工程船定位移船系统设计探讨

胡斌

摘 要：本文通过搜集国内外关于工程船定位移船的相关资料，对现有工程船的定位移船系统设计方法进行探讨，并以起重船为计算实例进行分析，以期为其它工程船的定位移船系统设计提供参考。

关键词：工程船；风阻力；流阻力；工作锚；移船绞车

中图分类号：U674.3 文献标识码：A

1 引言

工程船主要用于水上施工作业，其作业时需在一定水域内抛锚定位，通过操纵锚泊设备来实现船舶的精确定位，而且定位一般需拖船或抛锚艇协助。施工时，同一作业水域可能有几艘船舶同时施工，另外还有已安装或未安装的工程构件，周围环境复杂，如果出现船舶走锚或锚链破断，不仅影响工程工期、质量，严重时还将造成船舶损坏、碰撞等事故。因此，定位移船系统在工程船设计和施工中尤其重要，而系泊船舶在风浪流综合作用下的系泊力计算是定位移船系统设计的关键所在。

2 设计方法分析

目前，船舶设计者一般都是按照舾装数来确定锚及系泊设备。然而，许多工程船并不是简单地在锚地抛锚，而必须在规定的工地、规定的海况下进行抛锚定位作业。因此，对于该类型的工程船，采用抓持力法来确定锚泊系统为好。所谓抓持力法，就是根据锚及锚索链在海底所提供的抓持力与作用在船舶上的环境载荷平衡条件，来确定锚及锚索链尺寸。这样，准确的计算作用在船舶的环境载荷就显得十分重要。另外，确定环境载荷之后也可以更经济的配备移船绞车、工作锚以及系泊钢丝绳。

计算作用在船舶上的环境载荷的方法，主要有静态经验公式估算和动态时域模拟仿真两种。其中，静态计算的方法简单，可用的经验公式也很多，但不同的公式适用范围不同，精度有限；动态分析的方法使用水动力计算软件如AQWA、ARAINE等进行动态模拟，精度较高但成本也高。实际设计中，由于普通工程船的作业环境（港口或遮蔽水域作业，一般波高不超过0.5 m）都比较温和，波浪动态影响较小，故用静态计算的方法能满足工程要求。本文通过检索国内外已有的系泊力静态计算公式，对其进行比较分析，以期得出工程船定位移船系泊力的合理计算方法，为工程船定位移船系统设计提供参考。

3 系泊力计算

3.1 《海船系泊设备配置设计通则》（CB/T 3911-1999）

《海船系泊设备配置设计通则》主要用于海洋船舶系泊属具的选型，附录中给出了作用在大型船舶上外力的计算方法，计算公式如下：

（1）风压阻力

Ra = KaVa2Aa kN （1）

式中：Ka = 0. 000 720 8 （横方向）， 0.0004207 （纵方向 ） ；

Va ——相对风速，m/s；

Aa——水线以上受风部位的投影面积，不计梁拱、舷弧和纵倾，m2。

（2）水流阻力

Rw=1.188 6×0.001×Aw（（Vw+Vs）2+0.33（Vw+Vs）） kN （2）

式中： A w——设计船舶的浸水面积，m2；

Vw——水流速度，m/s；

Vs——移船速度m/s。

（3）形状阻力

Rv=0.717 8As（Vw+Vs）2 kN （3）

式中：As——水线以下侧向投影面积，m2。

（4）推进器阻力

Rp=0.25 89D2（Vw+Vs）2 kN （4）

式中： D——螺旋桨直径，m。

（5）总阻力

R=[（Ra+Rv）2+（Rw+Rp）2]0.5 kN （5）

3.2 《港口工程荷载规范》JTJ 215—1999

《港口工程荷载规范》主要用于港口工程设计，规范中给出了船舶所受环境力的计算方法，计算公式如下：

系泊船舶所受环境力：F=FW+Fc （6）

FW=49.0×10-5AV2wξ （7）

FC=Cρ/2VC2S （8）

式中：Fw、Fc——风力、水流力引起的船舶系泊力（kN）；

A ——水面以上船体纵向受风面积（m2），与船型和装载情况有关；

Vw、Vc ——风速、水流速度（m/s）；

ξ ——风压不均匀折减系数，与船舶水面以上最大轮廓尺寸有关，取ξ=0.6～1.0；

C ——水流力系数，与雷诺数、船舶方形系数、吃水等因素有关；

S ——船舶水面以下的表面积（m2）。

3.3 《内河工程船舶工作锚质量计算指南》（2005）

该指南主要用于满足《钢质内河船舶入级与建造规范》规定的绞吸挖泥船、斗轮式挖泥船、链斗挖泥船、抓斗挖泥船、起重船和打桩船工作锚质量计算，其计算公式如下：

（1）对起重船和打桩船系泊系统的总环境力：

F=R1+R2 （9）

R1=705V2Am （10）

R2=1.2qA （11）

（2）首边锚质量

应不小于M=0.103（R1+R2）/K （12）

式中：R1——水流力（kN）；

R2——风阻力（kN）；

K——选用锚的锚抓力系数；

V——水流速度（包括绞缆速度）m/s，取2.15 m/s或按设计要求确定；

Am=B·d，其中B为船宽（m），d为吃水（m）。

q——風压，一般取170 N/m2，

A——水线以上船舶侧投影面积，取实际的0.6倍，m/s。

3.4 日本《工程船舶设计基准》

日本的《工程船舶设计基准》中对工程船的移船绞车和工作锚有明确规定，起重船移船绞车的拉力按船舶中心线30°方向受到风和潮流的作用，其计算公式如下：

（1）移船绞车的总拉力

T=Qa+Qw （13）

Qa=C·q·Aa·Ka （14）

Qw= ρ·V2·1.2Aw·Cw （15）

（2）工作锚质量

应不小于M=T/（0.87K） （16）

式中：Qa——风力（kN）；

Qw——风阻力（kN）；

C——风力系数，平面取1.2；

q——风压， ；

v ——为风速（m/s）；

h——受风面距水線的高度，小于15 m者取15 m；

Aa——水线以上船体正投影面积，m2；

Ka——风向影响系数，取1.2；

ρ——海水密度，g/cm3 ；

V——绞缆速度+潮流速度，潮流速度一般取1. 56 m/s ；

Aw——水线以下正投影面积，m2；

Cw——阻尼系数，取1.4。

3.5 石油公司国际海事论坛（OCIMF）《超大型油船的风载和流载计算方法》

石油公司国际海事论坛组织通过一系列大型油船的模型试验，提出了大型船舶的环境载荷计算公式，在船舶系泊设备设计、码头设施配置等方面得到了广泛的应用。 其计算公式如下：

（1）风载荷：Fxw=1/2Cxwρwνw2AT kN （17）

式中：Cxw——风力系数，按推荐图谱选取；

ρw ——空气密度（g/cm3）；

νw——风速（m/s）；

AT——受风面积（m2）。

（2）流载荷：Fxc=1/2Cxcρc νc2LBPT kN （18）

式中：Cyc——流力系数，按推荐图谱选取；

ρc——水密度（g/cm3）；

νc——流速（m/s）；

LBP——船体两柱间长（m）；

T——吃水（m）。

3.6 计算结果

用以上5种方法，对一艘总长89.6 m、宽36 m、型深7 m、设计吃水3.82 m的1 500 t沿海起重船进行系泊力计算：作业环境条件取极限风速20 m/s（相应风压约250 Pa），作业区流速取极限流速3 kn即1.56 m/s，移船速度0.2 m/s；同时对一艘总长55.5 m、宽23.0 m、型深4.5 m、吃水2.9 m的500 t起重船进行计算：作业环境条件取极限风速16 m/s（相应风压约170 Pa），作业区流速取极限流速3 kn即1.56 m/s，移船速度0.2 m/s。计算结果如表1所示。

4 分析及结论

通过对以上公式的计算结果及分析，可以看出：每一种计算公式的侧重点不同，考虑的因素也不同，系泊力计算结果差异较大，最大差异甚至接近1.8倍。因此，需要从公式组成和表达形式上进行分析和甄选，寻求适合工程船定位系统使用的系泊力计算公式。

对于风引起的系泊力计算，各计算公式是依据流体力学流体压力计算原理，取风压和受风面积的乘积，并考虑一定的因素影响系数，这种表达形式得到广泛认可。但是各公式考虑的风向角和风力系数各不相同，日本《工程船舶设计基准》取30°风向角和较大的风力系数，其他各公式均取横向90°风。从计算结果来看，各公式计算结果存在差异，规律也不是很明显，但《超大型油船的风载和流载计算方法》计算的风载荷基本为各公式计算风载荷的中间值，而且该方法的风力系数是通过多条船的风洞试验得到，可信度较高。

对于水流引起的系泊力，各公式采用的计算原理和表达形式有较大的差异：《港口工程荷载规范》采用对船舶浸水表面摩擦阻力的表达形式，故计算结果最小；《内河工程船舶工作锚质量计算指南》、日本《工程船舶设计基准》、《超大型油船的风载和流载计算方法》采用同风作用相似的流体压力理论计算其形体阻力（动水压力），但《内河工程船舶工作锚质量计算指南》、日本《工程船舶设计基准》都是取正向的受流面积乘以一定的系数计算流力，只有《超大型油船的风载和流载计算方法》可以取纵向受流面积计算得到横向流力，故三者的计算结果也存在一些差异，但日本《工程船舶设计基准》计算时在流速中叠加移船速度比较合理；《海船系泊设备配置设计通则》认为水流力引起的系泊力包括形体阻力和水流摩擦力，而且形体阻力也是取侧向受流面积计算的，故方法计算的系泊力最大。

实际作用于船舶上的水流力可能存在摩擦阻力、形体阻力和兴波阻力，不同情况下这3 种阻力成分不同，一般而言船首或船尾方向来流以摩擦阻力为主，而水流来自船舶侧向时，以形体阻力为主。海况温和时移船兴波阻力相对较小，通常不计。

对于工程船的系泊力计算来说，静态计算只要得到某一时刻最大系泊力即可根据该系泊力来安全的配置定位移船设备，而计算结果显示形体阻力远远大于摩擦阻力，故水流力计算时考虑最恶劣情况时的形体阻力即可。

综合以上各种计算方法，个人认为石油公司国际海事论坛《超大型油船的风载和流载计算方法》考虑因素比较全面，横向90°风、流方向的计算结果比较合理，可以用来初步确定工程船定位移船时的系泊力大小。但对于计算中使用的作业环境条件如风速、流速（取实际流速叠加上移船速度）应根据工程船实际作业工况予以明确。

参考文献

[1]王丹. 工程船舶锚泊系统分析与应用. 武汉理工大学硕士论文，2007

[2]周奇才. 大型工程船舶锚泊移位系统研究. 中国航海，2009年第2期

[3]中华人民共和国交通部. 港口工程荷载规范.JTJ 215-98

[4]中国船级社. 内河工程船舶工作锚质量计算指南.2005

[5]日本工程船舶设计标准编订委员会.工程船舶设计标准.1971

[6]石油公司国际海事论坛（OCIMF）. Mooring Equipment Guidelines 3rd .2008

[7]石油公司国际海事论坛（OCIMF）. Prediction of Wind and Current Loads on