石化码头系泊浮筒式防撞设施整体模型试验

王 鑫，张宁川

大连理工大学海岸及近海工程国家重点实验室，辽宁大连 116024

石化码头系泊浮筒式防撞设施整体模型试验

王 鑫，张宁川

大连理工大学海岸及近海工程国家重点实验室，辽宁大连 116024

物理模型试验是预测码头引桥、桥梁等防撞设施受力情况和防撞效果的主要手段之一。文章结合厦门港古雷作业区南2 号液体化工码头工程的防撞设施，介绍了系泊浮筒式防撞设施整体模型的试验方法及试验结果，并根据试验结果提出了系泊浮筒式防撞设施设计改进建议，研究结果对类似防撞设施建设具有参考意义。

码头；系泊浮筒；防撞；模型；试验

1 概述

为了满足大型油轮停靠要求，我国沿海地区建设的石油化工码头常采用离岸式布置，离岸码头通过引桥与陆地相连[1]，引桥上设有管廊带，布置各种输送石油化工产品的管道。为防止意外情况下船舶直接撞击到离岸式码头引桥支墩上，造成重大财产损失和海洋环境污染，在被保护引桥外围一定距离设置防撞设施是行之有效的方法[2]。

外围防撞设施有多种型式，按大类型划分通常可分为刚性防撞设施和柔性防撞设施，刚性防撞设施有防护桩、防护墩等型式，柔性防撞设施有系泊浮筒、防撞浮箱等型式。一旦船舶失控，首先撞击到设置的防撞设施上，因而可避免船舶直接撞击到被保护构筑物上，或者能够缓解船舶的撞击力，从而达到保护构筑物的目的。

厦门港古雷作业区南 2 号液体化工码头位于厦门东山湾东侧古雷经济开发区内。该码头所在海域水深、流急、浪高，工程地质复杂[3]。结合码头功能要求和所处位置环境条件，2号码头采用离岸圆沉箱墩式结构，码头平台总长 480 m，通过长 583 m 的钢引桥与陆上罐区相连，为防止钢引桥受到船舶的意外撞击，在引桥港池侧外围设有系泊浮筒式防撞设施，总体布置见图1。

这种系泊浮筒式柔性防撞设施利用系统变形和系泊缆的张力所做的功来抵消撞击船舶的动能，与之前常用的刚性防撞系统作用机理相差较大[4]。本文通过水池模拟试验，模拟该系泊浮筒式防撞系统的防护效果及系泊张力，对防撞设施设计提出了改进建议，研究结果对类似防撞设施建设具有参考意义。

图1 码头位置示意

2 防撞设施总体布置

厦门港古雷作业区南 2 号液体化工码头引桥防撞设施沿引桥方向布置在引桥的港池侧，防撞设施长 478 m，由浮筒、系泊锚及系泊链组成，见图2。浮筒共 21 个，每个浮筒长 18.0 m，直径 2.0 m，浮筒外包裹厚 1.0 m的泡沫材料以增大浮力，吸收船舶的撞击能量。浮筒之间相距 5.0 m，采用锚链相连。每个浮筒采用 4 根锚链系泊于海底，防撞设施两端也设有系泊锚链。

图2 防撞设施示意

3 模型试验方案

3.1 试验工况

根据浮式防撞设施的功能要求，需要测定包括以下工况时防撞设施的运动形态及系泊锚链的张力：

（1）极端高、低水位和设计高、低水位，重现期 50年波浪作用。

（2）设计高、低水位，5 000 DWT 化学品船满载下，以不同的法向速度撞击防撞设施。

（3）设计高、低水位，5 000 DWT 化学品船满载下，在逃逸波浪和海流 (V= 1.2 m/s）作用下，自由漂泊撞击防撞设施。

3.2 试验船型

参照JTJ 211-1-99《海港总平面设计规范》[5]，试验模拟船型主尺寸为：船体长 110 m，型宽 20.0 m，型深 9.9 m，吃水 5.9 m。

3.3 模型相似

本试验按照重力相似准则进行模拟，模拟比尺 1 :40。飘浮船体及浮筒系泊系统在波浪、水流共同作用下，主要受波流力、系缆力作用，其中波浪力和水流力应按重力相似进行模拟，系缆力受外力和惯性力的影响外，还受本身弹性特性的影响，因此在缆绳模拟时需要考虑弹性相似[6]。

3.3.1 飘浮船体及浮筒

按重力相似需要满足以下条件：

（1）几何相似：模型船、模型浮筒与原型船、原型浮筒保持线性尺度相似，模型制作完全以原型线形图按模型比例缩小。

（2）重力相似：在满足几何相似的模型中，采用配重方法，在适当位置放置适当的重物，使其符合不同载量时的重量要求。

（3）动力相似：重心、横摇及纵摇周期应符合相似条件。

3.3.2 锚泊缆绳

缆绳相似需要满足以下条件：

（1）几何相似：原、模型上的带缆点和锚泊点之间的距离相似。

（2）重力相似：原、模型缆绳单位长度重量满足重力相似要求。

（3）弹性相似：原、模型缆绳的受力—变形曲线满足相似条件，模型缆绳的受力—变形关系可用 Wilson公式计算[7]。

3.4 试验设备

试验在大连理工大学海岸及近海工程国家重点实验室波流水池中进行，该水池长 50 m，宽 24 m，深 1.2 m。波浪测量采用北京水科院研制生产的 DS30 型波浪测量系统,流速测量采用美国 Sontek 公司生产的 ADV 超声波三维流速仪,缆力测量采用北京水科院研制生产的船舶模型试验测量 DJ800 系统中的缆力拉力计，浮筒六运动分量测量采用南京水科院生产的 FL_08B 型微型重量接触超声波运动测量系统。

3.5 测试方法

原始波要素和流速测量是在模型放置之前的纯天然地形上进行的，在预定的浮筒设定位置处放置波高仪和流速仪，采用三次重复的平均值做为最终结果。对于缆绳，模拟使其受力/变形曲线与原型一致，试验时将在每根缆绳上施加 100 kN 预拉力，同步测量各缆绳上的拉力，取多组重复试验最大缆绳拉力的平均值为最终结果。对于浮筒运动量，采用六分量同步测量仪进行测量，以一个完整的不规则波系列（约 120 ～ 130 个波浪）中的最大值为该波列的运动量值，取多组重复试验的平均值为最终结果。

4 试验结果分析

4.1 波浪 + 水流共同作用于浮筒

4.1.1 波浪 + 水流作用时浮筒运动量

50 年重现期波浪 + 1.2 m/s 水流作用时浮筒运动量试验结果见表1。

表1 波浪 + 水流作用下，中间浮筒横向运动分量

从表1可看出，即使在 50 年重现期波浪 + 1.2 m/s水流共同作用下，浮筒最大位移也只有 4.5 m 左右，对柔性浮筒体系整体而言，其运动量不算大，表明系泊方案对浮筒的约束良好。

4.1.2 波浪 + 水流作用时系泊张力

50 年波浪 + 1.2 m/s 水流作用时浮筒系泊张力试验结果见表2。

表2 50 年波浪 + 1.2 m/s 水流作用时浮筒系泊张力

从表2可看出浮筒系泊端锚缆最大张力为 691.6 kN，浮筒间最大拉力为500.3kN，中间缆绳最大张力为624.9 kN，应根据测定的张力值设计系泊蛙锚重量。

4.2 船舶以一定速度正向撞击浮筒

试验时采用变频拖车与船舶用牵引绳连接，保持船舶以一定的速度正向撞击系泊浮筒。分别测试了不同撞击速度时浮筒的运动量及系泊张力。

4.2.1 船舶以不同速度正向冲击浮筒时浮筒运动量

分别测试了 5 000 DWT 船舶以不同的速度正向撞击浮筒链中间位置时中间浮筒的横向位移量。试验结果表明，船舶撞击浮筒中间位置时浮筒横向位移量最大，见表3。

表3 不同速度撞击浮筒中间部位时浮筒横移量

4.2.2 船舶以不同速度正向撞击浮筒时系泊张力

同样，分别测试了 5 000 DWT 船舶以不同的速度正向撞击浮筒不同位置时系泊张力，试验结果见表4和表5。

表4 不同速度撞击两浮筒中间部位时系泊张力

表5 不同速度撞击两浮筒之间部位时系泊张力

综合不同撞击部位的试验结果可以看出，船舶满载条件下以不同速度正向作用于浮筒系统时，最大约束拉力出现在浮筒之间的连接缆绳上。当船舶满载条件下以0.58 m/s 左右的速度正向作用于浮筒系统时，浮筒之间的连接缆绳上最大缆绳拉力平均水平可达 900 kN，该量值可能导致浮筒之间的连接缆绳断缆，为确保安全，船舶航速以不大于 0.4 m/s为宜。

4.3 船舶以自由姿态撞击浮筒

分析可知，波浪 + 水流 + 风 为最不利工况，此工况下船舶有无数种自由姿态。试验时根据工程实际需要，设定不同的船舶初始位置，在波、流、风联合作用下使船舶撞击浮筒。试验设计了4 种不同的最初撞击姿态，分别为：姿态一：船艏先撞击浮筒体系中心；姿态二：船艉先撞击浮筒体系中心；姿态三：船艏先以一定角度撞击浮筒体系中心；姿态四：船侧撞击浮筒体系边缘。对于 5 000 DWT 船舶满载时，在逃逸波高、流速为 1.2 m/s、风速 20、25、30 m/s 工况下，4 种不同起始撞击姿态对应的系泊张力最大值见表6。

表6 不同起始撞击姿态、不同风速时浮筒系泊张力

从表6可以看出，船舶自由姿态撞击浮筒体系时，风和流起到主要作用，逃逸波高以内的波浪对船舶自由姿态撞击浮筒体系时缆绳张力的贡献不大。

5 结论及建议

通过模拟试验结果可以看出，厦门港古雷作业区南 2号液体化工码头引桥防撞设施采用系泊浮筒式柔性防撞型式，在浮筒系泊稳定的条件下，可以阻止 5 000 DWT级船舶通过该水域，能够起到较好的防护作用。基于该防撞系统的试验结果，在具体实施时建议：

（1）5 000 DWT 级船舶在浮筒防撞设施附近行驶时航速应不大于 0.4 m/s。

（2）风速对系泊张力影响较大，需要重视风的作用，建议 5 000 DWT级船舶的逃逸风速定为 20 m/s。

（3）锚缆长度应根据水深调整，保证浮筒体系两端蛙锚能抵抗 800 kN 张力，迎浪侧蛙锚能抵抗 600 kN 张力。

（4）相对刚性防撞设施，系泊浮筒式柔性防撞设施防护范围大，对于类似石化码头引桥防护设计是较为适用的防撞方案。

[1]何小林,马辉.液体化工品码头平面布置 [J].水运工程,2008,（10）:120-123.

[2]高家镛,张甫杰,马雪泉.桥梁防撞设施模型试验 [J].上海船舶运输科学研究所学报,2011,3（1）:1-7.

[3]向军,陈磊.漳州港古雷港区南2#液体化工码头结构设计 [J].中国水运,2012,12（6）:29-30.

[4]陈徐均,黄光远,吴广怀，等.柔性浮式系统受撞后运动的算法及其收敛性[J].解放军理工大学学报（自然科学版）,2011,（5）：501-506.

[5]JTJ 211-1-99,海港总平面设计规范 [S].

[6]张日向,刘忠波,张宁川.系泊船在风浪流作用下系缆力和撞击力的试验研究 [J].中国海洋平台,2003,18（1）：28-32.

[7]马小剑,孙昭晨,张志明 .风流作用下码头系泊船舶缆绳张力及运动量研究 [J].水道港口,2010,31（3）:164-169.

2013年原油进口突破2.8亿t

2013年我国累计生产原油20 812.9万t，与前年相比基本持稳；原油进口量28195万t，同比增长4.03%。2013年我国煤炭、石油和天然气三大传统能源对外依存度呈现出普遍上涨格局，其中，煤炭进口依存度上涨至8.13%，天然气对外依存度上涨至30.5%，原油对外依存度达到57.39%，距离61%“红线”已经非常接近。

（本刊摘录）

Integral Model Test of Mooring Buoy Type Anti-collision Facilities of Petrochemical Wharf

Wang Xin,Zhang Ningchuan
Dalian University Of Technology,Dalian 116024,China

Model experiment is one of the main means for predicting loads and anti-collision effects on anti-collision facilities at wharf approach bridges and other bridges.Associated with the anti-collision facilities of Xiamen Gulei No.2 liquid chemical wharf project,this paper introduces the integral model test methods and test results of the mooring buoy type anti-collision facilities.Based on the test results,some improvement suggestions are put forward.The test results provide significant reference for the constructions of similar anti-collision facilities.

wharf;mooring buoy;anti-collision;model;experiment

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.01.003

王 鑫（1986－），男，山东东营人，大连理工大学硕士研究生，现从事石油化工码头的防撞研究工作。

2013-07-23