船舶系水鼓防台受力分析和工艺措施

摘要：系水鼓是船舶防台风的常用方法之一，文章对系水鼓防台时的船舶受力情况进行了分析，系水鼓防台时船舶可能同时受到风作用力、水流作用力、波浪作用力的作用，当三者同向同时冲击船首时，即是船舶的最危险状态，对这种状态的受力提出了计算方法，同时提出了船舶系水鼓防台的工艺措施。

关键词：系水鼓；风作用力；水流作用力；波浪作用力；工艺措施

中图分类号：U676文献标识码：A

Force Analysis And Technical Measures of Doing Up Water Drum For Typhoon Combating of Ship

WANG Jiping

( Zhanjiang Haibin Shipyard,Zhanjiang 524000 )

Abstract: Doing up water drum is one of the methods commonly used in typhoon combating of ship,This paper analyses the force of ship when doing up water drum,The ship might be affected by wind force and current force and wave force at the same time when doing up water drum,It is the most dangerous state of ship When the three syntropy forces concussion the bow at the same time,And the calculating method for the forces is proposed, And put forward the technical measures of doing up water drum for typhoon combating of ship.

Key words: Water drum;Wind force;Current force;Wave forces;Technical Measures

在我国南方沿海地区，每年的6月至10月是台风多发季节，防台风几乎是所有船舶每年都要面对的一项重大考验，稍有不慎便可能造成财产和生命的重大损失，可见船舶防台措施的重要性，尤其是对船舶建造或修理单位而言，由于驻厂的船只多、船舶尚未完工或防台设备设施有限等因素影响，船舶防台任务更加艰巨。船舶抵御台风的方法有多种，其中系水鼓防台是比较常用的方法之一，以下对系水鼓防台的受力情况和工艺措施进行简要介绍。

1 系水鼓防台的前提条件

在确定采取系水鼓防台前，首先可通过查阅有关设计图纸找出满载排水量状态下船舶的最大抗风能力，若最大抗风能力无法抵御台风，则该船不能系水鼓防台，而必须上排、进坞座墩或前往无台风区域暂避。系水鼓防台的方法是：将钢丝绳或锚链穿过主甲板首部中纵剖面处的导缆孔，一端系在船上，另一端系水鼓。系水鼓防台时，船必须处于设计满载排水量状态。

2受力分析

系水鼓时船的受力情况比较复杂，可能同时受到风作用力、水流作用力和波浪作用力等危害力的作用，并且船的位置会随着风、水流、波浪的大小和方向的改变而变化。台风吹袭时，风作用力远比水流作用力和波浪作用力大，故风作用力是主要的。假设风向与船长成α夹角（根据经验可知α应小于90°），详见图1所示。风速V可分解成两个相互垂直的分量：与船长平行的分量V1；与船长垂直的分量V2。V1产生的风作用力与船长平行，推动船只远离水鼓；V2产生的风作用力与船长垂直，使船产生横向倾斜或绕着水鼓转。

图1风速V分解成两个相互垂直的分量

图2 船舶和系水鼓的受力状况

由上述分析可知，系水鼓防台时，船的危险状态有两种：

（1）横向倾覆。当风向与船长垂直时，船受到的倾覆力矩最大，此时最易发生横向倾覆；

（2）断缆。当风、水流和波浪三者同方向，并且与船长平行时，系水鼓钢丝绳或锚链承受的力最大。

对于横向倾覆危险状态，只能依靠船自身的抗风能力进行抵御，当船的抗风能力无法对抗台风时，不能采用系水鼓防台的方法，故不讨论此种危险状态。

断缆状态受力计算主要是对风作用力、水流作用力和波浪作用力的分析与计算。在满足工程安全计算的前提下，为方便计算，尽量简化力学模型，详见图2所示：A为船首出缆点，B为A在水平面的投影点，O为水鼓系点，F为钢丝绳或锚链的拉力，F1为F的水平分力，F2为F的竖直分力，Pw为风作用力，Pb为波浪作用力，PL水流作用力。由于在实际工作状态中，无法确定O点至水面的垂直距离（O点也有可能浸没于水中），故且假定O与B同处一水平面。

2.1风作用力Pw计算

假设各部位的受风面积和风作用力中心至水面的距离为：主船体受风面积S1，风作用力中心距水面Z1；上建受风面积S2，风作用力中心距水面Z2；主桅受风面积S3，风作用力中心距水面Z3…。受风面积和风作用力中心至水面距离的计算，可参照《船舶与海上设施法定检验规则》的有关要求进行，总受风面积S和风作用力中心至水面距离Z按下式计算：

S = k1S1+ k2S2+ k3S3+… m2（1）

Z =（k1S1Z1+ k2S2 Z2+ k3S3 Z3+…）/ S m （2）

式中：ki-满实系数，按《船舶与海上设施法定检验规则》的要求选取。

参照JTJ215-1998《港口工程荷载规范》中有关风载荷的计算公式，风作用力Pw可按下式进行计算：

Pw = kjkzSV2 / 1 600 kN（3）

式中：kj—风压增大系数，按表1选取；

kz—风压高度变化系数，按表2选取；

S—总受风面积（m2）；

V为风速（m/s），查设计图，取船能承受的最大风速。

表1海上风压增大系数

表2 风压高度变化系数

2.2水流作用力PL计算

参照JTJ215-1998《港口工程荷载规范》的有关计算公式，船正面承受的水流作用力可按下计算：

PL = 0.5CγSV2kN （4）

C = 0.46Re-0.134+b

Re = VL/v

式中：C—水流阻力系数；

Re—雷诺数；

b—系数，取0.15；

γ—水的密度（t/m3）；

S—船的湿表面积（m2）；

L—船的水线长（m）；

V—水流速度（m/s），根据锚地水文资料选取；

v—水的运动粘性系数，按表3选取。

表3水的运动粘性系数

2.3 波浪作用力Pb计算

参照JTJ213-1998《海港水文规范》的有关计算公式，船正面承受的波浪作用力可按下式计算：

Pb = 0.139γBHL tanh（6.28d/L） kN（5）

式中：γ—水的密度（t/m3）；

B—船的水线宽（m）；

H—浪高（m），根据气象预报选取；

L—波长（m），根据气象预报选取；

d—锚地水深（m），根据锚地水文资料选取。

2.4钢丝绳或锚链拉力F计算

根据以上的分析与计算，钢丝绳或锚链的拉力F可按下式计算：

F = F1/ sinθ kN（6）

cosθ= AB/AO

F1= Pw+PL+PbkN

3系泊设备的选择

（1） 若采用钢丝绳系水鼓，以拉力F作为工作负荷确定钢丝绳的型号与规格。在船上，钢丝绳系在带缆桩或眼板上（注：之前应对带缆桩、眼板及周围的船体结构进行强度校核）；

（2）若采用船上现有的锚链系水鼓，需校核锚链的工作负荷是否符合要求，并应充分考虑锚链的磨损、疲劳状况等，适当增加安全系数；

（3）以拉力F作为水鼓的工作负荷，选择合适的系泊水鼓。

4船体密性要求

（1）所有的水密门、风雨密门、舱口盖、人孔盖、舷窗等应完好；

（2）所有水密部位的临时开口，如设备出舱口、管子接口、电缆孔、工艺孔等应回装完，无法回装的需用盖或盲板封堵，达到水密要求；

（3）所有通海设备（如海底门、尾轴出口、放泄塞等）应回装完，或用盲板封堵；

（4）船体外板开口应回装完，焊缝密试完；

（5）所有可移动的物品应搬上岸，所有脚手架应拆除下船；

（6）恢复甲板疏排水系统的功能；

（7）恢复所有液舱的水密完整性，使其具备压载功能。

5船舶浮态调整

（1）要求将浮态调至设计满载排水量状态，横倾角小于0.5°，首尾吃水差小于1‰水线长。

（2）液舱压载：所有水舱、燃油舱和滑油舱都必须压载。原则上淡水舱压淡水；压载水舱压海水，若压载水管路系统尚不能使用，亦可压淡水；燃油舱和滑油舱应装载足够的燃油和滑油，供主副机使用，其余未装油料的舱压淡水；

（3）所有压载的液舱务必装满，不能存在自由液面，未压载的舱必须清干净舱内的水或油；

（4）加注压载水的原则顺序：由底层往上、由船舯向首尾展开；

（5）货舱应装满或用压载代替。

6船上防台设备的完整性

（1）配电系统、锚机、锚灯、主要部位的照明能正常使用；

（2）保证船上一台发电机组能正常使用，供电给锚机、锚灯和照明使用，否则必须配备一台功率合适的移动式发电机组代替；

（3）保证船上一台甚高频电台能正常作用；

（4）保证船上部分生活设施能正常使用；

（5）船上所有栏杆、绳索应安全可靠；

（6）应准备足够的堵漏器材、救生衣、救生圈、手电筒等。

7 总结

船舶防台事关重大，丝毫不能怠慢，应时刻掌握台风的位置变化和风速大小等情况。应根据船型特点认真分析与计算，全面详细地考虑防台风的工艺措施及其可操作性，及时充分做好准备，结合防台设备设施等条件选择合适的、经济的防台风方法。

参考文献

[1] 中华人民共和国海事局. 船舶与海上设施法定检验规则[S]. 2004: 235-

236.

[2] 中华人民共和国交通部. JTJ215-1998港口工程荷载规范[S]. 1998: 48-

86.

[3] 中华人民共和国交通部. JTJ213-1998海港水文规范[S]. 1998: 156-157.

作者简介：王继平（1974-），男，工程师。主要从事船舶建造和修理工作。

收稿日期：2013-12-02