超大型油轮系缆力实测研究

朱雪瑗，戴 冉，郝庆龙，李 颖，张 杰

（大连海事大学 航海学院，辽宁 大连 116026）

超大型油轮系缆力实测研究

朱雪瑗，戴 冉，郝庆龙，李 颖，张 杰

（大连海事大学 航海学院，辽宁 大连 116026）

为满足超大型船舶在开敞式码头不利的环境要素下安全系泊作业，该文从影响超大型油轮（VLCC）系缆力因素的实际出发，利用构建的系缆力实测平台对VLCC进行有针对性的现场系缆力实际测量。将得到的系缆力实测数据利用一定的数据处理方法进行处理，得出超大型船舶系缆力在特定现实环境要素下的受力曲线，分析出不同于前人理论研究和操作经验的观点和结论，并针对各条结论提出建议，供船舶和工程人员参考。

VLCC；超大型船舶；实测；系缆力

0 引 言

超大型船舶系缆力是其系泊安全的一个重要指标，各条缆绳受力及其是否均匀直接影响到船舶系缆系统整体性能的优良。近年来我国正在加速兴建一系列专业化大型开敞式码头，但由于设计及使用经验不足，许多码头都发生过断缆和船舶漂移等事故。诸如近年来发生的“普罗旺斯”、“伟大联盟”等VLCC重大断缆事故，其本质原因往往都是由于各缆绳之间受力不均衡造成的。尤其在恶劣海况发生断缆，轻则使船舶触岸搁浅，重则导致人员伤亡与重大财产损失及环境污染，严重影响了我国港口的安全生产和船舶作业，并给国民经济带来了一定的损失。

目前，对于超大型船舶在开敞式码头的系泊规程及操作建议往往都是通过船模试验和主观经验提出的，对VLCC系缆力实际测定的试验却极少有人涉及。因此，为分析在多种影响条件下的船舶系缆力实际受力规律，优化码头系缆柱布置，避免VLCC在港内断缆惨剧的发生，对VLCC系缆力做一个全面的实测分析是十分必要的。

1 VLCC系缆力实测方法

超大型船舶的系缆力影响因素十分复杂，其大小的确定主要取决于外载荷、船舶、码头和系泊型式。在已知船舶和码头特征数据的情况下，科学、安全地确定各潮时船舶系缆力受各种外界影响因素的影响规律，是保证超大型船舶港内系泊安全的关键所在。

1.1 船舶系缆力测试原理

VLCC码头通常都装有快速脱缆钩以代替系缆桩为船舶系放缆，通过经特殊处理的快速脱缆钩、应力销、变送器、数据采集模块和上位机（电脑）完成系缆力数据从采集到显示的整个流程。每台子设备的功能如下：

快速脱缆钩：系泊、绞缆用主要设备，测力传感器安装在快速脱缆钩上；

应力销：测力用传感器；

变送器：信号放大处理；

数据采集模块：完成信号处理、采集、传输等工作；

上位机（电脑）：完成缆绳张力显示、控制、存储等工作。

快速脱缆钩受到缆绳牵拉时将拉力转化为压力传递给应力销，应力销内传感器测定的物理量是应力销的物理形变量。形变量通过温度和零点矫正及补偿后通过变送器等电路将其转换为电信号，经过数据采集模块处理并传输给上位机（电脑）进行相应的显示、储存和控制。5种子设备及信号传递过程如图1所示，这些信号之间通过现场总线局域网传输，最终显示在上位机的系缆力测试结果单位为吨。

1.2 船舶系缆力实测平台结构

为实现系缆力实测方法，利用电子机械设备构建系缆力实测平台，其结构如图2所示。

图2 系缆力实测平台结构图Fig.2 Structure chart of mooring force measurement platform

系缆力实测平台结构组成主要分为四个部分：脱缆钩及测控单元、数据采集处理平台、1套安装在电控室的中央监控系统和现场总线局域网。

1.3 系统平台性能指标

通过系缆力实测平台的构建，可以实现在码头电控室中的电脑上获取所有快速脱缆钩缆绳信息的远距离显示，控制和数据登录等功能。实测平台关键设备的相关性能指标如表1所示。

表1 实测平台关键设备性能指标Tab.1 Performance index of the platform key devices

图3 系缆力实测平台布置图Fig.3 Arrangement plan of mooring force measurement platform

1.4 测试方案的确定

为测定超大型船舶在开敞式码头系泊缆绳实际受力情况，通过构建系缆力实测平台，在我国某30万吨油轮码头进行VLCC系泊作业过程中系缆力有针对性的观测与研究。试验码头为典型的开敞式码头，水域成正规半日潮型，总体特点为涨潮流速大于落潮流速，涨落潮流向大致 345°～130°走向，码头前沿走向约为170°～355°。根据码头实际情况和平台结构框架，安装完成的系缆力测试平台总布置图及具体布置情况分别如图3和表2所示。

为分析研究30万吨VLCC在开敞式码头系泊时各因素共同作用下的系缆力受力情况及规律，在利用系缆力实测平台测试船舶各缆绳受力情况的同时，观测风、潮位、潮流及船舶吃水情况。重点分析在船舶靠泊后涨、落急流时各组观测数据变化对船舶系缆力的影响。各组数据观测要求如表3所示。

表2 系缆力实测平台测力脱缆钩配备Tab.2 Release mooring hook equip of the measurement platform

表3 各组数据观测要求Tab.3 Requirement of the data groups observations

2 数据处理方法及试验结果

2.1 系缆力实测数据处理方法

实测得到的观测数据，还必须进行数据处理，才能得到准确的结论。

（1）系缆力基本数据的求取和稳定性检验

根据系缆力的观测结果，剔除明显的大误差不准确数据，经每2分钟内数据算数平均后得到该时刻系缆力基本数据，并求取过程均值和标准差进行稳定性检验。

（2）测试数据分离

必须将整个测试过程中得到的数据按照涨落潮情况以及具体缆绳进行分离，将不同性质条件下的数据分别对待。

（3）数据回归分析

将多次实测数据进行综合拟合比较，得出该性质条件下的系缆力受力曲线。

（4）数据综合分析

最后将多组回归分析后的数据进行规律性分析，得出不同外界条件下的船舶系缆力作用规律，提供给船舶应用。

2.2 测试过程

当日12:30船舶靠泊测试泊位，采用习惯的3322（船首）/2224（船尾）型式带缆，如图4所示。从15:30开始进行数据观测，次日04:30观测结束。

图4 试验船带缆示意图Fig.4 Test ship mooring pattern schematic diagram

试验船舶的部分船舶数据摘抄如表4所示。

测试期间波浪高度0.4 m，方向（常浪向）045°，周期5 s。其它环境数据如表5所示，值得注意的是，其中风、流数据均为测试过程某中间时段的均值，并非恒定不变（尤其是风数据）。

表4 试验船舶数据Tab.4 Test ship data

表5 环境数据Tab.5 Environmental data

2.3 试验结果

利用测试原始数据绘制15:30～04:30完整时段的系缆力反时序曲线图，如图5～10所示。由于特殊原因，最后一根尾缆系在系缆柱上，没有读数，实际观测共19根缆绳受力情况。根据实测结果，细化潮时过程并经数据处理后，绘制系缆力整体分布情况变化图如图11～14所示。

图5 首缆系缆力反时序曲线Fig.5 Anti-time mooring force curves of head lines

图6 首横缆系缆力反时序曲线Fig.6 Anti-time mooring force curves of fore breast lines

图7 首倒缆系缆力反时序曲线Fig.7 Anti-time mooring force curves of fore spring lines

图8 尾倒缆系缆力反时序曲线Fig.8 Anti-time mooring force curves of after spring lines

图9 尾横缆系缆力反时序曲线Fig.9 Anti-time mooring force curves of after breast lines

图10 尾缆系缆力反时序曲线Fig.10 Anti-time mooring force curves of stern lines

图11 系缆力整体分布情况变化一（1530时段，单位t）Fig.11 Change of mooring force distribution No.1(in time frame 1530)

图12 系缆力整体分布情况变化二（2130时段，单位t）Fig.12 Change of mooring force distribution No.2(in time frame 2130)

图13 系缆力整体分布情况变化三（0000时段，单位t）Fig.13 Change of mooring force distribution No.3(in time frame 0000)

图14 系缆力整体分布情况变化四（0400时段，单位t）Fig.14 Change of mooring force distribution No.4(in time frame 0400)

以上反时序曲线反映了试验船在整个潮时周期内的系缆力变化情况，系缆力整体分布曲线反映了船舶所有缆绳在研究时刻上的受力分布情况。

根据本次实验，系缆力实测的结果与系缆力相关理论研究在表现形式上是一致的。表面上，试验中的船舶系缆力在船舶、码头与系泊型式因素一定的情况下主要受外界动力因素影响，包括风、流及波浪载荷作用。其中，风、流载荷的作用效果主要取决于船舶受风（流）的有效面积，风（流）舷角，及风（流）速等。在其他条件一定时，船舶受风（流）的有效面积越大、风（流）舷角约接近正横、风（流）速越大，船体受外力的作用效果就越大（主要指开风开流）。而波浪载荷对系缆力的影响主要体现在反时序曲线的波幅上，通常系缆力的最大值会随波浪周期、波高以及入射角的增大而增大。对于外界环境变化较剧烈的时段内，系缆力分布图中显示的条带阴影区较宽（如2130的拢风、拢流及0400的开风、开流时段），这也说明了此时的船舶系缆力因环境变化而改变剧烈。而0400时开风、开流情况下的总体系缆力反而偏小，也正说明此时的系缆力影响因素远远不止外力影响这么简单。

实际上，试验结果也间接地说明了船舶、码头与系泊型式因素对船舶系缆力的影响。随着液货的卸载，船舶排水量减小，干舷高度增加，富余水深变大，船舶的出缆角度也相应发生改变，这些都共同作用了船舶的系缆力变化。同时，由实验结果中系缆力整体的不均匀分布也可以看出传统系泊型式存在的缺陷，而系泊型式与码头布置之间有着密切的关联，必须联系对待。另外，船载系泊设备使用、布置及性能的优劣也直接影响了系缆效果的好坏，比如试验中在某些必要情况下（比如在2030及0320时刻）人为调整了绞车刹车，使得船舶系缆力产生了十分明显的变化。

3 研究结论及建议

3.1 结论

根据以上结果分析，结合船舶实际情况和操作经验，在现有的系泊条件下，对超大型船舶系缆力研究得出如下创新型观点和结论：

（1）从整体上看，船舶各系泊缆绳受力通常是严重不均衡的，总体特点为单条缆绳首尾缆和倒缆受力较大，而横缆受力较小。

（2）在整个系泊过程中，随外界条件的变化，相同性质的缆绳受力变化趋势大致相同，但系缆力具体数值却相差较大，这很有可能是由于初张力设置的不同造成的。

（3）针对本次试验，通过对不同潮时测试条件和结果的对比可以发现，风速、风向和干舷高度对系缆力的变化起主要作用，流对系缆力影响较小（整体系缆力的最大值也并不一定出现在落急流时）。分析原因，主要由于测试码头的走向与涨落潮流走向大致平行，而风向却往往多变。但是平潮转流过程中系缆力变化较大，说明流向（尤其是横流）对船舶系缆力的影响在实际上是绝对不容忽视的。

（4）根据系缆力数值稳定性分析可以看出，不同性质的缆绳对外力反应的敏感性是不同的，通常倒缆对外力反应的敏感度最强，横缆次之，首尾缆最弱。联系不同性质缆绳作用分析，这也间接的说明，倒缆和横缆是限制船舶在纵向和横向上运动量的主要吃力缆绳。

（5）根据试验结果图中对六种不同性质缆绳的关系描绘可以看出，船舶首尾两侧的缆绳受力往往会有一侧明显大于另一侧，这种差别往往是由首尾缆和倒缆的受力决定的。将船舶首尾两侧分割来看，当某侧首尾缆受力过大时，倒缆受力也会增大，这种现象对于这两种性质缆绳的作用原理来说是有所矛盾的。

（6）将系缆力实测结果与航海专家的经验（或理论估算）进行比较可知，实测到最大的倒缆系缆力会远大于估算值（往往超过50%，有时甚至超过100%）。

3.2 应用建议

根据对超大型船舶系缆力的理论分析和实际观测，在实际应用该文对系缆力的研究结论时，可参考如下建议：

（1）适当减小泊位长度（指码头首尾两根系缆柱之间的距离）。这样做的目的是，增大首尾缆的出缆角度，减小首尾缆与倒缆之间的应力抵消损耗，从而增加了首尾缆和倒缆抵御外力的潜力；同时，还能更好的发挥首缆对船舶首摇的限制能力。

（2）适当减小两倒缆系缆柱之间的距离。这样做，既可以增加倒缆的出缆长度，增大缆绳弹性减小缆绳受力，也可以增加倒缆的出缆角度，更好发挥倒缆限制船舶纵向移动的能力。

（3）首尾两侧各增加1条或若干倒缆，从而分担其他倒缆受力，避免倒缆受力过大，使总体缆绳受力更趋均衡。

（4）在对相同性质的缆绳初张力设置上，应采取一定的措施，使之尽可能相同，这样才能更好地保护缆绳，避免因某条缆绳断裂而引起的"断缆多米诺效应"。

（5）对于大型开敞式码头的选址和设计，应使码头的走向尽量与涨落潮流向及常风向平行。如果不能兼顾，则至少应与涨落潮流向大致平行。

（6）在航海和工程实践中，对VLCC系缆力的估计一定要保持充分的剩余张力，避免因对系缆力的估计不足而导致事故发生。

4 结 语

随着超大型船舶及开敞式码头数量的逐年增多，面对相关的设计及操作规范尚较缺乏的工程现状，深入研究超大型船舶在开敞式码头的系泊安全已经迫在眉睫。

在对相关课题进行理论性研究的同时，也应强化实践意识。加快码头在泊位和系缆柱布置方面的优化进程，利用系缆力实测原理建立符合泊位实际情况的船舶缆绳载荷实时监控与预警系统，使码头和船舶值班人员利用现场监控与初设预警值，更准确全面地把握系泊缆绳受力状况。在此基础上还可继续开发研制下一代缆绳载荷自动控制系统，当外界影响因素发生变化时，系统通过计算与仿真自动调节自动脱缆钩的方向与松紧程度，调正缆绳受力，为系泊作业带来更加安全与高效的支持，并将成果推广全球。

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Measurement research on VLCC mooring force

ZHU Xue-yuan,DAI Ran,HAO Qing-long,LI Ying,ZHANG Jie

(Navigation College,Dalian Maritime University,Dalian 116026,China)

In order to meet the safely mooring needs of larger-sized vessel and deeper-water berth,the paper measures the mooring force of VLCCs on the spot based on the elements which influence her mooring force making use of the mooring force measurement platform and then obtained some stress curves of the VLCCs mooring force under some particular practical environmental elements.Moreover,it came to some opinions and conclusions other than the formers theoretical research and operational experience,based on which it offered some proposals for the reference of navigators and engineers.

VLCC;super-large ships;measurement;mooring force

U661.7

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2017.10.008

1007-7294（2017）10-1244-10

2017-03-29

中央高校基本科研业务费资助项目（3132017003，3132016002）

朱雪瑗（1988-），女，博士； 戴 冉（1964-），男，教授；

郝庆龙（1988-），男，讲师，E-mail:15040510112@126.com。