楊永剛，馬牧原，姚戰(zhàn)鋒

(1.上海外高橋造船海洋工程有限公司，上海 201306；2.上海江南長興重工有限責任公司， 上海 201913)

無動力平臺供應船碼頭系泊防臺風方案的分析

楊永剛1，馬牧原2，姚戰(zhàn)鋒2

(1.上海外高橋造船海洋工程有限公司，上海 201306；2.上海江南長興重工有限責任公司， 上海 201913)

上海臨港重裝備產(chǎn)業(yè)區(qū)位于杭州灣北岸入?？诘貐^(qū)，易受臺風等災害性天氣侵襲，給沿岸無動力船舶防臺風工作帶來較大難度。針對無動力平臺供應船在建造過程中需要在碼頭進行較長時間的舾裝作業(yè)，極易受到臺風影響的問題，為保證船舶安全，利用Hydro Star和Ariane等軟件工具，分析某無動力平臺供應船的系泊帶纜防臺風方案，驗證系泊期間纜繩受力情況。該方案滿足防臺風系泊要求，避免了移泊錨地所產(chǎn)生的費用。

平臺供應船；碼頭系泊；方案論證

0 引言

近年來，隨著海洋資源開發(fā)力度的持續(xù)加強，海洋工程船的種類和功能不斷發(fā)展和完善，相繼出現(xiàn)了一些功能多、綠色環(huán)保的新船型，其中，專為鉆井平臺設(shè)計的平臺供應船(Platform Supply Vessel， PSV)是一種有代表性的船舶。以PX-121型為例，該船型是ULSTEIN公司設(shè)計的先進的電力推進PSV船，最大特點是采用X-BOW專利型船艏，配備全動力推進系統(tǒng)和DP2動力定位系統(tǒng)，能裝載多種貨物以及油料，具備對外消防能力，可適應歐洲北海等較為惡劣的天氣和海況，具有靈活性高、裝載能力大、噪聲小、油耗低，方便近海及碼頭補給、海工作業(yè)擴張性強等特點，但其建造技術(shù)和管理難度遠高于散貨船、油船等傳統(tǒng)船型，是一種高附加值船型。

由于建造單位處于上海臨港重裝備產(chǎn)業(yè)區(qū)，位于杭州灣北岸入海口地區(qū)，每年6月～10月間易受到西北太平洋的臺風侵襲。臺風給生產(chǎn)作業(yè)活動及安全管理工作帶來不小的影響，特別是對建造過程中碼頭系泊的無動力PSV船，造成巨大的破壞，嚴重時纜繩斷裂，威脅洋山跨海大橋等重要設(shè)施及人員安全。因此，采取積極措施抵御臺風侵襲，減少或降低臺風對無動力PSV船造成的影響，可有效減少臺風期間安全隱患發(fā)生。

目前，國內(nèi)技術(shù)人員對于無動力船舶碼頭系泊防臺風方案已經(jīng)有了深入研究。袁章新等[1]對大型散貨船在長江口地區(qū)的防臺風系泊方案進行了研究；李峰等[2]選取廣州地區(qū)VLCC船為研究對象進行了防臺風系泊方案研究。此外，岳智君等[3]、劉成勇等[4]也針對大型艦船進行了防臺風系泊方案的研究，并形成了較為成熟的理論。但上述研究多選取散貨船、油船等傳統(tǒng)船型作為研究對象，且研究方法以手工數(shù)據(jù)定量分析或定性分析為主，而對于以PSV船為代表的高附加值船在建造過程中的系泊防臺風研究較少，實踐中也缺少資料指導相關(guān)工作開展。因此，本文以建造過程中碼頭系泊無動力PSV船為研究對象，探討船舶受力情況，并利用Hydro Star和Ariane等軟件，計算討論該船型碼頭系泊防臺風的可行性，為今后類似產(chǎn)品或同類地區(qū)碼頭系泊防臺風提供參考。

1 上海臨港地區(qū)水文氣象條件特征

臨港重裝裝備產(chǎn)業(yè)區(qū)地處杭州灣北岸入?？诘貐^(qū)，位于亞熱帶南緣，屬東亞季風盛行地區(qū)。由于與東海緊鄰，境內(nèi)水網(wǎng)密布，受冷暖空氣交替影響，溫暖濕潤，雨量充沛，四季分明。本文研究的工程海域緊鄰蘆潮港客運碼頭，年平均氣溫15.7 ℃，年平均降水量1 174.2 mm，年平均霧日數(shù)：28.3 d。

臨港工程海域的惡劣風況主要為臺風期的東南東向風。觀測期間，冬季偏北大風影響相對較小，沒有出現(xiàn)大于7級的大風。從工程海域各向風速頻率圖可以看出：工程海域的年常風向為東南東、南東、北方向。工程水域?qū)儆诒眮啛釒эL氣候區(qū)，冬季受北方冷高壓控制盛行偏北風；夏季受太平洋副熱帶高壓控制，盛行偏南風，又常遭受熱帶氣旋的影響和侵襲。春、秋季風向交替變化，風向的季節(jié)變化明顯。當年10月～翌年2月的常風向為偏北向，3月～9月的常風向為偏東南向。工程海域大風日數(shù)統(tǒng)計結(jié)果顯示：每年6級風天數(shù)至少25 d。

2 船舶碼頭系泊防臺風分析研究

2.1 無動力船舶及纜繩系泊

無動力船舶一般是指自身沒有動力裝置的船舶或在碼頭階段進行舾裝作業(yè)時動力解除的新建或修理船舶[4]。

通常情況下，無動力船舶防臺風可選擇的方式主要包括碼頭系泊防臺風和錨泊地防臺風。而碼頭系泊防臺風是一種重要的防臺風方法[5]，可以有效避免臺風來臨前由于預警時間不足而無法拖帶出港防臺風等情況，另外也可以有效地節(jié)省拖船費用。

碼頭系泊是船舶系泊的最基本方式，系泊方式效果的好壞主要受系泊模式和纜繩配置影響。系泊模式是指船舶與碼頭間系纜的幾何布置方式。通常情況下，在海浪、水流和風力等動力載荷的共同作用下，會產(chǎn)生多達6個維度的運動，包括了升降、橫向移動、縱向移動、橫向搖動、縱向搖動、舷尾搖動等。系泊模式應能抵抗從任何方向來的外力。

常規(guī)分析時，可以簡單地考慮風力、海浪、水流、纜繩等對船舶的綜合作用，把外力分解為縱向和橫向分力。無論是艏艉風還是橫風，纜繩在各個方向上提供的約束力要均衡，防止出現(xiàn)一個方向上纜繩張力儲備很大，而另一方向上纜繩達到極限載荷出現(xiàn)隱患。纜繩配置中需考慮人工盤纜允許的最大纜繩直徑，常規(guī)情況下，選取的鋼纜直徑約48 mm，纖維繩直徑約80 mm[6]。

2.2 船舶碼頭系泊受力分析原理

如前所述，在風浪流等外部載荷的共同作用下，碼頭上系泊的船舶會發(fā)生多個方向的運動，纜繩和錨鏈會產(chǎn)生內(nèi)部應力，特別是在臺風等惡劣海況下，系泊的船舶會產(chǎn)生大幅度運動，系泊纜繩和錨鏈存在斷裂危險。因此，在臺風等惡劣的海況條件下，有必要估算系泊纜繩和錨鏈的受力，并評價該系泊方案是否合理有效，能否有效抵御臺風來襲。

目前在計算船舶碼頭系泊防臺風數(shù)值計算模型方面，主要用到的模型包括《港口工程荷載規(guī)范》(JTS 144-1-2010)、《OCIMF MEG3(2008)》及《Unified Facilities Criteria Design: Moorings》等。本文基于《OCIMF MEG3(2008)》船舶系泊規(guī)范進行研究。

2.2.1 風力計算

風力計算見式(1)～式(3)。

(1)

(2)

(3)

式中：FXω為縱向風力，N；CXω為縱向風力系數(shù)；ρω為空氣密度，kg/m3；Vω為10 m海拔風速，m/s；AT為正向受風面積，m2；FYω為橫向風力，N；CYω為橫向風力系數(shù)；AL為舷側(cè)(側(cè)向)受風面積，m2；MXYω為風力偏航力矩，N·m；CXYω為風力偏航力矩系數(shù)；LBP為兩柱間長，m。

風力系數(shù)CXω、CYω、CXYω根據(jù)風向角、裝載狀況及船艏形狀可在OCIMF資料中查到。

2.2.2 流力計算

流力計算見式(4)～式(6)。

(4)

(5)

(6)

式中:FXc為縱向流力，N；CXc為縱向流力系數(shù)；ρc為水密度，kg/m3；Vc為吃水范圍平均流速，m/s；T為平均吃水，m；FYc為橫向流力，N；CYc為橫向流力系數(shù)；MXYc為流力偏航力矩，N·m；CXYc為流力偏航力矩系數(shù)。

流力系數(shù)CXc、CYc、CXYc根據(jù)流向角、水深吃水比、裝載狀況及船艏形狀在OCIMF資料中查到。

2.2.3 纜繩系泊模型計算

纜繩系泊模型計算見式(7)。

(7)

式中：N為系纜力標準值；∑Fx、∑Fy分別為可能同時出現(xiàn)的風浪流對船舶作用產(chǎn)生的縱向和橫向風力總和；K為系船柱受力分布不均勻系數(shù)；n為計算船舶同時受力的系船柱數(shù)目。

2.3 無動力PSV船碼頭系泊分析

碼頭系泊防臺風期間采用鋼纜和纖維纜繩相結(jié)合的方式進行布置，其系泊示意圖如圖1所示。

在式(1)～式(7)計算公式中，輸入研究船型主要數(shù)據(jù)參數(shù)等，即可計算出船舶在系泊期間的受力情況，并通過對比纜繩和鋼纜受力載荷來分析船舶在碼頭系泊防臺風的可行性。

無動力船舶的船體及錨鏈纜繩主要數(shù)據(jù)指標分別見表1～表4。

表1 船體尺寸 m

裝載狀態(tài)壓載型長76．5型寬18型深8

表2 系纜孔位置 m

系纜孔X方向Y方向Z方向1號-38．252．0010．92號28．69-5．7413．83號33．15-2．8013．84號9．569．0010．95號-14．309．0010．96號-38．25-2．0010．97號36．30010．9

表3 壓載狀態(tài)船體屬性表

表4 錨鏈屬性表

錨鏈號錨鏈長度/m錨鏈型號錨鏈直徑/mm1號第1段110ORQ?studless581號第2段140Spiral422號第1段108ORQ?studless582號第2段142Spiral423號162ORQ?studless584號20尼龍纖維繩605號20尼龍纖維繩606號14尼龍纖維繩807號12尼龍纖維繩80

本文基于上述公式原理，采用更為便捷和準確的Hydro Star和Ariane軟件進行系泊力計算分析。計算風浪流對船舶的作用力，并根據(jù)系泊方案計算纜繩和錨鏈上的受力，分析判斷PSV船在碼頭系泊期間的纜繩和鋼纜受力情況是否滿足纜繩和錨鏈的最大破斷力要求，從而判定碼頭系泊防臺風方案的可行性。

Hydro Star是用來分析波浪對船體造成的二階力，得出的Drift load文件內(nèi)容為波浪二階力矩陣，可在后期直接導入至Ariane軟件中。Ariane是一款高效的系泊分析軟件，可以廣泛應用于解決多體問題的靜態(tài)分析和動態(tài)時域分析。本文主要用Ariane來分析錨泊系統(tǒng)。

2.3.1 Hydro Star建模及水動力分析

利用已知數(shù)據(jù)在Hydro Star上建模，并進行水動力分析，得出二階力矩陣。船體網(wǎng)絡(luò)模型圖如圖2所示。

2.3.2 模擬臺風海況分析

根據(jù)工程海域水文氣象(風力玫瑰圖及漲落潮流速表格)條件，選出3種不同工況下的各個朝向的風速和流速，其屬性見表5。1號、3號海況由于岸線和引橋等掩護，波高達不到最大值2.4 m，因此海況1取2 m波高，海況2取1 m波高。

表5 3種海況的風浪流屬性

海況風速/(m·s-1)風向/(°)流速/(m·s-1)流向/(°)浪高/m浪向/(°)海況1122700．602702．0270海況220901．50902．490海況3111800．431801．0180

海況1：南向風浪分析

海況1為風浪流都從船艏270°方向過來，只有圖1中左側(cè)3根錨鏈受力，即1號、2號和3號錨鏈受力。

根據(jù)3根錨鏈的軸向受力圖，經(jīng)分析可知，1號錨鏈所受最大軸向力約為932 kN；2號錨鏈所受最大軸向力約為1 184 kN；3號錨鏈所受最大軸向力約為63 kN，皆不大于1 200 kN，滿足破斷要求。

海況2：西向風浪分析

海況2為風浪流都從船艏180°方向過來，只有斜鏈受力，橫鏈達不到受力狀態(tài)，即1號、2號、3號、4號、5號錨鏈受力。主要受力鏈條為4號和5號，而1號、2號、3號受力較小，只起固定作用以防止船身受力旋轉(zhuǎn)。

根據(jù)5根錨鏈的軸向受力圖，經(jīng)分析可知1號、2號、3號鏈條整體受力較小，可忽略不計。而4號纜繩所受最大軸向力約為3 88 kN；5號纜繩所受最大軸向力約為456 kN，皆不大于480 kN，滿足破斷要求。

海況3：北向風浪分析

海況3為風浪流都從船艏90°方向過來，只有右側(cè)4號、5號、6號、7號錨鏈受力。

根據(jù)4根錨鏈的軸向受力圖可知，4號纜繩所受最大軸向力約為478 kN，5號纜繩所受最大軸向力約為378 kN，皆不大于480 kN，滿足破斷要求；6號纜繩所受最大軸向力約為1 062 kN，7號纜繩所受最大軸向力約為910 kN，皆不大于1 200 kN，滿足破斷要求。

3 結(jié)論

本文根據(jù)蘆潮港水文地理環(huán)境，選取了3種最惡劣的海況進行計算分析。計算得出：2號錨鏈所受最大軸向力最大，約為1 184 kN，小于該錨鏈的破斷力1 200 kN，其他錨鏈和纜繩所受最大軸向力皆遠小于其本身的破斷拉力。最終得出結(jié)論：PSV船所有系泊錨鏈和纜繩都滿足破斷要求，該系泊方案滿足碼頭防臺風系泊要求，可以有效地消除安全隱患，并避免移泊錨地所產(chǎn)生的費用。

[1] 袁新章，屠海洋，丁林森.H1002船開錨系泊系統(tǒng)抗臺風安全論證[J].交通部上海船舶運輸科學研究所學報，2004，27(1):14-33.

[2] 李峰，吳楚宏，秦陽.船舶臺風天氣帶纜分析及系泊方式選擇[J].中國修船，2012，23(6):14-16.

[3] 岳智君，高新華，黃濤.大型艦船系泊防臺風方法探討[J].船海工程，2007，36(1):18-21.

[4] 劉成勇，郭國平，甘浪雄.大型無動力船舶碼頭系泊防臺風安全研究[J].船海工程，2009，38(2):156-159.

[5] 肖月，艾萬政，董洪倉.船舶防臺風安全管理對策研究[J].中國水運，2014，14(6):47-48.

[6] 楊多才，艾萬政.中國沿海無動力船舶避臺風方法研究[J].中國水運，2014，14(7):20-21.

2017-02-20

楊永剛(1983—)，男，碩士研究生，工程師，主要從事船舶及海洋工程等項目的安全生產(chǎn)、涂裝管理工作;馬牧原(1991—)，男，助理工程師，從事船舶工藝工法設(shè)計工作；姚戰(zhàn)鋒(1983—)，男，助理工程師，從事安全生產(chǎn)技術(shù)研究工作。

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