缆绳初张力对系泊船舶的影响

陈　奇，郑宝友，唐志波（.浙江海洋学院海运与港航建筑工程学院，浙江舟山　360；.交通运输部天津水运工程科学研究所，工程泥沙交通行业重点实验室，天津　300456）

缆绳初张力对系泊船舶的影响

陈奇1，郑宝友2，唐志波1
（1.浙江海洋学院海运与港航建筑工程学院，浙江舟山316022；
2.交通运输部天津水运工程科学研究所，工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

以某开敞式LNG接收站码头工程为例，通过系泊船物理模型实验，在不同缆绳初张力下，针对26.6万m3和17.7万m3两种LNG船型进行了多种环境载荷下的缆绳张力和船舶运动量研究。以减小系泊船舶运动量和均匀化各缆力为优化目标，对不同初张力下LNG船舶系泊状态时的运动量和系缆力以及缆力均匀性进行了分析，为码头工程设计提供了依据。

系泊船舶；初张力；运动量；系缆力；系缆力分布

船舶的系泊条件一直是港口设计和使用过程中比较关心的问题，特别是近年来随着港口建设的发展，开敞式码头逐渐增多，且均具有大型化、深水化特征，停泊区普遍存在浪大、流急的情况，对码头船舶的停泊条件提出了挑战。对于船舶系泊问题，通常是利用物理模型试验对实际情况进行模拟，得到所需参数为实际工程提供系泊条件，而达到优化系泊系统的有效途径就是调整系缆方式，其中包括系缆数量、缆绳初张力等因素。其中缆绳初张力是指通过船舶缆绳卷扬机（或其它调整缆绳的松紧程度的机械系统）人工加载于缆绳的力，主要用来控制船舶泊稳。缆绳初张力不同时，船舶在环境动力作用下的运动状态将有一定的差别，进而导致缆绳张力的变化。合理的缆绳初张力能有效减少船舶的运动量，均匀各个缆绳受力。

本文通过水池物理模型实验，以减小系泊船舶运动量和均匀化各缆力为优化目标，针对26.6万m3和17.7万m3两种LNG船型在不同缆绳初张力下，在风、浪、流环境载荷下的缆绳张力和船舶运动量进行研究，为码头工程设计提供了依据。

1　实验条件和内容

1.1实验条件1.1.1实验船型

设计船型为26.6万m3和17.7万m3，船型主尺度见表1。

表1　试验船型主尺度表Tab.1　Principle dimensions of test vessel

1.1.2缆绳布置

采用3-3-2-2的布缆方式，8个系缆墩上分别布置1 500 kN（三钩）快速脱缆钩。系缆缆绳采用高分子量高密度聚乙烯缆（HMPE）及11 m长的尼龙缆尾索。

1.1.3实验水位

设计高水位4.71 m。

截止随访日期，共纳入的62例前列腺癌患者，中位总生存时间（median overall survival，mOS）为（13.68±5.79）月，中位无进展生存期时间（median progression free survival，mPFS）为（7.19±3.93）月，患者10个月的生存率为74.2%、15个月的生存率为38.7%、20个月的生存率为14.5%。总生存时间（OS）曲线见图1，表明患者总的生存率随时间的推进而逐渐降低；无进展生存期时间（PFS）曲线见图2，表明患者总的无进展生存率随时间的推进而逐渐降低。

1.1.4系泊工况

缆绳初张力为140 kN和100 kN两种情况；风速20 m/s，吹开风90°；流速V=0.11 m/s，与码头呈8°夹角；波高H4%=1.5 m周期分1.2 s和1.5 s两种，横向浪90°。

1.2实验内容

测定在风、浪、流耦合作用下两种船型在140 kN和100 kN两种不同初张力下船舶的运动量、缆绳的受力情况以及受力均匀性。

2　模型概况

2.1模型设计

由于码头区域海底地形平缓，根据试验要求，不考虑地形影响，模型地型取平底.码头等水工建筑物到造波机的距离大于6～7倍波长，建筑物两侧垂直波向的方向上取3～6倍波长，两侧边界在不影响水流处设直立吸收式导波设施，防止波能横向扩散。波浪传播末端的开边界水域设消波装置。

2.2船舶模拟

按照波浪模型实验规程要求，实验模型比尺取为1：60。模型按重力相似设计满足以下条件：①几何相似：模型船与原型船保持线性尺度相似；②静力相似：采用配重方法，在适当位置放置适当的重物，使其符合不同载重时的重量及其分布要求，并保证重心的纵向和垂向位置相似；③动力相似：对船模的质量惯性矩进行校准，保证其横摇及纵摇周期符合相似条件。

2.3缆绳模拟

缆绳的模拟主要考虑：①几何相似，即原模型船舶上带缆点和码头上带缆点之间的距离相似；②弹性相似，即原模型缆绳受力-变形曲线满足相似条件。模拟时，将艏艉缆、艏艉横缆和艏艉倒缆中的各根缆合并进行模拟。缆绳的受力-变形关系按Wilson经验公式计算：

式中：Tm为模型缆绳拉力（N）；Cp为原型缆绳弹性系数，无实测值时，尼龙缆取Cp=1.540×104MPa；dp为原型缆绳直径（m）；△S/S为原型缆绳相对伸长；n为指数，缆绳为尼龙时n=3；λ为模型长度比尺。

2.4护舷模拟

护舷模型主要模拟护舷的反力-变形曲线相似。试验中，每个系靠船墩上安装1个护舷模型，4个系靠船墩共安装4个。SUC2500H一鼓一板低反力型橡胶护舷的模拟结果如图1，图中红色是设计护舷曲线，黑色是模拟护舷曲线，从中可知模拟效果较好。

图1　护舷模拟结果Fig.1　Simulation result of fender

3　实验设备和方法

3.1实验设备

试验在波浪水池中进行，该水池长40 m，宽30 m，深1.0 m。水池中配备不规则波造波机，可产生试验要求的不规则波浪，并设置了一定数量的潜水泵和相应配套回水廊道，使之构成可控生流系统，可在水池中产生所要求的恒定水流。

波高测试系统采用SG2000型波浪试验测试系统，其波高传感器安装在测架上可根据试验观测需要，放置于模型水域中所关心的位置，并根据试验的实际情况进行调整，以确保捕捉到大波。系缆力和撞击力测量采用水工船模力综合测试系统（TSG-2008）。水流测量采用多普勒三维流速测试系统。风速测量采用热线风速风量传感器。船舶运动量测量采用FL-NH型非接触式船模运动量测试系统。

3.2实验方法

试验时不规则波连续采集的波浪个数大于100个，采样时间间隔为0.02 s，小于有效波周期的1/10，每组试验均重复3次以上，取每组最大值的平均值作为最终结果。船舶的6个运动量均指所采集的运动量时间历程中各个峰、谷值中绝对值最大者，亦即船重心离开平衡位置的最大值。对于缆绳，每组缆绳是由2根或3根缆绳合并成一根进行模拟，表3所示为每组缆绳中单根缆绳的系缆力，忽略了每组中单根缆绳系缆力的不均匀性。

4　实验结果及分析

4.1初张力对系泊船舶运动量的影响

表2列出了两种船型不同初始力时的最大运动量。试验表明，初始力增大后，缆绳对船舶的束缚能力增强，当相同动力条件时，采用140 kN初始力的船舶运动量比100 kN时的整体上有减小趋势。

表2　两种不同初张力下LNG船的运动量最大值Tab.2 Maximum displacement of LNG ship in two different initial tension

4.2预张力对系缆力的影响

表3列出了两种船型不同初始力时的最大单根系缆力对比情况。试验表明：初始力增大，系缆力略有增大，可能是缆绳弹性变小的缘故，但由于初始力增大，船舶运动量有所减小，也会使得系缆力减小，因此初始力增大对系缆力的影响是两者综合作用的结果，比较复杂，初始力的选择，应主要参考运动量的变化以及船舶自身条件而确定。

表3　两种不同初张力下LNG船的系缆力最大值（kN）Tab.3　Maximum mooring force of LNG ship in two different initial tension

4.3预张力对系缆力分布的影响

定义船舶系缆力分布系数η：

式中：Fmin为所有缆绳中受力最小的缆力值（kN）；F为各位置缆绳的缆力值（kN）。

表4列出了在两种不同缆绳初张力时的系缆力分布系数η的统计结果。从表中可以看出，缆绳初张力增大时，η值相对较小，表明适当增加缆绳初张力可在一定程度上使缆绳张力分布均匀化。

表4　两种不同初张力下LNG船各位置缆绳的η比较Tab.4　η of various mooring lines in two different initial tension

5　结语

随着船舶大型化、专业化以及开敞式码头的增多，船舶系、靠泊安全日益受到重视。LNG船由于其高危险性，安全性要求极高，通过物理模型试验研究LNG船系、靠泊安全条件十分必要。本次试验较好的模拟了两种不同初张力对系泊LNG船的影响，但由于模拟方法仍与实际引航靠泊情况有一定差距，也未对其他的初张力以及工况进行研究，因此研究成果有一定的局限性，需要实际工程的检验。

［1］郭剑峰，李焱，高峰，等.LNG船舶靠泊对护舷的撞击力实验分析［J］.水道港口，2011，32（1）：24-27.

［2］李焱，郑宝友，高峰，等.流浪作用下系泊船舶撞击力和系缆力实验研究［J］.海洋工程，2007，25（2）：57-63.

［3］时恩哲，裴玉国，罗立群.开敞式码头泊位长度优化实验研究［J］.应用基础与工程科学学报，2011，19（6）：894-899.

Effect of Initial Tension on Mooring Vessel

CHEN Qi1，ZHENG Bao-you2，TANG Zhi-bo1
（1.School of Shipping and Ports Architecture Engineering of Zhejiang Ocean University，Zhoushan316022；2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，Key Laboratory of Engineering Sediment，Ministry of Transport，Tianjin300456，China）

Based on physical model tests of an open sea LNG receiving terminal，a research aiming at the motions and mooring line tensions of the 26.6×104m3and 17.7×104m3liquefied natural gas（LNG）carrier was carried out using the way of different initial tension in a physical model test.A initial tension optimization plan was put forward focuses on reducing vessel movements and averaging line tensions distribution after analyzing different initial tension schemes，which scientific basis for the project designing.

mooring vessel；initial tension；vessel movement；line tension；line tensions distribution

U661.7

A

1008-830X（2015）04-0354-04

2014-06-10

中央级公益性科研院所专项资金项目（tks130203）

陈奇（1988-），男，浙江岱山人，硕士研究生，研究方向：船舶现代设计技术.E-mail：771829811@qq.com