无动力平台供应船码头系泊防台风方案的分析

杨永刚，马牧原，姚战锋

(1.上海外高桥造船海洋工程有限公司，上海 201306；2.上海江南长兴重工有限责任公司， 上海 201913)

无动力平台供应船码头系泊防台风方案的分析

杨永刚1，马牧原2，姚战锋2

(1.上海外高桥造船海洋工程有限公司，上海 201306；2.上海江南长兴重工有限责任公司， 上海 201913)

上海临港重装备产业区位于杭州湾北岸入海口地区，易受台风等灾害性天气侵袭，给沿岸无动力船舶防台风工作带来较大难度。针对无动力平台供应船在建造过程中需要在码头进行较长时间的舾装作业，极易受到台风影响的问题，为保证船舶安全，利用Hydro Star和Ariane等软件工具，分析某无动力平台供应船的系泊带缆防台风方案，验证系泊期间缆绳受力情况。该方案满足防台风系泊要求，避免了移泊锚地所产生的费用。

平台供应船；码头系泊；方案论证

0 引言

近年来，随着海洋资源开发力度的持续加强，海洋工程船的种类和功能不断发展和完善，相继出现了一些功能多、绿色环保的新船型，其中，专为钻井平台设计的平台供应船(Platform Supply Vessel， PSV)是一种有代表性的船舶。以PX-121型为例，该船型是ULSTEIN公司设计的先进的电力推进PSV船，最大特点是采用X-BOW专利型船艏，配备全动力推进系统和DP2动力定位系统，能装载多种货物以及油料，具备对外消防能力，可适应欧洲北海等较为恶劣的天气和海况，具有灵活性高、装载能力大、噪声小、油耗低，方便近海及码头补给、海工作业扩张性强等特点，但其建造技术和管理难度远高于散货船、油船等传统船型，是一种高附加值船型。

由于建造单位处于上海临港重装备产业区，位于杭州湾北岸入海口地区，每年6月～10月间易受到西北太平洋的台风侵袭。台风给生产作业活动及安全管理工作带来不小的影响，特别是对建造过程中码头系泊的无动力PSV船，造成巨大的破坏，严重时缆绳断裂，威胁洋山跨海大桥等重要设施及人员安全。因此，采取积极措施抵御台风侵袭，减少或降低台风对无动力PSV船造成的影响，可有效减少台风期间安全隐患发生。

目前，国内技术人员对于无动力船舶码头系泊防台风方案已经有了深入研究。袁章新等[1]对大型散货船在长江口地区的防台风系泊方案进行了研究；李峰等[2]选取广州地区VLCC船为研究对象进行了防台风系泊方案研究。此外，岳智君等[3]、刘成勇等[4]也针对大型舰船进行了防台风系泊方案的研究，并形成了较为成熟的理论。但上述研究多选取散货船、油船等传统船型作为研究对象，且研究方法以手工数据定量分析或定性分析为主，而对于以PSV船为代表的高附加值船在建造过程中的系泊防台风研究较少，实践中也缺少资料指导相关工作开展。因此，本文以建造过程中码头系泊无动力PSV船为研究对象，探讨船舶受力情况，并利用Hydro Star和Ariane等软件，计算讨论该船型码头系泊防台风的可行性，为今后类似产品或同类地区码头系泊防台风提供参考。

1 上海临港地区水文气象条件特征

临港重装装备产业区地处杭州湾北岸入海口地区，位于亚热带南缘，属东亚季风盛行地区。由于与东海紧邻，境内水网密布，受冷暖空气交替影响，温暖湿润，雨量充沛，四季分明。本文研究的工程海域紧邻芦潮港客运码头，年平均气温15.7 ℃，年平均降水量1 174.2 mm，年平均雾日数：28.3 d。

临港工程海域的恶劣风况主要为台风期的东南东向风。观测期间，冬季偏北大风影响相对较小，没有出现大于7级的大风。从工程海域各向风速频率图可以看出：工程海域的年常风向为东南东、南东、北方向。工程水域属于北亚热带风气候区，冬季受北方冷高压控制盛行偏北风；夏季受太平洋副热带高压控制，盛行偏南风，又常遭受热带气旋的影响和侵袭。春、秋季风向交替变化，风向的季节变化明显。当年10月～翌年2月的常风向为偏北向，3月～9月的常风向为偏东南向。工程海域大风日数统计结果显示：每年6级风天数至少25 d。

2 船舶码头系泊防台风分析研究

2.1 无动力船舶及缆绳系泊

无动力船舶一般是指自身没有动力装置的船舶或在码头阶段进行舾装作业时动力解除的新建或修理船舶[4]。

通常情况下，无动力船舶防台风可选择的方式主要包括码头系泊防台风和锚泊地防台风。而码头系泊防台风是一种重要的防台风方法[5]，可以有效避免台风来临前由于预警时间不足而无法拖带出港防台风等情况，另外也可以有效地节省拖船费用。

码头系泊是船舶系泊的最基本方式，系泊方式效果的好坏主要受系泊模式和缆绳配置影响。系泊模式是指船舶与码头间系缆的几何布置方式。通常情况下，在海浪、水流和风力等动力载荷的共同作用下，会产生多达6个维度的运动，包括了升降、横向移动、纵向移动、横向摇动、纵向摇动、舷尾摇动等。系泊模式应能抵抗从任何方向来的外力。

常规分析时，可以简单地考虑风力、海浪、水流、缆绳等对船舶的综合作用，把外力分解为纵向和横向分力。无论是艏艉风还是横风，缆绳在各个方向上提供的约束力要均衡，防止出现一个方向上缆绳张力储备很大，而另一方向上缆绳达到极限载荷出现隐患。缆绳配置中需考虑人工盘缆允许的最大缆绳直径，常规情况下，选取的钢缆直径约48 mm，纤维绳直径约80 mm[6]。

2.2 船舶码头系泊受力分析原理

如前所述，在风浪流等外部载荷的共同作用下，码头上系泊的船舶会发生多个方向的运动，缆绳和锚链会产生内部应力，特别是在台风等恶劣海况下，系泊的船舶会产生大幅度运动，系泊缆绳和锚链存在断裂危险。因此，在台风等恶劣的海况条件下，有必要估算系泊缆绳和锚链的受力，并评价该系泊方案是否合理有效，能否有效抵御台风来袭。

目前在计算船舶码头系泊防台风数值计算模型方面，主要用到的模型包括《港口工程荷载规范》(JTS 144-1-2010)、《OCIMF MEG3(2008)》及《Unified Facilities Criteria Design: Moorings》等。本文基于《OCIMF MEG3(2008)》船舶系泊规范进行研究。

2.2.1 风力计算

风力计算见式(1)～式(3)。

(1)

(2)

(3)

式中：FXω为纵向风力，N；CXω为纵向风力系数；ρω为空气密度，kg/m3；Vω为10 m海拔风速，m/s；AT为正向受风面积，m2；FYω为横向风力，N；CYω为横向风力系数；AL为舷侧(侧向)受风面积，m2；MXYω为风力偏航力矩，N·m；CXYω为风力偏航力矩系数；LBP为两柱间长，m。

风力系数CXω、CYω、CXYω根据风向角、装载状况及船艏形状可在OCIMF资料中查到。

2.2.2 流力计算

流力计算见式(4)～式(6)。

(4)

(5)

(6)

式中:FXc为纵向流力，N；CXc为纵向流力系数；ρc为水密度，kg/m3；Vc为吃水范围平均流速，m/s；T为平均吃水，m；FYc为横向流力，N；CYc为横向流力系数；MXYc为流力偏航力矩，N·m；CXYc为流力偏航力矩系数。

流力系数CXc、CYc、CXYc根据流向角、水深吃水比、装载状况及船艏形状在OCIMF资料中查到。

2.2.3 缆绳系泊模型计算

缆绳系泊模型计算见式(7)。

(7)

式中：N为系缆力标准值；∑Fx、∑Fy分别为可能同时出现的风浪流对船舶作用产生的纵向和横向风力总和；K为系船柱受力分布不均匀系数；n为计算船舶同时受力的系船柱数目。

2.3 无动力PSV船码头系泊分析

码头系泊防台风期间采用钢缆和纤维缆绳相结合的方式进行布置，其系泊示意图如图1所示。

在式(1)～式(7)计算公式中，输入研究船型主要数据参数等，即可计算出船舶在系泊期间的受力情况，并通过对比缆绳和钢缆受力载荷来分析船舶在码头系泊防台风的可行性。

无动力船舶的船体及锚链缆绳主要数据指标分别见表1～表4。

表1 船体尺寸 m

装载状态压载型长76．5型宽18型深8

表2 系缆孔位置 m

系缆孔X方向Y方向Z方向1号-38．252．0010．92号28．69-5．7413．83号33．15-2．8013．84号9．569．0010．95号-14．309．0010．96号-38．25-2．0010．97号36．30010．9

表3 压载状态船体属性表

表4 锚链属性表

锚链号锚链长度/m锚链型号锚链直径/mm1号第1段110ORQ⁃studless581号第2段140Spiral422号第1段108ORQ⁃studless582号第2段142Spiral423号162ORQ⁃studless584号20尼龙纤维绳605号20尼龙纤维绳606号14尼龙纤维绳807号12尼龙纤维绳80

本文基于上述公式原理，采用更为便捷和准确的Hydro Star和Ariane软件进行系泊力计算分析。计算风浪流对船舶的作用力，并根据系泊方案计算缆绳和锚链上的受力，分析判断PSV船在码头系泊期间的缆绳和钢缆受力情况是否满足缆绳和锚链的最大破断力要求，从而判定码头系泊防台风方案的可行性。

Hydro Star是用来分析波浪对船体造成的二阶力，得出的Drift load文件内容为波浪二阶力矩阵，可在后期直接导入至Ariane软件中。Ariane是一款高效的系泊分析软件，可以广泛应用于解决多体问题的静态分析和动态时域分析。本文主要用Ariane来分析锚泊系统。

2.3.1 Hydro Star建模及水动力分析

利用已知数据在Hydro Star上建模，并进行水动力分析，得出二阶力矩阵。船体网络模型图如图2所示。

2.3.2 模拟台风海况分析

根据工程海域水文气象(风力玫瑰图及涨落潮流速表格)条件，选出3种不同工况下的各个朝向的风速和流速，其属性见表5。1号、3号海况由于岸线和引桥等掩护，波高达不到最大值2.4 m，因此海况1取2 m波高，海况2取1 m波高。

表5 3种海况的风浪流属性

海况风速/(m·s-1)风向/(°)流速/(m·s-1)流向/(°)浪高/m浪向/(°)海况1122700．602702．0270海况220901．50902．490海况3111800．431801．0180

海况1：南向风浪分析

海况1为风浪流都从船艏270°方向过来，只有图1中左侧3根锚链受力，即1号、2号和3号锚链受力。

根据3根锚链的轴向受力图，经分析可知，1号锚链所受最大轴向力约为932 kN；2号锚链所受最大轴向力约为1 184 kN；3号锚链所受最大轴向力约为63 kN，皆不大于1 200 kN，满足破断要求。

海况2：西向风浪分析

海况2为风浪流都从船艏180°方向过来，只有斜链受力，横链达不到受力状态，即1号、2号、3号、4号、5号锚链受力。主要受力链条为4号和5号，而1号、2号、3号受力较小，只起固定作用以防止船身受力旋转。

根据5根锚链的轴向受力图，经分析可知1号、2号、3号链条整体受力较小，可忽略不计。而4号缆绳所受最大轴向力约为3 88 kN；5号缆绳所受最大轴向力约为456 kN，皆不大于480 kN，满足破断要求。

海况3：北向风浪分析

海况3为风浪流都从船艏90°方向过来，只有右侧4号、5号、6号、7号锚链受力。

根据4根锚链的轴向受力图可知，4号缆绳所受最大轴向力约为478 kN，5号缆绳所受最大轴向力约为378 kN，皆不大于480 kN，满足破断要求；6号缆绳所受最大轴向力约为1 062 kN，7号缆绳所受最大轴向力约为910 kN，皆不大于1 200 kN，满足破断要求。

3 结论

本文根据芦潮港水文地理环境，选取了3种最恶劣的海况进行计算分析。计算得出：2号锚链所受最大轴向力最大，约为1 184 kN，小于该锚链的破断力1 200 kN，其他锚链和缆绳所受最大轴向力皆远小于其本身的破断拉力。最终得出结论：PSV船所有系泊锚链和缆绳都满足破断要求，该系泊方案满足码头防台风系泊要求，可以有效地消除安全隐患，并避免移泊锚地所产生的费用。

[1] 袁新章，屠海洋，丁林森.H1002船开锚系泊系统抗台风安全论证[J].交通部上海船舶运输科学研究所学报，2004，27(1):14-33.

[2] 李峰，吴楚宏，秦阳.船舶台风天气带缆分析及系泊方式选择[J].中国修船，2012，23(6):14-16.

[3] 岳智君，高新华，黄涛.大型舰船系泊防台风方法探讨[J].船海工程，2007，36(1):18-21.

[4] 刘成勇，郭国平，甘浪雄.大型无动力船舶码头系泊防台风安全研究[J].船海工程，2009，38(2):156-159.

[5] 肖月，艾万政，董洪仓.船舶防台风安全管理对策研究[J].中国水运，2014，14(6):47-48.

[6] 杨多才，艾万政.中国沿海无动力船舶避台风方法研究[J].中国水运，2014，14(7):20-21.

2017-02-20

杨永刚(1983—)，男，硕士研究生，工程师，主要从事船舶及海洋工程等项目的安全生产、涂装管理工作;马牧原(1991—)，男，助理工程师，从事船舶工艺工法设计工作；姚战锋(1983—)，男，助理工程师，从事安全生产技术研究工作。

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