IACS UR A2和OCIMF MEG4对系泊配置要求的对比分析

黄昊，刘鹏，王静炜

(1.中船邮轮科技发展有限公司，上海 200137；2.中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011)

系泊是船舶上最重要和最频繁的操作之一。船舶码头系泊系统的主要设计方式是利用一组环境条件以提供参考系泊荷载，从而计算将船舶系固在泊位所需的系泊配置。本文结合VLCC和LNG船的设计实例，对比IACS UR A2和OCIMF MEG4对环境条件、系泊缆配置计算、系泊绞车和系泊附件主要参数的设计要求，并总结系泊系统设计过程中需要注意的问题，为后续船舶系泊系统的设计提供参考。IACS UR A2[1]有关系泊的建议指向IACS Recommendation No.10[2]。本文仅对舾装数EN>2 000的船舶进行分析。

1 系泊配置要求

1.1 环境条件

IACS Recommendation No.10中给出对于舾装数EN>2 000的船舶的系泊缆建议最小破断强度的可接受环境条件。

1)任意方向30 s平均风速。

2)作用于船艏或船艉(±10°)的最大流速。

系泊缆绳的选取基于1 m/s的最大流速和表1中的最大风速VW(m/s)。

表1 IACS Recommendation No.10推荐的最大风速表

OCIMF MEG4中指出标准环境条件用于计算系固船舶所需的约束力及确定系泊缆的船舶设计最小破断强度，船舶系泊系统能力和设备选取均基于该最小破断强度。标准环境条件如下。

任意方向60 kn(30.87 m/s)的风，同时：0°或180°方向3 kn (1.54 m/s)的水流，或10°或170°方向2 kn (1.03 m/s)的水流，或最大船宽方向0.75 kn(0.39 m/s)的水流。

应该注意以下几点。

1)IACS UR A2中的风速是指在离地10 m高度处任意方向的30 s平均速度。OCIMF MEG4中的风速是在地面或水面以上10 m的标准高度测量的速度，代表30 s的平均速度。30 s风的选择是基于系泊系统中的力对风速变化的响应时间。

2)IACS UR A2中的水流速度是指作用于船艏或船艉(±10°)的最大水流速度，作用深度为平均吃水的一半；此外，认为船舶系泊在可以屏蔽横流作用的固定码头。OCIMF MEG4中的流速是船舶吃水范围的平均流速，且考虑了横流作用对船舶的影响。

3)OCIMF MEG4给出的标准环境条件与IACS用于舾装数计算和系泊缆最小破断强度确定使用的标准环境条件不同，IACS使用较低的环境限制。

1.2 系泊缆配置计算

1.2.1 IACS UR A2的要求

IACS UR A2规定系泊绞车及系泊附件参数的选取、系泊系统的安全工作负荷、系泊绞车，以及系泊附件船体加强的最小设计负荷都是根据系泊缆的最小破断强度确定。IACS Recommendation No.10对于系泊缆绳数量、长度、最小破断强度的确定，按照舾装数是否大于2 000进行划分。舾装数大于2 000的船舶的系泊缆强度、艏艉缆和横缆数量以船舶侧投影面积A1为基础进行确定。

1)系泊缆最小破断强度。系泊缆绳的最小破断强度(kN)为

MBL=0.1A1+350

(1)

最小破断强度可控制在1 275 kN。但是当这样造成系泊系统无法满足上述环境条件时，船舶可接受的风速相应减小为

(2)

式中：vw为环境条件中要求的最大风速；MBL*为选取系泊缆的最小破断强度；MBL为上面计算得到的最小破断强度。

同时，缆绳的最小破断强度应不小于21 m/s 风速下相应的要求：

(3)

(4)

此外，IACS Recommendation No.10要求纤维绳的直径不得小于20 mm。对于尼龙缆，最小破断强度应提高20%，对于其他合成缆，最小破断强度应提高10%，以弥补由于老化和磨损等原因造成的强度损失。

2)系泊缆数量。艏缆、艉缆和横缆的总数为

n=8.3×10-4A1+6

(5)

对于油船、化学品船、散货船和矿砂船，艏缆、艉缆和横缆的总数为

n=8.3×10-4A1+4

(6)

实际确定缆绳总数时，计算所得数值需要取整。

根据船舶系泊系统实际的布置情况，艏缆、艉缆和横缆的数量可以相应增加或减少，此时系泊缆强度需要调整，调整后的最小破断负荷为

增加系泊缆数量时，

MBL*=1.2·MBL·n/n*≤MBL

(7)

减少系泊缆数量时，MBL*=MBL·n/n*

(8)

式中：n*为增加或减少后的艏缆、艉缆和横缆的总数量；n为根据公式(5)、(6)计算得到的系泊缆总数量(不考虑取整)。

此外，倒缆总数量为

当舾装数EN<5 000时，2根。

当舾装数EN≥5 000时，4根。

倒缆的强度应与艏缆、艉缆和横缆的强度相同。

3)系泊缆长度。对于舾装数EN≤2 000的船舶，系泊缆长度按表选取。对于舾装数EN>2 000的船舶，系泊缆长度可取200 m。

注意舾装数计算时代入舾装数公式的不是上述的面积A1，只有舾装数超过2 000时才基于面积A1来确定系泊缆配置。

1.2.2 OCIMF MEG4的要求

OCIMF MEG4规定系泊绞车及系泊附件参数的选取、系泊系统的安全工作负荷、系泊缆的设计破断力(LDBF)和工作负载极限(WLL)都是根据船舶设计最小破断强度(ship design MBL)来确定的。

确定船舶设计最小破断强度的步骤如下。

1)确定船舶尺寸和船体线型。

2)使用对于船舶合适的风流阻力系数计算船舶所受的环境力。

3)计算各个工况的最大系泊约束要求，主要是平衡环境力所需的系泊缆的强度和数量。

4)计算各个工况的单根系泊缆最高约束要求，从而得出对于该船所有系泊缆的船舶设计最小破断强度。

5)系泊缆的设计破断力为船舶设计最小破断强度的100%～105%。

需要注意，系泊缆的数量有实际最小值。为了提供一个关于船舯的对称布置，横缆和倒缆应该是偶数。实际最小值应该是每个方向上的2根系泊缆(2条向前和2条向后)加上船艏和船艉各2根横缆。如果使用的系泊缆数量不是偶数，则应通过分析确定是否从船艏或船艉布置额外的系泊缆。随后根据分析结果选择船舶设计最小破断强度。

此外，OCIMF MEG4指出还必须考虑系泊缆长度(从船上系固点到码头系固点)对荷载分布的影响。系泊缆刚度直接随缆长的变化而变化，并对系泊缆受力有显著影响，同一用途的系泊缆中较短的缆将承担更多的荷载。因此，同一用途的系泊缆长度应大致相同。

1.3 系泊绞车和系泊附件主要参数

1.3.1 IACS UR A2的要求

根据IACS UR A2和IACS Recommendation No.10，计算出系泊缆的最小破断强度后，可进一步确定系泊绞车和系泊附件主要参数。

系泊绞车的最大刹车力不小于系泊缆最小破断强度的80%。当安装在绞车卷筒第一层上的系泊缆张力等于系泊缆最小破断强度的80%时，绞车的刹车力足以防止系泊缆松动。

对于动力绞车，作用于系泊缆(卷筒第一层)的最大牵引拉力应不小于系泊缆最小破断强度的1/4.5，不大于其1/3。对于自动绞车，这些数值适用于绞车设置为最大功率带自动控制的情况。

系泊附件的总设计载荷为系泊缆以其设计载荷(最小破断强度)作用在该系泊附件上的合力，不需要超过系泊缆设计载荷(最小破断强度)的2倍。

系泊附件船体加强的最小设计载荷为系泊缆最小破断强度的1.15倍。系泊绞车船体加强的最小设计载荷为系泊绞车最大刹车力的1.25倍。

当系泊缆是合成缆时，IACS Recommendation No.10中要求的合成缆最小破断强度的增加在考虑系泊附件和船体加强设计载荷时不予考虑。

系泊附件的安全工作负荷(SWL)通常不超过IACS Recommendation No.10规定的系泊缆最小破断强度。如果需要更高的SWL，设计载荷也要相应增加。

1.3.2 OCIMF MEG4的要求

根据OCIMF MEG4，计算出系泊缆的船舶设计最小破断强度后，可进一步确定系泊绞车和系泊附件等的主要参数。

OCIMF MEG4建议在绞车卷筒第一层设置船舶设计最小破断强度60%的刹车力，而不是IACS UR A2中的80%。绞车刹车应有能力设置为船舶设计最小破断强度80%，以保证绞车不受刹车磨损的影响将刹车力始终设置为船舶设计最小破断强度的60%。

绞车在额定速度下，作用于系泊缆(卷筒第一层)的牵引拉力应不小于船舶设计最小破断强度的22%，不大于船舶设计最小破断强度的33%。该值确保绞车有足够的力来抵抗环境力绞缆，同时避免对系泊缆产生过大的拉力。

船舶设计最小破断强度(ship design MBL)和几何系数(GF)的乘积为系泊附件的设计基础载荷(DBL)。

系泊设备和系泊附件的船体支撑结构的强度及其与附件的连接总是等于或大于附件的强度。

OCIMF MEG4没有给出系泊设备和系泊附件船体加强定量的指标，但其指出系泊设备和系泊附件的船体结构加强需要满足船级社相关要求，其中包括IACS UR A2。

2 实例对比分析

以30.8万载重t VLCC和22万m3LNG船为例，对IACS UR A2和OCIMF MEG4上述内容中对系泊缆配置、系泊绞车和系泊附件主要参数的相关要求进行对比分析。

2.1 30.8万载重t VLCC

1)根据IACS UR A2进行系泊缆配置计算。30.8万载重t VLCC舾装数计算相关数据见表2。

表2 30.8万载重t VLCC舾装数计算

从表2可知,舾装数EN=7 439>2 000。

根据IACS UR A2进行船舶侧投影面积A1计算的示意图见图1，侧投影面积为A1=6 118 m2，系泊缆配置见表3。

图1 30.8万载重t VLCC侧投影面积A1计算示意

表3 30.8万载重t VLCCIACS UR A2推荐系泊缆配置

2)根据OCIMF MEG4进行系泊缆配置计算。船舶在系泊中所受的环境力计算见表4。

表4 30.8万载重吨VLCC环境力计算

在不同系泊模式[3]下，根据OCIMF MEG4，系泊缆配置见表5。

表5 30.8万载重t VLCC OCIMF MEG4推荐系泊缆配置

系泊绞车和系泊附件主要参数对比表见表6。

表6 系泊绞车和系泊附件主要参数对比 kN

2.2 22万m3 LNG船

1)根据IACS UR A2进行系泊缆配置计算22万m3LNG船舾装数计算相关数据见表7。

表7 22万m3 LNG船舾装数计算

从表7可知：舾装数EN=7 106>2 000。

根据IACS UR A2进行船舶侧投影面积A1计算的示意图见图2，侧投影面积为A1=5 865 m2，系泊缆配置见表8。

图2 22万m3 LNG船侧投影面积A1计算示意

表8 22万m3 LNG船IACS UR A2推荐系泊缆配置

2)根据OCIMF MEG4进行系泊缆配置计算船舶在系泊中所受的环境力计算见表9。

表9 22万m3 LNG船环境力计算

在不同系泊模式下，根据OCIMF MEG4，系泊缆配置见表10。

表10 22万m3 LNG船OCIMF MEG4推荐系泊缆配置

系泊绞车和系泊附件主要参数对比见表11。

表11 22万m3 LNG船系泊绞车和系泊附件主要参数对比kN

3 结论

1)IACS UR A2和OCIMF MEG4对于系泊系统的标准环境条件的描述主要是围绕风和流进行的。可以认为如果系泊系统设计为适应最大的风力和流力，储备强度足以抵抗可能出现的其他中等强度的力。同时需要注意，泊于外海开敞式码头的船舶常受到双峰谱(风浪和涌浪)、水流和脉动风的联合作用，需要进一步研究其在随机性风、波浪、流等外界动力条件下的运动响应特性[4]。

2)将表3和表5的系泊缆配置数据进行对比可知，对于30.8万载重 t VLCC，当配置同样数量的系泊缆时，OCIMF MEG4推荐的系泊缆最小破断强度要比IACS UR A2推荐的增加约55%；当系泊缆最小破断强度取相近数值时，OCIMF MEG4推荐的系泊缆数量要比IACS UR A2推荐的增加约57%。造成系泊缆配置数据存在明显差异的主要原因就是IACS UR A2推荐的环境条件和OCIMF MEG4推荐的标准环境条件不同。

3)将表8和表10的系泊缆配置数据进行对比可知，对于22万m3LNG船，当配置同样数量的系泊缆时，OCIMF MEG4推荐的系泊缆最小破断强度要比IACS UR A2推荐的增加约82%；当系泊缆最小破断强度取相近数值时，OCIMF MEG4推荐的系泊缆数量要比IACS UR A2推荐的增加约73%。造成系泊缆配置数据存在明显差异的主要原因是OCIMF MEG4推荐风速60 kn(30.87 m/s)，IACS UR A2推荐风速为25 m/s，对于22万m3LNG船，其侧向受风面积很大，导致满载及压载状态船舶所受横向载荷对系泊缆配置起到主导作用，使得系泊缆最小破断强度取相同值时OCIMF MEG4推荐的系泊缆数量比IACS UR A2推荐的有明显增加。

4)根据表6和表11的对比数据可知，除系泊绞车的设置刹车力以外，IACS UR A2和OCIMF MEG4推荐的系泊绞车和系泊附件主要参数在系泊缆最小破断强度确定后，其取值方式相近。实际设计中还需要注意MSC/Circular.1175[5]的相关规定。

5)对油船、气体运输船等液货船的系泊分析和随后的船舶系泊设备配置，应明确要求使用OCIMF中的标准环境条件，而不是根据IACS的计算方法来进行系泊设备配置。