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(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)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(tǒng)的主要設(shè)計(jì)方式是利用一組環(huán)境條件以提供參考系泊荷載，從而計(jì)算將船舶系固在泊位所需的系泊配置。本文結(jié)合VLCC和LNG船的設(shè)計(jì)實(shí)例，對(duì)比IACS UR A2和OCIMF MEG4對(duì)環(huán)境條件、系泊纜配置計(jì)算、系泊絞車(chē)和系泊附件主要參數(shù)的設(shè)計(jì)要求，并總結(jié)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中需要注意的問(wèn)題，為后續(xù)船舶系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。IACS UR A2[1]有關(guān)系泊的建議指向IACS Recommendation No.10[2]。本文僅對(duì)舾裝數(shù)EN>2 000的船舶進(jìn)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(duì)于舾裝數(shù)EN>2 000的船舶的系泊纜建議最小破斷強(qiáng)度的可接受環(huán)境條件。

1)任意方向30 s平均風(fēng)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(fēng)速VW(m/s)。

表1 IACS Recommendation No.10推薦的最大風(fēng)速表

OCIMF MEG4中指出標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件用于計(jì)算系固船舶所需的約束力及確定系泊纜的船舶設(shè)計(jì)最小破斷強(qiáng)度，船舶系泊系統(tǒng)能力和設(shè)備選取均基于該最小破斷強(qiáng)度。標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件如下。

任意方向60 kn(30.87 m/s)的風(fēng)，同時(shí)：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(yīng)該注意以下幾點(diǎn)。

1)IACS UR A2中的風(fēng)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(fēng)速是在地面或水面以上10 m的標(biāo)準(zhǔn)高度測(cè)量的速度，代表30 s的平均速度。30 s風(fēng)的選擇是基于系泊系統(tǒng)中的力對(duì)風(fēng)速變化的響應(yīng)時(shí)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(rèn)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(duì)船舶的影響。

3)OCIMF MEG4給出的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件與IACS用于舾裝數(shù)計(jì)算和系泊纜最小破斷強(qiáng)度確定使用的標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算

1.2.1 IACS UR A2的要求

IACS UR A2規(guī)定系泊絞車(chē)及系泊附件參數(shù)的選取、系泊系統(tǒng)的安全工作負(fù)荷、系泊絞車(chē)，以及系泊附件船體加強(qiáng)的最小設(shè)計(jì)負(fù)荷都是根據(jù)系泊纜的最小破斷強(qiáng)度確定。IACS Recommendation No.10對(duì)于系泊纜繩數(shù)量、長(zhǎng)度、最小破斷強(qiáng)度的確定，按照舾裝數(shù)是否大于2 000進(jìn)行劃分。舾裝數(shù)大于2 000的船舶的系泊纜強(qiáng)度、艏艉纜和橫纜數(shù)量以船舶側(cè)投影面積A1為基礎(chǔ)進(jìn)行確定。

1)系泊纜最小破斷強(qiáng)度。系泊纜繩的最小破斷強(qiáng)度(kN)為

MBL=0.1A1+350

(1)

最小破斷強(qiáng)度可控制在1 275 kN。但是當(dāng)這樣造成系泊系統(tǒng)無(wú)法滿足上述環(huán)境條件時(shí)，船舶可接受的風(fēng)速相應(yīng)減小為

(2)

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

同時(shí)，纜繩的最小破斷強(qiáng)度應(yīng)不小于21 m/s 風(fēng)速下相應(yīng)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(duì)于尼龍纜，最小破斷強(qiáng)度應(yīng)提高20%，對(duì)于其他合成纜，最小破斷強(qiáng)度應(yīng)提高10%，以彌補(bǔ)由于老化和磨損等原因造成的強(qiáng)度損失。

2)系泊纜數(shù)量。艏纜、艉纜和橫纜的總數(shù)為

n=8.3×10-4A1+6

(5)

對(duì)于油船、化學(xué)品船、散貨船和礦砂船，艏纜、艉纜和橫纜的總數(shù)為

n=8.3×10-4A1+4

(6)

實(shí)際確定纜繩總數(shù)時(shí)，計(jì)算所得數(shù)值需要取整。

根據(jù)船舶系泊系統(tǒng)實(shí)際的布置情況，艏纜、艉纜和橫纜的數(shù)量可以相應(yīng)增加或減少，此時(shí)系泊纜強(qiáng)度需要調(diào)整，調(diào)整后的最小破斷負(fù)荷為

增加系泊纜數(shù)量時(shí)，

MBL*=1.2·MBL·n/n*≤MBL

(7)

減少系泊纜數(shù)量時(shí)，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(shù)量；n為根據(jù)公式(5)、(6)計(jì)算得到的系泊纜總數(shù)量(不考慮取整)。

此外，倒纜總數(shù)量為

當(dāng)舾裝數(shù)EN<5 000時(shí)，2根。

當(dāng)舾裝數(shù)EN≥5 000時(shí)，4根。

倒纜的強(qiáng)度應(yīng)與艏纜、艉纜和橫纜的強(qiáng)度相同。

3)系泊纜長(zhǎng)度。對(duì)于舾裝數(shù)EN≤2 000的船舶，系泊纜長(zhǎng)度按表選取。對(duì)于舾裝數(shù)EN>2 000的船舶，系泊纜長(zhǎng)度可取200 m。

注意舾裝數(shù)計(jì)算時(shí)代入舾裝數(shù)公式的不是上述的面積A1，只有舾裝數(shù)超過(guò)2 000時(shí)才基于面積A1來(lái)確定系泊纜配置。

1.2.2 OCIMF MEG4的要求

OCIMF MEG4規(guī)定系泊絞車(chē)及系泊附件參數(shù)的選取、系泊系統(tǒng)的安全工作負(fù)荷、系泊纜的設(shè)計(jì)破斷力(LDBF)和工作負(fù)載極限(WLL)都是根據(jù)船舶設(shè)計(jì)最小破斷強(qiáng)度(ship design MBL)來(lái)確定的。

確定船舶設(shè)計(jì)最小破斷強(qiáng)度的步驟如下。

1)確定船舶尺寸和船體線型。

2)使用對(duì)于船舶合適的風(fēng)流阻力系數(shù)計(jì)算船舶所受的環(huán)境力。

3)計(jì)算各個(gè)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(qiáng)度和數(shù)量。

4)計(jì)算各個(gè)工況的單根系泊纜最高約束要求，從而得出對(duì)于該船所有系泊纜的船舶設(shè)計(jì)最小破斷強(qiáng)度。

5)系泊纜的設(shè)計(jì)破斷力為船舶設(shè)計(jì)最小破斷強(qiáng)度的100%～105%。

需要注意，系泊纜的數(shù)量有實(shí)際最小值。為了提供一個(gè)關(guān)于船舯的對(duì)稱布置，橫纜和倒纜應(yīng)該是偶數(shù)。實(shí)際最小值應(yīng)該是每個(gè)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(shù)量不是偶數(shù)，則應(yīng)通過(guò)分析確定是否從船艏或船艉布置額外的系泊纜。隨后根據(jù)分析結(jié)果選擇船舶設(shè)計(jì)最小破斷強(qiáng)度。

此外，OCIMF MEG4指出還必須考慮系泊纜長(zhǎng)度(從船上系固點(diǎn)到碼頭系固點(diǎn))對(duì)荷載分布的影響。系泊纜剛度直接隨纜長(zhǎng)的變化而變化，并對(duì)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(dān)更多的荷載。因此，同一用途的系泊纜長(zhǎng)度應(yīng)大致相同。

1.3 系泊絞車(chē)和系泊附件主要參數(shù)

1.3.1 IACS UR A2的要求

根據(jù)IACS UR A2和IACS Recommendation No.10，計(jì)算出系泊纜的最小破斷強(qiáng)度后，可進(jìn)一步確定系泊絞車(chē)和系泊附件主要參數(shù)。

系泊絞車(chē)的最大剎車(chē)力不小于系泊纜最小破斷強(qiáng)度的80%。當(dāng)安裝在絞車(chē)卷筒第一層上的系泊纜張力等于系泊纜最小破斷強(qiáng)度的80%時(shí)，絞車(chē)的剎車(chē)力足以防止系泊纜松動(dòng)。

對(duì)于動(dòng)力絞車(chē)，作用于系泊纜(卷筒第一層)的最大牽引拉力應(yīng)不小于系泊纜最小破斷強(qiáng)度的1/4.5，不大于其1/3。對(duì)于自動(dòng)絞車(chē)，這些數(shù)值適用于絞車(chē)設(shè)置為最大功率帶自動(dòng)控制的情況。

系泊附件的總設(shè)計(jì)載荷為系泊纜以其設(shè)計(jì)載荷(最小破斷強(qiáng)度)作用在該系泊附件上的合力，不需要超過(guò)系泊纜設(shè)計(jì)載荷(最小破斷強(qiáng)度)的2倍。

系泊附件船體加強(qiáng)的最小設(shè)計(jì)載荷為系泊纜最小破斷強(qiáng)度的1.15倍。系泊絞車(chē)船體加強(qiáng)的最小設(shè)計(jì)載荷為系泊絞車(chē)最大剎車(chē)力的1.25倍。

當(dāng)系泊纜是合成纜時(shí)，IACS Recommendation No.10中要求的合成纜最小破斷強(qiáng)度的增加在考慮系泊附件和船體加強(qiáng)設(shè)計(jì)載荷時(shí)不予考慮。

系泊附件的安全工作負(fù)荷(SWL)通常不超過(guò)IACS Recommendation No.10規(guī)定的系泊纜最小破斷強(qiáng)度。如果需要更高的SWL，設(shè)計(jì)載荷也要相應(yīng)增加。

1.3.2 OCIMF MEG4的要求

根據(jù)OCIMF MEG4，計(jì)算出系泊纜的船舶設(shè)計(jì)最小破斷強(qiáng)度后，可進(jìn)一步確定系泊絞車(chē)和系泊附件等的主要參數(shù)。

OCIMF MEG4建議在絞車(chē)卷筒第一層設(shè)置船舶設(shè)計(jì)最小破斷強(qiáng)度60%的剎車(chē)力，而不是IACS UR A2中的80%。絞車(chē)剎車(chē)應(yīng)有能力設(shè)置為船舶設(shè)計(jì)最小破斷強(qiáng)度80%，以保證絞車(chē)不受剎車(chē)磨損的影響將剎車(chē)力始終設(shè)置為船舶設(shè)計(jì)最小破斷強(qiáng)度的60%。

絞車(chē)在額定速度下，作用于系泊纜(卷筒第一層)的牽引拉力應(yīng)不小于船舶設(shè)計(jì)最小破斷強(qiáng)度的22%，不大于船舶設(shè)計(jì)最小破斷強(qiáng)度的33%。該值確保絞車(chē)有足夠的力來(lái)抵抗環(huán)境力絞纜，同時(shí)避免對(duì)系泊纜產(chǎn)生過(guò)大的拉力。

船舶設(shè)計(jì)最小破斷強(qiáng)度(ship design MBL)和幾何系數(shù)(GF)的乘積為系泊附件的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)載荷(DBL)。

系泊設(shè)備和系泊附件的船體支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及其與附件的連接總是等于或大于附件的強(qiáng)度。

OCIMF MEG4沒(méi)有給出系泊設(shè)備和系泊附件船體加強(qiáng)定量的指標(biāo)，但其指出系泊設(shè)備和系泊附件的船體結(jié)構(gòu)加強(qiáng)需要滿足船級(jí)社相關(guān)要求，其中包括IACS UR A2。

2 實(shí)例對(duì)比分析

以30.8萬(wàn)載重t VLCC和22萬(wàn)m3LNG船為例，對(duì)IACS UR A2和OCIMF MEG4上述內(nèi)容中對(duì)系泊纜配置、系泊絞車(chē)和系泊附件主要參數(shù)的相關(guān)要求進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 30.8萬(wàn)載重t VLCC

1)根據(jù)IACS UR A2進(jìn)行系泊纜配置計(jì)算。30.8萬(wàn)載重t VLCC舾裝數(shù)計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 30.8萬(wàn)載重t VLCC舾裝數(shù)計(jì)算

從表2可知,舾裝數(shù)EN=7 439>2 000。

根據(jù)IACS UR A2進(jìn)行船舶側(cè)投影面積A1計(jì)算的示意圖見(jiàn)圖1，側(cè)投影面積為A1=6 118 m2，系泊纜配置見(jiàn)表3。

圖1 30.8萬(wàn)載重t VLCC側(cè)投影面積A1計(jì)算示意

表3 30.8萬(wàn)載重t VLCCIACS UR A2推薦系泊纜配置

2)根據(jù)OCIMF MEG4進(jìn)行系泊纜配置計(jì)算。船舶在系泊中所受的環(huán)境力計(jì)算見(jiàn)表4。

表4 30.8萬(wàn)載重噸VLCC環(huán)境力計(jì)算

在不同系泊模式[3]下，根據(jù)OCIMF MEG4，系泊纜配置見(jiàn)表5。

表5 30.8萬(wàn)載重t VLCC OCIMF MEG4推薦系泊纜配置

系泊絞車(chē)和系泊附件主要參數(shù)對(duì)比表見(jiàn)表6。

表6 系泊絞車(chē)和系泊附件主要參數(shù)對(duì)比 kN

2.2 22萬(wàn)m3 LNG船

1)根據(jù)IACS UR A2進(jìn)行系泊纜配置計(jì)算22萬(wàn)m3LNG船舾裝數(shù)計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。

表7 22萬(wàn)m3 LNG船舾裝數(shù)計(jì)算

從表7可知：舾裝數(shù)EN=7 106>2 000。

根據(jù)IACS UR A2進(jìn)行船舶側(cè)投影面積A1計(jì)算的示意圖見(jiàn)圖2，側(cè)投影面積為A1=5 865 m2，系泊纜配置見(jiàn)表8。

圖2 22萬(wàn)m3 LNG船側(cè)投影面積A1計(jì)算示意

表8 22萬(wàn)m3 LNG船IACS UR A2推薦系泊纜配置

2)根據(jù)OCIMF MEG4進(jìn)行系泊纜配置計(jì)算船舶在系泊中所受的環(huán)境力計(jì)算見(jiàn)表9。

表9 22萬(wàn)m3 LNG船環(huán)境力計(jì)算

在不同系泊模式下，根據(jù)OCIMF MEG4，系泊纜配置見(jiàn)表10。

表10 22萬(wàn)m3 LNG船OCIMF MEG4推薦系泊纜配置

系泊絞車(chē)和系泊附件主要參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表11。

表11 22萬(wàn)m3 LNG船系泊絞車(chē)和系泊附件主要參數(shù)對(duì)比kN

3 結(jié)論

1)IACS UR A2和OCIMF MEG4對(duì)于系泊系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件的描述主要是圍繞風(fēng)和流進(jìn)行的?？梢哉J(rèn)為如果系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)為適應(yīng)最大的風(fēng)力和流力，儲(chǔ)備強(qiáng)度足以抵抗可能出現(xiàn)的其他中等強(qiáng)度的力。同時(shí)需要注意，泊于外海開(kāi)敞式碼頭的船舶常受到雙峰譜(風(fēng)浪和涌浪)、水流和脈動(dòng)風(fēng)的聯(lián)合作用，需要進(jìn)一步研究其在隨機(jī)性風(fēng)、波浪、流等外界動(dòng)力條件下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性[4]。

2)將表3和表5的系泊纜配置數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可知，對(duì)于30.8萬(wàn)載重 t VLCC，當(dāng)配置同樣數(shù)量的系泊纜時(shí)，OCIMF MEG4推薦的系泊纜最小破斷強(qiáng)度要比IACS UR A2推薦的增加約55%；當(dāng)系泊纜最小破斷強(qiáng)度取相近數(shù)值時(shí)，OCIMF MEG4推薦的系泊纜數(shù)量要比IACS UR A2推薦的增加約57%。造成系泊纜配置數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件不同。

3)將表8和表10的系泊纜配置數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可知，對(duì)于22萬(wàn)m3LNG船，當(dāng)配置同樣數(shù)量的系泊纜時(shí)，OCIMF MEG4推薦的系泊纜最小破斷強(qiáng)度要比IACS UR A2推薦的增加約82%；當(dāng)系泊纜最小破斷強(qiáng)度取相近數(shù)值時(shí)，OCIMF MEG4推薦的系泊纜數(shù)量要比IACS UR A2推薦的增加約73%。造成系泊纜配置數(shù)據(jù)存在明顯差異的主要原因是OCIMF MEG4推薦風(fēng)速60 kn(30.87 m/s)，IACS UR A2推薦風(fēng)速為25 m/s，對(duì)于22萬(wàn)m3LNG船，其側(cè)向受風(fēng)面積很大，導(dǎo)致滿載及壓載狀態(tài)船舶所受橫向載荷對(duì)系泊纜配置起到主導(dǎo)作用，使得系泊纜最小破斷強(qiáng)度取相同值時(shí)OCIMF MEG4推薦的系泊纜數(shù)量比IACS UR A2推薦的有明顯增加。

4)根據(jù)表6和表11的對(duì)比數(shù)據(jù)可知，除系泊絞車(chē)的設(shè)置剎車(chē)力以外，IACS UR A2和OCIMF MEG4推薦的系泊絞車(chē)和系泊附件主要參數(shù)在系泊纜最小破斷強(qiáng)度確定后，其取值方式相近。實(shí)際設(shè)計(jì)中還需要注意MSC/Circular.1175[5]的相關(guān)規(guī)定。

5)對(duì)油船、氣體運(yùn)輸船等液貨船的系泊分析和隨后的船舶系泊設(shè)備配置，應(yīng)明確要求使用OCIMF中的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件，而不是根據(jù)IACS的計(jì)算方法來(lái)進(jìn)行系泊設(shè)備配置。