30萬t級油船靠泊過程實測系纜力統計分析

李 岸

(大連港油品碼頭公司，大連 116601)

隨著岸線資源的逐步減少和船舶大型化的發展，大型碼頭的建設不斷向著海況條件相對較差的離岸深水區發展，大型船舶的靠泊安全問題也日益得到研究和探討。高峰等利用動力分析方法的數學模型SHIP-MOORINGS對船舶系泊過程中的運動、波浪載荷及橡膠護舷的碰撞力進行了數值模擬計算研究，提出了不同浪向條件下船舶作業標準的主要控制指標[1]。李焱等采用整體物理模型試驗對45萬t油船和10萬t油船作業和系泊允許的波高和周期進行了試驗研究，認為我國現行規范對單橫浪作用下45萬t油船的允許作業波高可提高至2.0 m,對應平均波周期為8 s[2]。勞軍等采用顯式有限元技術與現場實測相結合的方法提出了10 000～30 000 t級船T字型靠泊碼頭的最大安全靠泊速度[3]。沈文君等認為《海港總體設計規范》采用45°作為分界線對允許作業波高進行推薦的方法會對碼頭損失作業天數分析產生一定的影響，采用針對不同的波浪周期和波浪方向給出泊位允許作業波高的方法，統計出的結果更為合理和準確[4]。張志等利用系泊數值分析軟件并結合境外某工程實例，定量分析了透射波浪對港內系泊穩定條件的影響，認為射波浪將在一定程度上影響泊位可作業天數[5]。馬小劍等基于力的平衡關系建立了系泊船舶在風和潮流作用下纜繩張力和運動的計算模型(Qmoor)，并采用經驗公式和Wilson公式對風流作用下碼頭系泊船舶纜繩張力及運動量進行了計算，獲得了與物模試驗較為一致的結果[6]。張福然等依據離岸圓墩式海港碼頭水流對系泊船舶作用力的試驗研究成果，按水流方向與船舶縱軸夾角提出了水流力系數的經驗公式和半經驗公式，且與理論分析的結果吻合較好[7]。朱奇等通過物理模型試驗對風、浪、流共同作用下系泊船舶的運動量和系纜力進行了研究，結果表明較短的泊位長度對橫向運動、纜力大小以及纜力間的均勻性有一定的改善[8]。郭劍鋒等通過船舶系泊物理模型試驗對浙江LNG接收站項目碼頭設計方案中的兩種船型26.6萬m3和21.7萬m3進行了研究，分別對比了440 m、420 m和400 m三種泊位長度下的系泊情況，指出短泊位有利于減小運動量和均化各纜力[9]。高峰等通過LNG船模物理模型試驗比較了26.6萬m3船型分別在370 m和390 m兩種泊位長度下的系泊情況，結果表明系泊條件隨著泊位長度縮短有改善趨勢,運動量平均減少約10%,系纜力減幅為4%～11%，但是撞擊力改變不明顯[10]。高峰等對目前船舶系靠泊試驗研究技術的發展情況進行了探討，指出了船舶系靠泊試驗技術的難點與待解決的問題[11]；吳林鍵等總結了國內外部分學者對外海固定式泊位大型船舶系泊安全問題的研究成果，為大型外海固定式碼頭結構優化設計,船舶系纜設施布局和系泊安全等方面提供了有意義的參考[12]。

為保障船舶在碼頭安全靠泊，依據大量的數模、物模和實踐經驗，各國均制定了船舶靠泊的一些海況限制條件，如我國《海港總體設計規范》中就規定船舶裝卸作業允許的風力不宜超過6級，同時針對不同噸級不同類型船舶的裝卸過程制定了浪高、浪向和周期等限制條件[13]，而且各大型碼頭在建成后也會制定各自靠泊作業允許的海況條件標準。

但是在實際靠泊作業中，對于碼頭企業來說，準確實時地獲得諸如浪高、浪向、流速、流向等海況數據并不是一件容易操作的事，海況監測系統布置多少個測點，測點布置的位置，測量設備的穩定性、及時性和準確性等等均會影響最終測量結果對真實海況的反映程度，除了極端海況條件外，海況數據對靠泊作業的指導作用非常有限。現在更多的碼頭企業在系纜設施上安裝了系纜力監測系統，對每條纜繩的系纜力進行實時監控，因為不論海況條件如何變化，反映在靠泊于碼頭的船舶而言就是各纜繩系纜力的變化，相較于宏觀的海況數據，具體的系纜力數據對靠泊作業的指導性更強。但是現在碼頭企業對系纜力監測系統的應用更多的是設定系纜力預警值，當系纜力接近或超過預警值時指導船方進行調纜以平衡各纜繩系纜力。

實際上系纜力的實測數據就是對海況的反饋，系纜力的變化反映的就是海況的變化，而且這些實測數據相較于通過各類模型試驗和計算軟件得到的數據準確性更高，通過對這些系纜力實時數據進行分析就可以大致掌握這片海域海況的變化規律，進而指導碼頭企業更好的進行船舶靠泊作業和船前監護。本研究基于靠泊于大連港新30萬t級原油碼頭的30萬t級油船系纜力的實測數據，對30萬t級油船在靠泊過程中系纜力隨著潮汐漲落的變化規律、各纜繩系纜力的分布、系纜力突破預警值的情況進行統計分析，進而提出碼頭企業有針對性的進行監護和采取緊急措施的建議。

圖1 大連港新30萬t級原油碼頭平面布置圖Fig.1 The layout plan of the new Dalian 300 000 t crude oil terminal

1 碼頭平面布置及系纜方式

大連港新30萬t級原油碼頭采用蝶形布置，碼頭軸線為47°～227°，共設有4個靠船墩和6個系纜墩，設計船型為30萬t級，可兼顧10萬t級和45萬t船舶靠泊，具體平面布置見圖1。

本海區全年常風向為N，年平均風速為5.8 m/s，六級以上大風以N向大風為主；常浪向為SE向，次常浪向為SSE向；潮流屬于不規則半日潮流性質，基本呈往復流運動形式，漲潮流向為偏SW向，落潮流向為偏NE向。

30萬t級油船系纜方式船艏船艉均為2 422，共20根鋼絲纜，分別為：

船艉方向：1#墩2根艉纜，2#墩4根艉橫纜，3#墩2根艉橫纜，5#墩2根艉倒纜；

船艏方向：11#墩2根艏纜，10#墩4根艏橫纜，9#墩2根艏橫纜，7#墩2根艏倒纜。

圖2 30萬t級油船系纜布置圖Fig.2 Mooring plan of 300 000 t tanker

這里按照從船艉到船艏的順序將纜繩編號為1～20，具體系纜布置圖見圖2。

各系纜墩上的每一臺快速脫纜裝置均配備有系纜力監測系統，可實時監測每一根纜繩的系纜力，并繪制出纜繩的實時系纜力曲線圖。

2 系纜力的變化規律

圖3為截取的部分纜繩系纜力的實時曲線圖，可以發現船舶在靠泊過程中系纜力表現出類似潮汐漲落的規律性變化，表明系纜力的變化規律似乎與潮汐有一定關聯。

圖3 2#纜繩系纜力實時曲線圖Fig.3 Mooring force graph of cable No.2

將系纜力在一個漲落周期內的最小值定義為極小值，在一個漲落周期內的最大值定義為極大值，分別統計各纜繩系纜力極小值在低潮前后各個時間段出現的比例和系纜力極大值在高潮前后各個時間段出現的比例，見表1、表2、圖4、圖5。

表1 各纜繩系纜力極小值在低潮前后各個時間段出現的比例Tab.1 The proportion of the minimum mooring force occurring at different time before and after low tide

表2 各纜繩系纜力極大值在高潮前后各個時間段出現的比例Tab.2 The proportion of the maximum mooring force occurring at different time before and after high tide

系纜力極小值在低潮前后1 h內出現的比例為68.5%，在低潮前后2 h內出現的比例達到94.9%，系纜力極小值的最小值為10 kN，最大值為200 kN，平均值為58 kN；

系纜力極大值在高潮前后1 h內出現的比例為40.2%，在高潮前后2 h內出現的比例達到70.1%，系纜力極大值的最小值為40 kN，最大值為380 kN，平均值為195 kN。

很明顯，系纜力極小值基本出現在低潮前后2 h內，但是系纜力極大值出現在高潮前后2 h內的比例并不是特別高，依然有近三分之一的比例出現在別的時刻，而且極大值的最大值僅僅是極小值最大值的1.9倍，并沒有高出太多。

實際上船舶在靠泊過程中，船方會根據各纜繩受力情況對各纜繩進行調纜作業，將系纜力過大的纜繩適當松纜(一般設置系纜力預警值為250 kN)，使各纜繩均衡受力，防止出現個別纜繩因系纜力過大而斷纜的情況，以保證船舶靠泊安全。通過分析纜繩系纜力實時曲線可以發現，部分統計數據中的纜繩系纜力由于隨著潮位上漲增長過快，在距離高潮大于2 h系纜力就已經超過了預警值，船方為保障安全對纜繩進行了調纜作業，使得系纜力實時曲線陡降，調纜作業前的系纜力變成了系纜力極大值，干擾了統計結果(見圖6)。

圖6 系纜力實時曲線圖(調纜導致系纜力實時曲線陡降)Fig.6 Graph of mooring force(adjusting the cable results in a steep drop in the mooring force curve)

仔細觀察調纜作業后系纜力實時曲線，系纜力依然隨著潮位上漲而增大。實際上，此種情況如不進行調纜作業，系纜力極大值依然會出現在高潮前后2 h內，而且這個極大值會遠大于調纜前的系纜力。如果將這種情況考慮進去，系纜力極大值在高潮前后2 h內出現的比例將達到92.5%，而且系纜力極大值的最大值將遠遠超過380 kN。

通過上述分析可以知道，各纜繩系纜力大小基本隨著潮汐起伏而呈現規律性的漲落變化，在低潮前后系纜力處于極小值，隨著潮位上漲系纜力逐漸增大，在高潮前后達到極大值，然后隨著潮位下降系纜力逐漸減少，在低潮前后又降至極小值。

對于造成這種規律的原因，從船舶載重、風速、波浪和水流這幾個方面進行了分析。

(1)船舶載重。根據日常30萬t級油船卸船速度，平均為3 500～4 000 m3/h，本文取4 000 m3/h，換算成船舶吃水的變化約0.22 m/h，按照6 h的漲潮周期算(此海區不規則半日潮)，一個漲落周期內船舶吃水變化約1.3 m，引起的相對水深變化對水流力的影響不超過10%[14]，而根據前面的結果，一個漲落周期內系纜力極大值比極小值平均高出3.3倍，因此這顯然不是船舶載重變化導致的。

(2)風速。根據統計數據，系纜力的變化與風速變化相關性并不高。截取部分系纜力與風速之間的對比圖如圖7所示。

從整體上看，系纜力的變化與風速之間并沒有明顯的相關性，對比圖左側系纜力在這個漲幅周期中由140 kN左右增長到240 kN，而風速卻呈現先升后降的變化趨勢；對比圖右側系纜力在這個漲幅周期中由150 kN左右增長到250 kN，而風速整體卻大幅下降，因此這種變化顯然也不是風速導致的，這也進一步說明對于大型船舶而言，單純的風速對船舶系纜力的影響有限。

(3)波浪和水流。由于缺少相關實測數據，無法進行進一步驗證。但是一般對于大型船舶而言，水流對系纜力的影響是要大于波浪的，而且根據《大型油輪水流力試驗研究》(河海大學港口海岸及近海工程學院，2012年9月)中對各種水流力計算方法理論計算結果和試驗值的比較分析結果[15]和石油公司國際海運論壇《系泊設備指南》中水流力的計算方法[16]，流速對水流力的影響幅度明顯要大于其他因素，因此基本可以認為各纜繩系纜力之所以呈現出這種類似潮汐漲落的規律性變化，是因為此海域的流況隨著潮汐漲落而呈現出了規律性的變化。在低潮前后，船舶受到的等效橫流相對較小，隨著潮位上漲等效橫流逐漸增大，在高潮前后達到最大值，然后隨著潮位下降又逐漸減小，在低潮前后又降至最小值。

圖7 系纜力與風速對比圖Fig.7 Comparison of mooring force and wind speed

有了上述研究結果，在船舶靠泊作業過程中就可以有針對性地進行監護和離泊預判：

(1)在潮位由低潮到高潮的漲潮過程，可預知各纜繩系纜力會逐漸增大，船舶泊穩狀況會逐漸變差，因此監護的強度也需要逐步加強，高潮前后是船舶泊穩最差的時候，也是最危險的時候，需要時刻注意船舶的晃動情況和各纜繩受力狀態；在潮位由高潮到低潮的落潮過程，各位置纜繩系纜力會逐漸減小，船舶泊穩狀態會逐漸變好，監護的強度亦可逐步降低。

(2)如果在低潮前后，船舶就已經出現了較大的晃動，多個位置纜繩系纜力觸及了預警值，那么可以預見此波潮水來勢洶洶，需將監護的級別調至最高，同時拖輪就位做好搶險和離泊準備，如果船舶晃動進一步增大，各位置纜繩經過多次調纜后系纜力依然迅速增大，那基本可以考慮暫時離泊避開這波潮水。

(3)如果在高潮前后，船舶出現較大晃動，多個位置纜繩系纜力觸及預警值，那么可以預見現在基本是船舶泊穩狀況最差的時候，隨著潮位下降，船舶泊穩狀況會逐漸好轉，如果船舶晃動比較平穩沒有明顯繼續增大的趨勢，而且各位置纜繩系纜力沒有迅速上漲的跡象，可以根據現場實際情況選擇繼續作業或是暫停作業，如果船舶晃動幅度過大而且各位置纜繩經調纜后系纜力依然反復突破預警值，那么可以選擇暫停作業并利用拖輪進行輔助靠泊度過這段危險期，等船舶逐漸恢復穩定后再恢復作業。

3 系纜力的分布

對于蝶形布置的碼頭，一般認為船舶系纜力整體的橫向約束力會相對較大，橫纜會承受更大的系纜力，那是否意味著在實際靠泊過程中，橫纜的系纜力總是會大于其他位置的纜繩，橫纜的系纜力是否更有可能突破預警值，在船舶靠泊監護過程中是否可以把監護重點放在橫纜上，這里進行三個對比。

(1)對比1。

將每個漲落周期內所有纜繩系纜力的極大值由大到小進行排列，找出排前二的系纜力所對應的纜繩，分別統計系纜力極大值的最大值和第二大值(以下簡稱系纜力最大值和第二大值)出現在各個位置纜繩的比例，見圖8和圖9。

圖8 系纜力最大值出現在各個位置纜繩的比例 圖9 系纜力第二大值出現在各個位置纜繩的比例

系纜力最大值出現比例最高的纜繩為2#墩艉橫纜和9#墩艏橫纜，出現比例均為35%；其次為7#墩艏倒纜，出現比例為20%；剩下5#墩艉倒纜和11#墩艏纜出現比例均為5%。系纜力最大值出現在橫纜的比例合計為70%。

系纜力第二大值出現比例最高的纜繩依然為2#墩艉橫纜，出現比例達到45%；其次為7#墩艏倒纜和9#墩艏橫纜，出現比例分別為20%和15%；剩下3#墩艉橫纜和11#墩艏纜出現比例均為10%。系纜力第二大值出現在橫纜的比例合計為80%。

圖10 各個位置纜繩出現系纜力突破預警值的比例Fig.10 The proportion of the situation while mooring force exceeding the warning value at each cable

總體來看，橫纜確實承受了更大的約束力，特別是2#墩艉橫纜和9#墩艏橫纜，系纜力最大值出現比例均超過了三分之一，2#墩艉橫纜出現系纜力第二大值的比例甚至將近二分之一。但是7#墩艏倒纜出現系纜力最大值和第二大值的比例均有20%，同時11#墩艏纜也占有一定的比例。

(2)對比2。

找出所有系纜力突破預警值的情況，統計各個位置纜繩出現系纜力突破預警值的比例，見圖10。

出現系纜力突破預警值比例最高的纜繩依然為2#墩艉橫纜，出現比例為23%；其次為7#墩艏倒纜和9#墩艏橫纜，出現比例分別為21.6%和14.9%。橫纜出現系纜力突破預警值的比例合計為59.5%。雖然橫纜出現系纜力突破預警值的比例相對較高，但是各個位置的纜繩均出現了系纜力觸及預警值的情況。

(3)對比3。

統計各個位置纜繩系纜力極大值的最大值和平均值(以下簡稱系纜力最大值和平均值)，見圖11和圖12。

圖11 各個位置纜繩系纜力最大值 圖12 各個位置纜繩系纜力平均值

各個位置纜繩系纜力最大值為2#墩艉橫纜和11#墩艏纜，均為380 kN；其次為7#墩艏倒纜和9#墩艏橫纜，分別為375 kN和370 kN，各個位置纜繩系纜力最大值相差不大，最大相差17.1%，平均相差僅7.3%。

各個位置纜繩系纜力平均值最大的為9#墩艏橫纜，為232 kN；其次為7#墩艏倒纜和2#墩艉橫纜，分別為222 kN和211 kN，各個位置纜繩系纜力平均值相差亦不大，最大相差17.8%，平均相差僅10.3%。

綜合上面三個比較，總體來看船舶靠泊過程中橫纜確實承受了更大的系纜力，特別是2#墩艉橫纜和9#墩艏橫纜，而且橫纜突破預警值的概率相對其他位置的纜繩來說更高。但是，各個位置的纜繩均有可能出現系纜力突破預警值的情況，并且各個位置纜繩系纜力的最大值和平均值相差都不大，11#墩艏纜的系纜力最大值甚至比9#墩艏橫纜的系纜力最大值還高。實際上受到不斷變化的海況、纜繩初張力不同、船舶載重變化，船舶晃動、調纜作業等等因素的影響，系纜力總是不斷地在各個纜繩間重新分配，各個位置的纜繩都有可能出現由于系纜力分布不均導致系纜力過大而斷纜的情況，因此在船舶靠泊過程中將監護重點放在橫纜上是不可取的。

4 系纜力突破預警值分析

根據前面的分析結果，各位置纜繩系纜力基本隨著潮汐起伏而呈現規律性的漲落變化，在低潮前后系纜力處于極小值，隨著潮位上漲系纜力逐漸增大，那么總體來看，低潮前后系纜力的極小值越大，或系纜力隨著潮位上漲的增幅越大，則這波漲潮過程系纜力的極大值也會越大，系纜力也就越有可能突破預警值。

根據統計的系纜力每小時增幅情況，系纜力每小時增幅最小為9 kN/h，最大可達到73 kN/h，平均為28 kN/h，按照6 h的漲潮周期算(此海區不規則半日潮)，一個漲潮周期內系纜力的平均增幅為168 kN，如果低潮前后系纜力的極小值在100 kN以上，則這波漲潮過程系纜力很可能會突破250 kN的預警值；如果系纜力的每小時增幅達到50 kN/h，一個漲潮周期內系纜力的增幅將達到300 kN，那么無論低潮前后系纜力極小值為多少，這波漲潮過程系纜力亦很可能會突破250 kN的預警值。

為驗證上面分析結果，從統計數據中找出所有系纜力突破預警值的情況，并統計下面兩個對應關系：(1)低潮前后系纜力的極小值與此波漲潮過程系纜力突破預警值概率的對應關系；(2)系纜力的每小時增幅與此波漲潮過程系纜力突破預警值概率的對應關系。具體結果見圖13和圖14。

很明顯，系纜力極小值、系纜力每小時增幅與系纜力突破預警值概率之間基本呈正比關系，即低潮前后系纜力的極小值越大，系纜力隨著潮位上漲的幅度越大，則這波漲潮過程系纜力越有可能突破預警值。當低潮前后系纜力的極小值不超過10 kN，或者系纜力的每小時增幅不超過10 kN/h時，系纜力突破預警值的概率基本為零，即這波漲潮過程系纜力幾乎不可能突破預警值；當低潮前后系纜力的極小值達到100 kN以上，或者系纜力的每小時增幅達到50 kN/h以上時，系纜力突破預警值的概率均超過了80%，即這波漲潮過程系纜力很可能要突破預警值而觸發調纜作業，與前面的分析結果基本一致。

通過低潮前后系纜力的極小值和漲潮過程系纜力的每小時增幅，可以預估這波漲潮過程系纜力突破預警值的概率，進而在一定程度上預估這波漲潮過程船舶的泊穩狀況。如果在低潮前后，多個位置纜繩的系纜力已經超過了100 kN或者系纜力的每小時增幅超過了50 kN/h，那么可以預見這波漲潮過程船舶的泊穩狀況不會太好，需時刻注意漲潮過程各位置纜繩系纜力的變動情況，根據當前系纜力值和系纜力的每小時增幅值預判纜繩是否會突破系纜力預警值，并提前做好調纜準備，平衡各位置纜繩系纜力，防止系纜力在個別纜繩集中的情況出現，充分發揮所有纜繩的約束作用。

5 總結

(1)靠泊于大連港新30萬t級原油碼頭的30萬t級油船，各纜繩系纜力大小基本隨著潮汐起伏而呈現規律性的漲落變化，在低潮前后系纜力處于極小值，隨著潮位上漲系纜力逐漸增大，在高潮前后達到極大值，然后隨著潮位下降系纜力逐漸減少，在低潮前后又降至極小值，因此我們在船舶靠泊作業過程中就可以有針對性的進行監護和離泊預判。

(2)總體來看，對于蝶形布置的大連港新30萬t級原油碼頭而言，30萬t級油船的橫纜確實承受了更大的系纜力，而且橫纜突破預警值的概率相對其他位置的纜繩來說更高，但是其他位置的纜繩均有出現系纜力突破預警值的情況，并且各個位置纜繩系纜力的最大值和平均值相差都不大。實際上受到不斷變化的海況、纜繩初張力不同、船舶載重變化，船舶晃動、調纜作業等等因素的影響，系纜力總是不斷地在各個纜繩間重新進行分配，各個位置的纜繩都有可能出現由于系纜力分布不均導致系纜力過大而斷纜的情況，因此在船舶靠泊過程中將監護重點放在橫纜上是不可取的。

(3)低潮前后系纜力的極小值、系纜力的每小時增幅與系纜力突破預警值概率之間基本呈正比關系，通過低潮前后系纜力的極小值和漲潮過程系纜力的每小時增幅，可以在一定程度上預估這波漲潮過程船舶的泊穩狀況。如果在低潮前后，多個位置纜繩的系纜力已經超過了100 kN或者系纜力的每小時增幅超過了50 kN/h，那么可以預見這波漲潮過程船舶的泊穩狀況不會太好，需時刻注意漲潮過程各位置纜繩系纜力的變動情況，根據當前系纜力值和系纜力的每小時增幅值預判纜繩是否會突破系纜力預警值，并提前做好調纜準備，平衡各位置纜繩系纜力，防止系纜力在個別纜繩集中的情況出現，充分發揮所有纜繩的約束作用。