首偏轉角度為-0.16°，船體在船身軸線方向的位移為1.71 m。

表6 情況二：四、五號纜繩軸向受力結果

情況三：由Ariane導出的數據可知，六號纜繩所受的平均軸向力約為53 kN，最大軸向力約為963 kN；七號纜繩所受的平均軸向力約為41 kN，最大軸向力約為911 kN，受力大小基本相近。船首偏轉角度為0.19°，船體在船身軸線方向的位移為1.87 m。

表7 情況三：六、七號纜繩軸向受力結果

需注意，Ariane計算結果中最大值為乘以安全系數之后的最大值，不大于破斷力即可。

2.4 港口工程荷載規范驗證與比較

采用規范計算時，規范僅考慮了風荷載與流荷載的作用，由于圖4中船舶左側三根為鋼纜與錨鏈，自身自重較大，對計算結果會產生較大影響，規范未考慮到這一點，對此，只采用規范對右側纜繩的系泊力進行驗證計算。即對四、五、六、七號纜繩受力進行驗證。

2.4.1 風荷載

由于在臺風期間風向的變化迅速，在利用《港口工程荷載規范》[11]計算風荷載時，直接按照公式計算最大值[12]。

1）風荷載計算公式

作用在無動力船舶上的計算風壓力的垂直于碼頭前沿線的橫向分力和平行于碼頭前沿線的縱向分力按照《港口工程荷載規范》（JTS144-1-2010）[11]中的公式(1)和公式(2)來計算。

式中，ξ1為風壓不均勻折減系數；ξ2為風壓高度變化修正系數；Fxw、Fyw分別為作用在船舶上的計算風壓力的縱向和橫向分力，kN；荷載規范中x和y的方向為橫向和縱向；Axw、Ayw分別為船體上面以上縱向和橫向受風面積，m2；vx、vy分別為設計風速的縱向和橫向分量，m/s，均取最大風速。

2）風荷載公式各參數的計算及選取

（1）無動力船受風面積計算及選取

貨船滿載受風面積可根據式(3)和式(4)計算得到（本文為壓載狀態）：

（2）無動力船舶在吃水d（如空載或壓載狀態下）時，縱向、橫向受風面積計算見式(5)和(6)。

式中，Axw、Ayw分別為船舶滿載時船體水面以上縱向、橫向受風面積，m2；cb為船舶方形系數；L為設計船長，m；B為設計船寬，m；df為滿載吃水，m；d為空載吃水，m。

《港口工程荷載規范》（JTS 144-1-2010）[11]中對船舶水面以上受風面積的說明中并沒有給出計算公式，指出船舶水面以上受風面積宜根據設計船型和裝載情況來確定。

1）風壓不均勻折減系數

風壓不均勻折減系數取自《港口工程荷載規范》（JTS 144-1-2010）[11]，ξ1根據船舶水面以上最大輪廓尺寸，選取0.9。

2）風壓高度變化修正系數

風壓高度變化修正系數取自《港口工程荷載規范》（JTS 144-1-2010）[11]，ξ2根據船舶水面以上高度取為1.18。

計算可知（單位：m2）：

2.4.2 流荷載

流荷載的計算是基于船舶水池實驗，其大小與水深、船舶尺度、船型、裝載情況及流向角等因素有關。

流荷載計算公式：作用在無動力船舶上的流荷載的縱向分力按式(7)計算。

式中，Fxc為水流對船舶作用產生水流力的縱向分力，kN；cxc為水流縱向分力系數；ρ為水的密度，t/m3，對海水ρ=1.025，t/m3；v為水流速度，m/s；S為船舶吃水線以下的表面積，m2。

作用在無動力船舶上的計算流荷載的橫向分力分為船首橫向分力和船尾橫向分力兩部分，按式(8)～式(11)計算：

式中，Fyc為水流對船舶作用產生水流力的橫向分力，kN；Fysc、Fymc分別為水流對船首橫向分力和船尾橫向分力，kN；cysc、cymc分別為水流對船首橫向分力系數和船尾橫向分力系數；ρ為水的密度，t/m3，對海水ρ=1.025 t/m3；；v為水流速度，m/s；為船舶吃水線以下的橫向投影面積，m2。

荷載規范中流荷載公示各個參數的計算及選取：

1）船首橫向分力系數cysc和船尾橫向分力系數

取自《港口工程荷載規范》（JTS 144-1-2010）[11]，依據靠船結構前沿水深和與船舶設計裝載相對應的平均吃水比，查表可取為：

2）船舶吃水線以下橫向投影面積'B計算公式見式(12)

散貨船：

3）水流縱向分力系數計算公式見式(13)和式(14)

式中，Re為水流對船舶作用的雷諾數；b為系數；v為水流速度，m/s；L為船舶吃水線長度，m；ν為水的運動粘滯系數，m2/s。

4）船舶吃水線以下表面積計算公式見式(15)

式中，S為船舶吃水線以下表面積，m2；L為船長，m；D為船舶吃水，m；cb為船舶方形系數；B為船寬，m。

經計算可得出表8的數據。

表8 情況二、情況三規范計算結果

2.4.3 系纜力標準值計算

系纜力標準值N可按式(16)計算：

式中，N為系纜力標準值，kN；ΣFx、ΣFy分別為可能同時出現的風、浪、流對船舶作用產生的縱向分力總和及橫向分力總和，kN；K為系船柱受力不均勻系數，當實際受力的系船柱數目n=2時，K取1.2；當n＞2時，K取1.3；n為計算船舶同時受力的系船柱數目；α為系船纜的水平投影與碼頭前沿線所成的夾角，（°）；β為系船纜與水平面之間的夾角，（°）。

其中，情況二的條件下四號和五號纜繩α為20°，情況三的條件下六號和七號纜繩α為 90°。纜繩與水平面之間夾角均為 15°。經計算可知系纜力標準值，見表9。

2.4.4 規范結果與數值模擬結果比較

由上述計算可知，采用Ariane軟件計算的情況二中的四號和五號纜繩系纜力標準值分別為115 kN和69 kN，平均值為92 kN；情況三中的六號和七號纜繩系纜力標準值分別為53 kN和41 kN，平均值為47 kN。而采用規范計算的情況二系纜力標準值為69.09 kN，情況三系纜力標準值為37.05 kN，均小于軟件算得的結果，但相差不大。

2.4 破斷力驗證

材料破斷力由材料供應廠商提供：58 mm直徑錨鏈破斷力為1 200 kN，48 mm直徑鋼纜破斷力為800 kN，60 mm直徑丙綸繩破斷力為480 kN，80 mm直徑丙綸繩破斷力為1 000 kN。在Ariane軟件中，計算的平均值即為系纜力標準值。根據《港口工程荷載規范》（JTS 144-1-2010）[11]在計算纜繩的實際安全荷載（SWL）時，需要保留一定的富余量，短暫使用的纜繩安全荷載可為其破斷力的1/2。在此，假設纜繩在抗臺使用時，其安全荷載為其破斷力的1/2。由于軟件計算結果都大于規范計算結果，所以在驗證破斷力時，采用Ariane得出的數值進行驗證即可。驗證結果見表10。

經比較，以上結果均符合安全荷載要求，方案可行。但由于外海風浪條件更為惡劣，本方案不適用。當臺風等級大于12級時，則建議在臺風到達前48 h將船只撤離碼頭，前往錨地避風。

3 結論

本方案中，材料破斷力均滿足以上三種情況的最大受力要求，且各種情況下每根纜繩的平均受力也較為平均，能夠將受力合理分配到每根纜繩上，船體也不會發生較大的位移與偏轉，本系泊設置方案高效可行，可供船只在碼頭臨時停靠提供參考。并且，在軟件計算結果與規范計算結果的比較中不難發現，由于港口工程荷載規范采用的是經驗公式，且大多是應用在常見船型中，在實際應用時還是會存在較大誤差，沒有軟件建模后計算得那么精確，在以后的研究中需要進一步完善。

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Design and Calculation Analysis of Anti-typhoon Mooring Plan for Offshore Ships

WEI Xin, WU Gongxing, SHI Danda, YANG Dongyan
(College of Ocean Science and Engineering, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

The anti-typhoon mooring plan for the offshore ship, namely, platform supply vessel (PSV)berthing at the port is designed from the aspect of material selection, mooring way and mooring arrangement.The Ariane software is used to verify the feasibility of the plan involving the hydrological and meteorological conditions of Luchao Port.Finally, the calculating results from the software are validated by those using the Code method in the port engineering.The proposed plan can be utilized for ships mooring in the bad weather.

typhoon; mooring force; mooring system; time domain analysis

U675.92

A

10.14141/j.31-1981.2017.06.008

衛欣（1994—），男，碩士研究生，研究方向：錨泊系統的穩定性分析。