LR2型油船系泊與拖帶設(shè)計(jì)研究

楊利春，黃志勇，郭小天，李 靜，劉 博，張欣欣

（1. 大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧大連 116005；2. 大連船舶重工集團(tuán)工程服務(wù)有限公司，遼寧大連116005）

0 引言

本文主要論述關(guān)于 LR2型油船系泊和拖帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容。其中系泊系統(tǒng)包括碼頭系泊、船對船系泊以及巴拿馬運(yùn)河通行系泊；拖帶系統(tǒng)包括海上人命安全公約（International Convention for Safety of Life at Sea，簡稱：SOLAS公約）要求的應(yīng)急拖帶系統(tǒng)以及《系泊設(shè)備指南》（“Mooring Equipment Guidelines”，簡稱：OCIMF-MEG4）第4版要求的拖船伴航時(shí)用的后拖裝置。系泊和拖帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)是油船甲板舾裝設(shè)計(jì)的重要組成部分，其設(shè)計(jì)需在滿足規(guī)范和規(guī)則要求的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮操作方便、使用安全等因素，探尋最佳的設(shè)計(jì)、布置方案。

近年來針對油船系泊及拖帶設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)范和規(guī)則有不同程度的變化，比如新巴拿馬運(yùn)河開通及相關(guān)的規(guī)則實(shí)施、國際船級社協(xié)會(huì)（International Association of Classification Societies，簡稱：IACS）發(fā)布的IACS-REC.No.10和UR A2和2018年發(fā)布的 OCIMF-MEG4。關(guān)于 IACS-REC.No.10和UR A2，劉鵬等和黃昊等對規(guī)范的內(nèi)容結(jié)合實(shí)船設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步研究。關(guān)于OCIMF-MEG4對導(dǎo)纜孔的新要求，劉慶等進(jìn)行了詳細(xì)分析并給出對應(yīng)的解決方案。除此之外，LR2型油船為了便于貨艙清洗，貨艙結(jié)構(gòu)都布置在外側(cè)，這種型式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)導(dǎo)致用于系泊設(shè)備布置的貨艙甲板布滿了甲板縱骨、強(qiáng)橫梁等構(gòu)件，加大了系泊設(shè)備布置的難度。

本文以某LR2型油船實(shí)船設(shè)計(jì)為例，遵循系泊及拖帶設(shè)計(jì)原則，綜合上述各種相關(guān)因素，對LR2型油船系泊、拖帶設(shè)計(jì)涉及的新規(guī)范要求、具體內(nèi)容及所采取的優(yōu)化措施進(jìn)行歸納總結(jié)。

1 LR2型油船系泊設(shè)備選型及布置

1.1 LR2型油船典型系泊模式

LR2油船的典型系泊模式見圖1，全船共配置16根纜繩，并以船中對稱布置，分別為艏艉纜各2根、艏艉橫纜各4根、艏艉倒纜各2根。此種系泊模式可以高效地承受外界環(huán)境的風(fēng)、浪、流載荷，使船舶停泊在碼頭既定位置，并已廣泛應(yīng)用在實(shí)船項(xiàng)目中。

圖1 LR2型油船典型系泊模式

1.2 系泊力計(jì)算及纜繩配置

以往油船系泊力計(jì)算及纜繩數(shù)量的選取通常以O(shè)CIMF-MEG中推薦的計(jì)算公式為依據(jù)進(jìn)行，而船級社規(guī)范推薦的按照舾裝數(shù)（

EN

）計(jì)算對應(yīng)的纜繩參數(shù)，對油船纜繩選型及數(shù)量確定僅作參考。

但從2018年7月1日IACS REC.No.10生效后，規(guī)范要求對于舾裝數(shù)大于2 000的船舶需根據(jù)REC.No.10給定的計(jì)算方法對纜繩數(shù)量及纜繩破斷載荷進(jìn)行計(jì)算，具體公式為

式中：

F

為纜繩最小破斷載荷，kN；

A

為船舶最小壓載吃水對應(yīng)的船舶側(cè)受風(fēng)面積，m。

式中：

n

為纜繩數(shù)量，計(jì)算結(jié)果向上取整。實(shí)船設(shè)計(jì)時(shí)，依據(jù)如以上LR2型油船典型系泊模式配置，實(shí)際選取纜繩數(shù)量比以上所得

n

多時(shí)，纜繩的對應(yīng)破斷載荷可按式（3）計(jì)算。

式中：

n

*為增加后的纜繩總數(shù)量，即實(shí)船選取纜繩數(shù)量。以某LR2型110 000 t成品油船為例，對應(yīng)的

A

=4 100 m，通過以上REC.No.10給定的公式，計(jì)算可得

F

=760 kN，纜繩數(shù)

n

=8。在遵循LR2型油船典型系泊模式及系泊纜繩配置情況下，實(shí)船選取纜繩共16根，即

n

=16時(shí)，

F

=456 kN。

按OCIMF-MEG4推薦的船舶設(shè)計(jì)纜繩最小破斷載荷計(jì)算，需要按照OCIMF-MEG4附件A5舉例給出的經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)合風(fēng)、流組合角度，并在OCIMF-MEG4附件A3風(fēng)、流系數(shù)曲線中選出對應(yīng)系數(shù)并同時(shí)代入船舶各種載況下的受風(fēng)、流面積，最終計(jì)算出船舶橫向、縱向系泊力大小，然后根據(jù)纜繩幾何布置、數(shù)量分配到具體的纜繩上。

表1是應(yīng)用IACS REC No.10和OCIMF-MEG4規(guī)范所對應(yīng)的外界環(huán)境參數(shù)及計(jì)算方法分別對LR2型110 000 t成品油船纜繩數(shù)量和破斷載荷進(jìn)行計(jì)算，所得計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比。

表1 依據(jù)IACS與OCIMF，LR2型油船系泊纜繩參數(shù)對比

綜合對比纜繩數(shù)量和破斷載荷可知，對于LR2型油船，OCIMF-MEG4系泊力計(jì)算考慮的環(huán)境載荷要高于 IACS-REC No.10，最終纜繩破斷載荷選取結(jié)果也明顯更高。結(jié)合OCIMF對于油船營運(yùn)的權(quán)威性及行業(yè)認(rèn)可度，OCIMF-MEG4對應(yīng)系泊力計(jì)算方法及纜繩選取推薦是最終需要滿足并執(zhí)行的設(shè)計(jì)規(guī)則，IACS REC.No.10對應(yīng)計(jì)算方法是針對相對平和的碼頭環(huán)境考慮的，在大型油船纜繩選取設(shè)計(jì)時(shí)，作為對比參照并在舾裝數(shù)計(jì)算書里有所體現(xiàn)即可。

除此之外，LR2型油船系泊設(shè)計(jì)一般都需滿足Exxon Mobil對環(huán)境、安全、質(zhì)量的相關(guān)要求，其中在Exxon Mobil第K章要求LR2型油船纜繩數(shù)量為12根，纜繩最小破斷載荷為637 kN。由此可見在滿足OCIMF-MEG4系泊力計(jì)算及纜繩配置的情況下，也能滿足Exxon Mobil的相關(guān)要求。

1.3 系泊設(shè)備及舾裝件選型

OCIMF-MEG4第1.4章明確給出系泊設(shè)備設(shè)計(jì)載荷、安全工作負(fù)荷、極限工作載荷間相互關(guān)系及系泊設(shè)備選型的依據(jù)。系泊設(shè)備選型的主要基準(zhǔn)參數(shù)——船舶設(shè)計(jì)纜繩最小破斷載荷（

SDMBL

）可根據(jù)本文1.2節(jié)中所述的計(jì)算方法得出，其他關(guān)聯(lián)系泊設(shè)備參數(shù)與船舶設(shè)計(jì)纜繩最小破斷載荷的百分比關(guān)系如表2所示，依據(jù)在 1.2節(jié)中計(jì)算獲得的LR2型油船船舶設(shè)計(jì)纜繩最小破斷載荷為707 kN。結(jié)合OCIMF-MEG4規(guī)范第6章系泊絞車和第7章系泊和拖帶舾裝件的對應(yīng)要求，實(shí)船系泊設(shè)備選型如表3所示。另外以下2點(diǎn)是OCIMF-MEG4區(qū)別與原來MEG3的重要內(nèi)容，此內(nèi)容對系泊舾裝件設(shè)計(jì)至關(guān)重要，船舶設(shè)計(jì)者應(yīng)給予重視。

表2 系泊設(shè)備及舾裝件工作負(fù)荷與船舶設(shè)計(jì)最小破斷載荷的百分比關(guān)系

表3 LR2型油船實(shí)船系泊設(shè)備及舾裝件選取

1）圖2所示系泊設(shè)備的工作表面直徑（

D

）與纜繩直徑（

d

）的比例值

D

/

d

≥15。此條推薦旨在加大纜繩工作時(shí)的彎曲半徑，延長纜繩壽命。

圖2 工作表面直徑與纜繩直徑的比例D/d

2）油船系泊舾裝件推薦從最新的ISO對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中選取，如：導(dǎo)纜孔推介標(biāo)準(zhǔn)Mooring Chocks-ISO 13713、Panama Chocks-ISO 13728:Panama Chocks和 Closed Chock-ISO 13729；導(dǎo)纜滾輪推介標(biāo)準(zhǔn)Steel-Rollers-ISO 13755；帶纜樁推介標(biāo)準(zhǔn) Welded Steel Bollards-ISO 13795；十字纜樁推介標(biāo)準(zhǔn)Cruciform Bollards:ISO 13797。

1.4 系泊設(shè)備布置

結(jié)合本文1.1節(jié)所述LR2型油船典型系泊模式，此型油船艏部布置2臺復(fù)合式系泊錨絞車和1臺雙繩筒系泊絞車，每臺系泊絞車包括2個(gè)系泊繩筒。艏部復(fù)合式系泊錨絞車和系泊絞車作為艏纜絞車使用；艏部貨艙區(qū)布置3臺雙繩筒系泊絞車，靠船舯處2臺作為倒纜絞車使用，靠艏1臺作為艏橫纜絞車使用；艉部系泊甲板布置3臺雙繩筒系泊絞車，作為艉纜和艉橫纜絞車使用。最艉部的2臺系泊絞車與船中線成 45°角布置，其優(yōu)點(diǎn)為采取這樣的布置此系泊絞車上的纜繩既可以從艉封板導(dǎo)纜孔引出也可以從舷側(cè)引出，此種可選擇的出纜方式對系泊碼頭的適應(yīng)性在一定程度上有所提高，也是LR2型油船系泊布置優(yōu)化提升的一種表現(xiàn)。

此 LR2型油船系泊設(shè)備布置除對常規(guī)設(shè)計(jì)考慮的因素及設(shè)計(jì)原則外，還重點(diǎn)考慮了新巴拿馬運(yùn)河規(guī)則對系泊布置的要求、OCIMF-MEG4對船對船系泊設(shè)備新的布置要求。

1.4.1 常規(guī)考慮因素及設(shè)計(jì)原則

LR2型油船系泊設(shè)備布置常規(guī)考慮因素及設(shè)計(jì)原則如下：

1）泊索設(shè)備盡可能對稱于船中布置，倒纜和橫纜的數(shù)量一般是偶數(shù)；

2）橫纜盡量垂直于船體中心線，并盡可能靠近艏和艉；

3）纜繩盡可能直接從絞車卷筒引向舷側(cè)導(dǎo)纜孔，盡量避免使用中間導(dǎo)向滾輪，即使采用導(dǎo)向滾輪，也應(yīng)使纜索方向的改變保持最小，以降低導(dǎo)向滾輪上的負(fù)荷；

4）倒纜盡可能平行于船體中心線，其引出點(diǎn)應(yīng)盡量靠近艏和艉。但是為了避免纜索在外板上的摩擦，引出點(diǎn)又必須靠近平行中體部分的甲板上；

5）纜繩從絞車卷筒直接引向?qū)Ю|孔和導(dǎo)纜器時(shí)，卷筒上的纜繩放出角度應(yīng)該小于1.5°，上述放出角是指通過卷筒軸中點(diǎn)的垂線和纜索之間的夾角；

6）帶纜樁和導(dǎo)纜孔之間的距離一般要大于1.8 m，為船員系纜操作留出合理的空間。

1.4.2 新巴拿馬運(yùn)河規(guī)則實(shí)施

隨著巴拿馬運(yùn)河擴(kuò)建完成，新版運(yùn)河規(guī)范發(fā)布實(shí)施，原來不符合通行要求的大主尺度船舶，現(xiàn)在可以在新船閘中通行。本文涉及的LR2型油船屬于新巴拿馬運(yùn)河規(guī)范中定義的Neo Panamax尺度船舶，可在新船閘中通過，對此級別船舶通過巴拿馬運(yùn)河時(shí)專用的系泊、拖曳設(shè)備布置要求歸納見表4，在LR2型油船實(shí)船上對應(yīng)布置見圖3。

表4 滿足巴拿馬運(yùn)河規(guī)則的LR2型油船系泊、拖曳裝置

圖3 滿足巴拿馬運(yùn)河規(guī)則的LR2型油船系泊、拖曳裝置

以上每個(gè)用于通過巴拿馬運(yùn)河的導(dǎo)纜孔都配備1個(gè)雙柱帶纜樁。用于巴拿馬運(yùn)河系泊的導(dǎo)纜孔和帶纜樁安全工作負(fù)荷不小于64 t，用于巴拿馬運(yùn)河拖曳導(dǎo)纜孔和帶纜樁安全工作負(fù)荷不小于90 t。

1.4.3 OCIMF-MEG4對船對船系泊設(shè)備的新要求

OCIMF-MEG4對油船的系泊布置提出較多新的推薦，限于篇幅不逐一列舉，其中關(guān)于船對船系泊設(shè)備布置要求較OCIMF-MEG3對應(yīng)要求變化較大。OCIMF-MEG3建議在船舶左右舷在距船舯集管區(qū)前、后各35 m處提供1組閉式導(dǎo)纜孔和帶纜樁，而OCIMF-MEG4規(guī)定用于船對船系泊的閉式導(dǎo)纜孔和帶纜樁應(yīng)盡量靠近集管區(qū)，最理想的位置為距離舷側(cè)油管托架2 m～5 m范圍內(nèi)的位置，對于船舶設(shè)計(jì)布置這明顯是2種完全不同的要求，需要設(shè)計(jì)者給予足夠的重視。

1.5 貨艙區(qū)系泊絞車優(yōu)化布置

LR2型油船為了便于貨艙清洗，貨艙結(jié)構(gòu)都布置在外側(cè)，這種型式的結(jié)構(gòu)布置導(dǎo)致用于系泊設(shè)備布置的貨艙甲板布滿了甲板縱骨、強(qiáng)橫梁等構(gòu)件，不但限制此區(qū)域系泊絞車的布置，而且對于考慮系泊設(shè)備的合理的操作維護(hù)空間都有很大困難。針對以上存在的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，從各個(gè)制約角度著手通過幾個(gè)方案對比，在此LR2型油船上采取系泊絞車基座和船體結(jié)構(gòu)擬合的方法解決此型船舶共性的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

具體方案：從優(yōu)化甲板強(qiáng)橫梁和甲板縱骨的角度出發(fā)，把系泊絞車的基座和船體結(jié)構(gòu)擬合在一起（圖4），即局部降低強(qiáng)橫梁加高甲板縱骨，并使原有的強(qiáng)橫梁及球扁鋼甲板縱骨的結(jié)構(gòu)形式改變?yōu)闄M向和縱向都設(shè)計(jì)為T型材的局部強(qiáng)結(jié)構(gòu)型式，橫向T型材面板同時(shí)作為系泊絞車固定的基座面板。此種優(yōu)化方式在滿足船體結(jié)構(gòu)及UR A2規(guī)范對系泊絞車基座強(qiáng)度（圖4）要求基礎(chǔ)上，也為系泊絞車的操作和維護(hù)預(yù)留出更多空間，實(shí)船應(yīng)用證明了這是最優(yōu)方案。

圖4 系泊絞車基座與甲板結(jié)構(gòu)優(yōu)化組合設(shè)計(jì)及工作應(yīng)力分布

2 應(yīng)急拖帶和伴拖裝置

油船應(yīng)急拖帶裝置是指SOLAS公約第II-1/3-4條要求的用于船舶在海上發(fā)生故障完全失電時(shí)使用的拖曳裝置；伴航及后拖裝置是指 OCIMF-MEG4第4.5.2節(jié)要求的20 000 t以上的液貨船除以上配置應(yīng)急拖帶外，還應(yīng)配置用于船舶通行狹窄水域艉部拖船伴航或進(jìn)行單點(diǎn)系泊裝卸貨作業(yè)時(shí)艉部拖船后拖裝置，其功能為連接拖船實(shí)現(xiàn)輔助控制船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，避免船舶通過狹窄水域或裝卸貨作業(yè)時(shí)與其他結(jié)構(gòu)物碰撞，文中簡稱伴拖裝置。

2.1 應(yīng)急拖帶裝置

根據(jù)SOLAS公約II-1/3-4的規(guī)定，20 000 t及以上的油船、化學(xué)品運(yùn)輸船和液化氣船的艏、艉需要安裝應(yīng)急拖帶裝置。對應(yīng)LR2型油船應(yīng)急拖帶系統(tǒng)安全工作負(fù)荷如表5所示。

表5 LR2型油船應(yīng)急拖帶系統(tǒng)工作負(fù)荷

2.2 伴拖裝置

根據(jù)石油公司國際海事論壇OCIMF-MEG建議，在油船艉部甲板應(yīng)提供 1套安全工作負(fù)荷為200 t的導(dǎo)纜孔和強(qiáng)力樁用于拖船伴航或后拖工況。

2.3 滿足OCIMF-MEG4技術(shù)要求

2018年發(fā)布的OCIMF-MEG4第4.5.2節(jié)要求油船艉部布置的應(yīng)急拖帶導(dǎo)纜孔和強(qiáng)力樁應(yīng)同時(shí)能用于伴航或后拖工況使用，且此導(dǎo)纜孔需要布置在船體中心線位置，結(jié)合OCIMF-MEG4圖4.3（圖5）。只有選用具有應(yīng)急拖帶和伴拖組合功能的設(shè)備才能完全符合OCIMF-MEG4要求。以往在船舶艉部甲板分別布置1套應(yīng)急拖帶裝置和1套伴拖裝置的設(shè)計(jì)形式不完全滿足新規(guī)范要求。

圖5 《系泊設(shè)備指南》油船艉部系泊布置

基于以上新的規(guī)范要求及理解，LR2型油船采用組合功能應(yīng)急拖帶和伴拖裝置，此裝置主要由帶端部卷筒的氣動(dòng)拖纜儲(chǔ)存絞車、高強(qiáng)度拖纜、帶拖纜穿行孔的強(qiáng)力拖樁及船用導(dǎo)纜孔4部分組成，依次布置在船舶艉部船體中心線位置見圖6。氣動(dòng)拖纜儲(chǔ)存絞車較傳統(tǒng)拖纜儲(chǔ)存絞車額外增加了端部卷筒，除了滿足儲(chǔ)存拖纜外還具有牽引接收海上拖船拖纜的功能，這也是為了滿足OCIMF-MEG4的相關(guān)要求。本組合功能應(yīng)急拖帶和伴拖裝置的具體操作方式為：當(dāng)船舶主動(dòng)力失效時(shí)，把此拖纜拋出并與營救船舶連接實(shí)施應(yīng)急拖帶作業(yè)。當(dāng)船舶通行于狹窄水域或進(jìn)行單點(diǎn)系泊模式裝卸貨作業(yè)時(shí)，用氣動(dòng)拖纜儲(chǔ)存絞車端部卷筒把拖船上的拖纜經(jīng)船用導(dǎo)纜孔牽引到強(qiáng)力拖樁處，拖纜端部雙頭琵琶扣套在強(qiáng)力拖樁上，便可以開展伴拖作業(yè)。

圖6 組合功能應(yīng)急拖帶和伴拖裝置

3 結(jié)論

油船系泊力計(jì)算及設(shè)備選型雖在 2018年生效的IACS REC.No.10有對應(yīng)新的要求，但其計(jì)算結(jié)果對比OCIMF-MEG4定義的外界環(huán)境條件及推薦的計(jì)算方法所得結(jié)果，發(fā)現(xiàn)OCIMF-MEG4的要求更高，對應(yīng)選取的纜繩破斷載荷及系泊設(shè)備規(guī)格更大。由于油船營運(yùn)需要滿足OCIMF要求，因此大型油船的系泊設(shè)備選型最終仍依據(jù) OCIMF-MEG4推薦公式來計(jì)算纜繩破斷載荷，并據(jù)此來選取系泊設(shè)備。本文所述 LR2型 110 000 t油船對應(yīng)OCIMF-MEG4所得船舶設(shè)計(jì)纜繩最小破斷載荷為707 kN，纜繩總數(shù)為16根。

由于OCIMF出版物對應(yīng)要求在油船行業(yè)內(nèi)的普遍認(rèn)可和重視，因此 2018年新出版的OCIMF-MEG4所涉及的諸如系泊舾裝設(shè)備選型推薦、集管區(qū)船對船系泊設(shè)備位置要求、系泊設(shè)備的工作表面直徑與纜繩直徑的比例要求、艉部應(yīng)急拖帶及伴拖裝置需布置在中心線處等新要求均需在油船設(shè)計(jì)中給予全面考慮，這些新要求的執(zhí)行情況將成為油船營運(yùn)評級及能否獲得租約的依據(jù)。

除此之外，關(guān)于系泊絞車基座和船體結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)、組合功能應(yīng)急拖帶和伴拖裝置設(shè)計(jì)，是在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上結(jié)合新規(guī)范要求及實(shí)船特點(diǎn)進(jìn)行的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，對同類船型的相關(guān)設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義。