第３４卷第３期 ２０１７年６月 江苏船舶 ＪＩＡＮＧＳＵ ＳＨＩＰ Ｖｏ１．３４ Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．２０１７ 无动力平台供应船码头系泊防台风方案的分析 杨永刚 ，马牧原 ，姚战锋 （１．上海外高桥造船海洋工程有限公司，上海２０１３０６；２．上海江南长兴重工有限责任公司，上海２０１９１３） 摘要：上海临港重装备产业区位于杭州湾北岸入海口地区，易受台风等灾害性天气侵袭，给沿岸无动力船舶防 台风工作带来较大难度。针对无动力平台供应船在建造过程中需要在码头进行较长时间的舾装作业，极易受到 台风影响的问题，为保证船舶安全，利用Ｈｙｄｒｏ Ｓｔａｒ和Ａｆｉａｎｅ等软件工具，分析某无动力平台供应船的系泊带缆 防台风方案，验证系泊期间缆绳受力情况。该方案满足防台风系泊要求，避免了移泊锚地所产生的费用。 关键词：平台供应船；码头系泊；方案论证 中图分类号：Ｕ６７４．２４ ４ 文献标志码：Ａ ０ 引言 近年来，随着海洋资源开发力度的持续加强，海 防台风方案已经有了深人研究。袁章新等¨ 对大 型散货船在长江口地区的防台风系泊方案进行了研 究；李峰等 选取广州地区ＶＬＣＣ船为研究对象进 行了防台风系泊方案研究。此外，岳智君等 、刘 洋工程船的种类和功能不断发展和完善，相继出现 了一些功能多、绿色环保的新船型，其中，专为钻井 平台设计的平台供应船（Ｐｌａｔｆｏｒｍ Ｓｕｐｐｌｙ Ｖｅｓｓｅｌ， 成勇等Ｍ 也针对大型舰船进行了防台风系泊方案 的研究，并形成了较为成熟的理论。但上述研究多 ＰＳＶ）是一种有代表性的船舶。以ＰＸ．１２１型为例， 该船型是ＵＬＳＴＥＩＮ公司设计的先进的电力推进 ＰＳＶ船，最大特点是采用Ｘ—ＢＯＷ专利型船艏，配备 全动力推进系统和Ｄｔｒ２动力定位系统，能装载多种 选取散货船、油船等传统船型作为研究对象，且研究 方法以手工数据定量分析或定性分析为主，而对于 以ＰＳＶ船为代表的高附加值船在建造过程中的系 泊防台风研究较少，实践中也缺少资料指导相关工 货物以及油料，具备对外消防能力，可适应欧洲北海 等较为恶劣的天气和海况，具有灵活性高、装载能力 大、噪声小、油耗低，方便近海及码头补给、海工作业 作开展。因此，本文以建造过程中码头系泊无动力 ＰＳＶ船为研究对象，探讨船舶受力情况，并利用 Ｈｙｄｒｏ Ｓｔａｒ和Ａｒｉａｎｅ等软件，计算讨论该船型码头 系泊防台风的可行性，为今后类似产品或同类地区 码头系泊防台风提供参考。 扩张性强等特点，但其建造技术和管理难度远高于 散货船、油船等传统船型，是一种高附加值船型。 由于建造单位处于上海临港重装备产业区，位 于杭州湾北岸人海口地区，每年６月一ｌ０月间易受 到西北太平洋的台风侵袭。台风给生产作业活动及 安全管理工作带来不小的影响，特别是对建造过程 中码头系泊的无动力ＰＳＶ船，造成巨大的破坏，严 重时缆绳断裂，威胁洋山跨海大桥等重要设施及人 员安全。因此，采取积极措施抵御台风侵袭，减少或 １ 上海临港地区水文气象条件特征 临港重装装备产业区地处杭州湾北岸人海口地 区，位于亚热带南缘，属东亚季风盛行地区。由于与 东海紧邻，境内水网密布，受冷暖空气交替影响，温 暖湿润，雨量充沛，四季分明。本文研究的工程海域 紧邻芦潮港客运码头，年平均气温１５．７℃，年平均 降低台风对无动力ＰＳＶ船造成的影响，可有效减少 台风期间安全隐患发生。 目前，国内技术人员对于无动力船舶码头系泊 收稿日期：２０１７－０２－２０ 作者简介：杨永ＨＩ／（１９８３～），男，硕士研究生，工程师，主要从事船舶 降水量１ １７４．２ ｍｍ，年平均雾日数：２８．３ ｄ。 临港工程海域的恶劣风况主要为台风期的东南 东向风。观测期间，冬季偏北大风影响相对较小，没 有出现大于７级的大风。从工程海域各向风速频率 图可以看出：工程海域的年常风向为东南东、南东、 北方向。工程水域属于北亚热带风气候区，冬季受 及海洋工程等项目的安全生产、涂装管理工作；马牧原（１９９１一）， 男，助理工程师，从事船舶工艺工法设计工作；姚战锋（１９８３一），男， 助理工程师，从事安全生产技术研究工作。 北方冷高压控制盛行偏北风；夏季受太平洋副热带 高压控制，盛行偏南风，又常遭受热带气旋的影响和 第３期 杨永刚，等：无动力平台供应船码头系泊防台风方案的分析 ＝侵袭。春、秋季风向交替变化，风向的季节变化明 显。当年１０月～翌年２月的常风向为偏北向，３月 ～÷Ｃｘｄ９ ＡＴ （１） ９月的常风向为偏东南向。工程海域大风日数统 Ｆ‰＝÷Ｃｒｄ９ ＡＬ Ｍｘ ＝÷ ＡＬＬＢ （２） （３） 计结果显示：每年６级风天数至少２５ ｄ。 ２船舶码头系泊防台风分析研究 ２．１无动力船舶及缆绳系泊 式中： ‰为纵向风力，Ｎ；Ｃ‰为纵向风力系数；ｐ 为 空气密度，ｋｇ／ｍ ； 为１０ Ｉｎ海拔风速，ｍ／ｓ；ＡＴ为 无动力船舶一般是指自身没有动力装置的船舶 或在码头阶段进行舾装作业时动力解除的新建或修 正向受风面积，ｉｎ ；Ｆ‰为横向风力，Ｎ；Ｃ‰为横向风 理船舶 。 通常情况下，无动力船舶防台风可选择的方式 主要包括码头系泊防台风和锚泊地防台风。而码头 系泊防台风是一种重要的防台风方法 ，可以有效 避免台风来临前由于预警时间不足而无法拖带出港 防台风等情况，另外也可以有效地节省拖船费用。 码头系泊是船舶系泊的最基本方式，系泊方式 效果的好坏主要受系泊模式和缆绳配置影响。系泊 模式是指船舶与码头间系缆的几何布置方式。通常 情况下，在海浪、水流和风力等动力载荷的共同作用 下，会产生多达６个维度的运动，包括了升降、横向 移动、纵向移动、横向摇动、纵向摇动、舷尾摇动等。 系泊模式应能抵抗从任何方向来的外力。 常规分析时，可以简单地考虑风力、海浪、水流、 缆绳等对船舶的综合作用，把外力分解为纵向和横 向分力。无论是艏艉风还是横风，缆绳在各个方向 上提供的约束力要均衡，防止出现一个方向上缆绳 张力储备很大，而另一方向上缆绳达到极限载荷出 现隐患。缆绳配置中需考虑人工盘缆允许的最大缆 绳直径，常规情况下，选取的钢缆直径约４８ ｍｍ，纤 维绳直径约８０ ｍｍ 。 ２．２船舶码头系泊受力分析原理 如前所述，在风浪流等外部载荷的共同作用下， 码头上系泊的船舶会发生多个方向的运动，缆绳和 锚链会产生内部应力，特别是在台风等恶劣海况下， 系泊的船舶会产生大幅度运动，系泊缆绳和锚链存 在断裂危险。因此，在台风等恶劣的海况条件下，有 必要估算系泊缆绳和锚链的受力，并评价该系泊方 案是否合理有效，能否有效抵御台风来袭。 目前在计算船舶码头系泊防台风数值计算模型 方面，主要用到的模型包括《港口工程荷载规范》 （ＪＴＳ １４４—１．２０１０）、《ＯＣＩＭＦ ＭＥＧ３（２００８）》及《Ｕｎｉ— ｆｌｅｄ Ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ Ｃｒｉｔｅｒｉａ Ｄｅｓｉｇｎ：Ｍｏｏｒｉｎｇｓ）＞等。本文基 于《ＯＣＩＭＦ ＭＥＧ３（２００８）》船舶系泊规范进行研究。 ２．２．１风力计算 风力计算见式（１）一式（３）。 力系数； 为舷侧（侧向）受风面积，Ｉｎ。；Ｍｘ 为风力 偏航力矩，Ｎ・ｍ；Ｃ 为风力偏航力矩系数； 为两 柱间长，ｉｎ。 风力系数Ｃ‰、Ｃ Ｃ ‰根据风向角、装载状况 及船艏形状可在ＯＣＩＭＦ资料中查到。 ２．２．２流力计算 流力计算见式（４）～式（６）。 Ｆｘｃ＝÷ｃ 。 ＢＰＴ （４） Ｆ ＝÷Ｃ Ｐ ＢＰＴ （５） Ｍｘｙｃ＝÷ｃ ｔｏｐ。 ２ ＬＢ２ＰＴ （６） 式中：Ｆ‰为纵向流力，Ｎ；Ｃ 为纵向流力系数；ｐ。为 水密度，ｋｇ／ｍ。； 为吃水范围平均流速，ｍ／ｓ；Ｔ为 平均吃水，ｍ；Ｆ 为横向流力，Ｎ；Ｃ 为横向流力系 数；Ｍｘ 为流力偏航力矩，Ｎ・ｍ；Ｃ 为流力偏航力 矩系数。 流力系数Ｃ 、Ｃ Ｃ 根据流向角、水深吃水 比、装载状况及船艏形状在ＯＣＩＭＦ资料中查到。 ２．２．３缆绳系泊模型计算 缆绳系泊模型计算见式（７）。 Ⅳ＝ ｃ ＋ ， ㈩ 式中：Ⅳ为系缆力标准值；∑Ｆｘ、∑ 分别为可能同 时出现的风浪流对船舶作用产生的纵向和横向风力 总和；Ｋ为系船柱受力分布不均匀系数； 为计算船 舶同时受力的系船柱数目。 ２．３无动力ＰＳＶ船码头系泊分析 码头系泊防台风期间采用钢缆和纤维缆绳相结 合的方式进行布置，其系泊示意图如图１所示。 在式（１）～式（７）计算公式中，输人研究船型主 要数据参数等，即可计算出船舶在系泊期间的受力 情况，并通过对比缆绳和钢缆受力载荷来分析船舶 在码头系泊防台风的可行性。 无动力船舶的船体及锚链缆绳主要数据指标分 别见表１一表４。 江苏船舶 、 ＿Ｊ’ 第３４卷 ‘ ～＼２号锚链｛号锚链 ’ 、——～ 计算风浪流对船舶的作用力，并根据系泊方案计算 缆绳和锚链上的受力，分析判断ＰＳＶ船在码头系泊 期间的缆绳和钢缆受力情况是否满足缆绳和锚链的 ！ 且ｆＬ／ １号锚链 最大破断力要求，从而判定码头系泊防台风方案的 可行性。 ． Ｈｙｄｒｏ Ｓｔａｒ是用来分析波浪对船体造成的二阶 力，得出的Ｄｒｉｆｔ ｌｏａｄ文件内容为波浪二阶力矩阵， 可在后期直接导人至Ａｒｉａｎｅ软件中。Ａｒｉａｎｅ是一款 图１系泊示意简图 表１船体尺寸 装载状态 型长 高效的系泊分析软件，可以广泛应用于解决多体问 压载 ７６．５ 题的静态分析和动态时域分析。本文主要用Ａｒｉａｎｅ 来分析锚泊系统。 ２．３．１ Ｈｙｄｒｏ Ｓｔａｒ建模及水动力分析 型宽 型深 １８ ８ 利用已知数据在Ｈｙｄｒｏ Ｓｔｒ上建模，并进行水 ａ动力分析，得出二阶力矩阵。船体网络模型图如图 ｚ方向 ｌＯ．９ ｌ３．８ ｌ３．８ １０．９ ｌＯ．９ ｌＯ．９ ｌＯ．９ 表２系缆孔位置 系缆孔 １号 ２号 ３号 ４号 ５号 ６号 ７号 方向 一３８．２５ ２８．６９ ３３．１５ ９．５６ 一ｌ４．３Ｏ 一３８．２５ ３６．３Ｏ Ｙ方向 ２．ｏ０ —５．７４ —２．８Ｏ ９．０ｏ ９．００ —２．０ｏ ０ ２所示。 ２．３．２模拟台风海况分析 根据工程海域水文气象（风力玫瑰图及涨落潮 流速表格）条件，选出３种不同工况下的各个朝向 的风速和流速，其属性见表５。Ｉ号、３号海况由于 岸线和引桥等掩护，波高达不到最大值２．４ ｍ，因此 海况１取２ ｍ波高，海况２取１ ｍ波高。 表３压载状态船体属性表 装载状态 吃水 压载 ５．２ ｍ 排水量 回转半径 横向受风面积 纵向受风面积 ４ ９１０．９ ｍ ｌ９．１２５ ｍ ３８５ ｍ ７２０ ｍ２ 海况 锚链直径／ｍｍ ５８ ４２ ５８ ４２ 表５ ３种海况的风浪流属性 风速／ 风向／ 流速／ 流向／ 浪高／ 浪向／ ｍ・ｓ （。） ｍ．Ｓ—ｌ、 （。） （。） 表４锚链属性表 锚链号 １号第１段 １号第２段 ２号第１段 ２号第２段 锚链长度／ｍ ｌ１Ｏ ｌ４０ １０８ ｌ４２ 锚链型号 ＯＲＱ—ｓｔｕｄｌｅｓｓ Ｓｐｉｒａｌ ＯＲＱ—ｓｔｕｄｌｅｓｓ Ｓｐｉｒｌａ 海况ｌ 海况２ 海况３ ｌ２ ２０ ｌ１ ２７０ ９０ １８０ ０．６ｏ １．５Ｏ ０．４３ ２７０ ９０ ｌ８０ ２．Ｏ ２．４ １．Ｏ ２７０ ９０ ｌ８０ 海况１：南向风浪分析 海况１为风浪流都从船艏２７０。方向过来，只有 图１中左侧３根锚链受力，即１号、２号和３号锚链 受力。 根据３根锚链的轴向受力图，经分析可知，１号 锚链所受最大轴向力约为９３２ ｋＮ；２号锚链所受最 大轴向力约为１ １８４ ｋＮ；３号锚链所受最大轴向力 约为６３ ｋＮ，皆不大于１ ２００ ｋＮ，满足破断要求。 （下转第３１页） ３号 ４号 ５号 ６号 ｌ６２ ２０ ２０ ｌ４ ＯＲＱ—ｓｔｕｄｌｅｓｓ 尼龙纤维绳 尼龙纤维绳 尼龙纤维绳 ５８ ６０ ６０ ８０ ７号 １２ 尼龙纤维绳 ８０ 本文基于上述公式原理，采用更为便捷和准确 的Ｈｙｄｒｏ Ｓｔａｒ和Ａｒｉａｎｅ软件进行系泊力计算分析。 第３期 卢军军，等：船用保护接地线电阻分析 ３ｌ Ｒ。＝ ｒＬ＇ Ｘ Ｌ＇ （１０） （１１） 体截面积为７０ ｍｍ。，导体电阻ｒ 为０．２９７ Ｄ／ｍ，则 接地线电缆长度Ｚ的上限值为： ＝ｆ＿ ｒ１ ：２６．６６ ｍ 式中： 为并联电缆系统电阻，ｍＱ； 为并联电缆 系统阻抗，ｍＱ；ｒ为电缆单位长度电阻，ｍＱ／ｍ；￡ 为 通常情况下就近接地形式的接地线较短，因此 按照ＩＥＣ ６００９２．３５２要求的导体截面积选取的接地 线，可以防止人员触电危险。 并联电缆系统长度，Ｌ ＝５４ ｍ； 为电缆单位长度电 抗，Ｘ＝０．０９８ ５ ｍｌ￣／ｍ；／７，为并联电缆系统电缆根 数，０＝２。 ４ 结语 通过本文的分析可知，用于设备保护接地的导 体的选择主要与设备预期接地故障电流的大小有 关。随着船舶功率越来越大，船舶电网的复杂程度 经计算，Ｒ ＝８．０１９ ｍＱ，Ｘ。＝２．６５９ ｍＯ。 则总阻抗Ｒ．为： Ｒ ＝ Ｊ（ＲＲ＋Ｒｓ＋Ｒ ） ＋（ＸＭ＋Ｘ ＋ 。） ＝ 取人体电阻Ｒ：为１ ０００ Ｑ，由于接地电阻Ｒ 远 小于Ｒ ，因此，近似地有： ，ｆ：— “ 增加，电网与地之间的分布电容将随着电缆的增多 而增大，从而可能引起设备对地故障电流的增大。 因此，对于大功率的船舶而言，除按照ＩＥＣ标准要求 ０．６３６ Ａ “ ： ＵｒＭ＝选择接地线导体的截面积外，还应该对设备接地线 导体的长度进行理论分析。由于接地电容难以精确 估算，在实际应用时也可以挑选典型设备，通过实测 取人体安全电流５ ｍＡ，则根据式（４），接地电 阻Ｒ．上限值为： 接地故障电流，从而精确计算出船用电缆接地线电 阻的上限值，并选择合适的接地线导体的截面积。 参考文献： ［１］ 中国船舶工业集团公司，中国船舶重工集团公司．船舶设计实 用手册：电气分册『Ｍ］．３版．北京：国防工业出版社出版．２０１３． ｌ＝，２赢 ・９２ Ｑ 根据规范可知，该设备应选取的电缆接地线导 （上接第２４页） 海况２：西向风浪分析 海况２为风浪流都从船艏１８０。方向过来，只有 斜链受力，横链达不到受力状态，即１号、２号、３号、 ４号、５号锚链受力。主要受力链条为４号和５号， 而１号、２号、３号受力较小，只起固定作用以防止船 身受力旋转。 根据５根锚链的轴向受力图，经分析可知１号、 ３ 结论 本文根据芦潮港水文地理环境，选取了３种最 恶劣的海况进行计算分析。计算得出：２号锚链所 受最大轴向力最大，约为ｌ １８４ ｋＮ，小于该锚链的破 断力１ ２００ ｋＮ，其他锚链和缆绳所受最大轴向力皆 远小于其本身的破断拉力。最终得出结论：ＰｓＶ船 所有系泊锚链和缆绳都满足破断要求，该系泊方案 满足码头防台风系泊要求，可以有效地消除安全隐 患，并避免移泊锚地所产生的费用。 参考文献： ［１］袁新章，屠海洋，丁林森．Ｈ１００２船开锚系泊系统抗台风安全 论证［Ｊ］．交通部上海船舶运输科学研究所学报，２００４，２７（１）：１４－３３． ［２］ 李峰，吴楚宏，秦阳．船舶台风天气带缆分析及系泊方式选择 ２号、３号链条整体受力较小，可忽略不计。而４号 缆绳所受最大轴向力约为３ ８８ ｋＮ；５号缆绳所受最 大轴向力约为４５６ ｋＮ，皆不大于４８０ ｋＮ，满足破断 要求。 海况３：北向风浪分析 海况３为风浪流都从船艏９０。方向过来，只有 右侧４号、５号、６号、７号锚链受力。 ［Ｊ］．中国修船，２０１２，２３（６）：１４・１６． ［３］岳智君，高新华，黄涛．大型舰船系泊防台风方法探讨［Ｊ］．船 海工程，２００７，３６（１）：１８－２１． 根据４根锚链的轴向受力图可知，４号缆绳所 受最大轴向力约为４７８ ｋＮ，５号缆绳所受最大轴向 力约为３７８ ｋＮ，皆不大于４８０ ｋＮ，满足破断要求； ６号缆绳所受最大轴向力约为１ ０６２ ｋＮ，７号缆绳所 受最大轴向力约为９１０ ｋＮ，皆不大于１ ２００ ｋＮ，满足 ［４］刘成勇，郭国平，甘浪雄．大型无动力船舶码头系泊防台风安 全研究［Ｊ］．船海工程，２００９，３８（２）：１５６—１５９． ［５］ 肖月，艾万政，董洪仓．船舶防台风安全管理对策研究［Ｊ］．中 国水运，２０１４，１４（６）：４７＿４８． ［６］杨多才，艾万政．中国沿海无动力船舶避台风方法研究［Ｊ］．中 国水运，２０１４。１４（７）：２０－２１． 破断要求。