30万t级油船靠泊过程实测系缆力统计分析

李 岸

(大连港油品码头公司，大连 116601)

随着岸线资源的逐步减少和船舶大型化的发展，大型码头的建设不断向着海况条件相对较差的离岸深水区发展，大型船舶的靠泊安全问题也日益得到研究和探讨。高峰等利用动力分析方法的数学模型SHIP-MOORINGS对船舶系泊过程中的运动、波浪载荷及橡胶护舷的碰撞力进行了数值模拟计算研究，提出了不同浪向条件下船舶作业标准的主要控制指标[1]。李焱等采用整体物理模型试验对45万t油船和10万t油船作业和系泊允许的波高和周期进行了试验研究，认为我国现行规范对单横浪作用下45万t油船的允许作业波高可提高至2.0 m,对应平均波周期为8 s[2]。劳军等采用显式有限元技术与现场实测相结合的方法提出了10 000～30 000 t级船T字型靠泊码头的最大安全靠泊速度[3]。沈文君等认为《海港总体设计规范》采用45°作为分界线对允许作业波高进行推荐的方法会对码头损失作业天数分析产生一定的影响，采用针对不同的波浪周期和波浪方向给出泊位允许作业波高的方法，统计出的结果更为合理和准确[4]。张志等利用系泊数值分析软件并结合境外某工程实例，定量分析了透射波浪对港内系泊稳定条件的影响，认为射波浪将在一定程度上影响泊位可作业天数[5]。马小剑等基于力的平衡关系建立了系泊船舶在风和潮流作用下缆绳张力和运动的计算模型(Qmoor)，并采用经验公式和Wilson公式对风流作用下码头系泊船舶缆绳张力及运动量进行了计算，获得了与物模试验较为一致的结果[6]。张福然等依据离岸圆墩式海港码头水流对系泊船舶作用力的试验研究成果，按水流方向与船舶纵轴夹角提出了水流力系数的经验公式和半经验公式，且与理论分析的结果吻合较好[7]。朱奇等通过物理模型试验对风、浪、流共同作用下系泊船舶的运动量和系缆力进行了研究，结果表明较短的泊位长度对横向运动、缆力大小以及缆力间的均匀性有一定的改善[8]。郭剑锋等通过船舶系泊物理模型试验对浙江LNG接收站项目码头设计方案中的两种船型26.6万m3和21.7万m3进行了研究，分别对比了440 m、420 m和400 m三种泊位长度下的系泊情况，指出短泊位有利于减小运动量和均化各缆力[9]。高峰等通过LNG船模物理模型试验比较了26.6万m3船型分别在370 m和390 m两种泊位长度下的系泊情况，结果表明系泊条件随着泊位长度缩短有改善趋势,运动量平均减少约10%,系缆力减幅为4%～11%，但是撞击力改变不明显[10]。高峰等对目前船舶系靠泊试验研究技术的发展情况进行了探讨，指出了船舶系靠泊试验技术的难点与待解决的问题[11]；吴林键等总结了国内外部分学者对外海固定式泊位大型船舶系泊安全问题的研究成果，为大型外海固定式码头结构优化设计,船舶系缆设施布局和系泊安全等方面提供了有意义的参考[12]。

为保障船舶在码头安全靠泊，依据大量的数模、物模和实践经验，各国均制定了船舶靠泊的一些海况限制条件，如我国《海港总体设计规范》中就规定船舶装卸作业允许的风力不宜超过6级，同时针对不同吨级不同类型船舶的装卸过程制定了浪高、浪向和周期等限制条件[13]，而且各大型码头在建成后也会制定各自靠泊作业允许的海况条件标准。

但是在实际靠泊作业中，对于码头企业来说，准确实时地获得诸如浪高、浪向、流速、流向等海况数据并不是一件容易操作的事，海况监测系统布置多少个测点，测点布置的位置，测量设备的稳定性、及时性和准确性等等均会影响最终测量结果对真实海况的反映程度，除了极端海况条件外，海况数据对靠泊作业的指导作用非常有限。现在更多的码头企业在系缆设施上安装了系缆力监测系统，对每条缆绳的系缆力进行实时监控，因为不论海况条件如何变化，反映在靠泊于码头的船舶而言就是各缆绳系缆力的变化，相较于宏观的海况数据，具体的系缆力数据对靠泊作业的指导性更强。但是现在码头企业对系缆力监测系统的应用更多的是设定系缆力预警值，当系缆力接近或超过预警值时指导船方进行调缆以平衡各缆绳系缆力。

实际上系缆力的实测数据就是对海况的反馈，系缆力的变化反映的就是海况的变化，而且这些实测数据相较于通过各类模型试验和计算软件得到的数据准确性更高，通过对这些系缆力实时数据进行分析就可以大致掌握这片海域海况的变化规律，进而指导码头企业更好的进行船舶靠泊作业和船前监护。本研究基于靠泊于大连港新30万t级原油码头的30万t级油船系缆力的实测数据，对30万t级油船在靠泊过程中系缆力随着潮汐涨落的变化规律、各缆绳系缆力的分布、系缆力突破预警值的情况进行统计分析，进而提出码头企业有针对性的进行监护和采取紧急措施的建议。

图1 大连港新30万t级原油码头平面布置图Fig.1 The layout plan of the new Dalian 300 000 t crude oil terminal

1 码头平面布置及系缆方式

大连港新30万t级原油码头采用蝶形布置，码头轴线为47°～227°，共设有4个靠船墩和6个系缆墩，设计船型为30万t级，可兼顾10万t级和45万t船舶靠泊，具体平面布置见图1。

本海区全年常风向为N，年平均风速为5.8 m/s，六级以上大风以N向大风为主；常浪向为SE向，次常浪向为SSE向；潮流属于不规则半日潮流性质，基本呈往复流运动形式，涨潮流向为偏SW向，落潮流向为偏NE向。

30万t级油船系缆方式船艏船艉均为2 422，共20根钢丝缆，分别为：

船艉方向：1#墩2根艉缆，2#墩4根艉横缆，3#墩2根艉横缆，5#墩2根艉倒缆；

船艏方向：11#墩2根艏缆，10#墩4根艏横缆，9#墩2根艏横缆，7#墩2根艏倒缆。

图2 30万t级油船系缆布置图Fig.2 Mooring plan of 300 000 t tanker

这里按照从船艉到船艏的顺序将缆绳编号为1～20，具体系缆布置图见图2。

各系缆墩上的每一台快速脱缆装置均配备有系缆力监测系统，可实时监测每一根缆绳的系缆力，并绘制出缆绳的实时系缆力曲线图。

2 系缆力的变化规律

图3为截取的部分缆绳系缆力的实时曲线图，可以发现船舶在靠泊过程中系缆力表现出类似潮汐涨落的规律性变化，表明系缆力的变化规律似乎与潮汐有一定关联。

图3 2#缆绳系缆力实时曲线图Fig.3 Mooring force graph of cable No.2

将系缆力在一个涨落周期内的最小值定义为极小值，在一个涨落周期内的最大值定义为极大值，分别统计各缆绳系缆力极小值在低潮前后各个时间段出现的比例和系缆力极大值在高潮前后各个时间段出现的比例，见表1、表2、图4、图5。

表1 各缆绳系缆力极小值在低潮前后各个时间段出现的比例Tab.1 The proportion of the minimum mooring force occurring at different time before and after low tide

表2 各缆绳系缆力极大值在高潮前后各个时间段出现的比例Tab.2 The proportion of the maximum mooring force occurring at different time before and after high tide

系缆力极小值在低潮前后1 h内出现的比例为68.5%，在低潮前后2 h内出现的比例达到94.9%，系缆力极小值的最小值为10 kN，最大值为200 kN，平均值为58 kN；

系缆力极大值在高潮前后1 h内出现的比例为40.2%，在高潮前后2 h内出现的比例达到70.1%，系缆力极大值的最小值为40 kN，最大值为380 kN，平均值为195 kN。

很明显，系缆力极小值基本出现在低潮前后2 h内，但是系缆力极大值出现在高潮前后2 h内的比例并不是特别高，依然有近三分之一的比例出现在别的时刻，而且极大值的最大值仅仅是极小值最大值的1.9倍，并没有高出太多。

实际上船舶在靠泊过程中，船方会根据各缆绳受力情况对各缆绳进行调缆作业，将系缆力过大的缆绳适当松缆(一般设置系缆力预警值为250 kN)，使各缆绳均衡受力，防止出现个别缆绳因系缆力过大而断缆的情况，以保证船舶靠泊安全。通过分析缆绳系缆力实时曲线可以发现，部分统计数据中的缆绳系缆力由于随着潮位上涨增长过快，在距离高潮大于2 h系缆力就已经超过了预警值，船方为保障安全对缆绳进行了调缆作业，使得系缆力实时曲线陡降，调缆作业前的系缆力变成了系缆力极大值，干扰了统计结果(见图6)。

图6 系缆力实时曲线图(调缆导致系缆力实时曲线陡降)Fig.6 Graph of mooring force(adjusting the cable results in a steep drop in the mooring force curve)

仔细观察调缆作业后系缆力实时曲线，系缆力依然随着潮位上涨而增大。实际上，此种情况如不进行调缆作业，系缆力极大值依然会出现在高潮前后2 h内，而且这个极大值会远大于调缆前的系缆力。如果将这种情况考虑进去，系缆力极大值在高潮前后2 h内出现的比例将达到92.5%，而且系缆力极大值的最大值将远远超过380 kN。

通过上述分析可以知道，各缆绳系缆力大小基本随着潮汐起伏而呈现规律性的涨落变化，在低潮前后系缆力处于极小值，随着潮位上涨系缆力逐渐增大，在高潮前后达到极大值，然后随着潮位下降系缆力逐渐减少，在低潮前后又降至极小值。

对于造成这种规律的原因，从船舶载重、风速、波浪和水流这几个方面进行了分析。

(1)船舶载重。根据日常30万t级油船卸船速度，平均为3 500～4 000 m3/h，本文取4 000 m3/h，换算成船舶吃水的变化约0.22 m/h，按照6 h的涨潮周期算(此海区不规则半日潮)，一个涨落周期内船舶吃水变化约1.3 m，引起的相对水深变化对水流力的影响不超过10%[14]，而根据前面的结果，一个涨落周期内系缆力极大值比极小值平均高出3.3倍，因此这显然不是船舶载重变化导致的。

(2)风速。根据统计数据，系缆力的变化与风速变化相关性并不高。截取部分系缆力与风速之间的对比图如图7所示。

从整体上看，系缆力的变化与风速之间并没有明显的相关性，对比图左侧系缆力在这个涨幅周期中由140 kN左右增长到240 kN，而风速却呈现先升后降的变化趋势；对比图右侧系缆力在这个涨幅周期中由150 kN左右增长到250 kN，而风速整体却大幅下降，因此这种变化显然也不是风速导致的，这也进一步说明对于大型船舶而言，单纯的风速对船舶系缆力的影响有限。

(3)波浪和水流。由于缺少相关实测数据，无法进行进一步验证。但是一般对于大型船舶而言，水流对系缆力的影响是要大于波浪的，而且根据《大型油轮水流力试验研究》(河海大学港口海岸及近海工程学院，2012年9月)中对各种水流力计算方法理论计算结果和试验值的比较分析结果[15]和石油公司国际海运论坛《系泊设备指南》中水流力的计算方法[16]，流速对水流力的影响幅度明显要大于其他因素，因此基本可以认为各缆绳系缆力之所以呈现出这种类似潮汐涨落的规律性变化，是因为此海域的流况随着潮汐涨落而呈现出了规律性的变化。在低潮前后，船舶受到的等效横流相对较小，随着潮位上涨等效横流逐渐增大，在高潮前后达到最大值，然后随着潮位下降又逐渐减小，在低潮前后又降至最小值。

图7 系缆力与风速对比图Fig.7 Comparison of mooring force and wind speed

有了上述研究结果，在船舶靠泊作业过程中就可以有针对性地进行监护和离泊预判：

(1)在潮位由低潮到高潮的涨潮过程，可预知各缆绳系缆力会逐渐增大，船舶泊稳状况会逐渐变差，因此监护的强度也需要逐步加强，高潮前后是船舶泊稳最差的时候，也是最危险的时候，需要时刻注意船舶的晃动情况和各缆绳受力状态；在潮位由高潮到低潮的落潮过程，各位置缆绳系缆力会逐渐减小，船舶泊稳状态会逐渐变好，监护的强度亦可逐步降低。

(2)如果在低潮前后，船舶就已经出现了较大的晃动，多个位置缆绳系缆力触及了预警值，那么可以预见此波潮水来势汹汹，需将监护的级别调至最高，同时拖轮就位做好抢险和离泊准备，如果船舶晃动进一步增大，各位置缆绳经过多次调缆后系缆力依然迅速增大，那基本可以考虑暂时离泊避开这波潮水。

(3)如果在高潮前后，船舶出现较大晃动，多个位置缆绳系缆力触及预警值，那么可以预见现在基本是船舶泊稳状况最差的时候，随着潮位下降，船舶泊稳状况会逐渐好转，如果船舶晃动比较平稳没有明显继续增大的趋势，而且各位置缆绳系缆力没有迅速上涨的迹象，可以根据现场实际情况选择继续作业或是暂停作业，如果船舶晃动幅度过大而且各位置缆绳经调缆后系缆力依然反复突破预警值，那么可以选择暂停作业并利用拖轮进行辅助靠泊度过这段危险期，等船舶逐渐恢复稳定后再恢复作业。

3 系缆力的分布

对于蝶形布置的码头，一般认为船舶系缆力整体的横向约束力会相对较大，横缆会承受更大的系缆力，那是否意味着在实际靠泊过程中，横缆的系缆力总是会大于其他位置的缆绳，横缆的系缆力是否更有可能突破预警值，在船舶靠泊监护过程中是否可以把监护重点放在横缆上，这里进行三个对比。

(1)对比1。

将每个涨落周期内所有缆绳系缆力的极大值由大到小进行排列，找出排前二的系缆力所对应的缆绳，分别统计系缆力极大值的最大值和第二大值(以下简称系缆力最大值和第二大值)出现在各个位置缆绳的比例，见图8和图9。

图8 系缆力最大值出现在各个位置缆绳的比例 图9 系缆力第二大值出现在各个位置缆绳的比例

系缆力最大值出现比例最高的缆绳为2#墩艉横缆和9#墩艏横缆，出现比例均为35%；其次为7#墩艏倒缆，出现比例为20%；剩下5#墩艉倒缆和11#墩艏缆出现比例均为5%。系缆力最大值出现在横缆的比例合计为70%。

系缆力第二大值出现比例最高的缆绳依然为2#墩艉横缆，出现比例达到45%；其次为7#墩艏倒缆和9#墩艏横缆，出现比例分别为20%和15%；剩下3#墩艉横缆和11#墩艏缆出现比例均为10%。系缆力第二大值出现在横缆的比例合计为80%。

图10 各个位置缆绳出现系缆力突破预警值的比例Fig.10 The proportion of the situation while mooring force exceeding the warning value at each cable

总体来看，横缆确实承受了更大的约束力，特别是2#墩艉横缆和9#墩艏横缆，系缆力最大值出现比例均超过了三分之一，2#墩艉横缆出现系缆力第二大值的比例甚至将近二分之一。但是7#墩艏倒缆出现系缆力最大值和第二大值的比例均有20%，同时11#墩艏缆也占有一定的比例。

(2)对比2。

找出所有系缆力突破预警值的情况，统计各个位置缆绳出现系缆力突破预警值的比例，见图10。

出现系缆力突破预警值比例最高的缆绳依然为2#墩艉横缆，出现比例为23%；其次为7#墩艏倒缆和9#墩艏横缆，出现比例分别为21.6%和14.9%。横缆出现系缆力突破预警值的比例合计为59.5%。虽然横缆出现系缆力突破预警值的比例相对较高，但是各个位置的缆绳均出现了系缆力触及预警值的情况。

(3)对比3。

统计各个位置缆绳系缆力极大值的最大值和平均值(以下简称系缆力最大值和平均值)，见图11和图12。

图11 各个位置缆绳系缆力最大值 图12 各个位置缆绳系缆力平均值

各个位置缆绳系缆力最大值为2#墩艉横缆和11#墩艏缆，均为380 kN；其次为7#墩艏倒缆和9#墩艏横缆，分别为375 kN和370 kN，各个位置缆绳系缆力最大值相差不大，最大相差17.1%，平均相差仅7.3%。

各个位置缆绳系缆力平均值最大的为9#墩艏横缆，为232 kN；其次为7#墩艏倒缆和2#墩艉横缆，分别为222 kN和211 kN，各个位置缆绳系缆力平均值相差亦不大，最大相差17.8%，平均相差仅10.3%。

综合上面三个比较，总体来看船舶靠泊过程中横缆确实承受了更大的系缆力，特别是2#墩艉横缆和9#墩艏横缆，而且横缆突破预警值的概率相对其他位置的缆绳来说更高。但是，各个位置的缆绳均有可能出现系缆力突破预警值的情况，并且各个位置缆绳系缆力的最大值和平均值相差都不大，11#墩艏缆的系缆力最大值甚至比9#墩艏横缆的系缆力最大值还高。实际上受到不断变化的海况、缆绳初张力不同、船舶载重变化，船舶晃动、调缆作业等等因素的影响，系缆力总是不断地在各个缆绳间重新分配，各个位置的缆绳都有可能出现由于系缆力分布不均导致系缆力过大而断缆的情况，因此在船舶靠泊过程中将监护重点放在横缆上是不可取的。

4 系缆力突破预警值分析

根据前面的分析结果，各位置缆绳系缆力基本随着潮汐起伏而呈现规律性的涨落变化，在低潮前后系缆力处于极小值，随着潮位上涨系缆力逐渐增大，那么总体来看，低潮前后系缆力的极小值越大，或系缆力随着潮位上涨的增幅越大，则这波涨潮过程系缆力的极大值也会越大，系缆力也就越有可能突破预警值。

根据统计的系缆力每小时增幅情况，系缆力每小时增幅最小为9 kN/h，最大可达到73 kN/h，平均为28 kN/h，按照6 h的涨潮周期算(此海区不规则半日潮)，一个涨潮周期内系缆力的平均增幅为168 kN，如果低潮前后系缆力的极小值在100 kN以上，则这波涨潮过程系缆力很可能会突破250 kN的预警值；如果系缆力的每小时增幅达到50 kN/h，一个涨潮周期内系缆力的增幅将达到300 kN，那么无论低潮前后系缆力极小值为多少，这波涨潮过程系缆力亦很可能会突破250 kN的预警值。

为验证上面分析结果，从统计数据中找出所有系缆力突破预警值的情况，并统计下面两个对应关系：(1)低潮前后系缆力的极小值与此波涨潮过程系缆力突破预警值概率的对应关系；(2)系缆力的每小时增幅与此波涨潮过程系缆力突破预警值概率的对应关系。具体结果见图13和图14。

很明显，系缆力极小值、系缆力每小时增幅与系缆力突破预警值概率之间基本呈正比关系，即低潮前后系缆力的极小值越大，系缆力随着潮位上涨的幅度越大，则这波涨潮过程系缆力越有可能突破预警值。当低潮前后系缆力的极小值不超过10 kN，或者系缆力的每小时增幅不超过10 kN/h时，系缆力突破预警值的概率基本为零，即这波涨潮过程系缆力几乎不可能突破预警值；当低潮前后系缆力的极小值达到100 kN以上，或者系缆力的每小时增幅达到50 kN/h以上时，系缆力突破预警值的概率均超过了80%，即这波涨潮过程系缆力很可能要突破预警值而触发调缆作业，与前面的分析结果基本一致。

通过低潮前后系缆力的极小值和涨潮过程系缆力的每小时增幅，可以预估这波涨潮过程系缆力突破预警值的概率，进而在一定程度上预估这波涨潮过程船舶的泊稳状况。如果在低潮前后，多个位置缆绳的系缆力已经超过了100 kN或者系缆力的每小时增幅超过了50 kN/h，那么可以预见这波涨潮过程船舶的泊稳状况不会太好，需时刻注意涨潮过程各位置缆绳系缆力的变动情况，根据当前系缆力值和系缆力的每小时增幅值预判缆绳是否会突破系缆力预警值，并提前做好调缆准备，平衡各位置缆绳系缆力，防止系缆力在个别缆绳集中的情况出现，充分发挥所有缆绳的约束作用。

5 总结

(1)靠泊于大连港新30万t级原油码头的30万t级油船，各缆绳系缆力大小基本随着潮汐起伏而呈现规律性的涨落变化，在低潮前后系缆力处于极小值，随着潮位上涨系缆力逐渐增大，在高潮前后达到极大值，然后随着潮位下降系缆力逐渐减少，在低潮前后又降至极小值，因此我们在船舶靠泊作业过程中就可以有针对性的进行监护和离泊预判。

(2)总体来看，对于蝶形布置的大连港新30万t级原油码头而言，30万t级油船的横缆确实承受了更大的系缆力，而且横缆突破预警值的概率相对其他位置的缆绳来说更高，但是其他位置的缆绳均有出现系缆力突破预警值的情况，并且各个位置缆绳系缆力的最大值和平均值相差都不大。实际上受到不断变化的海况、缆绳初张力不同、船舶载重变化，船舶晃动、调缆作业等等因素的影响，系缆力总是不断地在各个缆绳间重新进行分配，各个位置的缆绳都有可能出现由于系缆力分布不均导致系缆力过大而断缆的情况，因此在船舶靠泊过程中将监护重点放在横缆上是不可取的。

(3)低潮前后系缆力的极小值、系缆力的每小时增幅与系缆力突破预警值概率之间基本呈正比关系，通过低潮前后系缆力的极小值和涨潮过程系缆力的每小时增幅，可以在一定程度上预估这波涨潮过程船舶的泊稳状况。如果在低潮前后，多个位置缆绳的系缆力已经超过了100 kN或者系缆力的每小时增幅超过了50 kN/h，那么可以预见这波涨潮过程船舶的泊稳状况不会太好，需时刻注意涨潮过程各位置缆绳系缆力的变动情况，根据当前系缆力值和系缆力的每小时增幅值预判缆绳是否会突破系缆力预警值，并提前做好调缆准备，平衡各位置缆绳系缆力，防止系缆力在个别缆绳集中的情况出现，充分发挥所有缆绳的约束作用。