内河船舶系泊布置设计研究

2021-03-01何夏茵

船舶 2021年1期

吴彬俞赟何夏茵

（中国船舶及海洋工程设计研究院上海200011）

引言

近年来，内河水运越来越受到国内的重视，内河航运的发展将成为我国经济发展强有力的重要支撑点，也是我国一个整体的战略目标和重要的对策［1］。内河水运具有运量大、运价低、能耗省、占地少、污染轻以及安全等独特优势，适合长距离大宗货物运输，是综合运输中最符合可持续发展战略要求且最节约能源和资源的绿色运输方式，为区域经济社会发展作出了重要贡献［2］。

内河航运不断发展，在带动区域经济发展的同时，也使内河船舶数量日益增多、航行密度不断增大；而内河河道弯曲、水文复杂，使内河船舶航行安全日趋严峻，船舶碰撞事故时有发生［3］。保证船舶的安全，除保证其航行安全之外，也要保证船舶在码头时的系泊安全。在恶劣的环境条件下，系泊船舶对码头的撞击既可能造成缆绳断裂和船舶结构损伤，也可能引发危及码头安全等相关事故［4］。

本文以某型三峡升船机船型滚装船所设计的系泊布置的特点为例，探讨内河船舶系泊布置设计方法和设计要点。

1 限制条件

内河船舶因其自身的特点，在设计系泊布置时，应考虑以下限制条件：

（1）船舶设计的总体布局需求，即系泊布置功能区的范围限定。

（2）船舶靠离码头的使用需求。内河船舶停靠的码头多为浮式趸船码头，图1所示为某型内河船舶靠泊时船尾超出浮式趸船码头范围。

图1 某型内河船舶靠泊时船尾超出浮式趸船码头范围

（3）船舶通航船闸或通航升船机的使用需求。内河船舶的营运航线可能会经过船闸或升船机，如长江流域的葛洲坝船闸和三峡升船机、珠江流域的长洲船闸和岩滩升船机、闽江流域的沙溪口船闸和水口升船机等。图2所示为按间距设置浮式系缆桩的船闸闸室，图3所示为按间距设有系缆桩的升船机承船厢。

图2 按间距设置浮式系缆桩的船闸闸室

图3 按间距设有系缆桩的升船机承船厢

2 设计方法

2.1 环境条件的确定

内河船舶的系泊布置设计，与其靠泊码头的环境条件息息相关。

按中国船级社《钢质内河船舶建造规范》（2016），以下简称《钢内规》，不同航区航段的水流和波浪情况见表1。［5］

表1 航区航段分级

按可查得的风速与有义波高的关系表，有义波高2.0 m对应的风速为10 m/s，有义波高1.25 m对应的风速为8 m/s，有义波高0.5 m对应的风速为4 m/s。

2.2 舾装数计算

按《钢内规》，舾装数计算的主要要求和公式如下：

各种航行装载工况下船舶的舾装数N应按式（1）计算确定。

式中：Ls为计算工况下的水线长度，m；B为船宽，m；ds为计算工况下船舯处的吃水，m；b为上层建筑、甲板室围壁、装载集装箱等货物（如有时）在船舶横剖面上的最大投影宽度，m；H为在船体中纵剖面处计算工况吃水线以上主体及上层建筑（甲板室）各层宽度大于B/4舱室、装载集装箱等货物（如有时）在船舶横剖面上的投影高度之和（不重复计入），m；S为计算工况吃水线以上主体及上层建筑（甲板室）的侧投影面积，m2；K1、K2为系数，按《钢内规》第1篇第3章第4节3.4.2.1，根据航区、船长、船型、流域等的不同进行选取。

跨航区船舶，舾装数取不同航区计算值之大者。［5］应特别注意：《钢内规》（2014）第 1篇第3章第4节3.4.2.1中，舾装数计算公式的ds为满载设计吃水，系数K1和K2的取值与《钢内规》有很大差异；而《钢内规》（2019修改通报），将系数K1和K2的取值又作了调整。

2.3 系泊设备的选型

按《钢内规》，系泊设备选型的主要要求如下：

（1）船上所配备的系船索应根据舾装数按《钢内规》第1篇第3章第4节3.4.3.1规定的最小破断拉力选取。系船索的数量根据船舶种类和营运条件确定，若船东要求，可适当增加或减少。

（2）系船索可以是钢丝绳、植物纤维绳或合成纤维绳。

（3）系船索的长度应根据船舶种类和营运条件确定。

（4）系缆桩的数量应根据船舶种类、营运条件和结构形式确定。舷墙上应开设导缆孔，孔与桩之间需相互偏移足够距离；如果无舷墙或舷墙较高，则应设导缆钳。

（5）系缆桩、导缆钳等系泊设备应根据所选配的系船索尺寸和破断力选用相应标准尺寸。如若自行设计，则按所选配的系船索的破断力进行强度计算，其许用应力应不大于材料屈服极限的95%。［5］

针对上述要求，系泊附件建议优选ISO标准，依据清晰、选型明确、给出强度计算方法。如带缆桩标准ISO 13795，经研究，带缆桩设计可靠，在腐蚀和磨损方面均妥善考虑，从而提高船舶的安全性，减少船舶事故方面的经济损失。［6］

2.4 系泊布置设计和限制条件的匹配

内河船舶的系泊布置，应根据限制条件，进行合理设计。

2.4.1 与船型总体布局匹配

模型预测控制(Model Predictive Control, MPC)能够有效处理非精确建模的多变量非线性动态系统，被看作是处理随机多阶优化问题的有效手段之一，从而在供应链管理领域中得以有效应用[1-8]。MPC可以通过一个优化函数有效跟踪渠道的库存水平以满足客户需求，该被优化目标函数可以是供应链绩效的一个适当的测量值。在存在干扰和随机需求下，模型预测控制可以实现供应链的稳定性和鲁棒性。

按《钢内规》的设计要求，以船舶相应的航区、航段、船长、船型和流域等信息，进行舾装数的计算和系泊设备的选型，确定系船索的数量和最小破断负荷。

按船型进行总体布局设计，确定系泊功能区的位置和大小，以确定的系船索数量和最小破断负荷，初步设计船舶的系泊布置。一般说来，船舶首尾区域在全船宽范围内都应划定为系泊功能区，系泊功能区的长度按船型不同相对差异较大，但应至少满足较为适宜的系泊布置，并应考虑系缆操作的方便性和船员通道的安全性。

2.4.2 与码头系泊匹配

内河船舶的营运航线较为固定，应充分了解船舶停靠码头的允许系泊情况，对初步设计的系泊布置进行适当调整。此时，应充分考虑到如图1所示的情况：浮式趸船码头因泊位空间有限，在多船同时靠泊码头时，易出现船舶停靠时其船首或船尾超出码头范围的情况。因此，有必要在船舯区域增设系泊功能区，使码头系泊更为可靠和稳妥。

2.4.3 与通航船闸或升船机匹配

内河船舶的营运航线在不同的水域，通航的船闸或升船机也不尽相同，船舶往往需要在船闸闸室或升船机承船厢内进行系缆操作。船闸闸室一般为垂直水泥壁，其内按间距设置浮式系缆桩，如前页图2所示；升船机承船厢为自带钢质护舷的钢制结构，其平台上按间距设有系缆桩，如前页图3所示。按照船舶所通航的船闸闸室或升船机承船厢内的系缆桩布置（如通航升船机，则应匹配船舶主尺度），基于已匹配码头情况的系泊布置，再进行适当调整；对于船舯区域设置的系泊功能区，应注重与系缆桩布置相匹配，从而兼顾船闸闸室或升船机承船厢内的系缆操作的方便性，并充分考虑船闸闸室内船对船临时系泊的系缆操作的方便灵活。

2.4.4 系泊计算复核（可选）

《系泊设备指南》（MEG4）［7］中的系泊计算，是对船舶系泊布置设计与环境条件进行的匹配计算，方法是通用的。虽然其描述是适用于液货船，但对其他船型同样具有指导意义。

按上述设计确定最终系泊布置后，以《钢内规》所要求的环境条件为基准，复核系泊布置是否满足设计需求，《钢内规》对系泊计算，未有相关要求或计算公式。参照《系泊设备指南》（MEG4）中的相关内容，公式如式（2）至式（7）所示［7］，坐标体系见图2。

式（2）至式（7）中：FXw和FXc为纵向风力和纵向流力，N；FYw和FYc为侧向风力和侧向流力，N；MXYw和MXYc为偏转风力矩和偏转流力矩，N·m；CXw和CXc为纵向风阻系数和纵向流阻系数；CYw和CYc为横向风阻系数和横向流阻系数；CXYw和CXYc为偏转风力矩系数和偏转流力矩系数；ρw和ρc为空气密度和水密度，kg/m3；Vw和Vc为风速和流速，m/s；AT和AL为船舶的正投影面积和船舶的侧投影面积，m2；LBP为船舶的垂线间长，m；T为船舶的吃水，m。［7］

图4 《系泊设备指南》（MEG4）规定的系泊计算坐标体系

综上所述，内河船舶因航区、航段、船长、船型、流域等的不同，依自身特点，除了在船舶首尾区域设计系泊布置外，船舯的必要区域也应按需设计系泊布置。

3 实船案例

根据上述设计方法，下文以笔者参与设计的某型三峡升船机船型滚装船实船案例，探讨内河船舶系泊布置的设计要点。

3.1 主尺度

该型船的主尺度见下页表2。

3.2 舾装数计算值及系船索的规范选型

根据《钢内规》的舾装数计算公式，即式（1），该型船的舾装数计算值为4862，在“序号37（4700～5000）”这一档，按“系船索选型表”，其应满足的要求见表3。

表2 某型三峡升船机船型商品汽车滚装船主尺度 m

3.3 系船索的实际选型及系泊布置设计

根据表3要求，该型船系船索的实际选型见表4，系船索均为钢丝绳。

依据表4，以该型船确定的系泊功能区的位置和大小来设计系泊布置，该型船设计的系泊布置如图5和下页图6所示。

表3 《钢内规》的系船索选型要求

表4 该型船的系船索的实际选型

图5 船舯的系泊布置

3.4 系泊计算复核结果

该型船的系泊计算，按表1确定风速为10 m/s；因内河码头的环境条件不考虑表1中的滩上流速，参照中国船级社的《钢质海船入级规范》（以下简称《钢规》）第2篇第3章第2节3.2.1.1中的假定最大流速2.5 m/s。按式（2）-（7）计算可得风力和流力，对船舶进行受力分析计算，码头情况的流力方向以正船尾或正船首考虑，风力方向以每30°进行考虑，对流力和风力进行叠加计算，以下页图7的典型码头系泊布置，得出该型船所需系船索（钢丝绳）的最小破断负荷为113.7 kN；查表4，选型满足。

图6 船尾和船首的系泊布置

图7 典型码头系泊布置

4 案例分析

4.1 规范探讨

规范要求是船舶设计输入的重要准则之一，其对设计系泊布置影响很大。除特别说明外，内河船舶的设计均应适用《钢内规》，应充分认识到内河船舶的设计与海船的设计存在显著差异。依笔者经验，《钢内规》对系船索选型的考虑主要可归纳为以下几点，内河船舶在设计系泊布置时应知悉。

（1）由于内河航道相对狭窄，内河码头空间有限，需要保证船舶具备较好的码头定位能力；内河船舶单程航行周期相对较短，空载靠泊码头的等待时间相对较长；故应提高船舶所受的侧向风力的因子系数，并需核算轻载和满载时的不同侧投影面积的影响，保证船舶在码头靠泊时具有足够安全性。

（2）《钢内规》指出，系船索的数量和长度、系缆桩的数量，应根据船舶种类和营运条件确定；这意味着内河的不同码头之间存在着硬件设施的差异，不同的船型所停靠的内河码头也有很大区别。因此，内河船舶的系船索选型应考虑现有同类型船舶的选型参考以及船东的用船经验和船舶所靠泊码头的允许系泊情况。

（3）《钢内规》对系船索的选型区分了其中（一）、其中（二）和其中（三），内河船舶的船长，可基于自身丰富的操船经验，根据当时船舶所靠泊码头的环境条件，选择其中（一）或其中（二）或其中（三）中的系船索进行带缆操作，在极端恶劣的情况下可同时使用。

4.2 系泊布置的设计要点

根据实船案例中系船索的实际配置和设计的系泊布置，结合我们的经验，对内河船舶系泊布置的设计要点总结如下：

（1）《钢内规》第1篇第3章第4节未指出锚泊设备和系泊设备选型所基于的环境条件，按其总则部分“航区航段分级表”中体现的有义波高（见表1）转换的风速为10 m/s，结合《钢规》所假定的最大流速2.5 m/s，即为内河船舶系船索选型所基于的环境条件。

（2）了解到内河船舶的系船索情况，钢丝绳被广泛采用，设计系泊布置时应充分考虑。钢丝绳的伸长率较小，在船舶带缆多根钢丝绳且均受力的情况下，船舶的位置基本上已被限定；而植物纤维或合成纤维的缆绳，由于伸长率相对较大，哪怕是在多根同时受力的情况下，船舶的位置仍会产生相对较大移动，这对于有限的内河码头空间是不利的。

（3）可对内河船舶系船索的实际选型进行计算分析，复核系泊布置的设计安全性；也可进一步基于设计的系泊布置，计算其可承受的最大环境条件，为船东的码头系泊提供指导。

（4）内河码头多为浮式趸船码头，因码头泊位空间有限，常出现船首或船尾超出码头范围的情况。此时，系泊布置的设计应重点关注船首钢丝绳首缆或船尾钢丝绳尾缆，在条件允许的情况下，超出码头的船首或船尾也应带好钢丝绳，进一步提高船舶在码头上的定位能力。

（5）针对滚装船型，在码头靠泊时，系泊布置的设计也应考虑车辆装卸的影响，包括车辆装卸的方便性和轨迹、车辆装卸时的船舶浮态等；且为了更好地提高船舶在码头上的定位能力，内河船舶基本上都是顶流靠泊。

（6）《钢内规》指出：系船索的数量、长度以及系缆桩的数量，均应根据船舶种类和营运条件确定；且如若船东要求，可适当增加或减少系船索的数量。据此，在进行系泊布置设计时，根据船型特点，应考虑船舶营运条件和所靠泊码头的情况，并与船东进行充分的沟通交流，确定系泊布置。每位船东都可能会有依据船型而形成的系泊布置习惯和带缆操作习惯，一般只要不出现明确的不合理性或与规范不符，都应满足船东的设计需求。

（7）内河船舶除了在船舶首尾区域设计系泊布置外，船舯的必要区域也应按需设计系泊布置，以更好地匹配码头系泊、船闸或升船机系泊和船对船临时系泊，使系缆操作更加便利。