船舶台风天气带缆分析及系泊方式选择
0 .引言
船舶码头系泊的安全性一直是船厂比较关注的一个问题 , 一个有效系泊系统的使用 , 对船舶、码头和环境的安全是很重要的。我公司龙穴厂区拥有2个 VLCC大坞及4 个超过 360 m 的停靠码头 , 由于地处台风带 , 经常受台风影响 , 故对于大型船舶的安全系泊尤为重要。船舶系泊的出缆位置、方向、角度不同 , 其作用也不相同 , 但带缆的基本原则是要保证缆绳受力均匀 , 因此从理论上对缆绳受力进行分析 , 保证缆绳受力不超过许用值 , 对系泊的安全性是很有意义的。
由于风力及水流力的作用方向具有一定的随机性, 但是如果系泊设备的布置能承受最大的风力和水流力时, 则其储备强度将足够抵抗可能出现的其它较为缓和的力。本文通过受力结果编制一个计算程序 , 方便船厂对不同船型及不同工况的系泊力进行计算 , 最后对不同的带缆方式进行比较 , 从而对带缆方式进行优化。
1.作用于船体上的外力
船舶由于受风和水流等外力作用而产生 6个自由度的运动 , 即纵移、横移、升沉、纵摇、横摇和回转 [ 1 ] , 在船舶运动学理论中, 6个运动除具有独立的特性外 , 还具有一定的耦合。
由于耦合运动研究起来很困难 , 并且码头的系泊条件很复杂 , 难以用一般的理论进行研究和计算 , 为了船厂实际系泊应用 , 本论文对受力模型进行简化 , 仅研究船舶在水平面内的运动。
（1)作用于船舶上的风力。
式中, Fxw, Fyw分别为作用于船上的风力的横向和
纵向分力 , kN; Axw , Ayw分别为船体水面以上横向和纵向受风面积, m2 ; V , V 分别为风速的横向分量和纵向分量, m / s; ξ为风压不均匀折减系数。
作用于船舶上的水流力。
(1) ) 横向水流力。
式中 , Cxf , Cxa分别为水流力艏横向分力系数和艉横向分力系数 ;A 为船舶吃水线以下的横向投影面积 , m2 ; ρ为水密度 , t/ m3 ; V 为水流速度 , m / s。
(2) 纵向水流力。
式中 , R e为水流对船体作用的雷诺数 ; ρ为水密度 , t/m3 ; V 为水流速度 , m / s; S 为船舶吃水线以下的表面积 , m2 。
(3)系缆力
式中 , N 为缆绳作用力 ; N x , N y 分别为缆绳的横向分力及纵向分力 , kN; ∑Fx , ∑Fy 分别为风和水流对船舶作用产生的横向分力总和和纵向分力总和, kN; α为缆绳水平投影与船舶纵向之间的夹角 , °; β为缆绳与水平面之间的夹角, °; n 为计算船舶同时受力的系船柱数目。由计算模型编写程序方便带缆人员对系泊力进行估算。
2.实船分析概况
(1)实船主尺度。
该船主尺度 : 总长 LOA = 290 m; 垂线间长 L pp= 280 m; 型宽 B = 46 m; 型深 D = 23. 73 m; 载重吨 Δ = 170 808 t。
(2)缆绳力学性能
目前 , 实际使用的纤维系泊索都是合成纤维制成 , 最常用的材料是聚酯、尼龙、聚丙烯和聚乙烯等, 不同缆绳的伸长率相差较大 , 钢丝缆在其载荷为破断强度一半时 , 伸长率约为1% , 尼龙与其它材料相比更具弹性 , 在 50%MBL 下 , 尼龙伸长率为 12%或更高。图 1 表示了各种缆索材料的典型伸长率。
在台风来时用钢丝缆作为防台风横缆 , 由前面的分析及图 1可知 , 钢丝缆跟尼龙缆伸长率相差较大, 因此 , 横向载荷大部分只能由钢丝缆承担。
(3) 台风天气下系泊缆的布置。
系泊缆布置如图 2 所示 , 考虑 12 级台风 , 在不同吃水及江水流速下对系泊力进行分析 , 结果见表1.
理论上 , 增加吃水可以减小船舶的受风面积 , 从而减小系泊力 , 但实际也要考虑水流力的影响, 吃水增加后 , 水线下面积增多 , 当江水流速较大时 , 可能大大增加水流载荷。从表 1计算数据可以看到 , 增加吃水后 , 当流速较低时 , 系泊力有减小趋势, 但当流速较大时 , 由于增加吃水减小的风载荷小于增加的水流载荷 , 从而导致系泊力增大。为对不同带缆方式缆绳系泊力进行比较 , 现对图3带缆方式进行计算 , 缆绳受力情况见表 2。
分析上面两种带缆方式 , 从各缆绳的系泊力结果可以看出 , 图 2 带缆方式有利于船舶纵向受力, 从计算结果可以看出 , 图 2的带缆方式尼龙缆最大受力小于图 3带缆方式。而图 3有利于船舶横向受力 , 使得钢丝横缆受力小于前者。具体带缆方式应结合尼龙缆和钢丝缆的破断力及带缆条数综合考虑, 如果横缆相对较强 , 则选择图 2 的带缆方式 , 相反 , 则选择图 3的带缆方式。
3.结语
通过分析计算 , 对上面船型在风与水流共同作用下的受力有了深入的认识 , 为减小系泊力 , 不能仅仅只考虑增加压载来减小风载荷 ,同时还要考虑水流甚至波浪力的影响。台风天气 , 由于离岸风对船舶的作用为主要载荷 , 仅靠艏艉缆提供的横向力远远不够 , 因此 , 在台风天气建议增加足够的横缆来保证船舶的安全系泊。
此方案已经在我公司实施 , 并且经受了 2009年的超强台风 “莫拉菲 ”来袭时的考验, 在厂船舶均处于安全状态。（文章来源：中国修船）