起重船穩(wěn)性衡準(zhǔn)研究

葛慧曉，何炎平，陳新權(quán)，李洪亮

（上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240）

隨著海洋資源開(kāi)發(fā)、海上工程和海難救助事業(yè)的發(fā)展，起重船成了不可缺少的工程船，在需求量加大的同時(shí)，規(guī)模也越來(lái)越大。起重船的作業(yè)環(huán)境和載荷復(fù)雜，為保證船舶與海上起重作業(yè)的安全，起重船在各種載況下必須具有良好的穩(wěn)性。完整穩(wěn)性對(duì)船舶的安全性具有重要影響，也是船舶的一項(xiàng)重要技術(shù)性能，一直被人們所關(guān)注[1]。為保證起重船的穩(wěn)性滿足安全的需要，對(duì)于起重船的完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)就顯得尤為重要。本文結(jié)合振華港機(jī)自主研發(fā)制造、目前世界上起重量最大的7 500 t“藍(lán)鯨”全回轉(zhuǎn)自航起重船的穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果，就IMO和各船級(jí)社規(guī)范及法規(guī)有關(guān)起重船穩(wěn)性衡準(zhǔn)事宜進(jìn)行了比較分析和探討。

1 起重船適用范圍及校核狀態(tài)的比較

BV對(duì)起重船的定義為無(wú)人駕駛，方形系數(shù)不小于0.9，型寬與型深比＞3.0，除用密封墊蓋封閉的小人孔外無(wú)任何艙口[2]。BV所規(guī)定的起重船是無(wú)人駕駛，即非自航。其他各船級(jí)社都沒(méi)有起重船的定義及衡準(zhǔn)的適用范圍。

對(duì)于起重船應(yīng)校核的裝載狀態(tài)，除了校核IMO要求的航行狀態(tài)外，各船級(jí)社都考慮到了起重船的特殊功能，分別規(guī)定了起重船的起吊作業(yè)狀態(tài)，即起吊最大起重載荷的情況下受到正向突風(fēng)襲擊和發(fā)生起吊貨物突然跌落的意外情況。本船選擇了以下應(yīng)校核的狀態(tài)：

（1）LOAD1：空船狀態(tài)；

（2）LOAD2：船舶壓載出港情況，無(wú)貨，但載有100%供應(yīng)品和燃料；

（3）LOAD3：船舶壓載到港情況，無(wú)貨，載有10%的剩余供應(yīng)品和燃料；

（4）LOAD41/LOAD42：在100%/10%供應(yīng)品和燃料的情況下，最大幅度起吊7 500 t貨物的完整穩(wěn)性；

（5）LOAD51/LOAD52：在100%/10%供應(yīng)品和燃料的情況下，90°最大幅度起吊4 000 t貨物的完整穩(wěn)性；

（6）LOAD501/LOAD502：在 100%/10%供應(yīng)品和燃料的情況下，90°最大幅度起吊4 000 t貨物突然跌落的完整穩(wěn)性。

2 起重船穩(wěn)性衡準(zhǔn)分析

為了保證起重船的安全，穩(wěn)性衡準(zhǔn)應(yīng)使起重船在任何一種可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)狀態(tài)下都有足夠的穩(wěn)性儲(chǔ)備，保證其全壽命期的安全。根據(jù)目前穩(wěn)性研究的水平，穩(wěn)性衡準(zhǔn)考慮的是一種特定的危險(xiǎn)狀態(tài)，即零速橫風(fēng)橫浪狀態(tài)，這種相當(dāng)于船舶在波浪中處于失去操縱能力的最壞情況。

對(duì)于起重船穩(wěn)性，應(yīng)分為兩種情況：航行和起重作業(yè)狀態(tài)，而對(duì)于起重作業(yè)狀態(tài)，又分為了正常作業(yè)狀態(tài)和貨物突然跌落后的短時(shí)狀態(tài)。本文以7 500 t“藍(lán)鯨”號(hào)起重船為例，分別選擇了航行狀態(tài)LOAD1、正常作業(yè)狀態(tài)LOAD41和貨物突然跌落狀態(tài)LOAD501這3種典型工況進(jìn)行了穩(wěn)性校核分析。

2.1 航行狀態(tài)的穩(wěn)性衡準(zhǔn)分析

對(duì)于航行狀態(tài)下的起重船穩(wěn)性衡準(zhǔn)，除了BV和CCS有自身的規(guī)定外，其他船級(jí)社直接采用IMO完整穩(wěn)性要求對(duì)貨船進(jìn)行穩(wěn)性衡準(zhǔn)[3]。

相對(duì)IMO穩(wěn)性衡準(zhǔn)，對(duì)復(fù)原力臂GZ值、GZ曲線下的面積和初穩(wěn)性高度GM0值要求而言，由于起重船船寬較大，初穩(wěn)性高度值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般貨船的高度值，且靜浮時(shí)，干舷相對(duì)較大，由表1可知，各值都能滿足IMO的要求，且比較富裕；對(duì)于最大復(fù)原力臂對(duì)應(yīng)的橫傾角值來(lái)說(shuō)，由于起重船寬度較大，甲板進(jìn)水角減小，使得靜穩(wěn)性曲線的最大復(fù)原力臂對(duì)應(yīng)的橫傾角減小，由表1知，實(shí)際值剛好能滿足要求，所以此項(xiàng)要求對(duì)于起重船來(lái)說(shuō)相對(duì)嚴(yán)格。

表1 航行狀態(tài)下LOAD1的穩(wěn)性校核結(jié)果

鑒于以上起重船航行狀態(tài)下的特殊性，直接采用IMO對(duì)于貨船的穩(wěn)性衡準(zhǔn)是不合理的，因此本起重船相對(duì)IMO、CCS的要求而言，提高了初穩(wěn)性高度值和最大復(fù)原力臂值，放寬了對(duì)最大復(fù)原力臂對(duì)應(yīng)的橫傾角值，并按BV規(guī)范嚴(yán)格對(duì)復(fù)原力臂下的面積進(jìn)行復(fù)核。

2.2 正常作業(yè)的穩(wěn)性衡準(zhǔn)分析

鑒于起重船作業(yè)特殊性，IMO已不包含對(duì)起重船作業(yè)狀態(tài)的衡準(zhǔn)，所以各國(guó)船級(jí)社都根據(jù)起重船的特殊性，各自規(guī)定了相應(yīng)的穩(wěn)性衡準(zhǔn)準(zhǔn)則。以LOAD41，即在100%供應(yīng)品和燃料的情況下，最大幅度起吊7 500 t貨物的作業(yè)狀態(tài)為例，穩(wěn)性校核結(jié)果如表2。

表2 正常作業(yè)狀態(tài)下LOAD41的穩(wěn)性校核結(jié)果

ABS、BV和DNV的穩(wěn)性衡準(zhǔn)是基于動(dòng)穩(wěn)性的，即假定船舶首先在一個(gè)定常風(fēng)作用下產(chǎn)生一個(gè)初傾角，然后受波浪作用而發(fā)生橫搖，當(dāng)橫搖到向風(fēng)一側(cè)的最大幅度時(shí)，再受到一突風(fēng)的吹襲，船舶在此狀態(tài)下不傾覆[5]。

關(guān)于傾覆力臂曲線和復(fù)原力臂曲線的第一個(gè)交點(diǎn)的平衡橫傾角，因本船的實(shí)際作業(yè)吃水最大值為13.463 m，相應(yīng)的甲板進(jìn)水角或向下進(jìn)水角＞15°，由表2知BV嚴(yán)格些。

對(duì)于力臂曲線下的面積和復(fù)原力臂值的要求，由于起吊貨物至縱中平面的橫向距離為0 m，也無(wú)反向載荷，此時(shí)傾覆力臂為0 m，則BV穩(wěn)性衡準(zhǔn)中的GZc值為0 m，A1和Atot值相等，顯然滿足穩(wěn)性要求?？芍?，BV對(duì)正常作業(yè)狀態(tài)的穩(wěn)性衡準(zhǔn)要求只要是針對(duì)傾覆力臂值不為0 m的起吊作業(yè)，即不在縱中平面起吊貨物有反向載荷的起吊作業(yè)，如本船的LOAD51/LOAD52，在100%/10%供應(yīng)品和燃料的情況下，90°最大幅度起吊4 000 t貨物的完整穩(wěn)性。

CCS的穩(wěn)性衡準(zhǔn)是基于靜穩(wěn)性，即假定船舶無(wú)航速橫對(duì)波浪發(fā)生共振橫搖，當(dāng)橫搖至向風(fēng)一側(cè)的最大幅度時(shí)，遇到一陣突風(fēng)的吹襲，此情況下要求船舶不傾覆，要求計(jì)及共振橫搖角后的船舶最小傾覆力臂應(yīng)不小于風(fēng)壓傾側(cè)力臂[5]。由于與以上幾個(gè)船級(jí)社的穩(wěn)性衡準(zhǔn)的計(jì)算模型不同，因此很難進(jìn)行比較得出相應(yīng)的結(jié)論。

由表2可知，CCS只校核了初穩(wěn)性高度值和穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)，從實(shí)際值和要求值來(lái)看，CCS的穩(wěn)性要求比較寬裕。

2.3 起吊貨物突然跌落后的穩(wěn)性衡準(zhǔn)分析

各國(guó)船級(jí)社對(duì)于貨物跌落后的穩(wěn)性衡準(zhǔn)的基本原理都是一致的。以LOAD501在100%供應(yīng)品和燃料的情況下，90°最大幅度起吊4 000 t貨物突然跌落的狀態(tài)為例，由于作業(yè)時(shí)，在船的另一舷加了用來(lái)調(diào)整由于起吊貨物引起的橫傾的壓載，即反向壓載，在貨物突然跌落后，由于反向壓載的存在，使得船有了很大的橫傾，本船跌落后船體的初始橫傾角達(dá)到了9.5°。該狀態(tài)下的穩(wěn)性校核曲線如圖2，穩(wěn)性校核結(jié)果如表3。

圖2 穩(wěn)性校核曲線

由表3可知，就力臂曲線下的面積要求來(lái)說(shuō)，ABS的要求是最為嚴(yán)格的，BV的要求其次，DNV的要求最寬。但是DNV和BV除了這項(xiàng)衡準(zhǔn)外，還有對(duì)傾覆力臂和復(fù)原力臂曲線交角的要求，校核結(jié)果由表3可知，BV的要求更為嚴(yán)格，其穩(wěn)性衡準(zhǔn)不但要滿足θ2-θ3≥20°的要求，而且要滿足力臂曲線下的面積要求。而CCS對(duì)于貨物跌落后的狀態(tài)還未有相關(guān)的穩(wěn)性衡準(zhǔn)，建議參考其他船級(jí)社增加有關(guān)貨物跌落后的穩(wěn)性衡準(zhǔn)。

表3 起吊貨物突然跌落后的穩(wěn)性校核結(jié)果

總體上來(lái)說(shuō)，對(duì)于貨物跌落后的穩(wěn)性衡準(zhǔn)原理是一致的，就校核公式的嚴(yán)格程度來(lái)說(shuō)，存在一定的差異。就力臂曲線下面積的穩(wěn)性衡準(zhǔn)而言，ABS是最為嚴(yán)格的，但加上傾覆力臂和復(fù)原力臂曲線的交角的要求后，BV的嚴(yán)格程度得到了很大的提高。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于起重船的穩(wěn)性衡準(zhǔn)建議如下：

（1）航行狀態(tài)下，采用IMO對(duì)貨船的穩(wěn)性衡準(zhǔn)來(lái)校核起重船的穩(wěn)性已不合適，建議參考BV和CCS的穩(wěn)性衡準(zhǔn)，嚴(yán)格對(duì)復(fù)原力臂下的面積、初穩(wěn)性高度和最大復(fù)原力臂三者的要求，放寬最大復(fù)原力臂對(duì)應(yīng)的橫傾角值要求，針對(duì)起重船的船型特點(diǎn)來(lái)制定衡準(zhǔn)準(zhǔn)則；

（2）正常工作狀態(tài)下，由于其重心高度增加幅度較大，穩(wěn)心高度又相應(yīng)降低，穩(wěn)性消失角和靜穩(wěn)性力臂也相應(yīng)減小。針對(duì)其特殊性，對(duì)于傾覆力臂曲線和復(fù)原力臂曲線第一個(gè)交角的要求，建議規(guī)定其應(yīng)小于甲板進(jìn)水角、向下進(jìn)水角或15°中的較小值；而對(duì)于無(wú)反向載荷起吊作業(yè)狀態(tài)，采用ABS復(fù)原力臂曲線下面積的穩(wěn)性衡準(zhǔn)要求；有反向載荷的起吊作業(yè)狀態(tài)，采用BV的穩(wěn)性衡準(zhǔn)要求。

（3）起吊貨物跌落后，雖然各穩(wěn)性衡準(zhǔn)原理是一致的，但根據(jù)校核公式的嚴(yán)格程度，建議采用ABS對(duì)于力臂曲線下的面積要求和BV對(duì)于傾覆力臂曲線和GZ曲線交角的要求進(jìn)行衡準(zhǔn)。

總之，隨著起重船的大型化及其作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜化，對(duì)于大型起重船的穩(wěn)性衡準(zhǔn)亟待進(jìn)一步研究完善。

[1]張志明，徐丹錚，張超，等.大型起重船船型開(kāi)發(fā)的若干技術(shù)問(wèn)題初探[J].船舶，2005，2（1）：10-15.

[2]BV，Rules for the Classification of Steel Ships[R].2005.

[3]國(guó)際海事組織IMOA.749（18）決議及其MSC.75（69）修正案[R].2003.

[4]中國(guó)船級(jí)社.國(guó)內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則[R].2006.

[5]顧敏童.船舶設(shè)計(jì)原理[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2003.

[6]ABS.Crane Ship/Intact Stability Guidelings&Crane Countballsting Criteria[R].2007.

[7]DNV.Rules for Calssification of Ships[R].2006.