大型原油码头船舶系泊试验研究

张万威，王 晟，王 静，陈国平，严士常*

(1.海岸灾害及防护教育部重点实验室(河海大学)， 南京 210098；2.河海大学 港口海岸与近海工程学院， 南京 210098；3.上海滩涂海岸工程技术研究中心，上海 200061)

近年来，我国沿海港口建设逐渐向深水化、船舶大型化发展，相对于传统码头建设，这对技术层面提出了更高的要求。由于船舶停泊水域的风、浪、流等自然环境条件随机性较强，在外界环境的综合动力荷载作用下，系泊船舶的运动响应及受力情况更为复杂。系泊船舶运动幅度过大会影响码头正常作业，缆绳受力过大会导致断缆，造成严重的损失[1]。我国现行设计规范[2]指出系泊船舶在风、浪、流作用下的综合运动情况可通过物理模型试验结合数值模拟试验确定。林尚飞等[3]通过船舶泊稳试验，研究了不同泊位长度、系缆墩布置型式及船舶带缆方式对船舶系缆力、运动量、护弦撞击力及撞击能量的影响。李焱等[4]通过整体物理模型试验，以船舶运动量和系缆力为衡量标准，得到不同风、流条件下船舶安全作业和系泊的允许波浪波高及周期，并建议油船纵、横移运动量最大允许值取2 m较为合适。高峰等[5]通过物理模型试验，分别对26.6万m3船型在 370 m和390 m两种泊位长度进行了对比论证，并对两种系缆方式(3322和4222)进行了对比试验。耿宝磊等[6]通过物理模型试验，对14 000 DWT驳船在风、波浪荷载不同组合工况下船舶系泊运动量、缆绳拉力、护舷承受的撞击力，以及船舶靠泊产生的撞击力和撞击能量进行了研究。陈春升[7]运用不规则波及规则波作用、物理模型和数学模型、船艏艉对调试验对比等多种研究手段对码头长度370 m、26.6万m3LNG船在不同风、浪、流组合作用下的船舶运动量、系缆力和撞击力进行了研究，以达到LNG船舶安全系泊的要求。王志斌等[8]通过30万t级散货码头系泊物理模型试验，在风、浪、流组合工况下，对不同系泊方式的系缆力和船舶运动进行分析，最后得出流向和缆绳长度对系缆张力有显著影响。朱奇等[9]通过物理模型试验，研究了风、浪、流共同作用下系泊船舶的运动量和系缆力，分析了泊位长度与系缆方式对系泊船舶的影响，最后得出较短的泊位长度对横向运动有较好的约束，能减少艏艉缆及倒缆的受力。

准确确定大型码头船舶作业和系泊安全条件是码头工程设计中的重要问题之一，本次研究通过船舶系泊物理模型试验，分别对风、浪、流不同组合工况下的缆绳系缆力、船舶运动量以及系缆方式等进行了试验研究，可为设计和运营提供参考。

1 物理模型试验布置

试验在河海大学波浪港池中进行，港池长40 m、宽30 m、深1.2 m。港池的四周设置消浪缓坡，来消除波浪二次反射影响，港池内配有可移动式造波机，可产生试验所要求的3个方向的不规则波浪。物理模型整体布置如图1所示，试验遵循JTS/T 231-2021《水运工程模拟试验技术规范》[10]，采用正态比尺，主要考虑因素为重力相似，综合考虑确定模型几何比尺为1∶58，本试验原油码头布置在新建防波堤内测，与防波堤平行布置。防波堤主要由堤心石和护面块体组成，防波堤布置照片如图2所示，码头结构由有机玻璃进行模拟，通过在护舷传感器底部增加木板使得护舷的重心高程与原型相似，通过调整橡胶成分和护舷传感器顶部重物质量使模型护舷的力学性能曲线与原型相似，橡胶护舷模型模拟曲线如图3所示。缆绳模型由相同的缆绳合并采用一根缆绳模拟，采用基本无弹性(本次试验测力范围内)的钢丝与多级弹簧钢片的组合体模拟，通过改变弹簧钢片的长度来模拟不同的拉力-伸长曲线，以达到拉力-伸长相似。同时，缆绳的长度、系缆位置以及系缆角度也与原型相似。船舶模型采用玻璃钢制作，与原型保持几何相似。对船舶的不同载重状况分别采用铁制砝码压载配重，使船舶模型满足吃水、重量、重心位置、质量惯性矩和自振周期等与原型相似。

图1 模型布置图

图2 防波堤布置照片

30万t级油船缆绳采用直径Ф 44 mm纤维芯钢缆, 每根缆绳配11 m Φ 96 mm尼龙尾缆，经过系缆方式比选试验后，确定缆绳布置采用4∶2∶2∶2方式，共计20根缆绳，15万t级油船缆绳采用直径Ф 38 mm纤维芯钢缆, 每根缆绳配11 m Φ 80 mm尼龙尾缆，缆绳布置采用2∶2∶2∶2方式，共计16根缆绳，5万t级油船缆绳采用直径Ф 28 mm纤维芯钢缆, 每根缆绳配11 m Φ 60 mm尼龙尾缆，缆绳布置采用2∶2∶2∶2方式，共计16根缆绳。30万t和15万t级油船单根缆绳初始拉力调整为100 kN，5万t级油船单根缆绳初始拉力调整为60 kN。外侧靠船墩橡胶护舷规格为两鼓一板SUC2500H鼓型标准反力橡胶护舷，内侧靠船墩橡胶护舷规格为一鼓一板SUC2500H鼓型标准反力橡胶护舷。

不规则波波谱采用JONSWAP谱，谱峰因子γ取值为3.3,水流荷载和风荷载模拟均满足重力相似，试验时采用挂重法进行模拟。试验采用六自由度运动测量仪测量船舶的六分量，缆绳力和船舶挤靠能量分别通过传感器(图4)测量，采集频率为100 Hz。试验船型为30万t、15万t、5万t油船，船舶装载状态包括满载、压载。试验分别测量了三种船型在表1的试验环境不同组合工况下缆绳系缆力、船舶运动量、护舷撞击力及撞击能量，总计215组。为保证试验的可靠性，试验时每种工况重复3次，取3次测量数据的平均值为最终结果。

图4 护舷传感器

表1 试验环境条件

2 试验结果与分析

系缆力分布不均匀是造成船舶系泊状态下缆绳断缆的原因之一，因此需要选择合适的系缆方式使得各缆绳拉力分布尽量均匀，定义各缆绳拉力标准差与均值的比值σ/x为缆绳拉力不均匀系数，特别说明，本文所呈现的试验结果数据均是通过试验测量值乘以模型比尺因子换算得到的原型值，并且本文中的各组系缆力均是单根缆绳的系缆力。由于篇幅的限制以30万t级油船系泊试验的各组数据为例进行分析。

2.1 系缆方式比选试验

试验中对30万t级油船的不同系缆方式进行了比选，分别采用4222布置和2332布置，其系缆布置如图5所示。如图6和图7所示，在W方向波浪作用下，两种系缆方式的各组缆绳系缆力极值及运动量极值差别不大，2332的横移和纵移均比同组的4222稍大，而4222系缆方式条件下各组缆绳受力更均匀，其缆绳拉力不均匀系数均比同组的2332小30%，2332系缆方式导致船舶的艏横缆受力较大，故后续30万t级油船系泊试验均采用4222系缆方式。

图5 30万t级油船系缆布置图

7-a 横移、纵移、升沉 7-b 横摇、纵摇、回旋

2.2 系缆力分析

在不同的风、浪、流组合情况下，不同船型、不同载度的油船系缆力变化较为复杂。

根据课题组多年从事船舶系泊试验的经验[11-13]和本次试验的结果，得到结论：对于系泊系统的动力因素波浪、水流和风来说，波浪的影响程度为三者中的最大。其中，在压载时，风的影响程度比水流大，在满载时，水流的影响程度比风大，在采用《系泊设备指南》[14]计算风荷载和水流荷载时，风荷载主要与船舶吃水线以上的受力面积有关，而水流荷载主要与船舶吃水线以下的受力面积有关，这导致两者在不同载度时对系泊系统的影响程度不同。从图8可以看出，15万t压载油船仅在SSW方向的波浪作用下，随着波高的增大船舶系缆力相应增大，且不同位置的缆绳对波高增大的响应程度不一，艏缆、艏横缆随着波高的增大，船舶系缆力增大明显，艉缆、艉横缆在波浪波高为2.5 m和2 m时得到的系缆力接近，这是因为该码头受到防波堤掩护作用。从图9可以看出，波浪周期对船舶系缆力影响尤其明显，H4%=2.5 m，T=10 s的波浪在单独作用和风浪流共同作用时均使30万t油船各组缆绳的系缆力严重超出设计标准，与H4%=2.5 m，T=8 s的波浪作用时的系缆力对比，较长周期波浪作用船舶时的系缆力远远大于短周期波浪作用时的值，这是因为30万t级油船在压载时横、纵摇周期为10 s左右，产生共振使得船舶摇摆幅度变大，并且较长周期波浪自身的能量比短周期波浪大，根据试验中码头前沿波高的统计数据得到，10 s波浪的波长平均是8 s波浪的1.62倍，对于船舶的冲击作用也更大。

图8 15万t压载油船在SSW向波浪作用下缆绳系缆力随波高变化

不同波向对系缆力的影响有较大差异。由以往文献得知[15]，一般情况下相同波高、周期作用下，横浪作用下的系缆力要比顺浪和斜浪大得多。表2是试验所得的各船型船舶在各个浪向不同载度时的船舶极限波高，即系泊船舶所能承受的最大波高，在此波高的波浪作用下，船舶的各组缆绳系缆力均满足设计标准，在W向波浪作用时，波向对于船舶为90°横浪，在同等工况下系缆力比SSW向作用时大，在ENE向波浪作用时，波浪从北侧堤头绕射，形成使船舶推离码头的横浪，得到的船舶极限波高与W向接近。该试验码头与开敞式码头不同，由于码头位于防波堤的内侧，码头前沿既有绕射波浪也有顺堤波浪，波况较为复杂，导致系泊船舶的系缆力前后分布不均匀，运营期间应根据实际波况及时调整缆力。

表2 各船型船舶在各个浪向不同载度时的船舶极限波高

试验时同一船舶在两个水位同种工况下得到的船舶系缆力互有大小且相差不大。这是因为试验时计算风荷载不再计及设计水位不同带来的风荷载的微小差别，只需在水位发生变化时调节挂重位置使得风力作用方向保证处于水平状况，该试验两个水位相差不大，相同工况下模拟风荷载所用重物质量相同，低水位时模拟水流荷载所用的重物比高水位的稍重一些，由于各缆绳长度与系缆角度随着水位变化发生的变化也带来了系缆力的些许不同。

图10为30万t油船压载状态下在波向W上不同风、流荷载时船舶系缆力变化图。由图可得，横吹开风和90°的开流使得各组缆绳系缆力增加，且各组系缆力随着风速的增加而增加，艏艉横缆系缆力增加幅度较其他位置要大。横吹拢风和拢流则会减小各组系缆力，减小幅度明显，并使得各组缆绳系缆力更加均匀。多种环境荷载耦合时对船舶的运动产生不同的影响，产生的船舶系缆力不是各单一荷载作用的叠加，如图11所示，15万t级油船在波向W、高水位、压载的情况下叠加了风荷载和水流荷载反而使得系缆力不均匀系数从单浪作用下的0.27下降为0.25，各组缆力平均下降25%。

图10 30万t压载油船在W向波浪作用下缆绳系缆力随风、流荷载变化

2.3 运动量分析

不同波向对船舶运动量的影响有较大差异。从图12可以看出，在SSW向波浪作用时，码头前沿既有绕射波浪也有顺堤波浪，船舶运动量中纵移通常比横移大，此时以纵移是否超标为准，在W向波浪作用时，船舶的横移一般比纵移大，在ENE向波浪作用时，船舶的纵、横移相差不大，均起到控制作用。船舶各运动量对横吹开风和90°的开流响应程度不同，其中横摇增加的程度最大。横移在波浪浪向为SSW、W时，横吹开风和90°的开流会使其增大，在ENE向波浪作用时，横吹开风和90°的开流对其影响较小。其他运动量对横吹开风和90°的开流响应均较小。

图12 不同波向运动量极值对比

波周期对运动量的影响较显著。当船舶本身固有周期接近波浪周期时，容易发生运动谐振，此时船舶的运动量则相对增大，如30万t级油船在压载时的横摇周期为10.02 s，纵摇周期为9.76 s，使得纵移在10 s周期下最大达到6.65 m，横移可达到1.28 m。此现象在5万t级油船上较为明显，该船型的自摇周期为6.44～18.21 s，使得纵移在8 s周期的波浪作用下最大达到1.4 m,此时虽然在允许运动量3 m以下，但是多个缆绳系缆力超标，影响船舶的安全系泊。

根据JTS165-2013《海港总体设计规范》[2]，船舶装卸作业标准宜采用船舶主要运动分量的限值表示，查表可得，油船装卸作业允许的船舶运动量为纵移、横移均在0.5～2.0 m。该规定中提到原油码头系泊船舶其他的运动量，包括摇摆、升沉等，对于现代性能良好的输油臂来说正常情况均是可以适应的。国际航运协会(PIANC ,1995)安全作业推荐的允许运动范围标准，即油船允许最大纵、横移的推荐值均为3 m，其他4个运动量没有要求[16]。但在15万t船舶试验时，发现在船舶横移在1 m附近，纵移在0.3 m附近时多个缆绳系缆力超标，此时横摇值突然增大到5°，大幅度的横摇运动导致缆绳的系缆力突然达到峰值，极其影响船舶的安全系泊。建议对油船系泊时除纵、横移以外的运动量给予更多关注。

试验时同一船舶在两个水位同种工况下得到的船舶运动量互有大小且相差不大。

3 结论

(1)对30万t级油船的不同系缆方式进行了比选，最终选择的4222布置可以使得各组缆绳受力更加均匀，其缆绳拉力不均匀系数均比同组的2332小30%。(2)对于系泊系统的动力因素波浪、水流和风来说，波浪的影响程度为三者中的最大。其中，在压载时风的影响程度比水流大，在满载时水流的影响程度比风大。随着波高的增大，船舶系缆力相应增大。波浪周期的影响尤其明显，较长周期的波浪作用船舶时的系缆力远远大于短周期波浪作用时的值。(3)不同波向对船舶系缆力和运动量的影响有较大差异，试验时同一船舶在两个水位同种工况下得到的船舶系缆力、运动量互有大小且相差不大。多种环境荷载耦合时产生的船舶系缆力不是各单一荷载作用的叠加。(4)波浪周期对运动量的影响较显著，当船舶本身固有周期接近波浪周期时，容易发生运动谐振，此时船舶的运动量相对增大，建议对油船系泊时除纵、横移以外的运动量给予更多关注。(5)本次试验中模拟了一期及二期所有防波堤，码头位于防波堤内侧，与开敞式码头不同，码头前沿既有绕射波浪也有顺堤波浪，波况较为复杂，导致系泊船舶的系缆力前后分布不均匀，运营期间应根据实际波况及时调整缆力。