用于应急拖带的巴拿马导缆孔选型问题研究

倪伟平,翟帅帅

(上海船舶研究设计院,上海 201203)

用于应急拖带的巴拿马导缆孔选型问题研究

倪伟平,翟帅帅

(上海船舶研究设计院,上海 201203)

针对应急拖带模式下的巴拿马导缆孔受力及其强度问题，从拖带模式和拖索角度入手设定导缆孔负载工况，借助有限元法，以导缆孔规格、孔体厚度、肘板数量为变量对导缆孔进行结构强度分析，同时考虑拖行限速的影响，根据应力分析为导缆孔的选型提供建议。

应急拖带，巴拿马导缆孔，强度校核，有限元法，拖行限速要求

随着应急拖带功能被广泛应用于散货船[1]，船舶在设计之初需考虑设置应急拖带设备，包括拖索、系泊属具等。

根据散货船共同规范要求，船舶配备的拖索力要远大于其系泊索作用力[2]，用于应急拖带的导缆孔将直接承受拖索的巨大负荷，导缆孔的选择至关重要。

目前国内最为广泛的导缆孔标准是(GB 11586-89)《巴拿马运河导缆孔》，但该标准没有给出相关导缆孔的安全载荷[3]，这为应急拖带导缆孔的选型带来困难。对于上述用于应急拖带的导缆孔，船级社大多要求船舶设计者提供导缆孔强度计算报告。很多船东担心现有规格的导缆孔不能够满足应急拖带的要求，而提出增大导缆孔规格的要求，其尺寸规格往往超出国标范围。

用于应急拖带的导缆孔选型问题颇为突出，但其归根结底是导缆孔在拖索作用时的强度问题。

1. 拖索作用力分析

根据应急拖带样本[4]，应急拖带基本模式为拖索一端与拖轮或者拖带船舶连接，另一端通过位于被拖带船舶上的导缆孔系于带缆桩或者系泊绞车之上。

导缆孔受拖索作用，包括水平作用和垂向作用。垂向作用分为向上和向下两种情况，其作用角度如图1所示[5-6]。水平作用于导缆孔的拖索，其水平夹角可根据拖带模式确定，这里假定在30°～90°之间。

图1 导缆孔受力示意

拖索作用于导缆孔时，与导缆孔孔体表面圆弧段产生接触，从而产生压力，见图2。假定该压力沿拖索直径在接触面上均匀分布，接触面长度可依照拖索角度确定。

图2 拖索作用力示意

拖索通常作用于导缆孔的中部，而导缆孔中部通常设有水平和向下支撑肘板。实际拖带过程中，拖索未必严格按照上述要求作用在有肘板支撑的部位，而是有一定的偏移量，其极限状态是拖索刚好作用于支撑肘板中间部位。此外，由于导缆孔在支撑肘板之间的部分相对薄弱，导缆孔在制作之初可根据实际需要增加支撑肘板。以设置2组肘板和4组肘板舷墙式导缆孔为例，可获得3组典型工况，如图3。第一组工况包括工况1-1、工况2-1及工况3-1；第二组工况包括工况1-2、工况2-2及工况3-2；第三组工况包括工况1-2′、工况2-2′及工况3-2′。

图3 导缆孔受力工况分析

2 应急拖带作用下巴拿马运河导缆孔强度分析

根据散货船共同规范要求，散货船要求配备的拖索力最大可达1 471 kN，拖索不考虑动态系数，假定拖索钢丝绳直径范围为50～60 mm之间，选取国标中BC450和BC500两型巴拿马运河导缆孔，由此获得以下数据，见表1。

借助有限元[7]法进行强度分析，其衡准为导缆孔在拖索作用时应力不超过材料的屈服极限，导缆孔材料屈服极限为230 MPa。

2.1 第一组工况强度计算结果分析

当拖索作用于肘板支撑的部位时，其应力最大点出现在肘板处，孔体表面应力相对较小，具体见表2。BC500型巴拿马运河导缆孔有限元模型及水平载荷下的典型应力云图，见图4。

表1 导缆孔压力载荷计算

表2 第一组工况强度计算结果

图4 有限元模型及应力云图

应急拖带力达到最大要求时， BC450型导缆孔的强度基本达到极限，BC500型导缆孔还有一定的裕度。拖索对导缆孔的水平作用大于垂向

作用，而垂向作用中，向下作用大于向上作用。当拖索水平夹角在30°～90°之间变化时，其水平合力减小，对导缆孔的作用也相应减小，拖索夹角在45°左右时，对导缆孔的要求最为苛刻。

2.2 第二组工况强度计算结果分析

如表3所示，当拖索作用于导缆孔水平肘板和垂直肘板之间时，孔体表面应力高度集中，并高于材料屈服极限，而肘板应力相对较小，肘板对孔体的支撑作用不明显。导缆孔在支撑肘板区域属于薄弱环节，因此建议在应急拖带作业中，拖索定位应尽量避开该区域，以免对导缆孔造成致命伤害，影响拖带。

表3 第二组工况强度计算结果

2.3 第三组工况强度计算结果分析

针对上述分析结果中导缆孔所暴露出的问题，可通过增加肘板密度来提高导缆孔的强度，其计算结果见表4。

表4 第三组工况强度计算结果

从上述数据可以看出，对于设置4组肘板的导缆孔，拖索作用于支撑肘板之间的区域时，孔体表面应力有所减小，降幅约10%左右，但依然高于或接近材料极限。由于新增肘板的设置，使得导缆孔薄弱区域明显减小。

2.4 其他情况强度计算结果分析

此外，在应急拖带属具的选择过程中，有的船东会提出增大导缆孔形式，以此增加应急拖带的安全性。其途径包括增大导缆孔型式或者增大导缆孔孔体厚度，例如选用BC600巴拿马运河导缆孔，增大导缆孔孔体厚度至45 mm。本文以国标为基准，给出BC600导缆孔基本尺寸的参考型式，见表5，同时就增大导缆孔孔体进行分析，详见表6。

表5 BC600导缆孔基本尺寸

表6 其他情况强度计算结果

对于BC600导缆孔，当拖索作用在水平和垂直肘板处，满足强度要求，并有很大的裕度，此时肘板对导缆孔的支撑作用是显而易见的。但是当拖索作用于肘板之间的部位时，孔体厚度虽然有所加大，拖索作用反而加重，此时支撑肘板对于改善孔体薄弱区域的影响不大。随着导缆孔孔体尺寸增大，导缆孔重量会大大增加，对于小型船舶而言，反而是不利的。

根据计算可知，单纯增加导缆孔孔体厚度对于提高导缆孔强度效果并不明显，如果同时增加支撑肘板密度则可有效增大导缆孔强度，或可满足最为苛刻的工况要求。

3 拖行限速要求对导缆孔强度分析的影响

船舶实际运营中，如遇应急拖带，则需要根据天气和海况限速，这一要求意在降低船舶拖带阻力，提高拖索的安全载荷。中国船级社发行的《海上拖行指南》对船舶阻力和拖带力有明确要求，天气适度时，拖索力至少是拖行阻力的3倍，即拖索安全载荷为3；恶劣天气时，拖索力至少是拖行阻力的5倍，拖索安全载荷为5。图5清晰地表达了船舶阻力和拖带力的关系，其中拖带力最大不超多500 kN。

图5 拖行阻力与拖带力

基于上述要求，拖带作用时，无论上述哪种工况，BC450型、BC500型导缆孔都完全满足强度要求，可不必增大厚度。

4 结论

用于应急拖带的巴拿马运河导缆孔可根据拖索力进行选择，当拖索力小于1 471 kN时，可采用BC450及以下规格；当拖索力为1 471 kN时，建议采用BC500及以上规格的巴拿马运河导缆孔；导缆孔根据需要增加支撑肘板以提高导缆孔强度，同时通过加大肘板密度改善拖索的施力位置，降低对导缆孔的作用。基于国标，BC600型巴拿马运河导缆孔无论在尺寸还是孔体厚度上都有较大变化，更适合大型船舶。

拖索力不变时，增大导缆孔型号可以有效降低拖索对导缆孔的破损。但拖索作用位置对导缆孔的破坏作用是至关重要的，因此建议拖索尽量作用在有肘板支撑的部位。

有限元方法本身受模型、载荷加载方式等因素限制，其计算结果往往与现实有一定的差异，但综合考虑其衡准原则，该校核方法是偏保守的。

拖行限速要求的实施，可以大大降低拖索力，从而保证导缆孔的正常工作。

本文借助有限元方法对应急拖带作用时巴拿马运河导缆孔强度进行校核，为其选型问题提供了直接依据和合理建议，BC600型巴拿马运河导缆孔则增加了导缆孔规格，拓宽了选择范围。

[1] MSC.1/Circ.1255,Guidelines for owner/operators on preparing emergency towing procedures[S].International Maritime Organization,2008.

[2] IACS 002,Common structural rules for bulk carriers[S].International Association of Classification Societies,2012.

[3] GB11586-89.巴拿马运河导缆孔[S].国家技术监督局,1990.

[4] IMO, An example of “emergency towing procedures”.international maritime organization[S].IMO,2008.

[5] OCIMF.Mooring equipment guidelines (MEG 3)[M].Oil Companies International Marine Forum,2008.

[6] ISO 13729, Closed choks[S].International Organization for Standardization,2012.

[7] 刘兵山,黄 聪.Patran从入门到精通[M].北京中国水利水电出版社,2003.

Selection of Panama Canal Chock for Emergency Towing

NI Wei-ping, ZHAI Shuai-shuai

(Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute, Shanghai 201203, China)

Aiming at solving the selection of Panama Canal chock for emergency towing used on bulk carrier, the loadings and structural strength of the chocks in different towing patterns are analyzed by using the finite elements method. The towing line angles, acting positions, size of the chocks, thickness of the chock plates and the number of supporting brackets are considered as variable parameters in the strength analysis, and the towing limitation requirements are also taken into account. Some reasonable suggestions for selection of the chock are brought up based on the stress analysis.

emergency towing; Panama Canal chock; strength assessment; FEM; towing limitation requirement

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.011

2015-06-23

倪伟平(1981-)，男，硕士，工程师

U664.4

A

1671-7953(2015)06-0045-05

修回日期：2015-07-14

研究方向:船舶舾装属具结构分析与优化

E-mail: sd2@sdari.com.cn