45万吨超大型油轮系缆方式及安全作业试验研究

王长利，黄宣军，蒋冰，张先波

（1.中化泉州石化有限公司，福建 泉州 362103；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，中国交建海岸工程水动力重点实验室，天津 300222；3.国家海洋信息中心，天津 300171）

0 引言

随着国际石油海运量的高速增长，油轮的尺度和载重量也在不断增大，现役最主要的大型油轮以30万吨级为主，自2002年韩国大宇重工建造了4艘45万t双壳油轮后，大型油轮的规模也逐步向45万t超大型油轮发展。为此，国内多个30万吨级油轮码头结构均按可停靠45万t超大型油轮进行设计，如青岛港30万吨级原油码头、曹妃甸中石化30万吨级石油码头、宁波大榭中油燃料油码头30万吨级油码头、中化泉州30万吨级原油码头等。本文通过对45万t超大型油轮在风、波浪、潮流等外荷载联合作用下的系缆方式研究，揭示不同缆绳直径、缆绳材质对船舶系泊运动量和系缆力的影响，给出了船舶安全作业的波浪条件，为45万t超大型油轮的系缆方式提供科学指导，研究成果具有重大的现实意义和研究价值。

1 试验研究条件

1.1 船型参数

45万t超大型油轮的主尺度和运动特性分别见表1和表2。

表1 试验船型主尺度Table1 Principal dimension of thetest tanker

表2 运动特性参数Table2 Motion characteristic parameter

1.2 码头结构形式

码头采用蝶形布置形式，由1座工作平台、2座靠船墩和6座系缆墩组成，泊位长度为455 m，每个靠船墩上水平布置2个3 000H标准反力一鼓一板橡胶护舷，每个护舷的设计反力为4 400 kN。

1.3 系缆布置形式

试验缆绳规格为3种，分别是：

1）直径44 mm钢缆，破断力为1 070 kN；

2）直径52 mm钢缆，破断力1 470 kN；

3）直径52 mm组合缆（主要为钢缆，与缆钩连接处有15 m长的尼龙缆，尼龙缆直径为100 mm），组合缆的破断力仍接近1 470 kN。

其中，直径44 mm钢缆和直径52 mm钢缆的系缆方式为3-4-4-3，直径52 mm组合缆的系缆方式为4-3-3-2，系缆布置见图1。

图1 系缆布置图Fig.1 Mooring pattern

1.4 船舶安全作业条件

参考OCMIF制定的指导原则和以往油轮系泊试验的相关经验，大型油轮安全作业条件是船舶运动量的纵移≤±2.0 m，横移≤±2.0 m，升沉≤±0.5 m，横摇≤±2°；系泊缆绳最大允许拉力为缆绳破断力的50%；船舶对护舷的挤靠力不超过护舷的设计反力。

2 试验方法

1）试验设备及仪器：试验在60 m×40 m×1.0 m的大型水池中进行（见图2（a）），测量仪器包括：智能数据采集仪、波高传感器、六分量运动仪、32通道护舷缆力仪、小威龙流速仪等；

2）模型比尺：试验比尺按重力相似律及JTJ/T 234—2001《波浪模型试验规程》的有关规定进行设计[1]，模型比尺为 1∶79；

3）缆绳模拟：保证缆绳的长度和弹性相似，模拟的缆绳弹性曲线和理论曲线基本相似。缆绳的受力-伸长曲线按JTJ/T 234—2001《波浪模型试验规程》给出的公式算出（见图2（b））；

图2 船模及模拟曲线Fig.2 Thetanker model and simulation curves

4）护舷模拟：护舷模拟要保证模型护舷的反力-变位曲线及能量吸收曲线与原型满足相似（见图 2（c））；

5）船舶模拟：试验用船模与原型船满足几何相似、重量相似和动力相似；

6）波浪模拟：采用码头泊位处H4%波高，不规则波的频谱为JONSWAP谱。

3 试验结果

一般的船舶系泊试验中，相同波高及周期条件下，横浪对系泊船舶的影响比斜向浪和顺浪都要大，在船舶载度与水位组合中，满载与低水位的组合和压载与高水位的组合堪称系泊试验中的2种最不利工况组合。根据我国JTJ 211—1999《海港总平面设计规范》[2]的有关规定：“船舶装卸作业的允许波高为横浪H4%≤1.5 m，允许周期为T≤8 s，允许风速≤6级风”。为此，本试验研究的波浪条件采用90°横浪，试验波高H4%=1.2 m、1.5 m，周期T=7 s、8 s，试验工况示意图见图3，试验工况组合见表3。

图3 试验工况示意图Fig.3 Sketch of thetest condition

表3 45万t超大型油轮系泊试验工况Table 3 Mooring test condition of 450 000 DWT supertanker

基于上述试验条件，本文主要对试验结果中船舶运动量的横移量和横摇角，船舶缆绳的最大系缆力以及船舶对护舷的最大挤靠力进行分析[3－5]。

直径44 mm钢缆的试验结果见表4，直径52 mm钢缆的试验结果见表5，直径52 mm组合缆的试验结果见表6。

表4 直径44 mm钢缆的试验结果（系缆方式3-4-4-3）Table 4 Test resultsof 44 mm diameter steel lines(mooringmanner is3-4-4-3)

表5 直径52 mm钢缆的试验结果（系缆方式3-4-4-3）Table5 Test resultsof 52 mm diameter steel lines(mooringmanner is3-4-4-3)

表6 直径52 mm组合缆的试验结果（系缆方式4-3-3-2）Table 6 Test resultsof 52 mm diameter combination cables(mooringmanner is4-3-3-2)

由上述试验结果，船舶压载工况下，在相同3-4-4-3的系缆方式及波浪（H4%=1.5 m、周期T=7 s）、吹开风及涨潮流联合作用下，直径44 mm钢缆时，船舶横移量为0.95 m，单根缆绳系缆力最大为694 kN，超过缆绳破断力50%；增大直径至52 mm后，船舶横移量为0.74 m，单根缆绳系缆力为725 kN，尽管系缆力有所增大，但未超过缆绳破断力的50%，增强了船舶的作业能力。

此外，船舶压载工况下，在相同波高H4%=1.5 m、周期T=7 s的波浪、吹开风13.8 m/s及涨潮流0.85 m/s联合作用下，直径52 mm钢缆时，船舶横移量为0.82 m、横摇角为1.56°，单根缆绳系缆力最大1 018 kN；采用52 mm组合缆及系缆方式为4-3-3-2后，船舶横移量为1.09 m、横摇角为2.0°，单根缆绳系缆力最大为777 kN。由于组合缆的弹性变形大，船舶的运动量有所增大，但缆绳数量和最大缆绳拉力有所减小，相比之下也增强了船舶的作业能力。

4 结语

45万t超大型油轮在不同载度、不同水位及风、浪、流外荷载联合作用下，采用直径44 mm钢缆（系缆方式3-4-4-3），满足船舶安全作业波浪条件是H4%≤1.5m、T≤6 s；采用直径52 mm钢缆（系缆方式3-4-4-3），满足船舶安全作业波浪条件是H4%≤1.5m、T≤7s；采用直径52 mm组合缆（系缆方式4-3-3-2），满足船舶安全作业波浪条件是H4%≤1.5 m、T≤7 s。

单纯增大缆绳的直径，对减小船舶的运动量有所帮助，但并未减小缆绳的系缆力。通过增大缆绳的直径，增强缆绳的破断力，从而增强船舶的作业能力。相对于单纯钢缆，组合缆的弹性变形增大，使得船舶运动量有所增大，但缆绳的拉力比单纯钢缆时要小，且采用4-3-3-2组合缆的系缆方式后，不仅缆绳的系缆力有所减小，而且缆绳的数量有所减少以及船舶的作业能力有所提高，可以为今后超大型船舶系缆方式的选择提供参考。

[1]JTJ/T 234—2001，波浪模型试验规程[S].JTJ/T 234—2001,Wavemodel test regulation[S].

[2]JTJ211—1999，海港总平面设计规范[S].JTJ211—1999,Design codeof general layout for seaport[S].

[3]中化泉州石化项目配套码头工程青兰山水域1号泊位船舶系泊整体物理模型试验研究报告[R].天津：中交天津港湾工程研究院有限公司，2009.Overall physical model test report on ship mooring of Qinglanshan No.1 berth of Sinochem Quanzhou Petrochemical project supportingwharf engineering[R].Tianjin:CCCCTianjian Port Engineering Institute Co.,Ltd.,2009.

[4]中委广东石化原油及产品油码头工程30万吨级油轮系泊物理模型试验研究报告[R].天津：中交天津港湾工程研究院有限公司，2009.Physical model testreporton 300 000 DWTtanker mooringof China and Venezuela Guangdong Petrochemical crude oil and product oil wharf engineering[R].Tianjin:CCCC Tianjian Port Engineering Institute Co.,Ltd.,2009.

[5]中化泉州石化项目30万吨级原油码头工程船舶系泊物理模型试验研究报告[R].天津：中交天津港湾工程研究院有限公司，2010.Physical model test report on ship mooring of Sinochem Quanzhou Petrochemical 300 000 DWTcrudeoil wharf engineering[R].Tianjin:CCCCTianjian Port Engineering Institute Co.,Ltd.,2010.