海洋工程船舶码头防台系泊方案设计及计算分析

卫 欣，吴恭兴，史旦达，杨东岩

（上海海事大学 海洋科学与工程学院，上海 201306）

海洋工程船舶码头防台系泊方案设计及计算分析

卫 欣，吴恭兴，史旦达，杨东岩

（上海海事大学 海洋科学与工程学院，上海 201306）

从材料选择、系泊方式、系泊布置等方面，设计了海洋工程船PSV（platform supply vessel）临时停靠在码头的防台防汛处置方案。综合芦潮港码头的水文气象条件，利用Ariane软件进行了台风状态下该方案的可行性验证。最后，采用港口工程荷载规范对软件计算结果进行验证与比较。可为恶劣天气条件下的系泊停靠提供参考。

台风；系泊力；系泊系统；时域分析

0 引言

随着海洋石油的勘探开发，普通概念上用于拖带的船舶已经不再能满足供应要求。一种叫做“平台供应船”（platform supply vessel，简称PSV）的多功能海上交通工具也越来越多地出现在人们的视野中。PSV的船体长度从65 ft到350 ft（1 ft=0.304 8 m）不等，主要任务是在海上平台之间运送人员和物资。

台风是影响海上船舶航行安全的最主要的灾害性天气之一[1]，由近几年极端天气时间频发的趋势预测，今年长江中下游地区可能出现较为严重的洪涝灾害。2016年夏季，船厂新制造的海洋工程船PSV（见图 1）临时系泊停靠在上海芦潮港码头，船舶具体参数见表 1。新建的无动力船舶下水后在港内需要停泊一段时间，进行舾装、主机调试、试泊、试航，检验合格后才能投入正常航行，船舶在码头舾装期间本身不具备自航和自救能力[2]。为实现大、中型无动力防台系泊系统，需迫切解决的问题是开发出简易、实用、可靠的系缆技术[3]。为了能保证船舶迅速、高效、有序地做好热带气旋或台风的应急处置工作，把热带气旋或台风造成的损失降低至最低，特制定本PSV七点系泊方案。

表1 船型尺度

1 防台系泊方案设计

锚泊布置设计一直是船舶设计工作中的重要组成部分，尤其是在保障船舶安全性上发挥着重要作用[4]。本文防台系泊方案设计如图2所示。

台风预警发布2小时内，码头区域各部门将抢险人员排班表报防汛防台办公室，总装部及调试中心锚绞机操作工6人、带缆工12人、生产保障部电工2人24小时码头待命。PSV40首尾分别设两条直径为60 mm和80 mm的丙纶常规缆就近挂码头缆桩，生产管理部在台风到达提前48小时落实拖锚船事宜，台风到达前12 h完成PSV船的抛锚固定任务，除PSV本身锚链外，加设锚重5T锚链4节，锚链直径为58 mm，钢缆直径为42 mm。所以本次方案共设有7根缆绳，其中2根为锚链钢缆混合缆绳，1根为钢缆，4根丙纶常规缆系在码头系船柱上。各缆绳具体属性如表2所示。

表2 锚链属性及参数

2 可行性分析

2.1 分析思路

船舶系泊时会受到一阶波浪力和二阶慢漂力的干扰[5]，前者会引起船舶的周期性摇荡，但不会改变船舶的位置和艏向。而二阶波浪力对系泊系统受力影响最大，将会影响系泊船舶偏离初始位置的位移和系泊缆索所受的张力[6]。本文采用水动力学分析软件Hydro STAR以及锚泊系统分析软件Ariane对上述系泊方案进行了分析。Hydro STAR用以求解在有限水深条件下，PSV的一阶和二阶波浪载荷，以及波浪诱导运动。Ariane用于解决PSV的静态分析和动态时域分析。本文首先利用Hydro STAR软件对PSV船进行了建模，进行水动力分析，并算出二阶波浪力的二次传递函数（QTF）矩阵。

在Ariane软件中，需导入该矩阵计算慢漂力，并根据实际状况设置导缆孔位置、锚点位置及锚链属性，以确保模拟真实的船舶系泊状态，导缆孔具体位置见表3和图3所示。

表3 导缆孔位置

2.2 计算条件设置

现设置的七点系泊方案为：一号锚的下锚点为船首的 270°方向，二号锚的锚点也为船首的 270°方向，三号锚点为船首的280°方向，一二三号为水下抛锚。四号和五号缆绳与船首呈170°，六号七号缆绳与船首呈 90°，都系在码头上的系船柱上，防台系泊方案图见图 2。新船系泊在码头前沿 ,在台风袭击时的风、流和波浪所形成的外力，全靠系泊中的钢索和锚链的拉力来抵挡，选择合适的风、流、浪的设计数值，对保持抗台风系泊安全至关重要[7]。系泊方案各参数设定后，以芦潮港内的历年风玫瑰图，极端高水位，最大潮差作为参考，根据码头朝向，船舶停靠方向及角度，设置风浪流等参数，即可利用Ariane软件对该系泊系统进行时域分析。

参考系泊设备指南OCIMF-MEG3-2008[8]以及《运输船舶设备与系统》[9]，若采用规范进行系泊力的计算，本宜取风向0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°以及对称的210°、240°、270°、300°、330°各个方向计算风荷载及流荷载,但鉴于本系泊系统设计如上，本方案分别分析了如下3种最不利环境状态下的系统稳定性以及锚链受力情况。

表4 环境条件

由于外力最终可以分解成纵向和横向分力，不管是首尾风，还是横风，缆绳在各个方向上提供的约束力要均衡，要避免在一个方向上缆绳张力储备很大[10]。设船首顺时针方向为正，情况一为风浪流都从船首270°方向过来，图2中左侧三根锚链受主要拉力，即一、二、三号锚链受力。情况二为风浪流都从船首180°方向过来，左侧斜链受力较大，其余横链受力较小，即四、五号锚链受主要力，一、二、三、六、七号锚链受力很小（远小于破断力），起固定作用，防止船身受力旋转。情况三为风浪流都从船首 90°方向过来，受力在右侧，斜缆达不到受力状态，右侧两根横缆为主要受力缆，即六、七号锚链受力。

2.3 时域分析结果

在建立船体模型后，再进行各项参数的编辑，即可对船舶进行时域分析。设置时间为12 800 s，分析结果如下：

情况一：由Ariane导出的数据统计可知，一号锚链所受的平均轴向力约为122 kN，最大轴向力约为932 kN；二号锚链所受的平均轴向力约为107 kN，最大轴向力约为1 184 kN；三号锚链所受的平均轴向力约为28 kN，最大轴向力约为63 kN。二号锚链受力最大，三号锚链受力最小。船首偏转角度为-0.6°，船体在船身轴线方向的位移为0.98 m。

表5 情况一：一、二、三号锚链轴向受力结果

情况二：由Ariane导出的数据可知，四号缆绳所受的平均轴向力约为 114 kN，最大轴向力约为389 kN；五号缆绳所受的平均轴向力约为69 kN，最大轴向力约为456 kN。船首偏转角度为-0.16°，船体在船身轴线方向的位移为1.71 m。

表6 情况二：四、五号缆绳轴向受力结果

情况三：由Ariane导出的数据可知，六号缆绳所受的平均轴向力约为53 kN，最大轴向力约为963 kN；七号缆绳所受的平均轴向力约为41 kN，最大轴向力约为911 kN，受力大小基本相近。船首偏转角度为0.19°，船体在船身轴线方向的位移为1.87 m。

表7 情况三：六、七号缆绳轴向受力结果

需注意，Ariane计算结果中最大值为乘以安全系数之后的最大值，不大于破断力即可。

2.4 港口工程荷载规范验证与比较

采用规范计算时，规范仅考虑了风荷载与流荷载的作用，由于图4中船舶左侧三根为钢缆与锚链，自身自重较大，对计算结果会产生较大影响，规范未考虑到这一点，对此，只采用规范对右侧缆绳的系泊力进行验证计算。即对四、五、六、七号缆绳受力进行验证。

2.4.1 风荷载

由于在台风期间风向的变化迅速，在利用《港口工程荷载规范》[11]计算风荷载时，直接按照公式计算最大值[12]。

1）风荷载计算公式

作用在无动力船舶上的计算风压力的垂直于码头前沿线的横向分力和平行于码头前沿线的纵向分力按照《港口工程荷载规范》（JTS144-1-2010）[11]中的公式(1)和公式(2)来计算。

式中，ξ1为风压不均匀折减系数；ξ2为风压高度变化修正系数；Fxw、Fyw分别为作用在船舶上的计算风压力的纵向和横向分力，kN；荷载规范中x和y的方向为横向和纵向；Axw、Ayw分别为船体上面以上纵向和横向受风面积，m²；vx、vy分别为设计风速的纵向和横向分量，m/s，均取最大风速。

2）风荷载公式各参数的计算及选取

（1）无动力船受风面积计算及选取

货船满载受风面积可根据式(3)和式(4)计算得到（本文为压载状态）：

（2）无动力船舶在吃水d（如空载或压载状态下）时，纵向、横向受风面积计算见式(5)和(6)。

式中，Axw、Ayw分别为船舶满载时船体水面以上纵向、横向受风面积，m2；cb为船舶方形系数；L为设计船长，m；B为设计船宽，m；df为满载吃水，m；d为空载吃水，m。

《港口工程荷载规范》（JTS 144-1-2010）[11]中对船舶水面以上受风面积的说明中并没有给出计算公式，指出船舶水面以上受风面积宜根据设计船型和装载情况来确定。

1）风压不均匀折减系数

风压不均匀折减系数取自《港口工程荷载规范》（JTS 144-1-2010）[11]，ξ1根据船舶水面以上最大轮廓尺寸，选取0.9。

2）风压高度变化修正系数

风压高度变化修正系数取自《港口工程荷载规范》（JTS 144-1-2010）[11]，ξ2根据船舶水面以上高度取为1.18。

计算可知（单位：m2）：

2.4.2 流荷载

流荷载的计算是基于船舶水池实验，其大小与水深、船舶尺度、船型、装载情况及流向角等因素有关。

流荷载计算公式：作用在无动力船舶上的流荷载的纵向分力按式(7)计算。

式中，Fxc为水流对船舶作用产生水流力的纵向分力，kN；cxc为水流纵向分力系数；ρ为水的密度，t/m3，对海水ρ=1.025，t/m3；v为水流速度，m/s；S为船舶吃水线以下的表面积，m2。

作用在无动力船舶上的计算流荷载的横向分力分为船首横向分力和船尾横向分力两部分，按式(8)～式(11)计算：

式中，Fyc为水流对船舶作用产生水流力的横向分力，kN；Fysc、Fymc分别为水流对船首横向分力和船尾横向分力，kN；cysc、cymc分别为水流对船首横向分力系数和船尾横向分力系数；ρ为水的密度，t/m3，对海水ρ=1.025 t/m3；；v为水流速度，m/s；为船舶吃水线以下的横向投影面积，m2。

荷载规范中流荷载公示各个参数的计算及选取：

1）船首横向分力系数cysc和船尾横向分力系数

取自《港口工程荷载规范》（JTS 144-1-2010）[11]，依据靠船结构前沿水深和与船舶设计装载相对应的平均吃水比，查表可取为：

2）船舶吃水线以下横向投影面积'B计算公式见式(12)

散货船：

3）水流纵向分力系数计算公式见式(13)和式(14)

式中，Re为水流对船舶作用的雷诺数；b为系数；v为水流速度，m/s；L为船舶吃水线长度，m；ν为水的运动粘滞系数，m2/s。

4）船舶吃水线以下表面积计算公式见式(15)

式中，S为船舶吃水线以下表面积，m2；L为船长，m；D为船舶吃水，m；cb为船舶方形系数；B为船宽，m。

经计算可得出表8的数据。

表8 情况二、情况三规范计算结果

2.4.3 系缆力标准值计算

系缆力标准值N可按式(16)计算：

式中，N为系缆力标准值，kN；ΣFx、ΣFy分别为可能同时出现的风、浪、流对船舶作用产生的纵向分力总和及横向分力总和，kN；K为系船柱受力不均匀系数，当实际受力的系船柱数目n=2时，K取1.2；当n＞2时，K取1.3；n为计算船舶同时受力的系船柱数目；α为系船缆的水平投影与码头前沿线所成的夹角，（°）；β为系船缆与水平面之间的夹角，（°）。

其中，情况二的条件下四号和五号缆绳α为20°，情况三的条件下六号和七号缆绳α为 90°。缆绳与水平面之间夹角均为 15°。经计算可知系缆力标准值，见表9。

2.4.4 规范结果与数值模拟结果比较

由上述计算可知，采用Ariane软件计算的情况二中的四号和五号缆绳系缆力标准值分别为115 kN和69 kN，平均值为92 kN；情况三中的六号和七号缆绳系缆力标准值分别为53 kN和41 kN，平均值为47 kN。而采用规范计算的情况二系缆力标准值为69.09 kN，情况三系缆力标准值为37.05 kN，均小于软件算得的结果，但相差不大。

2.4 破断力验证

材料破断力由材料供应厂商提供：58 mm直径锚链破断力为1 200 kN，48 mm直径钢缆破断力为800 kN，60 mm直径丙纶绳破断力为480 kN，80 mm直径丙纶绳破断力为1 000 kN。在Ariane软件中，计算的平均值即为系缆力标准值。根据《港口工程荷载规范》（JTS 144-1-2010）[11]在计算缆绳的实际安全荷载（SWL）时，需要保留一定的富余量，短暂使用的缆绳安全荷载可为其破断力的1/2。在此，假设缆绳在抗台使用时，其安全荷载为其破断力的1/2。由于软件计算结果都大于规范计算结果，所以在验证破断力时，采用Ariane得出的数值进行验证即可。验证结果见表10。

经比较，以上结果均符合安全荷载要求，方案可行。但由于外海风浪条件更为恶劣，本方案不适用。当台风等级大于12级时，则建议在台风到达前48 h将船只撤离码头，前往锚地避风。

3 结论

本方案中，材料破断力均满足以上三种情况的最大受力要求，且各种情况下每根缆绳的平均受力也较为平均，能够将受力合理分配到每根缆绳上，船体也不会发生较大的位移与偏转，本系泊设置方案高效可行，可供船只在码头临时停靠提供参考。并且，在软件计算结果与规范计算结果的比较中不难发现，由于港口工程荷载规范采用的是经验公式，且大多是应用在常见船型中，在实际应用时还是会存在较大误差，没有软件建模后计算得那么精确，在以后的研究中需要进一步完善。

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Design and Calculation Analysis of Anti-typhoon Mooring Plan for Offshore Ships

WEI Xin, WU Gongxing, SHI Danda, YANG Dongyan
(College of Ocean Science and Engineering, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

The anti-typhoon mooring plan for the offshore ship, namely, platform supply vessel (PSV)berthing at the port is designed from the aspect of material selection, mooring way and mooring arrangement.The Ariane software is used to verify the feasibility of the plan involving the hydrological and meteorological conditions of Luchao Port.Finally, the calculating results from the software are validated by those using the Code method in the port engineering.The proposed plan can be utilized for ships mooring in the bad weather.

typhoon; mooring force; mooring system; time domain analysis

U675.92

A

10.14141/j.31-1981.2017.06.008

卫欣（1994—），男，硕士研究生，研究方向：锚泊系统的稳定性分析。