朱雪瑗，戴 冉，郝慶龍，李 穎，張 杰

（大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026）

超大型油輪系纜力實(shí)測(cè)研究

朱雪瑗，戴 冉，郝慶龍，李 穎，張 杰

（大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026）

為滿足超大型船舶在開(kāi)敞式碼頭不利的環(huán)境要素下安全系泊作業(yè)，該文從影響超大型油輪（VLCC）系纜力因素的實(shí)際出發(fā)，利用構(gòu)建的系纜力實(shí)測(cè)平臺(tái)對(duì)VLCC進(jìn)行有針對(duì)性的現(xiàn)場(chǎng)系纜力實(shí)際測(cè)量。將得到的系纜力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)利用一定的數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行處理，得出超大型船舶系纜力在特定現(xiàn)實(shí)環(huán)境要素下的受力曲線，分析出不同于前人理論研究和操作經(jīng)驗(yàn)的觀點(diǎn)和結(jié)論，并針對(duì)各條結(jié)論提出建議，供船舶和工程人員參考。

VLCC；超大型船舶；實(shí)測(cè)；系纜力

0 引 言

超大型船舶系纜力是其系泊安全的一個(gè)重要指標(biāo)，各條纜繩受力及其是否均勻直接影響到船舶系纜系統(tǒng)整體性能的優(yōu)良。近年來(lái)我國(guó)正在加速興建一系列專(zhuān)業(yè)化大型開(kāi)敞式碼頭，但由于設(shè)計(jì)及使用經(jīng)驗(yàn)不足，許多碼頭都發(fā)生過(guò)斷纜和船舶漂移等事故。諸如近年來(lái)發(fā)生的“普羅旺斯”、“偉大聯(lián)盟”等VLCC重大斷纜事故，其本質(zhì)原因往往都是由于各纜繩之間受力不均衡造成的。尤其在惡劣海況發(fā)生斷纜，輕則使船舶觸岸擱淺，重則導(dǎo)致人員傷亡與重大財(cái)產(chǎn)損失及環(huán)境污染，嚴(yán)重影響了我國(guó)港口的安全生產(chǎn)和船舶作業(yè)，并給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)了一定的損失。

目前，對(duì)于超大型船舶在開(kāi)敞式碼頭的系泊規(guī)程及操作建議往往都是通過(guò)船模試驗(yàn)和主觀經(jīng)驗(yàn)提出的，對(duì)VLCC系纜力實(shí)際測(cè)定的試驗(yàn)卻極少有人涉及。因此，為分析在多種影響條件下的船舶系纜力實(shí)際受力規(guī)律，優(yōu)化碼頭系纜柱布置，避免VLCC在港內(nèi)斷纜慘劇的發(fā)生，對(duì)VLCC系纜力做一個(gè)全面的實(shí)測(cè)分析是十分必要的。

1 VLCC系纜力實(shí)測(cè)方法

超大型船舶的系纜力影響因素十分復(fù)雜，其大小的確定主要取決于外載荷、船舶、碼頭和系泊型式。在已知船舶和碼頭特征數(shù)據(jù)的情況下，科學(xué)、安全地確定各潮時(shí)船舶系纜力受各種外界影響因素的影響規(guī)律，是保證超大型船舶港內(nèi)系泊安全的關(guān)鍵所在。

1.1 船舶系纜力測(cè)試原理

VLCC碼頭通常都裝有快速脫纜鉤以代替系纜樁為船舶系放纜，通過(guò)經(jīng)特殊處理的快速脫纜鉤、應(yīng)力銷(xiāo)、變送器、數(shù)據(jù)采集模塊和上位機(jī)（電腦）完成系纜力數(shù)據(jù)從采集到顯示的整個(gè)流程。每臺(tái)子設(shè)備的功能如下：

快速脫纜鉤：系泊、絞纜用主要設(shè)備，測(cè)力傳感器安裝在快速脫纜鉤上；

應(yīng)力銷(xiāo)：測(cè)力用傳感器；

變送器：信號(hào)放大處理；

數(shù)據(jù)采集模塊：完成信號(hào)處理、采集、傳輸?shù)裙ぷ鳎?/p>

上位機(jī)（電腦）：完成纜繩張力顯示、控制、存儲(chǔ)等工作。

快速脫纜鉤受到纜繩牽拉時(shí)將拉力轉(zhuǎn)化為壓力傳遞給應(yīng)力銷(xiāo)，應(yīng)力銷(xiāo)內(nèi)傳感器測(cè)定的物理量是應(yīng)力銷(xiāo)的物理形變量。形變量通過(guò)溫度和零點(diǎn)矯正及補(bǔ)償后通過(guò)變送器等電路將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊處理并傳輸給上位機(jī)（電腦）進(jìn)行相應(yīng)的顯示、儲(chǔ)存和控制。5種子設(shè)備及信號(hào)傳遞過(guò)程如圖1所示，這些信號(hào)之間通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線局域網(wǎng)傳輸，最終顯示在上位機(jī)的系纜力測(cè)試結(jié)果單位為噸。

1.2 船舶系纜力實(shí)測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)系纜力實(shí)測(cè)方法，利用電子機(jī)械設(shè)備構(gòu)建系纜力實(shí)測(cè)平臺(tái)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系纜力實(shí)測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure chart of mooring force measurement platform

系纜力實(shí)測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)組成主要分為四個(gè)部分：脫纜鉤及測(cè)控單元、數(shù)據(jù)采集處理平臺(tái)、1套安裝在電控室的中央監(jiān)控系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線局域網(wǎng)。

1.3 系統(tǒng)平臺(tái)性能指標(biāo)

通過(guò)系纜力實(shí)測(cè)平臺(tái)的構(gòu)建，可以實(shí)現(xiàn)在碼頭電控室中的電腦上獲取所有快速脫纜鉤纜繩信息的遠(yuǎn)距離顯示，控制和數(shù)據(jù)登錄等功能。實(shí)測(cè)平臺(tái)關(guān)鍵設(shè)備的相關(guān)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 實(shí)測(cè)平臺(tái)關(guān)鍵設(shè)備性能指標(biāo)Tab.1 Performance index of the platform key devices

圖3 系纜力實(shí)測(cè)平臺(tái)布置圖Fig.3 Arrangement plan of mooring force measurement platform

1.4 測(cè)試方案的確定

為測(cè)定超大型船舶在開(kāi)敞式碼頭系泊纜繩實(shí)際受力情況，通過(guò)構(gòu)建系纜力實(shí)測(cè)平臺(tái)，在我國(guó)某30萬(wàn)噸油輪碼頭進(jìn)行VLCC系泊作業(yè)過(guò)程中系纜力有針對(duì)性的觀測(cè)與研究。試驗(yàn)碼頭為典型的開(kāi)敞式碼頭，水域成正規(guī)半日潮型，總體特點(diǎn)為漲潮流速大于落潮流速，漲落潮流向大致 345°～130°走向，碼頭前沿走向約為170°～355°。根據(jù)碼頭實(shí)際情況和平臺(tái)結(jié)構(gòu)框架，安裝完成的系纜力測(cè)試平臺(tái)總布置圖及具體布置情況分別如圖3和表2所示。

為分析研究30萬(wàn)噸VLCC在開(kāi)敞式碼頭系泊時(shí)各因素共同作用下的系纜力受力情況及規(guī)律，在利用系纜力實(shí)測(cè)平臺(tái)測(cè)試船舶各纜繩受力情況的同時(shí)，觀測(cè)風(fēng)、潮位、潮流及船舶吃水情況。重點(diǎn)分析在船舶靠泊后漲、落急流時(shí)各組觀測(cè)數(shù)據(jù)變化對(duì)船舶系纜力的影響。各組數(shù)據(jù)觀測(cè)要求如表3所示。

表2 系纜力實(shí)測(cè)平臺(tái)測(cè)力脫纜鉤配備Tab.2 Release mooring hook equip of the measurement platform

表3 各組數(shù)據(jù)觀測(cè)要求Tab.3 Requirement of the data groups observations

2 數(shù)據(jù)處理方法及試驗(yàn)結(jié)果

2.1 系纜力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理方法

實(shí)測(cè)得到的觀測(cè)數(shù)據(jù)，還必須進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，才能得到準(zhǔn)確的結(jié)論。

（1）系纜力基本數(shù)據(jù)的求取和穩(wěn)定性檢驗(yàn)

根據(jù)系纜力的觀測(cè)結(jié)果，剔除明顯的大誤差不準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，經(jīng)每2分鐘內(nèi)數(shù)據(jù)算數(shù)平均后得到該時(shí)刻系纜力基本數(shù)據(jù)，并求取過(guò)程均值和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行穩(wěn)定性檢驗(yàn)。

（2）測(cè)試數(shù)據(jù)分離

必須將整個(gè)測(cè)試過(guò)程中得到的數(shù)據(jù)按照漲落潮情況以及具體纜繩進(jìn)行分離，將不同性質(zhì)條件下的數(shù)據(jù)分別對(duì)待。

（3）數(shù)據(jù)回歸分析

將多次實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合擬合比較，得出該性質(zhì)條件下的系纜力受力曲線。

（4）數(shù)據(jù)綜合分析

最后將多組回歸分析后的數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)律性分析，得出不同外界條件下的船舶系纜力作用規(guī)律，提供給船舶應(yīng)用。

2.2 測(cè)試過(guò)程

當(dāng)日12:30船舶靠泊測(cè)試泊位，采用習(xí)慣的3322（船首）/2224（船尾）型式帶纜，如圖4所示。從15:30開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測(cè)，次日04:30觀測(cè)結(jié)束。

圖4 試驗(yàn)船帶纜示意圖Fig.4 Test ship mooring pattern schematic diagram

試驗(yàn)船舶的部分船舶數(shù)據(jù)摘抄如表4所示。

測(cè)試期間波浪高度0.4 m，方向（常浪向）045°，周期5 s。其它環(huán)境數(shù)據(jù)如表5所示，值得注意的是，其中風(fēng)、流數(shù)據(jù)均為測(cè)試過(guò)程某中間時(shí)段的均值，并非恒定不變（尤其是風(fēng)數(shù)據(jù)）。

表4 試驗(yàn)船舶數(shù)據(jù)Tab.4 Test ship data

表5 環(huán)境數(shù)據(jù)Tab.5 Environmental data

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

利用測(cè)試原始數(shù)據(jù)繪制15:30～04:30完整時(shí)段的系纜力反時(shí)序曲線圖，如圖5～10所示。由于特殊原因，最后一根尾纜系在系纜柱上，沒(méi)有讀數(shù)，實(shí)際觀測(cè)共19根纜繩受力情況。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，細(xì)化潮時(shí)過(guò)程并經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，繪制系纜力整體分布情況變化圖如圖11～14所示。

圖5 首纜系纜力反時(shí)序曲線Fig.5 Anti-time mooring force curves of head lines

圖6 首橫纜系纜力反時(shí)序曲線Fig.6 Anti-time mooring force curves of fore breast lines

圖7 首倒纜系纜力反時(shí)序曲線Fig.7 Anti-time mooring force curves of fore spring lines

圖8 尾倒纜系纜力反時(shí)序曲線Fig.8 Anti-time mooring force curves of after spring lines

圖9 尾橫纜系纜力反時(shí)序曲線Fig.9 Anti-time mooring force curves of after breast lines

圖10 尾纜系纜力反時(shí)序曲線Fig.10 Anti-time mooring force curves of stern lines

圖11 系纜力整體分布情況變化一（1530時(shí)段，單位t）Fig.11 Change of mooring force distribution No.1(in time frame 1530)

圖12 系纜力整體分布情況變化二（2130時(shí)段，單位t）Fig.12 Change of mooring force distribution No.2(in time frame 2130)

圖13 系纜力整體分布情況變化三（0000時(shí)段，單位t）Fig.13 Change of mooring force distribution No.3(in time frame 0000)

圖14 系纜力整體分布情況變化四（0400時(shí)段，單位t）Fig.14 Change of mooring force distribution No.4(in time frame 0400)

以上反時(shí)序曲線反映了試驗(yàn)船在整個(gè)潮時(shí)周期內(nèi)的系纜力變化情況，系纜力整體分布曲線反映了船舶所有纜繩在研究時(shí)刻上的受力分布情況。

根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)，系纜力實(shí)測(cè)的結(jié)果與系纜力相關(guān)理論研究在表現(xiàn)形式上是一致的。表面上，試驗(yàn)中的船舶系纜力在船舶、碼頭與系泊型式因素一定的情況下主要受外界動(dòng)力因素影響，包括風(fēng)、流及波浪載荷作用。其中，風(fēng)、流載荷的作用效果主要取決于船舶受風(fēng)（流）的有效面積，風(fēng)（流）舷角，及風(fēng)（流）速等。在其他條件一定時(shí)，船舶受風(fēng)（流）的有效面積越大、風(fēng)（流）舷角約接近正橫、風(fēng)（流）速越大，船體受外力的作用效果就越大（主要指開(kāi)風(fēng)開(kāi)流）。而波浪載荷對(duì)系纜力的影響主要體現(xiàn)在反時(shí)序曲線的波幅上，通常系纜力的最大值會(huì)隨波浪周期、波高以及入射角的增大而增大。對(duì)于外界環(huán)境變化較劇烈的時(shí)段內(nèi)，系纜力分布圖中顯示的條帶陰影區(qū)較寬（如2130的攏風(fēng)、攏流及0400的開(kāi)風(fēng)、開(kāi)流時(shí)段），這也說(shuō)明了此時(shí)的船舶系纜力因環(huán)境變化而改變劇烈。而0400時(shí)開(kāi)風(fēng)、開(kāi)流情況下的總體系纜力反而偏小，也正說(shuō)明此時(shí)的系纜力影響因素遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止外力影響這么簡(jiǎn)單。

實(shí)際上，試驗(yàn)結(jié)果也間接地說(shuō)明了船舶、碼頭與系泊型式因素對(duì)船舶系纜力的影響。隨著液貨的卸載，船舶排水量減小，干舷高度增加，富余水深變大，船舶的出纜角度也相應(yīng)發(fā)生改變，這些都共同作用了船舶的系纜力變化。同時(shí)，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果中系纜力整體的不均勻分布也可以看出傳統(tǒng)系泊型式存在的缺陷，而系泊型式與碼頭布置之間有著密切的關(guān)聯(lián)，必須聯(lián)系對(duì)待。另外，船載系泊設(shè)備使用、布置及性能的優(yōu)劣也直接影響了系纜效果的好壞，比如試驗(yàn)中在某些必要情況下（比如在2030及0320時(shí)刻）人為調(diào)整了絞車(chē)剎車(chē)，使得船舶系纜力產(chǎn)生了十分明顯的變化。

3 研究結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

根據(jù)以上結(jié)果分析，結(jié)合船舶實(shí)際情況和操作經(jīng)驗(yàn)，在現(xiàn)有的系泊條件下，對(duì)超大型船舶系纜力研究得出如下創(chuàng)新型觀點(diǎn)和結(jié)論：

（1）從整體上看，船舶各系泊纜繩受力通常是嚴(yán)重不均衡的，總體特點(diǎn)為單條纜繩首尾纜和倒纜受力較大，而橫纜受力較小。

（2）在整個(gè)系泊過(guò)程中，隨外界條件的變化，相同性質(zhì)的纜繩受力變化趨勢(shì)大致相同，但系纜力具體數(shù)值卻相差較大，這很有可能是由于初張力設(shè)置的不同造成的。

（3）針對(duì)本次試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)不同潮時(shí)測(cè)試條件和結(jié)果的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速、風(fēng)向和干舷高度對(duì)系纜力的變化起主要作用，流對(duì)系纜力影響較小（整體系纜力的最大值也并不一定出現(xiàn)在落急流時(shí)）。分析原因，主要由于測(cè)試碼頭的走向與漲落潮流走向大致平行，而風(fēng)向卻往往多變。但是平潮轉(zhuǎn)流過(guò)程中系纜力變化較大，說(shuō)明流向（尤其是橫流）對(duì)船舶系纜力的影響在實(shí)際上是絕對(duì)不容忽視的。

（4）根據(jù)系纜力數(shù)值穩(wěn)定性分析可以看出，不同性質(zhì)的纜繩對(duì)外力反應(yīng)的敏感性是不同的，通常倒纜對(duì)外力反應(yīng)的敏感度最強(qiáng)，橫纜次之，首尾纜最弱。聯(lián)系不同性質(zhì)纜繩作用分析，這也間接的說(shuō)明，倒纜和橫纜是限制船舶在縱向和橫向上運(yùn)動(dòng)量的主要吃力纜繩。

（5）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果圖中對(duì)六種不同性質(zhì)纜繩的關(guān)系描繪可以看出，船舶首尾兩側(cè)的纜繩受力往往會(huì)有一側(cè)明顯大于另一側(cè)，這種差別往往是由首尾纜和倒纜的受力決定的。將船舶首尾兩側(cè)分割來(lái)看，當(dāng)某側(cè)首尾纜受力過(guò)大時(shí)，倒纜受力也會(huì)增大，這種現(xiàn)象對(duì)于這兩種性質(zhì)纜繩的作用原理來(lái)說(shuō)是有所矛盾的。

（6）將系纜力實(shí)測(cè)結(jié)果與航海專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)（或理論估算）進(jìn)行比較可知，實(shí)測(cè)到最大的倒纜系纜力會(huì)遠(yuǎn)大于估算值（往往超過(guò)50%，有時(shí)甚至超過(guò)100%）。

3.2 應(yīng)用建議

根據(jù)對(duì)超大型船舶系纜力的理論分析和實(shí)際觀測(cè)，在實(shí)際應(yīng)用該文對(duì)系纜力的研究結(jié)論時(shí)，可參考如下建議：

（1）適當(dāng)減小泊位長(zhǎng)度（指碼頭首尾兩根系纜柱之間的距離）。這樣做的目的是，增大首尾纜的出纜角度，減小首尾纜與倒纜之間的應(yīng)力抵消損耗，從而增加了首尾纜和倒纜抵御外力的潛力；同時(shí)，還能更好的發(fā)揮首纜對(duì)船舶首搖的限制能力。

（2）適當(dāng)減小兩倒纜系纜柱之間的距離。這樣做，既可以增加倒纜的出纜長(zhǎng)度，增大纜繩彈性減小纜繩受力，也可以增加倒纜的出纜角度，更好發(fā)揮倒纜限制船舶縱向移動(dòng)的能力。

（3）首尾兩側(cè)各增加1條或若干倒纜，從而分擔(dān)其他倒纜受力，避免倒纜受力過(guò)大，使總體纜繩受力更趨均衡。

（4）在對(duì)相同性質(zhì)的纜繩初張力設(shè)置上，應(yīng)采取一定的措施，使之盡可能相同，這樣才能更好地保護(hù)纜繩，避免因某條纜繩斷裂而引起的"斷纜多米諾效應(yīng)"。

（5）對(duì)于大型開(kāi)敞式碼頭的選址和設(shè)計(jì)，應(yīng)使碼頭的走向盡量與漲落潮流向及常風(fēng)向平行。如果不能兼顧，則至少應(yīng)與漲落潮流向大致平行。

（6）在航海和工程實(shí)踐中，對(duì)VLCC系纜力的估計(jì)一定要保持充分的剩余張力，避免因?qū)ο道|力的估計(jì)不足而導(dǎo)致事故發(fā)生。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著超大型船舶及開(kāi)敞式碼頭數(shù)量的逐年增多，面對(duì)相關(guān)的設(shè)計(jì)及操作規(guī)范尚較缺乏的工程現(xiàn)狀，深入研究超大型船舶在開(kāi)敞式碼頭的系泊安全已經(jīng)迫在眉睫。

在對(duì)相關(guān)課題進(jìn)行理論性研究的同時(shí)，也應(yīng)強(qiáng)化實(shí)踐意識(shí)。加快碼頭在泊位和系纜柱布置方面的優(yōu)化進(jìn)程，利用系纜力實(shí)測(cè)原理建立符合泊位實(shí)際情況的船舶纜繩載荷實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)，使碼頭和船舶值班人員利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控與初設(shè)預(yù)警值，更準(zhǔn)確全面地把握系泊纜繩受力狀況。在此基礎(chǔ)上還可繼續(xù)開(kāi)發(fā)研制下一代纜繩載荷自動(dòng)控制系統(tǒng)，當(dāng)外界影響因素發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算與仿真自動(dòng)調(diào)節(jié)自動(dòng)脫纜鉤的方向與松緊程度，調(diào)正纜繩受力，為系泊作業(yè)帶來(lái)更加安全與高效的支持，并將成果推廣全球。

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Measurement research on VLCC mooring force

ZHU Xue-yuan,DAI Ran,HAO Qing-long,LI Ying,ZHANG Jie

(Navigation College,Dalian Maritime University,Dalian 116026,China)

In order to meet the safely mooring needs of larger-sized vessel and deeper-water berth,the paper measures the mooring force of VLCCs on the spot based on the elements which influence her mooring force making use of the mooring force measurement platform and then obtained some stress curves of the VLCCs mooring force under some particular practical environmental elements.Moreover,it came to some opinions and conclusions other than the formers theoretical research and operational experience,based on which it offered some proposals for the reference of navigators and engineers.

VLCC;super-large ships;measurement;mooring force

U661.7

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2017.10.008

1007-7294（2017）10-1244-10

2017-03-29

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目（3132017003，3132016002）

朱雪瑗（1988-），女，博士； 戴 冉（1964-），男，教授；

郝慶龍（1988-），男，講師，E-mail:15040510112@126.com。