缓冲吸能高性能组合缆技术应用

夏运强，李欣，王海峰，赵晶

（中国人民解放军91053部队，北京 100070）

0 引言

通常情况下，船舶码头系泊采用单一种类缆索，例如钢缆或纤维缆。纤维缆以合成纤维缆为主，包括普通缆绳（尼龙缆等）[1]和高性能缆绳。近年来，以超高分子量聚乙烯纤维缆[2]（UHMW-PE或HMSF）为代表的高性能纤维缆由于具备高强、轻质、低延性、良好的耐磨、耐辐射、耐腐蚀、耐温性等特点而得到广泛应用，我国舰船特别是大型舰船广泛配备使用。系泊用高性能纤维缆一般采用8股或12股编和复编结构。相对于尼龙缆的高延伸性（破断延伸率约20%），钢缆破断延伸率约2%，高性能纤维缆破断延伸率3%~5%，后两者延伸率均较小。低延伸率标志着缆绳刚度大，弹性低，缓冲吸能效果差，系泊船舶在波浪等动荷载作用下缆绳会产生相当大的冲击荷载，容易造成缆绳、带缆桩、导缆孔和码头系船柱等系泊设施的破坏，对船舶驻泊作业和码头设施安全造成威胁。船舶系泊海港码头作业时，系缆力通常是由风浪流等环境因素产生，其中波浪作用是主要因素。对于掩护条件良好的港口，波浪荷载可以不考虑，而对于开敞式码头或掩护条件差的港口，波浪荷载是影响船舶系缆安全的主导因素。研究解决高性能纤维缆抗冲击荷载能力差的问题，对保障船舶特别是舰船码头系泊安全具有重要意义。

1 缓冲吸能组合缆技术

1.1 组合缆原理

常用系泊缆索性能曲线见图1。

图1 常用系泊缆索性能曲线Fig.1 Performance curve of mooring lines in common use

在以油气运输行业为主的港口平面配置中，出于高安全性考虑，油轮、LNG和LPG码头一般与其他类别码头需保持一定安全距离，且通常情况下布置在开敞水域，受波浪作用等影响较大。

目前，100 000吨级以上油轮等系泊缆主缆索采用钢缆或高性能纤维缆，在靠岸侧配置一段具有较高延性的合成纤维缆，称作缆尾索，主缆索、缆尾索以及它们之间的连接件共同组成缓冲吸能组合缆，见图2。本文重点对主缆索采用高性能聚乙烯纤维缆的组合缆技术应用问题进行探讨。

图2 缓冲吸能组合缆应用图Fig.2 Application of buffering and energy-absorption combined cables

缓冲吸能组合缆的优势[3-4]体现在：缆尾索提供的附加弹性使船舶能对风浪流（包括船行波）等联合作用做出更迅速地反应，从而降低了系泊缆的动力负荷。在同样的作业情况下，缆尾索使得系泊缆索中的负荷更均匀。同时由于缆尾索提供的系泊缆伸长也降低了因潮差吃水变化，以及系缆操作上缺少对缆索的松紧调整次数和调整要求的精确程度所带来的潜在危险。

缆尾索的主要缺点：1）在系泊中可能成为船舶操作者不易明显觉察的薄弱环节，破坏试验表明，在较短的时间内，缆尾索的破断强度会有明显的降低；2）若缆尾索弹性过大，船舶会产生过度的运动，可能会影响船舶作业；3）由于缆索弹性吸能作用，一旦破断会出现强烈回弹，将增加对人员和设备的潜在危害。

1.2 组合缆应用指南

OCIMF（石油公司国际海事论坛）[3]对组合缆中缆尾索的设计和使用提供了较为明确的指导建议：1）缆尾索可以选用常规合成纤维缆，包括聚酯（涤纶）、尼龙（聚酰胺）、聚丙烯、聚乙烯等材质，但均需要满足强度和耐疲劳性要求；2）选用缆尾索湿态破断强度要比主缆索高25%~30%；3）组合缆使用过程中避免出现旋转扭曲，这会影响缆绳整体的耐疲劳性；4）缆尾索长度不要超过导缆孔与码头系船柱的距离，通常取11 m的倍数；5）为防止磨损，缆尾索与主缆索连接应采用专用连接卸扣，对高性能纤维缆与缆尾索的连接还可以采用牛结方式，如图3所示。但该方式会造成约15%的承载力损失，且不允许用于芳纶缆和钢缆。同时，缆尾索眼环采用保护套措施。缆尾索使用前应作例行检查，发现任何损伤迹象应立即弃用。缆尾索至少每18个月便应换新，除非经验或检查表明它们保证可用更长或更短时间。

图3 组合缆连接方式Fig.3 Connection mode of combined cables

油气行业船舶组合缆的应用，为解决舰船系泊高性能纤维缆抗冲击荷载能力差问题提供了有效研究思路。

2 缓冲吸能组合缆技术应用效果评估

部分学者对油气行业油轮系泊缓冲吸能组合缆技术应用开展了试验研究[3，5-13]，定性或定量分析评估了组合缆应用效果，典型案例列举如下。

2.1 案例一

刘宇在文献[8-9]中，运用optimoor系泊分析软件对300 000 t油轮靠泊开敞蝶形码头进行模拟计算，系缆采用4-4-2布缆方式，即艏艉缆各4根，艏艉横缆各4根，艏艉倒缆各2根，共20根缆绳。论文系统研究了系泊缆索属性对系泊安全的影响，对比分析了42 mm钢缆方案和42 mm钢缆与11 m长90 mm尼龙缆组合缆方案，钢缆方案预张力为0 kN，组合缆方案预张力取100 kN。在最不利工况即压载、设计低水位、横浪Hs=1.6 m、T=7.5 s和1.65 kn艉向流共同作用下，计算钢缆方案船舶运动量为：横移0.8 m，纵移0 m，升沉0.3 m，横摇1.4°；组合缆方案船舶运动量为：横移0.7 m，纵移0.2 m，升沉0.3 m，横摇1.4°，二者差别不大。前者最大计算缆力843.0 kN（艏横缆），后者最大缆力234.5 kN（艏缆），减小约70%，降幅显著。论文得出：采用组合缆可有效减小系泊缆索受力和船舶运动量，原因在于缆尾索常采用弹性远大于钢缆的尼龙缆，使得船舶对风、浪等外部荷载联合作用的反应更迅速，从而起到减小系泊缆索受力的作用。

2.2 案例二

OCIMF[3]中例举了107 000 t油轮靠泊蝶形码头，缆绳采用4-2-2布缆方式，主缆索采用高性能纤维缆，测试了在风浪流联合作用下船舶有无缆尾索（采用11 m尼龙缆）方案的缆力值，并对其中2条缆绳缆力历时曲线进行对比，见图4。由图可见，采用组合缆后，系泊缆力减幅非常显著，系缆A最大缆力由820 kN减小为370 kN，减小约55%；系缆B最大缆力由880 kN减小为280 kN，减小约70%。再次说明了缓冲吸能组合缆在减小系泊缆力方面的显著效果。

图4 有无缆尾索方案缆力历时曲线对比示意图Fig.4 Comparison diagram of cable force duration curve with&without mooring tails

3 相关问题探讨

关于组合缆应用技术目前仅用于油气行业领域，理论上该技术可以推广到其它类型码头，主要应用于驻泊环境条件较为恶劣的港口码头，例如风浪掩护条件差的码头、深水开敞码头等。但由于船舶类型、码头形式、作业要求等不同，可能会影响组合缆的使用效果。另外，主缆索和缆尾索材质（性能）、长度、连接件型式等也需开展进一步针对性深化研究。

3.1 船型及码头形式影响

集装箱船、滚装船、杂货船、舰船等船型和系缆设施配置与油轮差别较大，不同类型民用船舶码头装卸作业船舶允许运动量[14]差别也较大，通常情况下，其他类型船舶的允许运动量要求高于油轮。另外，油轮码头多采用专用蝶形码头，其它类型码头多为一字形码头，系缆方案包括缆绳根数、长度和角度等有较大区别。

3.2 组合缆性能等参数影响

对于超高分子量聚乙烯纤维缆，新缆绳首次使用时其性能曲线（应力-变形曲线）曲率特征明显；缆绳首次工作后，该曲线基本为直线，即近似处于线弹性工作状态，强度增大，延伸率减小，见图5。通常情况下，缆绳出厂时需要进行预拉，预拉力按照不超过50%MBL（最小破断负荷）控制。船舶系泊使用时，缆绳应处于工作状态。当施加缆力超过70%MBL时，缆绳会发生明显蠕变，导致强度损失和性能降低，安全性会受到较大影响。因此在实际使用时，要控制其最大缆力在许可范围内（OCIMF建议取75%MBL），否则要及时更换缆绳或采取其它措施。目前油轮缆尾索多采用尼龙缆，尽管其具有较理想的延伸性能，但也具有低湿态强度和低疲劳寿命的缺点。另外缆尾索长度模数与组合缆缓冲吸能效果关系紧密，需要在组合缆缆绳材质选型及模数确定方面开展研究工作。

图5 超高分子量聚乙烯纤维缆性能曲线Fig.5 Performance curve of HMSF

3.3 组合缆连接件方案

组合缆连接件是组合缆的重要组成部分，需要保证主缆索和缆尾索2种不同材料性质缆绳能够安全有效地连接，本身要满足结构强度要求且质量也要尽可能小，并且要采取措施防止缆绳磨损情况发生。连接件一般采用金属材料制作，其结构强度的安全系数一般不小于3，大于缆绳的安全系数。主缆索和缆尾索在连接件处均需采用琵琶头形式连接。连接件组件弯曲半径D和缆绳直径d比值不小于4，且尽可能大，以减少缆绳弯折强度损失。主缆索一般连接弯曲半径小的部位，而直径较大的缆尾索连接于弯曲半径大的部位。现有连接专用卸扣（图3）弯曲半径不足，缆绳弯折强度有一定损失，需进一步优化或提供其它解决方案。图6提供了2种组合缆连接件方案概念图。另外，缆索与连接件接触部位的防磨损措施可采用聚酯纤维材料保护套，但不建议采用皮革材料，主要因为皮革浸水后会变硬，影响保护效果。

图6 2种组合缆连接件方案概念图Fig.6 Concept map of two kinds of combined cable connectors

4 结语

缓冲吸能组合缆技术在油气行业大型油轮等船舶中得到了较为广泛地应用，本文重点参考OCIMF，对其原理和应用做了较为详细地介绍，主要结论如下：1）已有研究成果表明，采用组合缆技术可以控制船舶运动在许可范围的前提下，显著降低和均衡由风浪流等环境动荷载引起的船舶系缆力，有利于提高船舶系缆作业安全性，为解决舰船等其他类型船舶码头系泊安全问题提供了有效思路；2）组合缆技术的应用推广需要针对船型、码头形式、组合缆选型、连接件方案等开展进一步针对性研究，验证和优化技术方案。