新ISO 13795带缆桩标准的开发、编制及验证

桑 巍

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

特邀专栏

新ISO 13795带缆桩标准的开发、编制及验证

桑 巍

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

文章全面介绍了新ISO 13795带缆桩标准的开发、编制及验证全过程。在分析原ISO带缆桩标准不足的基础上，结合新的规范规则要求编制新ISO标准。通过简单梁分析法、有限元方法及拉力试验法进行分析、比较与验证，结果证明：新型ISO 13795标准带缆桩尺寸较小，质量较轻、结构合理、强度可靠，更适应船舶市场的需求。

ISO带缆桩标准；结构强度；简单梁；有限元法；拉力试验

引 言

根据马恩岛政府2007年的统计报告,运营船舶由于系泊拖带设备及锚泊设备引起的安全方面问题约占事故的18%，包括系泊设备被拉断，特别是系泊设备的结构支撑被破坏的事情时有发生。

系泊拖带舾装设备需满足新规范、法规和标准的要求，主要有IMO MSC/Circular.1175，IACS UR A2，OCIMF（Oil Companies International Marine Forum）MEG3 2008版和巴拿马运河规则等要求。MSC/ Circular.1175与IACS UR A2均对系泊拖带舾装设备及结构加强的安全工作负荷、设计载荷、许用应力、腐蚀余量和系泊拖带布置图提出了新的要求。

面对遇到的事故和新的规范、规则，国际船舶行业急需更新带缆桩的ISO标准。

1 原带缆桩标准存在的主要问题

1.1 没有完整统一的系泊拖带舾装设备国际标准

对于现有系泊拖带舾装设备（包括常用的导缆孔、导缆滚轮、滚柱导缆器、巴拿马带缆孔等），各个船厂只能使用本国的标准或企业标准，然而这些标准却存在载荷和设计参数不同甚至矛盾的问题，缺少统一且各方一致认可的标准。

1.2 原ISO 3913-1977带缆桩标准不完善

原ISO 3913-1977带缆桩标准本身不够完善，主要存在以下几个方面：

（1）不适合作为产品标准。该标准只有带缆桩柱的尺寸，却没有相应的底座及强度要求，而很多强度问题往往出现在桩柱与底座处。此外，原有带缆桩的尺寸规格和分档已经不适宜船舶制造业的发展。

（2）标识不够明确。该标准中仅注明单根缆绳的最大载荷，而未明确标注不同规格带缆桩安全工作负荷，这两个概念非常容易引起混淆和误解。

（3）带缆桩设计强度的基准不明确。该标准中的附录A.1中，规定了带缆桩的两种受力模型：第一种模型，绕8字缆的模型，规定带缆桩应能承受两根8字缆的负荷，每根绕5圈左右，每根缆受最大拉力F；第二种模型，套圈缆的模型，规定带缆桩应能承受一根绳端为套圈的缆绳套在带缆桩一根桩柱上，缆绳受力高度为1.2倍桩柱直径，缆绳受最大拉力为2F。此受力模型存在两个问题：一是第一种模型没有规定8字缆的受力高度限制；二是并未明确是第一种模型中的单根缆绳还是第二种模型中的单根缆绳同标准表格中的单根缆绳相对应，因而容易引起混淆。

（4）安全系数没有明确。由于该标准中并未明确安全工作负荷，因此也未明确安全工作系数，仅仅在附录A.2中提到了设计应力值，弯曲许用应力不超过材料屈服极限的85%，剪切许用应力不超过材料屈服极限的60%，换算成安全系数约为1.18左右。

（5）该标准没有涉及到带缆桩的船体结构加强强度。

（6）该标准尚未获得IMO、船级社以及OCIMF等组织的认同，且不同组织对于该标准的理解也各不相同。

2 新ISO 13795带缆桩标准中的主要修改内容

2.1 关于MSC/Circular.1175和IACS UR A2的要求

近年生效的MSC/Circular.1175和IACS UR A2对系泊拖带舾装设备及结构加强的安全工作负荷（SWL）、设计载荷、许用应力和系泊拖带布置图均作出明确要求，在IACS UR A2中还增加了对腐蚀余量的要求。对于需满足CSR的船舶船体支撑结构两侧总腐蚀余量应不小于CSR相关要求；而不需要满足CSR的船舶的相应腐蚀余量应不小于2 mm。

2.2 关于带缆桩型式的确定

中国船舶行业受日本影响较深，很多标准也是参照日本的JIS标准编制的，例如GB/T 554-1996

带缆桩标准A型和JIS 2008-90带缆桩近似。但因底座较大，故较重。以德国DIN标准为基础的紧凑底座型带缆桩，在世界范围内应用也较广泛，其特点是轻且尺寸小。本次编制的标准包含以上两种形式的带缆桩，分别为A型和B型。从同等强度

下减轻舾装件质量考虑，本次标准编制将紧凑底座型带缆桩（A型）放在前面意即优先推荐。

2.3 关于带缆桩公称直径系列的确定

带缆桩公称直径系列为150～600，考虑了中小

型船舶到大型船舶的广泛适用。为增加公称直径档次，使选用针对性更强且减轻实船质量，大部分带缆桩的公称直径都分了A级、B级。考虑实际带缆操作的方便性，取消了600 mm直径以上的带缆桩，这样带缆桩的外形尺寸减小，布置也更方便，安全工作负荷已满足当前最大型船舶的需求，如20 000标准箱集装箱船、VLCC、ULCC、LNGC（210 000/270 000）等。有些B级分档还满足一些特殊的使用要求，如350B和400B考虑了巴拿马运河的要求。

2.4 关于带缆桩安全工作负荷（SWL）的标定方法、带缆桩的强度校核方法以及带缆桩的强度衡准

2.4.1 载 荷

带缆桩设计用来承受系泊和（或）拖带缆绳施加的载荷。如果在带缆桩上系两根缆绳，每根缆绳上适用的最大载荷为安全工作负荷（见标准中使用两根绳的数据）。该受力工况下，缆绳应系得尽量低以减少桩柱上的弯曲应力。在一般的系泊状态下，每个带缆桩只系一根绳。

在带缆桩系八字缆时，缆绳上载荷为P，带缆桩所受的合力约为2P；如果在带缆桩上系两根缆绳，在桩柱的底部可承受4P的剪切载荷。

带缆桩被设计成能承受如下载荷工况：

（1）工况1 -缆绳系泊时的弯曲载荷（系一根缆绳）

如图1所示，带缆桩承受一根缆绳载荷P，作用高度为基座以上4/5H处。

（2）工况2 -缆绳系泊时的剪切载荷（系两根缆绳）

如图2所示，在带缆桩上系两根缆绳，带缆桩承受剪切外力4P，作用高度为桩柱的根部。

（3）工况3 -缆绳拖带时的弯曲载荷

2.4.2 设计载荷和应力准则

当带缆桩承受安全工作载荷的外力时,弯曲应力应不超过材料屈服极限的85%，剪切应力应不超过材料屈服极限的60%。

3 新ISO 13795标准关于带缆桩的结构强度校核

3.1 简单梁模型校核

3.1.1 系泊缆绳的弯曲应力校核

缆绳弯曲载荷作用在距底板4/5H处，缆绳产生的弯曲载荷为2P（参见图1）产生弯矩M：

缆柱的剖面模数W：

式中：d、D分别为缆柱的外径、内径，mm，而且要分别考虑到材料厚度的腐蚀。

弯曲正应力：

3.1.2 系泊缆绳的剪切应力校核

在使用两根缆绳的情况下，带缆桩设计为能承受两根缆绳产生的剪切作用载荷4P，作用位置在缆柱底部，载荷示意图见图2。

剪切应力的计算考虑到实际参与剪切的面积，计算参考公式如下：

实际剪切面的面积：

式中：d、D分别为缆柱的外径、内径，mm，而且要分别考虑到材料厚度的腐蚀。

剪切应力：

3.1.3 缆绳拖带作用下的系泊缆绳弯曲应力校核

缆绳拖带弯曲载荷作用在距底板4/5H处，缆绳产生的弯曲载荷为P；载荷示意图见图3；弯曲正应力的计算跟系泊弯曲载荷下的计算近似；所产生的弯矩M：

缆柱的剖面模数W以及弯曲正应力计算可分别参照式（2）、式（3）。

3.1.4 计算结果分析总结

校核带缆桩的系泊工况，弯曲应力应不超过材料屈服极限的85%，弯曲应力实际计算值都在200 MPa左右，满足许用应力的要求。校核带缆桩的系泊和拖带工况，剪切应力应不超过材料屈服极限的60%，一般在140 MPa左右，满足许用应力的要求。

3.2 有限元法

（1）借助通用有限元软件MSC/PATRAN 、NASTRAN，采用有限元分析的方法，对带缆桩各工况下的结构强度进行计算及校核；有限元结构属性、载荷的施加和计算结果的校核等均按照ISO 13795标准的规定。

（2）所有带缆桩结构均采用壳体单元模拟，有限元单元间距依据各型号的结构进行适当调整；底座下的加强肘板结构因单元划分需要，局部位置稍有调整。缆桩有限元计算模型示意图见图4，缆桩底座下结构有限元模型示意图见图5。

（3）边界约束及载荷。在缆桩底座四周边上施加x、y、z三个方向的简支约束，借助刚性约束单元RBE2施加各工况载荷；系泊工况下的弯曲载荷、剪切载荷以及拖带工况下的弯曲载荷施加示意图见图6—图8。

（4） 计算结果分析总结。由有限元计算结果可知，计算结果基本满足许用应力的要求，但在结构突变处和缆绳受力处会出现应力值过大的现象。根据经验，结构突变处和缆绳受力处都存在应力集中现象，但在带缆桩实际使用中可忽略这些影响。OCIMF对舾装件的有限元分析也有如下类似的解释，在进行有限元分析时，由于突变的几何形状，约束及在载荷施加处会产生局部热点，热点处的应力会超过屈服极限。对于延伸性材料，这些局部的高应力区可以接受，因为这些区域的应力会重新分布，并不影响整个结构的安全。

由图9和图10中所示的应力分布可知，桩柱上的Von mises、 Normal、 Shear stress沿缆绳方向和垂向方向的平面对称分布。此处需注意：图中正应力的分布因牵涉到有限元单元法线方向的不同，云图中看半圆柱的正应力分布规律即可；实际缆桩正应力分布关于XZ平面对称，载荷施加是在X方向的情况下。

3.3 带缆桩拉力试验法

3.3.1 试验条件

带缆桩拉力试验在具有国家计量中心认可和国际权威计量机构认证的机构进行，主要采用如下检测仪器设备：

● 210-结构加载试验系统

试验用带缆桩采用ISO 13795标准尺寸制造。带缆桩的工装、基座按照结构加载试验系统工作台的要求及试验用带缆桩的尺寸进行专门设计。

3.3.2 试验项目

带缆桩试验项目是在结构加载试验机上进行拉力试验。试验样品选取ISO 13795标准中最常用的A型带缆桩的450A、450B和B型带缆桩的350A、350B 四档。由于ISO标准的A型、B型中再使用450A、450B、350A、350B的分档方法与国内标准（GB）分档方法不同，为防止因不同习惯而引起的差错，故在本次试验中分别作如下处理：将A型带缆桩的450A、450B命名为A450、A450 Q （轻型）；将B型带缆桩的350A、350B命名为B350、B350 Q （轻型）。

3.3.3 试验负荷

带缆桩的拉力试验负荷需考虑到带缆桩本身的磨损及腐蚀等余量，故取带缆桩安全工作负荷（SWL）的1.35倍作为拉力试验的试验负荷。

● 带缆桩A450（SWL = 77 t）

试验负荷104 t

● 带缆桩A450Q（SWL = 39 t）

试验负荷 53 t

● 带缆桩B350（SWL = 45 t）

试验负荷 61 t

● 带缆桩B450Q（SWL = 25 t）

试验负荷 34 t

3.3.4 试验状态

试验为水平加载，试验用钢丝绳压制绳头的一端头与试验液压油缸端部为销轴连接，钢丝绳压制绳头另一端与工装眼板用销轴连接（如图11所示）。每个试验带缆桩根分别设置13个应力测量点，其中单向应力片测量点6个，三向应力花测量点7个。

3.3.5 加载方式

每个带缆桩试样在负荷试验前先进行预加载，然后进行正式加载。正式加载是按照试验负荷的大小分级进行，每级保持负荷5 min，最终加载至试验负荷，持负荷5 min后再卸载至0。每个规格带缆桩的试验负荷分级在检测报告都有明确规定。

3.3.6 强度验证

各个规格带缆桩的强度验证是以单向以及三向应力测量点的检测结果汇总表和最大主应力—荷载曲线图的形式提供检测数据及报告，参见图12。检测结果分析则以B350带缆桩为例，表1为B350带缆桩单向测点与三向测点的应力结果。

表1 B350带缆桩单向测点应力结果

由表1可见：1号测点的应力值最大，当荷载为610 kN时，最大应力达到372.8 MPa。

第5～10号测点的最大主应力-荷载曲线如图13所示。

3.3.7 试验室结论及建议

本次试验针对4种规格的ISO 13795标准带缆桩分别进行静载及应力测试，试验结果显示：试样整体结构完好，并未发现裂纹及明显变形，符合要求。

本次试验结果出现应力值局部超过屈服应力的情况，这种现象在结构使用中虽然是允许的，不影响带缆桩整体结构强度；但仍建议对结构设计和生产工艺进行修改，尽量降低带缆桩的局部应力。

拉力试验也验证了有限元计算的结果，但需引起注意的是：为减少可能产生应力集中的影响，在带缆桩的制造过程中，应尽量避免采用不合理的生产制造工艺。

4 应用情况与展望

新型ISO 13795标准带缆桩由于减小了结构尺寸且减轻了质量，故有效降低造船成本，提高了船的经济性。并且新标准的带缆桩设计更为可靠，在腐蚀和磨损方面均妥善考虑，从而提高了船舶的安全性，减少船舶事故方面的经济损失。2012年“ISO_13795_2012（E）船用焊接带缆桩”正式出版，新型ISO带缆桩在各大船厂和设计单位很快获得广泛应用，迄今已在船舶行业应用约4 年。为更便于国内造船行业使用，我国目前也在进行将ISO带缆桩新标准转化为国家标准的工作。与此同时，新型ISO带缆桩在实际应用中所反映出的一些问题（如一些标准编辑上的问题），也已反映到ISO相关标技委，并作了修改。例如，带缆桩同规格小型化后，带缆桩的高度降低，原来习惯在一个带缆桩上带很多圈缆或两根缆的一些船员会觉得不习惯。

综上所述，新型ISO带缆桩的众多优点使其得到广泛应用，而在使用中所反馈的问题都将成为后期修订标准和转化国标工作的很好借鉴。我们希望不断完善的ISO带缆桩标准能够更好地服务造船行业。

［1］ MSC. PATRAN & MSC NASTRAN使用指南［M］.北京：BUAA，2002.

［2］ Mooring Equipment Guidelines 3rdEdition［S］.OCIMF 2008.

［3］ URAZ，shipboard fittings and supporting hull structure associated with towing and mooring on conventional vessels［S］. IACS 2006.

［4］ OP NOTICE TO SHIPPING NO.N-1-2016/Vessel Requirements［S］. PANAMA CANAL AUTHORITY 2016.

［5］ IMO. MSC/Circ. 1175 IMO Guidance on Shipboard Towing And Mooring Equipment［S］. 2005.

［6］ ISO. ISO 3913 Weldecl steel bollards［S］. 1977.

信息动态

MARIC中标国内首制危险品应急指挥船设计

6月26日，中国船舶及海洋工程设计研究院（MARIC）成功中标深圳海事局 “海上危险品应急指挥船设计服务项目”，这是MARIC为深圳东部大鹏湾水域LNG船舶航行监护、辖区危险品码头与作业水域的安全监管、以及危险品事故现场应急指挥等用途而优化开发的又一力作。

该船配备强大的综合信息处理与实时传输系统，将担当综合应急现场移动指挥中心的重任；具备履行危险品作业监管与护航的能力；可对现场LNG等危险气体进行检测与预警，能够评估危险警戒区域范围；拥有较好的自我防护与医疗应急救助功能，可在警戒区域内安全航行，并实施人员撤离救助；同时在事故现场对溢油范围、溢油扩散与漂移情况进行评估等多项功能。

MARIC已组织精干的设计团队，将充分利用其在船舶智能化与信息化的研究成果，采用先进的设计理念进行船舶开发设计。该船的研制将为深圳大鹏湾LNG枢纽港的安全运行提供强而有力的保障。

Development, establishment and verif i cation of new ISO standard for bitt bollard

SANG Wei
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

The overall process of development, establishment and verification of a new ISO standard for bitt bollard have been introduced in this paper. The new ISO standard is established with consideration of the requirement of the new regulations and rules based on the analysis of the def i ciency of the old ISO standard. The new ISO standard for the bitt bollard is analyzed, compared and verif i ed to be characterized of the reasonable structure and the reliable strength through the simple beam analysis method, the finite element method and the pull experiment. In addition, the size and weight of the new ISO bitt bollard are reduced, which is more suitable for the demand of the shipbuilding market.

ISO standard for bitt bollard; structural strength; simple beam; fi nite element method; pull experiment

U671.91

A

1001-9855（2017）04-0001-08

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.04.001

2017-03-01；

2017-04-05

桑 巍（1973-），男，高级工程师。研究方向：船舶舾装设计研究。