系泊新要求对不同船型的影响研究

翟帅帅，夏玉涛

(上海船舶研究设计院，上海 201203)

0 引言

系泊对于船舶的运营有着举足轻重的作用。为了能更好地预报船舶系泊过程中系泊缆的受力，很多学者做了大量研究。杨勇[1]分析了码头附近水域的水流特点并结合工作实践,给出了船舶系泊期间的缆绳调整方法。忻永恩[2]就防止船舶在泊断缆及适卸的问题进行了探讨。然而，船舶系泊过程中发生缆绳断裂的事故仍然屡见不鲜。针对这情况，国际船级社协会(lACS)在2017年3月推出的共同要求A2章节(UR A2)“一般船舶拖带和系泊下的属具及结构加强 (Shipboard fittings and supporting hull strctures associated with towing and mooring on conventional ships)”和 推荐10(REC10)“锚泊、系泊和拖带设备(recommendation No.10Anchoring, Mooring and Towing Equipment)”中，系泊部分做了重大修改,摒弃了以舾装数为基准的选取原则，代之以侧投影面积为自变量的回归公式。正如石油公司国际海事论坛(OCIMF)在《系泊设备指南》中指出的，船级社的规定是建立在IACS舾装数基础上的，这对考虑锚设备是个良好的基础，但它不能充分反映作用于所约束船舶的横向载荷。而对250 000载重吨大型油轮(VLCC)的研究表明，在同一风速下船舶所受最大横向风力约为纵向风力的5倍。由于横向风力是系泊系统主要输入载荷，因此，基于侧受风面积的缆绳选取标准更加符合实际情况。根据IACS提供的技术背景文件可看出，本次修正正是基于多型船舶的数值模拟结果，最终形成了以侧投影面积为自变量的缆绳数量和缆绳强度的回归公式。

本次修改对大型船舶尤其是侧投影面积较大的船舶影响很大。为此，本文将探讨系泊新要求与旧的选取标准之间的差异，梳理各大主流船级社在最新规范中的适用情况，然后分析不同船型在新旧不同要求下缆绳数量和缆绳破断力的不同，从而使设计者更直观了解新要求对系泊布置的影响。

1 基于舾装数EN的系泊选取原则

在系泊新要求UR A2发布之前，系泊缆绳选取是基于舾装数EN，即

EN=Δ2/3+2.0BH+0.1A

式中：Δ为夏季载重水线下的船舶型排水量，t；B为型宽，m；H为有效高度，m；A为计算锚的侧投影面积,m2。

以计算出的舾装数EN为基准，通过查询表格即可得到需要的缆绳数量以及缆绳破断力。

从舾装数计算公式可以看出，沿船长方向的水流作用以及正投影受风面积所受风力占据更大权重，而反映系泊状态缆绳抵御侧面风力的侧投影面积占比较小。

2 舾装数EN>2 000的系泊新要求

在最新的UR A2中，首缆、横缆和尾缆的数量和强度将取决于侧投影面积，在计算系泊侧投影面积A1时需考虑以下因素：

(1)油船、化学品船、散货船和矿砂船采用最轻载吃水；其他船型，如果一般装载工况下最轻载吃水和满载吃水下的干舷之比≥2，则采用一般装载工况下的最轻载吃水。

(2)若船舶不停靠在突堤式码头，在计算侧投影面积时可不计入水线上方3 m高度的面积。

(3)计算具有甲板货的船舶时，取满载带甲板货侧投影面积和最轻载不带甲板货侧投影面积两者中的较大者。

对不同船型，风速Vw做以下假定：

(1)对于2 000 m2

(2)对于A1>4 000 m2的客船、渡轮和汽车滚装船，Vw=21.0 m/s。

(3)其他船型，Vw=25.0 m/s。

虽然目前的假定条件可适用大部分港口航线，然而对于设计者和船东来说，还需要特别关注具体船舶的这些因素：所处港口水文环境；是否会遭遇更强烈的风、更大的流；是否会有风与横向流的叠加；是否会有浪的影响；系泊布置是否合理。这些因素都将影响船舶缆绳实际所受载荷，从而增加缆绳破断风险。

2.1 缆绳最小破断力

缆绳最小破断力MBL按下式计算：

MBL=0.1A1+350

式中：MBL*为实际所选缆绳能够承受的最大破断力，kN。

如果外界风力大于前述假设风力，缆绳破断力需要按照实际风速进行换算：

2.2 缆绳数量

首缆、尾缆和横缆总数量n按下式计算：

(1)油船、化学品船、散货船和矿砂船：n=8.3×10-4A1+4。

(2)其他船型：n=8.3×10-4A1+6。

如果缆绳数量增加到n*，则缆绳破断力调整为MBL*=1.2MBL·n/n*≤MBL；如果缆绳数量减少到n*，则缆绳破断力调整为MBL*=MBL·n/n*。倒缆的总数量n1：

n1=2EN<5 000；n1=4EN≥5 000。

2.3 缆绳长度

对于EN>2 000的船舶，缆绳长度为200 m。每根缆绳的长度允许最多7%的长度误差，但是所有缆绳的总长度不能小于要求之值。

3 技术背景

IACS按照舾装数EN大小将船舶缆绳数量和强度的确定方法分为2类：EN≤2 000的船舶缆绳数量和最小破断力的确定方式保持不变，而在结构加强上由原来的1.25倍安全系数降为1.15倍，降低了对结构加强的要求；EN>2 000的船舶缆绳数量和缆绳破断力的回归公式是通过对不同船型进行数值模拟计算后确定。船型数据统计见表1。

表1 船型数据统计

计算过程假定：

(1)典型天气情况下,风速25 m/s，持续时间30 s，方向间隔10°。

(2)无实心防波堤，流速沿船首船尾1.5 m/s，偏离船首船尾10°时1.0 m/s；有实心防波堤，只考虑朝防波堤的流向。

该假定考虑了船舶遇到的大多数情况，但是，如果船舶所停靠港口环境比较恶劣，则需要特殊评估系泊系统所承受的风险。计算过程中，仅针对油船考虑了非实体防波堤的情况，其他船型默认有防波堤。对于油船和散货船，满载和空载情况下吃水变化较大，因此2种吃水情况都将考虑，其他船型则仅考虑设计吃水。另外，集装箱船甲板货的侧投影面积在计算中将计入。

阻力系数的确定：油船采用OCIMF已发表数据，其他船型通过计算流体动力仿真确定。在此基础上，考虑缆绳几何非线性和材料非线性影响，通过不断迭代直至系统达到准静态平衡。缆绳以建议REC 10第2版修订所给出的数量为起始数量(记为N1)，分析船舶实际可行的带缆情况，计算每一种分布下缆绳最大载荷(记为l1,l2,l3,···)，以此便可确定出该缆绳数量N1下的缆绳最大载荷L1[L1=max(l1,l2,l3,···)]，然后增加缆绳数量到N2，重复上述步骤，于是得到缆绳数量与缆绳最大载荷之间的一一对应关系。

计算结果表明：缆绳强度基于侧投影面积的线型回归方程，其标准差比基于舾装数EN的方程要更小，因此，在此次改动中将侧投影面积作为缆绳强度的决定参数，从而建立以侧投影面积为自变量的缆绳数量和缆绳强度线型回归方程。对于主要抵抗纵向流力的倒缆依然由舾装数EN决定。

4 各船级社对于UR A2的实施情况

国际主要船级社2019年规范更新总结内容见表2。

表2 国际主要船级社2019年规范更新总结

注： “Y”表示适用，“N”表示不适用，“-”表示无要求。

从上表看出，各大船级社基本沿用了IACS里的描述，有些细微修改。同时，还可以看出，系泊缆绳的确定不再不分船型，只看舾装数来确定了，而是根据不同船型的特点给予不同考量因素。规范更多的是给出指导，让设计者根据具体船型及船舶营运环境确定系泊缆，有利于提高船舶系泊安全性。

5 实例分析

如上所述，IACS分船型给予了不同的回归公式。为了更直观比较不同船型在新旧要求下的变化，下面将对82 000 t散货船、114 000 t原油船、308 000 t大型油船、325 000 t大型矿砂船、2 400 TEU集装箱船、2 500 TEU集装箱船、“生生3号”客滚船进行比较研究，结果见表3。

从表3可以看出：对于油船、散货船、矿砂船，侧投影面积相比之前有明显增大，约为原计算面积的2倍，侧投影面积增大主要是因为新要求的吃水采用轻载吃水计算；缆绳数量有所增加，约为原数量的1.3倍，缆绳强度在10万吨级及以下增加不多，而到30万吨级时破断力约为原来的1.4倍，这也从侧面反映出横向受风载荷是系泊的决定性因素。

对于支线型集装箱船，侧投影面积变化较小，原因是在计算侧投影面积时通常都是满载带货的工况面积最大，所以新旧要求在计算侧投影面积这一项中没有区别，但是对于集装箱船缆绳数量有明显提高，约为原数量的1.5倍，而缆绳强度变化不大，约为原来的1.2倍。缆绳破断力的增大对于设备选型有所影响，会导致绞车尺寸变大，从而影响系泊布置；而缆绳数量的变多直接影响系泊布置，尤其对于甲板空间紧张的集装箱船，系泊布置空间更需要在前期充分考虑。

对于客滚船，缆绳数量约为原来的1.3倍，而缆绳破断力增大为原来的1.5倍。比较客滚船和两型集装箱船可看出，两者侧投影面积差不多，而客滚船的舾装数明显较小，这就导致按照原要求选取缆绳时，缆绳破断力较小。而因为原要求中建议侧投影面积与舾装数之比大于1.2时，缆绳数量增加3条，所以在缆绳数量上新要求并未较旧要求增大很多。

表3 新旧规范实船计算对比

6 结论

本文针对此次UR A2的修订，深入分析了其背后修订的原理，同时借助不同船型的比较研究可得出如下结论：

(1)侧投影面积成为系泊缆绳和破断力的决定因素，这也符合船舶系泊过程中系泊缆主要抵抗横向受力的实际情况。

(2)实船计算结果表明，新要求对系泊缆绳和缆绳破断力提出了更高要求，不同船型影响不同。

(3)针对不同船型的计算结果表明：10万吨级及以下散货船、油船、矿砂船在新旧要求下变化不大，而30万吨级侧投影面积显著增大的船舶有较大影响；对于支线型箱船，缆绳数量影响显著，而缆绳破断力影响较小。然而数量的增加却对系泊的布置造成相当不利的影响；对于客滚船，缆绳破断力影响较大，而缆绳数量的影响相对较小。