ＧＵＡＮＧＤＯＮＧ ＳＨＩＰＢＵＩＬＤＩＮＧ 广东造船２０１４年第４期（总第１３７期） 设计与研究 工程船定位移船系统设计探讨 胡 斌 （广州船舶及海洋工程设计研究院，广￣Ｙ＇１５１０２５０） 摘 要：本文通过搜集国内外关于工程船定位移船的相关资料，对现有工程船的定位移船系统设计 方法进行探讨，并以起重船为计算实例进行分析，以期为其它工程船的定位移船系统设计提供参考。 关键词：工程船；风阻力；流阻力；工作锚；移船绞车 中图分类号：Ｕ６７４．３ 文献标识码：Ａ Ｍｏｂｉｌｅ Ｍｏｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｈｉｐ ＨＵ Ｂｉｎ （Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｍａｒｉｎｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０２５０） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｍｏｂｉｌｅ ｍｏｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｓｈｉｐ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｏｒｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｆｏｒ ｔｗｏ ｃｒａｎｅ ｂａｒｇｅｓ ｔｏ ｆｉｎｄ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｒ ｆｔｈｅ ｍｏｂｉｌｅ ｍｏｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｓｈｉｐ；ｗｉｎｄ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ｗｏｒｋ ａｎｃｈｏｒ；ｍｏｏｒｉｎｇ ｗｉｎｃｈ １引言 确的计算作用在船舶的环境载荷就显得十分重要。另 工程船主要用于水上施工作业，其作业时需在一 外，确定环境载荷之后也可以更经济的配备移船绞 定水域内抛锚定位，通过操纵锚泊设备来实现船舶的 车、工作锚以及系泊钢丝绳。精确定位，而且定位一般需拖船或抛锚艇协助。施工 计算作用在船舶上的环境载荷的方法，主要有静 时，同一作业水域可能有几艘船舶同时施工，另外还 态经验公式估算和动态时域模拟仿真两种。其中，静 有已安装或未安装的工程构件，周围环境复杂，如果 态计算的方法简单，可用的经验公式也很多，但不同 出现船舶走锚或锚链破断，不仅影响工程工期、质 的公式适用范围不同，精度有限；动态分析的方法使 用水动力计算软件￣ＩＡＱＷＡ、ＡＲＡＩＮＥ等进行动态模 量，严重时还将造成船舶损坏、碰撞等事故。因此， 定位移船系统在工程船设计和施工中尤其重要，而系 拟，精度较高但成本也高。实际设计中，由于普通工 泊船舶在风浪流综合作用下的系泊力计算是定位移船 程船的作业环境（港口或遮蔽水域作业，一般波高不 系统设计的关键所在。 超过０．５ ＩＴＩ）都比较温和，波浪动态影响较小，故用静 态计算的方法能满足工程要求。本文通过检索国内外 ２设计方法分析 已有的系泊力静态计算公式，对其进行比较分析，以 目前，船舶设计者一般都是按照舾装数来确定锚 期得出工程船定位移船系泊力的合理计算方法，为工 及系泊设备。然而，许多工程船并不是简单地在锚地 程船定位移船系统设计提供参考。抛锚，而必须在规定的工地、规定的海况下进行抛锚 定位作业。因此，对于该类型的工程船，采用抓持力 ３系泊力计算 １ 《海船系泊设备配置设计通则》（ＣＢ／１－３９１ １— 法来确定锚泊系统为好。所谓抓持力法，就是根据锚 ３． 及锚索链在海底所提供的抓持力与作用在船舶上的环 １９９９）境载荷平衡条件，来确定锚及锚索链尺寸。这样，准 《海船系泊设备配置设计通则》主要用于海洋船 舶系泊属具的选型，附录中给出了作用在大型船舶上 作者简介：胡斌（１９８６一），男，助理工程师。主要从事船舶舾装设计工作。 收稿日期：２０１４－０３－１７ ６２ 胡 斌 工程船定位移船系统设计探讨 外力的计算方法，计算公式如下： （１）风压阻力 Ｒａ＝ＫａＶａ２Ａａ ｋＮ （１） （１）对起重船和打桩船系泊系统的总环境力： Ｆ＝Ｒ１＋Ｒ２ Ｒ１＝７０５Ｖ Ａｍ （９） （１０） 式中：Ｋａ＝０．０００７２０８ 方向），０．０００４２０７（纵方向）； Ｖａ——相对风速，Ⅱｌ／ｓ； Ｒ２＝１．２ｑＡ （１１） （２）首边锚质量 应不小于Ｍ＝０．１０３（ＲＩ＋Ｒ２）／Ｋ 式中：Ｒ１——水流力（ｋＮ）； Ｒ２——风阻力（ｋＮ）； Ｋ——选用锚的锚抓力系数； （１２） Ａａ——水线以上受风部位的投影面积，不计梁 拱、舷弧和纵倾，ｍ 。 （２）水流阻力 Ｒｗ＝１．１ ８８ ６×０．００１ Ｘ Ａｗ（（Ｖｗ＋Ｖｓ） ＋０．３３ （Ｖｗ＋Ｖｓ）） ｋＮ （２） 式中：Ａ —设计船舶的浸水面积，１３３ ； ｖ、＾—一水流速度，ｍ／ｓ； ｖｓ——移船速度ｍ／ｓ。 （３）形状阻力 Ｒｖ＝０．７１７ ８Ａｓ（Ｖｗ＋Ｖｓ） ｋＮ （３） 式中：Ａｓ——水线以下侧向投影面积，ｍ 。 （４）推进器阻力 Ｒｐ＝０．２５ ８９Ｄ （Ｖｗ＋Ｖｓ） ｋＮ （４） 式中： 螺旋桨直径，ｍ。 （５）总阻力 Ｒ＝［（Ｒａ＋Ｒｖ） ＋（Ｒｗ＋Ｒｐ）２］ ｋＮ （５） ３＿２《港口工程荷载规范》ＪＴＪ ２１５－－－１９９９ 《港口工程荷载规范》主要用于港口工程设计， 规范中给出了船舶所受环境力的计算方法，计算公式 如下： 系泊船舶所受环境力：Ｆ＝ＦＷ＋Ｆｃ （６） ＦＷ＝４９．０×１０－ ＡＶ Ｗ专 （７） ＦＣ＝Ｃ ｐ／２Ｖｃ２Ｓ （８） 式中：Ｆｗ、Ｆ卜＿风力、水流力引起的Ｊ猢自系泊力（ｋＮ）； Ａ——水面以上船体纵向受风面积（ｍ ），与船 型和装载情况有关； Ｖｗ、Ｖｃ——风速、水流速度（ｍ／ｓ）； 毛——风压不均匀折减系数，与船舶水面以上最 大轮廓尺寸有关，取专＝Ｏ．６～１．Ｏ； ｃ——水流力系数，与雷诺数、船舶方形系数、吃 水等因素有关； Ｓ——船舶水面以下的表面积（Ｉｎ ）。 ３．３ 《内河工程船舶工作锚质量计算指南》（２００５） 该指南主要用于满足《钢质内河船舶入级与建造 规范》规定的绞吸挖泥船、斗轮式挖泥船、链斗挖泥 船、抓斗挖泥船、起重船和打桩船工作锚质量计算， 其计算公式如下： Ｖ——水流速度（包括绞缆速度）ｍ／ｓ，取２．１５ ｍ／ｓ 或按设计要求确定； Ａｍ＝Ｂ・ｄ，其中Ｂ为船宽（ｉｎ），ｄ为吃水（ｉｎ）。 ｑ一风压，一般取１７０ Ｎ／ｍ ， Ａ——水线以上船舶侧投影面积，取实际的０．６倍， ｍ／ｓ。 ３．４日本《工程船舶设计基准》 日本的《工程船舶设计基准》中对工程船的移船 绞车和工作锚有明确规定，起重船移船绞车的拉力按 船舶中心线３０。方向受到风和潮流的作用，其计算公 式如下： （１）移船绞车的总拉力 Ｔ＝Ｑａ＋Ｑｗ （１３） Ｑａ＝Ｃ’ｑ‘Ａａ‘Ｋａ （１４） １ Ｑｗ＝— ｐ。Ｖ ‘１．２Ａｗ。Ｃｗ （１５） （２）工作锚质量 应不小于Ｍ＝Ｔ／（０．８７Ｋ） （１６） 式中：Ｑ一风力（ｋＮ）； Ｑｗ一风阻力（ｋＮ）； ｃ——风力系数，平面取１－２； ｑ一风压，ｑ＝ｖ ・ ／３０； ｖ——为风速（ｍ／ｓ）； ｈ——受风面距水线的高度，小于１５ ｍ者取１５ ｍ； Ａ —一水线以上船体正投影面积，ｍ。； Ｋ 一风向影响系数，取１．２； Ｐ——海水密度， ｍ３； Ｖ＿——绞缆速度＋潮流速度，潮流速度—般取１．５６ ｍ／ｓ； Ａｗ一水线以下正投影面积，Ｉｌ１２； ｃｗ一阻尼系数，取１．４。 ３．５石油公司国际海事论坛（ＯＣＩＭＦ）《超大型油船 的风载和流载计算方法》 石油公司国际海事论坛组织通过一系列大型油船 ６３ 广东造船２０１４年第４期（总第１ ３７期） 的模型试验，提出了大型船舶的环境载荷计算公式， 在船舶系泊设备设计、码头设施配置等方面得到了广 泛的应用。其计算公式如下： （１）风载荷：Ｆｘｗ＝ｌ／２Ｃｘｗ ｐＷｖ ＡＴ ｋＮ （１７） ４分析及结论 通过对以上公式的计算结果及分析，可以看出：每 一种计算公式的侧重点不同，考虑的因素也不同，系 式中：ｃｘｗ一风力系数，按推荐图谱选取； 泊力计算结果差异较大，最大差异甚至接近１．８倍。因 此，需要从公式组成和表达形式上进行分析和甄选，寻 ｐ Ｗ——空气密度（ｇ／ｃｍ ）； ｒ求适合工程船定位系统使用的系泊力计算公式。 对于风引起的系泊力计算，各计算公式是依据流 体力学流体压力计算原理，取风压和受风面积的乘 积，并考虑一定的因素影响系数，这种表达形式得到 广泛认可。但是各公式考虑的风向角和风力系数各不 风速（ｍ／ｓ）； Ａ 一受风面积（ｍ２）。 （２）流载荷：Ｆｘｃ＝ｌ／２Ｃｘｃ ｐ ｖ ＬＲ ｋＮ （１８） 式中：ｃｖｃ——流力系数，按推荐图谱选取； ｐ．——水密度（ｇ／ｃｍ ）； ——流速（ｍ／ｓ）； 相同，日本《工程船舶设计基准》取３０。风向角和较 大的风力系数，其他各公式均取横向９０。风。从计算 结果来看，各公式计算结果存在差异，规律也不是很 明显，但《超大型油船的风载和流载计算方法》计算 的风载荷基本为各公式计算风载荷的中间值，而且该 Ｌ Ｐ＿——船体两柱间长（ｍ）； Ｔ＿—一吃水（ｉｎ）。 ３．６计算结果 用以上５种方法，对一艘总长８９．６ ｉｎ、宽３６ ｉｎ、型 深７ １ＴＩ、设计吃水３．８２ ｍ的１ ５００ ｔ沿海起重船进行系泊 方法的风力系数是通过多条船的风洞试验得到，可信 力计算：作业环境条件取极限风速２０ ｍ／ｓ（相应风压约 度较高。２５０ Ｐａ），作业区流速取极限流速３ ｋｎ即１．５６ ｍ／ｓ，移船 对于水流引起的系泊力，各公式采用的计算原理 速度０．２ ｍ／ｓ；同时对一艘总长５５．５ ＩＴＩ、宽２３．０ ＩＴＩ、型深 和表达形式有较大的差异：《港口工程荷载规范》采 ４．５ Ｉｎ、吃水２．９ １ＴＩ的５００ ｔ起重船进行计算：作业环境条 用对船舶浸水表面摩擦阻力的表达形式，故计算结果 件取极限风速１６ ｍ／ｓ（相应风压约１７０ Ｐａ），作业区流 最小；《内河工程船舶工作锚质量计算指南》、日本 速取极限流速３ ｋｎ即１．５６ ｍ／ｓ，移船速度０．２ ｍ／ｓ。计算结 《工程船舶设计基准》、《超大型油船的风载和流载 果如表１所示。 计算方法》采用同风作用相似的流体压力理论计算其 表１各种计算方法计算结果汇总表 、＼、计算结果 １ ５００ｔ起重船 ５００ｔ起重船 计算方法、＼ 风载荷（ｋＮ）流载荷（ｋＮ）系泊力（ｋＮ）工作锚质量（ ） 风载荷（ｋＮ）流载荷（ｋＮ）系泊力（ｋＮ）工作锚质量（ｋｇ） — 海船系泊设备配置 设计通则 港口工程荷载规范 内河工程船舶工作 锚质量计算指南 工程船舶设计基准 超大型油船的风载 和流载计算方法 １７９．３ ２【ｘ】．Ｏ １４０．９ ３００．３ ３ ２（】－２ ４６５．０ ３５．１ ４７８９．７ ３４．３ ５５．８ １４５．７ ９１．０ １７９．９ １ ８５３．３ １６４．７ １０８．０ ３５９．４ ４６７．４ ４４５．２ ５４８２．５ ３５ ５ ３１．９ １７４．３ ｌ３２．９ ２０９．９ ｌ６４７ ２１４１．７ １６２７ ２８２．５ 说明：工程船的工作锚一般使用大抓力锚。计算时锚抓力系数按轻量型锚取１０。 形体阻力（动水压力），但《内河工程船舶工作锚质 则》认为水流力引起的系泊力包括形体阻力和水流摩 量计算指南》、日本《工程船舶设计基准》都是取正 擦力，而且形体阻力也是取侧向受流面积计算的，故 向的受流面积乘以一定的系数计算流力，只有《超大 方法计算的系泊力最大。 型油船的风载和流载计算方法》可以取纵向受流面积 实际作用于船舶上的水流力可能存在摩擦阻力、 计算得到横向流力，故三者的计算结果也存在一些差 形体阻力和兴波阻力，不同情况下这３种阻力成分不 异，但日本《工程船舶设计基准》计算时在流速中叠 同，一般而言船首或船尾方向来流以摩擦阻力为主， 加移船速度比较合理；《海船系泊设备配置设计通 （下转第６１页） 徐业会，潘劭华 动力定位系统浅析及调试工艺 ４．３故障模式及影响分析ＦＭＥＡ测试 的方向和作用力，以抵抗外界环境力的影响，实现动 功能试验结束后，进行故障模式及影响分析ＦＭＥＡ 态定位。海上调试期间，面临着复杂的外界环境，又 测试，即测试故障产生时系统的响应能力，分为ＤＰ模式 必须保证电力系统（发电机、配电板和电站管理系统 和非ＤＰ模式。本文主要讨论针对ＤＰ系统的ＦＭＥＡ￣）Ｊ试。 等）、推进器系统（螺旋桨、冷却系统和控制系统 ＤＰ系统的故障模拟主要检验单个控制器、单个传 等）及其他辅助系统（￣ＩＩＣＣＴＶ、应急切断等）等正常 感器（如风速风向仪、ＭＲＵ和电罗经）、单个位置参 工作，针对不同工况要求，须频繁对船舶进行压载或 考系统（￣ＩＧＰＳ）在断电或通讯等故障情况下的自动切 卸压操作。这些设备的运行和操作的实施，很容易因 换功能，主ＤＰ失效时切换到备用ＤＰ的功能，以及ＤＰ系 管理不到位而出现问题。所以，调试期间不仅需要各 统的定位能力分析功能。以上测试都必须保证任何单 个专业团队密切配合、协同工作，而且对于系统操作 故障（如果是ＤＰ３系统，则包括某一分区失火或浸水 的安全必须给予足够的认识。调试工作尤其是海上调 一等）都不会导致平台或船舶失去位置，自动定位功能 不受影响。 ４．４调试中常见问题及解决 试工作，对于各级组织的管理、规范的制定及各项应 急措施的准备尤为重要。 动力定位系统作为复杂的控制系统，不仅技术难 度较大，且与推进器和电站关系密切，因而还需要进 行协调管理和配合。调试过程兼具技术和协调管理两 方面的内容。 ４．４．１技术方面 ５结束语 动力定位系统自研发成功至今，已经过半个多世 纪的发展和应用。随着计算机技术、网络通信技术和 控制理论的不断进步，系统将Ｅｔ趋成熟并不断完善。 ＤＰ系统设备安装问题最容易在调试中遇到，如： 风速风向仪安装位置不合理，周围有结构物遮挡，因 此最好将其安装在船舶或平台最高处；ＭＲＵ的安装位 置应当避开周围振动物体，为减小振动可以增加减震 垫。另外，关于ＤＧＰＳ的信号受附近大功率设备信号的 而全球深水油气资源开发的飞速发展，使得动力定位 系统的应用更加普遍。本文在阐述系统的产生、基本 组成和应用的基础上，结合作者的调试经验，对ＤＰ系 统调试的流程进行梳理和总结，并提出了调试过程中 的注意事项，以期形成较为完整的调试程序结构，对 干扰等问题大多是安装位置不理想造成的。 另一个问题则是设备间的通讯故障，通常可通过 今后我司类似船舶系统的调试提供借鉴。 检查线路连接、接口协议、数据率设置和软硬件版本 参考文献 等进行解决。 ４．４＿２管理方面 ［１］Ｄｙｎａｍｉｃ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ［ＥＢ／ＯＬＪ ２０１２． ［２１ Ｄａｖｉｄ Ｂｒａｙ ＦＮＩ．Ｄｙｎ￣ｎｉｃ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ［Ｍ］．２００３．翻园圃 动力定位控制系统的最终目的是控制各个推进器 （上接第６４页） 而水流来自船舶侧向时，以形体阻力为主。海况温和 大小。但对于计算中使用的作业环境条件如风速、流 时移船兴波阻力相对较小，通常不计。 到某一时刻最大系泊力即可根据该系泊力来安全的配 速（取实际流速叠加上移船速度）应根据工程船实际 对于工程船的系泊力计算来说，静态计算只要得 作业工况予以明确。置定位移船设备，而计算结果显示形体阻力远远大于 参考文献 摩擦阻力，故水流力计算时考虑最恶劣情况时的形体 阻力即可。 ［１］王丹．工程船舶锚泊系统分析与应用吲武汉理工大学硕士论文，２００７． ｆ ２ｊ周奇才．大型工程船舶锚泊移位系统研究叨．中国航海，２００９（２）． ［３］中华人民共和国交通部．港口工程荷载规范［ｓＪ．ｒ－ｒＪ ２１５—９８． ［４］中国船级社．内河工程船舶工作锚质量计算指南［Ｒ］．２００５． ｆ５］日本工程船舶设计标准编订委员会．工程船舶设计标准．１９７１． 『６］石油公司国际海事论坛（ＯＣＩＭＦ）．Ｍｏｏｔｉｎｇ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｇｕｉｄｅｌｉｎｅｓ ３ｒｄ ＿２【ｘ】８． 综合以上各种计算方法，个人认为石油公司国际 海事论坛《超大型油船的风载和流载计算方法》考虑 因素比较全面，横向９０。风、流方向的计算结果比较 合理，可以用来初步确定工程船定位移船时的系泊力 【７】石油公司国际海事论坛（ＯＣＩＭＦ）．Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ（１ｆ Ｗｉｎｄ ａｎｄ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｌｏａｄｓ ｏｎ．豳髑 ６１