黃昊，劉鵬，王靜煒

(1.中船郵輪科技發(fā)展有限公司，上海 200137；2.中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011)

系泊是船舶上最重要和最頻繁的操作之一。船舶碼頭系泊系統的主要設計方式是利用一組環(huán)境條件以提供參考系泊荷載，從而計算將船舶系固在泊位所需的系泊配置。本文結合VLCC和LNG船的設計實例，對比IACS UR A2和OCIMF MEG4對環(huán)境條件、系泊纜配置計算、系泊絞車和系泊附件主要參數的設計要求，并總結系泊系統設計過程中需要注意的問題，為后續(xù)船舶系泊系統的設計提供參考。IACS UR A2[1]有關系泊的建議指向IACS Recommendation No.10[2]。本文僅對舾裝數EN>2 000的船舶進行分析。

1 系泊配置要求

1.1 環(huán)境條件

IACS Recommendation No.10中給出對于舾裝數EN>2 000的船舶的系泊纜建議最小破斷強度的可接受環(huán)境條件。

1)任意方向30 s平均風速。

2)作用于船艏或船艉(±10°)的最大流速。

系泊纜繩的選取基于1 m/s的最大流速和表1中的最大風速VW(m/s)。

表1 IACS Recommendation No.10推薦的最大風速表

OCIMF MEG4中指出標準環(huán)境條件用于計算系固船舶所需的約束力及確定系泊纜的船舶設計最小破斷強度，船舶系泊系統能力和設備選取均基于該最小破斷強度。標準環(huán)境條件如下。

任意方向60 kn(30.87 m/s)的風，同時：0°或180°方向3 kn (1.54 m/s)的水流，或10°或170°方向2 kn (1.03 m/s)的水流，或最大船寬方向0.75 kn(0.39 m/s)的水流。

應該注意以下幾點。

1)IACS UR A2中的風速是指在離地10 m高度處任意方向的30 s平均速度。OCIMF MEG4中的風速是在地面或水面以上10 m的標準高度測量的速度，代表30 s的平均速度。30 s風的選擇是基于系泊系統中的力對風速變化的響應時間。

2)IACS UR A2中的水流速度是指作用于船艏或船艉(±10°)的最大水流速度，作用深度為平均吃水的一半；此外，認為船舶系泊在可以屏蔽橫流作用的固定碼頭。OCIMF MEG4中的流速是船舶吃水范圍的平均流速，且考慮了橫流作用對船舶的影響。

3)OCIMF MEG4給出的標準環(huán)境條件與IACS用于舾裝數計算和系泊纜最小破斷強度確定使用的標準環(huán)境條件不同，IACS使用較低的環(huán)境限制。

1.2 系泊纜配置計算

1.2.1 IACS UR A2的要求

IACS UR A2規(guī)定系泊絞車及系泊附件參數的選取、系泊系統的安全工作負荷、系泊絞車，以及系泊附件船體加強的最小設計負荷都是根據系泊纜的最小破斷強度確定。IACS Recommendation No.10對于系泊纜繩數量、長度、最小破斷強度的確定，按照舾裝數是否大于2 000進行劃分。舾裝數大于2 000的船舶的系泊纜強度、艏艉纜和橫纜數量以船舶側投影面積A1為基礎進行確定。

1)系泊纜最小破斷強度。系泊纜繩的最小破斷強度(kN)為

MBL=0.1A1+350

(1)

最小破斷強度可控制在1 275 kN。但是當這樣造成系泊系統無法滿足上述環(huán)境條件時，船舶可接受的風速相應減小為

(2)

式中：vw為環(huán)境條件中要求的最大風速；MBL*為選取系泊纜的最小破斷強度；MBL為上面計算得到的最小破斷強度。

同時，纜繩的最小破斷強度應不小于21 m/s 風速下相應的要求：

(3)

(4)

此外，IACS Recommendation No.10要求纖維繩的直徑不得小于20 mm。對于尼龍纜，最小破斷強度應提高20%，對于其他合成纜，最小破斷強度應提高10%，以彌補由于老化和磨損等原因造成的強度損失。

2)系泊纜數量。艏纜、艉纜和橫纜的總數為

n=8.3×10-4A1+6

(5)

對于油船、化學品船、散貨船和礦砂船，艏纜、艉纜和橫纜的總數為

n=8.3×10-4A1+4

(6)

實際確定纜繩總數時，計算所得數值需要取整。

根據船舶系泊系統實際的布置情況，艏纜、艉纜和橫纜的數量可以相應增加或減少，此時系泊纜強度需要調整，調整后的最小破斷負荷為

增加系泊纜數量時，

MBL*=1.2·MBL·n/n*≤MBL

(7)

減少系泊纜數量時，MBL*=MBL·n/n*

(8)

式中：n*為增加或減少后的艏纜、艉纜和橫纜的總數量；n為根據公式(5)、(6)計算得到的系泊纜總數量(不考慮取整)。

此外，倒纜總數量為

當舾裝數EN<5 000時，2根。

當舾裝數EN≥5 000時，4根。

倒纜的強度應與艏纜、艉纜和橫纜的強度相同。

3)系泊纜長度。對于舾裝數EN≤2 000的船舶，系泊纜長度按表選取。對于舾裝數EN>2 000的船舶，系泊纜長度可取200 m。

注意舾裝數計算時代入舾裝數公式的不是上述的面積A1，只有舾裝數超過2 000時才基于面積A1來確定系泊纜配置。

1.2.2 OCIMF MEG4的要求

OCIMF MEG4規(guī)定系泊絞車及系泊附件參數的選取、系泊系統的安全工作負荷、系泊纜的設計破斷力(LDBF)和工作負載極限(WLL)都是根據船舶設計最小破斷強度(ship design MBL)來確定的。

確定船舶設計最小破斷強度的步驟如下。

1)確定船舶尺寸和船體線型。

2)使用對于船舶合適的風流阻力系數計算船舶所受的環(huán)境力。

3)計算各個工況的最大系泊約束要求，主要是平衡環(huán)境力所需的系泊纜的強度和數量。

4)計算各個工況的單根系泊纜最高約束要求，從而得出對于該船所有系泊纜的船舶設計最小破斷強度。

5)系泊纜的設計破斷力為船舶設計最小破斷強度的100%～105%。

需要注意，系泊纜的數量有實際最小值。為了提供一個關于船舯的對稱布置，橫纜和倒纜應該是偶數。實際最小值應該是每個方向上的2根系泊纜(2條向前和2條向后)加上船艏和船艉各2根橫纜。如果使用的系泊纜數量不是偶數，則應通過分析確定是否從船艏或船艉布置額外的系泊纜。隨后根據分析結果選擇船舶設計最小破斷強度。

此外，OCIMF MEG4指出還必須考慮系泊纜長度(從船上系固點到碼頭系固點)對荷載分布的影響。系泊纜剛度直接隨纜長的變化而變化，并對系泊纜受力有顯著影響，同一用途的系泊纜中較短的纜將承擔更多的荷載。因此，同一用途的系泊纜長度應大致相同。

1.3 系泊絞車和系泊附件主要參數

1.3.1 IACS UR A2的要求

根據IACS UR A2和IACS Recommendation No.10，計算出系泊纜的最小破斷強度后，可進一步確定系泊絞車和系泊附件主要參數。

系泊絞車的最大剎車力不小于系泊纜最小破斷強度的80%。當安裝在絞車卷筒第一層上的系泊纜張力等于系泊纜最小破斷強度的80%時，絞車的剎車力足以防止系泊纜松動。

對于動力絞車，作用于系泊纜(卷筒第一層)的最大牽引拉力應不小于系泊纜最小破斷強度的1/4.5，不大于其1/3。對于自動絞車，這些數值適用于絞車設置為最大功率帶自動控制的情況。

系泊附件的總設計載荷為系泊纜以其設計載荷(最小破斷強度)作用在該系泊附件上的合力，不需要超過系泊纜設計載荷(最小破斷強度)的2倍。

系泊附件船體加強的最小設計載荷為系泊纜最小破斷強度的1.15倍。系泊絞車船體加強的最小設計載荷為系泊絞車最大剎車力的1.25倍。

當系泊纜是合成纜時，IACS Recommendation No.10中要求的合成纜最小破斷強度的增加在考慮系泊附件和船體加強設計載荷時不予考慮。

系泊附件的安全工作負荷(SWL)通常不超過IACS Recommendation No.10規(guī)定的系泊纜最小破斷強度。如果需要更高的SWL，設計載荷也要相應增加。

1.3.2 OCIMF MEG4的要求

根據OCIMF MEG4，計算出系泊纜的船舶設計最小破斷強度后，可進一步確定系泊絞車和系泊附件等的主要參數。

OCIMF MEG4建議在絞車卷筒第一層設置船舶設計最小破斷強度60%的剎車力，而不是IACS UR A2中的80%。絞車剎車應有能力設置為船舶設計最小破斷強度80%，以保證絞車不受剎車磨損的影響將剎車力始終設置為船舶設計最小破斷強度的60%。

絞車在額定速度下，作用于系泊纜(卷筒第一層)的牽引拉力應不小于船舶設計最小破斷強度的22%，不大于船舶設計最小破斷強度的33%。該值確保絞車有足夠的力來抵抗環(huán)境力絞纜，同時避免對系泊纜產生過大的拉力。

船舶設計最小破斷強度(ship design MBL)和幾何系數(GF)的乘積為系泊附件的設計基礎載荷(DBL)。

系泊設備和系泊附件的船體支撐結構的強度及其與附件的連接總是等于或大于附件的強度。

OCIMF MEG4沒有給出系泊設備和系泊附件船體加強定量的指標，但其指出系泊設備和系泊附件的船體結構加強需要滿足船級社相關要求，其中包括IACS UR A2。

2 實例對比分析

以30.8萬載重t VLCC和22萬m3LNG船為例，對IACS UR A2和OCIMF MEG4上述內容中對系泊纜配置、系泊絞車和系泊附件主要參數的相關要求進行對比分析。

2.1 30.8萬載重t VLCC

1)根據IACS UR A2進行系泊纜配置計算。30.8萬載重t VLCC舾裝數計算相關數據見表2。

表2 30.8萬載重t VLCC舾裝數計算

從表2可知,舾裝數EN=7 439>2 000。

根據IACS UR A2進行船舶側投影面積A1計算的示意圖見圖1，側投影面積為A1=6 118 m2，系泊纜配置見表3。

圖1 30.8萬載重t VLCC側投影面積A1計算示意

表3 30.8萬載重t VLCCIACS UR A2推薦系泊纜配置

2)根據OCIMF MEG4進行系泊纜配置計算。船舶在系泊中所受的環(huán)境力計算見表4。

表4 30.8萬載重噸VLCC環(huán)境力計算

在不同系泊模式[3]下，根據OCIMF MEG4，系泊纜配置見表5。

表5 30.8萬載重t VLCC OCIMF MEG4推薦系泊纜配置

系泊絞車和系泊附件主要參數對比表見表6。

表6 系泊絞車和系泊附件主要參數對比 kN

2.2 22萬m3 LNG船

1)根據IACS UR A2進行系泊纜配置計算22萬m3LNG船舾裝數計算相關數據見表7。

表7 22萬m3 LNG船舾裝數計算

從表7可知：舾裝數EN=7 106>2 000。

根據IACS UR A2進行船舶側投影面積A1計算的示意圖見圖2，側投影面積為A1=5 865 m2，系泊纜配置見表8。

圖2 22萬m3 LNG船側投影面積A1計算示意

表8 22萬m3 LNG船IACS UR A2推薦系泊纜配置

2)根據OCIMF MEG4進行系泊纜配置計算船舶在系泊中所受的環(huán)境力計算見表9。

表9 22萬m3 LNG船環(huán)境力計算

在不同系泊模式下，根據OCIMF MEG4，系泊纜配置見表10。

表10 22萬m3 LNG船OCIMF MEG4推薦系泊纜配置

系泊絞車和系泊附件主要參數對比見表11。

表11 22萬m3 LNG船系泊絞車和系泊附件主要參數對比kN

3 結論

1)IACS UR A2和OCIMF MEG4對于系泊系統的標準環(huán)境條件的描述主要是圍繞風和流進行的?？梢哉J為如果系泊系統設計為適應最大的風力和流力，儲備強度足以抵抗可能出現的其他中等強度的力。同時需要注意，泊于外海開敞式碼頭的船舶常受到雙峰譜(風浪和涌浪)、水流和脈動風的聯合作用，需要進一步研究其在隨機性風、波浪、流等外界動力條件下的運動響應特性[4]。

2)將表3和表5的系泊纜配置數據進行對比可知，對于30.8萬載重 t VLCC，當配置同樣數量的系泊纜時，OCIMF MEG4推薦的系泊纜最小破斷強度要比IACS UR A2推薦的增加約55%；當系泊纜最小破斷強度取相近數值時，OCIMF MEG4推薦的系泊纜數量要比IACS UR A2推薦的增加約57%。造成系泊纜配置數據存在明顯差異的主要原因就是IACS UR A2推薦的環(huán)境條件和OCIMF MEG4推薦的標準環(huán)境條件不同。

3)將表8和表10的系泊纜配置數據進行對比可知，對于22萬m3LNG船，當配置同樣數量的系泊纜時，OCIMF MEG4推薦的系泊纜最小破斷強度要比IACS UR A2推薦的增加約82%；當系泊纜最小破斷強度取相近數值時，OCIMF MEG4推薦的系泊纜數量要比IACS UR A2推薦的增加約73%。造成系泊纜配置數據存在明顯差異的主要原因是OCIMF MEG4推薦風速60 kn(30.87 m/s)，IACS UR A2推薦風速為25 m/s，對于22萬m3LNG船，其側向受風面積很大，導致滿載及壓載狀態(tài)船舶所受橫向載荷對系泊纜配置起到主導作用，使得系泊纜最小破斷強度取相同值時OCIMF MEG4推薦的系泊纜數量比IACS UR A2推薦的有明顯增加。

4)根據表6和表11的對比數據可知，除系泊絞車的設置剎車力以外，IACS UR A2和OCIMF MEG4推薦的系泊絞車和系泊附件主要參數在系泊纜最小破斷強度確定后，其取值方式相近。實際設計中還需要注意MSC/Circular.1175[5]的相關規(guī)定。

5)對油船、氣體運輸船等液貨船的系泊分析和隨后的船舶系泊設備配置，應明確要求使用OCIMF中的標準環(huán)境條件，而不是根據IACS的計算方法來進行系泊設備配置。