胡斌

摘 要：本文通過搜集國內外關于工程船定位移船的相關資料，對現(xiàn)有工程船的定位移船系統(tǒng)設計方法進行探討，并以起重船為計算實例進行分析，以期為其它工程船的定位移船系統(tǒng)設計提供參考。

關鍵詞：工程船；風阻力；流阻力；工作錨；移船絞車

中圖分類號：U674.3 文獻標識碼：A

1 引言

工程船主要用于水上施工作業(yè)，其作業(yè)時需在一定水域內拋錨定位，通過操縱錨泊設備來實現(xiàn)船舶的精確定位，而且定位一般需拖船或拋錨艇協(xié)助。施工時，同一作業(yè)水域可能有幾艘船舶同時施工，另外還有已安裝或未安裝的工程構件，周圍環(huán)境復雜，如果出現(xiàn)船舶走錨或錨鏈破斷，不僅影響工程工期、質量，嚴重時還將造成船舶損壞、碰撞等事故。因此，定位移船系統(tǒng)在工程船設計和施工中尤其重要，而系泊船舶在風浪流綜合作用下的系泊力計算是定位移船系統(tǒng)設計的關鍵所在。

2 設計方法分析

目前，船舶設計者一般都是按照舾裝數(shù)來確定錨及系泊設備。然而，許多工程船并不是簡單地在錨地拋錨，而必須在規(guī)定的工地、規(guī)定的海況下進行拋錨定位作業(yè)。因此，對于該類型的工程船，采用抓持力法來確定錨泊系統(tǒng)為好。所謂抓持力法，就是根據(jù)錨及錨索鏈在海底所提供的抓持力與作用在船舶上的環(huán)境載荷平衡條件，來確定錨及錨索鏈尺寸。這樣，準確的計算作用在船舶的環(huán)境載荷就顯得十分重要。另外，確定環(huán)境載荷之后也可以更經(jīng)濟的配備移船絞車、工作錨以及系泊鋼絲繩。

計算作用在船舶上的環(huán)境載荷的方法，主要有靜態(tài)經(jīng)驗公式估算和動態(tài)時域模擬仿真兩種。其中，靜態(tài)計算的方法簡單，可用的經(jīng)驗公式也很多，但不同的公式適用范圍不同，精度有限；動態(tài)分析的方法使用水動力計算軟件如AQWA、ARAINE等進行動態(tài)模擬，精度較高但成本也高。實際設計中，由于普通工程船的作業(yè)環(huán)境（港口或遮蔽水域作業(yè)，一般波高不超過0.5 m）都比較溫和，波浪動態(tài)影響較小，故用靜態(tài)計算的方法能滿足工程要求。本文通過檢索國內外已有的系泊力靜態(tài)計算公式，對其進行比較分析，以期得出工程船定位移船系泊力的合理計算方法，為工程船定位移船系統(tǒng)設計提供參考。

3 系泊力計算

3.1 《海船系泊設備配置設計通則》（CB/T 3911-1999）

《海船系泊設備配置設計通則》主要用于海洋船舶系泊屬具的選型，附錄中給出了作用在大型船舶上外力的計算方法，計算公式如下：

（1）風壓阻力

Ra = KaVa2Aa kN （1）

式中：Ka = 0. 000 720 8 （橫方向）， 0.0004207 （縱方向 ） ；

Va ——相對風速，m/s；

Aa——水線以上受風部位的投影面積，不計梁拱、舷弧和縱傾，m2。

（2）水流阻力

Rw=1.188 6×0.001×Aw（（Vw+Vs）2+0.33（Vw+Vs）） kN （2）

式中： A w——設計船舶的浸水面積，m2；

Vw——水流速度，m/s；

Vs——移船速度m/s。

（3）形狀阻力

Rv=0.717 8As（Vw+Vs）2 kN （3）

式中：As——水線以下側向投影面積，m2。

（4）推進器阻力

Rp=0.25 89D2（Vw+Vs）2 kN （4）

式中： D——螺旋槳直徑，m。

（5）總阻力

R=[（Ra+Rv）2+（Rw+Rp）2]0.5 kN （5）

3.2 《港口工程荷載規(guī)范》JTJ 215—1999

《港口工程荷載規(guī)范》主要用于港口工程設計，規(guī)范中給出了船舶所受環(huán)境力的計算方法，計算公式如下：

系泊船舶所受環(huán)境力：F=FW+Fc （6）

FW=49.0×10-5AV2wξ （7）

FC=Cρ/2VC2S （8）

式中：Fw、Fc——風力、水流力引起的船舶系泊力（kN）；

A ——水面以上船體縱向受風面積（m2），與船型和裝載情況有關；

Vw、Vc ——風速、水流速度（m/s）；

ξ ——風壓不均勻折減系數(shù)，與船舶水面以上最大輪廓尺寸有關，取ξ=0.6～1.0；

C ——水流力系數(shù)，與雷諾數(shù)、船舶方形系數(shù)、吃水等因素有關；

S ——船舶水面以下的表面積（m2）。

3.3 《內河工程船舶工作錨質量計算指南》（2005）

該指南主要用于滿足《鋼質內河船舶入級與建造規(guī)范》規(guī)定的絞吸挖泥船、斗輪式挖泥船、鏈斗挖泥船、抓斗挖泥船、起重船和打樁船工作錨質量計算，其計算公式如下：

（1）對起重船和打樁船系泊系統(tǒng)的總環(huán)境力：

F=R1+R2 （9）

R1=705V2Am （10）

R2=1.2qA （11）

（2）首邊錨質量

應不小于M=0.103（R1+R2）/K （12）

式中：R1——水流力（kN）；

R2——風阻力（kN）；

K——選用錨的錨抓力系數(shù)；

V——水流速度（包括絞纜速度）m/s，取2.15 m/s或按設計要求確定；

Am=B·d，其中B為船寬（m），d為吃水（m）。

q——風壓，一般取170 N/m2，

A——水線以上船舶側投影面積，取實際的0.6倍，m/s。

3.4 日本《工程船舶設計基準》

日本的《工程船舶設計基準》中對工程船的移船絞車和工作錨有明確規(guī)定，起重船移船絞車的拉力按船舶中心線30°方向受到風和潮流的作用，其計算公式如下：

（1）移船絞車的總拉力

T=Qa+Qw （13）

Qa=C·q·Aa·Ka （14）

Qw= ρ·V2·1.2Aw·Cw （15）

（2）工作錨質量

應不小于M=T/（0.87K） （16）

式中：Qa——風力（kN）；

Qw——風阻力（kN）；

C——風力系數(shù)，平面取1.2；

q——風壓， ；

v ——為風速（m/s）；

h——受風面距水線的高度，小于15 m者取15 m；

Aa——水線以上船體正投影面積，m2；

Ka——風向影響系數(shù)，取1.2；

ρ——海水密度，g/cm3 ；

V——絞纜速度+潮流速度，潮流速度一般取1. 56 m/s ；

Aw——水線以下正投影面積，m2；

Cw——阻尼系數(shù)，取1.4。

3.5 石油公司國際海事論壇（OCIMF）《超大型油船的風載和流載計算方法》

石油公司國際海事論壇組織通過一系列大型油船的模型試驗，提出了大型船舶的環(huán)境載荷計算公式，在船舶系泊設備設計、碼頭設施配置等方面得到了廣泛的應用。 其計算公式如下：

（1）風載荷：Fxw=1/2Cxwρwνw2AT kN （17）

式中：Cxw——風力系數(shù)，按推薦圖譜選??；

ρw ——空氣密度（g/cm3）；

νw——風速（m/s）；

AT——受風面積（m2）。

（2）流載荷：Fxc=1/2Cxcρc νc2LBPT kN （18）

式中：Cyc——流力系數(shù)，按推薦圖譜選取；

ρc——水密度（g/cm3）；

νc——流速（m/s）；

LBP——船體兩柱間長（m）；

T——吃水（m）。

3.6 計算結果

用以上5種方法，對一艘總長89.6 m、寬36 m、型深7 m、設計吃水3.82 m的1 500 t沿海起重船進行系泊力計算：作業(yè)環(huán)境條件取極限風速20 m/s（相應風壓約250 Pa），作業(yè)區(qū)流速取極限流速3 kn即1.56 m/s，移船速度0.2 m/s；同時對一艘總長55.5 m、寬23.0 m、型深4.5 m、吃水2.9 m的500 t起重船進行計算：作業(yè)環(huán)境條件取極限風速16 m/s（相應風壓約170 Pa），作業(yè)區(qū)流速取極限流速3 kn即1.56 m/s，移船速度0.2 m/s。計算結果如表1所示。

4 分析及結論

通過對以上公式的計算結果及分析，可以看出：每一種計算公式的側重點不同，考慮的因素也不同，系泊力計算結果差異較大，最大差異甚至接近1.8倍。因此，需要從公式組成和表達形式上進行分析和甄選，尋求適合工程船定位系統(tǒng)使用的系泊力計算公式。

對于風引起的系泊力計算，各計算公式是依據(jù)流體力學流體壓力計算原理，取風壓和受風面積的乘積，并考慮一定的因素影響系數(shù)，這種表達形式得到廣泛認可。但是各公式考慮的風向角和風力系數(shù)各不相同，日本《工程船舶設計基準》取30°風向角和較大的風力系數(shù)，其他各公式均取橫向90°風。從計算結果來看，各公式計算結果存在差異，規(guī)律也不是很明顯，但《超大型油船的風載和流載計算方法》計算的風載荷基本為各公式計算風載荷的中間值，而且該方法的風力系數(shù)是通過多條船的風洞試驗得到，可信度較高。

對于水流引起的系泊力，各公式采用的計算原理和表達形式有較大的差異：《港口工程荷載規(guī)范》采用對船舶浸水表面摩擦阻力的表達形式，故計算結果最??；《內河工程船舶工作錨質量計算指南》、日本《工程船舶設計基準》、《超大型油船的風載和流載計算方法》采用同風作用相似的流體壓力理論計算其形體阻力（動水壓力），但《內河工程船舶工作錨質量計算指南》、日本《工程船舶設計基準》都是取正向的受流面積乘以一定的系數(shù)計算流力，只有《超大型油船的風載和流載計算方法》可以取縱向受流面積計算得到橫向流力，故三者的計算結果也存在一些差異，但日本《工程船舶設計基準》計算時在流速中疊加移船速度比較合理；《海船系泊設備配置設計通則》認為水流力引起的系泊力包括形體阻力和水流摩擦力，而且形體阻力也是取側向受流面積計算的，故方法計算的系泊力最大。

實際作用于船舶上的水流力可能存在摩擦阻力、形體阻力和興波阻力，不同情況下這3 種阻力成分不同，一般而言船首或船尾方向來流以摩擦阻力為主，而水流來自船舶側向時，以形體阻力為主。海況溫和時移船興波阻力相對較小，通常不計。

對于工程船的系泊力計算來說，靜態(tài)計算只要得到某一時刻最大系泊力即可根據(jù)該系泊力來安全的配置定位移船設備，而計算結果顯示形體阻力遠遠大于摩擦阻力，故水流力計算時考慮最惡劣情況時的形體阻力即可。

綜合以上各種計算方法，個人認為石油公司國際海事論壇《超大型油船的風載和流載計算方法》考慮因素比較全面，橫向90°風、流方向的計算結果比較合理，可以用來初步確定工程船定位移船時的系泊力大小。但對于計算中使用的作業(yè)環(huán)境條件如風速、流速（取實際流速疊加上移船速度）應根據(jù)工程船實際作業(yè)工況予以明確。

參考文獻

[1]王丹. 工程船舶錨泊系統(tǒng)分析與應用. 武漢理工大學碩士論文，2007

[2]周奇才. 大型工程船舶錨泊移位系統(tǒng)研究. 中國航海，2009年第2期

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[4]中國船級社. 內河工程船舶工作錨質量計算指南.2005

[5]日本工程船舶設計標準編訂委員會.工程船舶設計標準.1971

[6]石油公司國際海事論壇（OCIMF）. Mooring Equipment Guidelines 3rd .2008

[7]石油公司國際海事論壇（OCIMF）. Prediction of Wind and Current Loads on