中等海況條件下起重船起吊作業(yè)時的穩(wěn)性分析

郝銘渲 李歡 李元哲

摘要：隨著陸上資源的開發(fā)趨于飽和，海洋資源尤其是深海資源成為了開發(fā)的熱點，而開發(fā)所依靠的大型海上工程設(shè)施，需要起重船作為重要的輔助船舶。在起重船的起重量不斷提高的同時，對其在各種工況下的穩(wěn)性和浮性也提出了更高的要求。起重船在工作時的穩(wěn)性和浮性是保證其作業(yè)安全與質(zhì)量的重要前提。本文針對船舶在作業(yè)時的穩(wěn)性問題，利用船舶原理中的計算方法，研究“徳瀛”號回轉(zhuǎn)式起重船在起吊作業(yè)時的穩(wěn)性并得結(jié)論

關(guān)鍵詞：起重船；船體穩(wěn)性；船舶原理；穩(wěn)性校核

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）22-0067-03

一、緒論

1.起重船介紹。起重船，是海洋工程建設(shè)中的重要輔助工程船，又名“浮吊”，在海洋交通運(yùn)輸、海洋石油勘探開發(fā)、海上工程建設(shè)、港口貨物裝卸、造船工業(yè)、水下救援等領(lǐng)域均有廣泛使用。

2.起重船分類：起重船根據(jù)分類依據(jù)的不同有多種分類方法，以下按照功能可分為：主要用于海上吊裝、拆卸大型工程設(shè)備的大型起重船，普遍裝設(shè)回轉(zhuǎn)式起重機(jī)，起重量較大；主要用于鋪設(shè)海底管線的起重鋪管船，其上裝有回轉(zhuǎn)式起重機(jī)和鋪管專用設(shè)備；用于大型水上工程吊裝的起重船，其上多數(shù)裝設(shè)固定臂架式起重機(jī)，但由于無法靈活調(diào)動正逐步被回轉(zhuǎn)式起重機(jī)取代。桁架式臂架，因其力與力矩傳遞合理、材料的材質(zhì)輕強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)受風(fēng)面積較小等優(yōu)點，將逐步替代板梁、箱型梁臂架；由于起重船作業(yè)時的傾覆力矩（起重量×吊幅）相當(dāng)大，起重船的回轉(zhuǎn)支承機(jī)構(gòu)已全部采用多排滾輪，其支柱為焊接在船舶主甲板上的直徑25—40m圓筒，并由主甲板延伸到船底，形成牢固的船體結(jié)構(gòu)。

3.起重船特點。（1）起重船總體特點：較大的甲板面積，以便安裝大型起重機(jī)，同時方便進(jìn)行回轉(zhuǎn)起重作業(yè)。常規(guī)船：常規(guī)船寬度與吃水之比約為2—3，遠(yuǎn)低于起重船（一般為6—14）。（2）起重船穩(wěn)性特點：大型起重船穩(wěn)性的特點是因其作業(yè)的特殊性所決定的；在短時間內(nèi)起吊數(shù)百噸甚至上千噸重物，由此船舶排水量急劇增加；按規(guī)范，吊鉤以上的上滑輪軸心處視為吊重貨物的重心，該點常距離水平面數(shù)十米有時是上百米，短時間內(nèi)全船重心提高很多，對船舶穩(wěn)性極為不利；起吊重物的產(chǎn)生的巨大傾覆力矩，對浮態(tài)產(chǎn)生很大影響，靜橫傾角可能達(dá)到7—8°。

二、海況分析

海況等級劃分。不同海況對應(yīng)不同波級、風(fēng)速等級：0級，風(fēng)力0級，風(fēng)速0—0.2m/s，水面平靜無浪。1級，風(fēng)力1級，風(fēng)速0.3—1.5m/s，微浪，浪高0.1米，波紋、小波紋以及浪涌同時存在，但未形成浪花。2級，小浪，風(fēng)力2級，風(fēng)速1.6—3.3m/s，浪高0.1—0.5米波浪很小，波長短，但波形顯著。3級，輕浪，風(fēng)力3—4級，風(fēng)速3.4—7.9m/s，浪高0.5—1.25米，波浪不大，波長變長，波峰開始破裂，伴隨有白色浪花出現(xiàn)。4級，中浪，風(fēng)力5級，風(fēng)速8.0—10.7m/s，浪高1.25—2.50米，波浪形狀明顯，許多波峰破裂，形成白浪。5級，大浪，風(fēng)力6級，風(fēng)速10.8—13.8m/s，浪高2.50—4.0米，高大波峰開始形成，碎浪成白沫沿風(fēng)向呈條狀。

三、起重船穩(wěn)性衡準(zhǔn)

為保證起重船的安全，穩(wěn)性衡準(zhǔn)應(yīng)考慮起重船在任何一種可能出現(xiàn)的危險狀態(tài)下都有足夠的穩(wěn)性儲備，保證其全壽命期的安全，但這相對難以實現(xiàn)，也沒有必要。根據(jù)目前穩(wěn)性研究的水平，穩(wěn)性衡準(zhǔn)考慮一種特定的危險狀態(tài)即零速橫風(fēng)橫浪狀態(tài)，此時，船舶喪失動力和操縱能力，隨浪浮沉，是最危險的情況。穩(wěn)性衡準(zhǔn)主要參照中國船級社（CCS）、法國船級社（BV）威船級社（DNV）的衡準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，本文重點介紹和研究中國船級社衡準(zhǔn)。

1.起重船應(yīng)核算下列基本裝載情況下的穩(wěn)性。

（1）LOAD1：空船狀態(tài)；（2）LOAD2：船舶壓載出港情況，載有100%供應(yīng)品和燃料，無貨；（3）LOAD3：船舶載有100%/10%供應(yīng)品和燃料的情況下，最大幅度起吊1700t貨物的完整穩(wěn)性；（4）LOAD4：載有100%/10%供應(yīng)品和燃料的情況下，最大幅度起吊560t貨物的完整穩(wěn)性。

2.極限靜傾角θc。起重船的極限靜傾角θc定義為4/5舭部出水角，4/5上甲板邊緣入水角，或橫傾至剩余干舷為0.3m時的橫傾角，取其小者；在避風(fēng)狀態(tài)下一般不超過8°；在作業(yè)狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)式起重機(jī)不應(yīng)超過5°。

3.起重船作業(yè)狀態(tài)時的穩(wěn)性計算。起重機(jī)在作業(yè)狀態(tài)時的穩(wěn)性應(yīng)該滿足下列條件：

（1）初穩(wěn)性高

（2）穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)

公式（3.1，3.2）中符號說明：GM：實際計算得到的初穩(wěn)性高，計及自由液面與懸吊重物對初穩(wěn)性高度的影響，m；GM′：規(guī)范要求的最小初穩(wěn)性高度，計及自由液面與懸吊重物對初穩(wěn)性高度的影響，m；

4.實例計算分析。在船體坐標(biāo)系中以指向船首為x軸正半軸，指向右舷為y軸正半，向上為z軸正半軸，針對全回轉(zhuǎn)起重船的船體特點，在船體本身的坐標(biāo)系上在起重機(jī)的位置增設(shè)一個局部直角坐標(biāo)系如圖1。

以最大起重重量為1700噸的“徳瀛”號全回轉(zhuǎn)起重船為例進(jìn)行穩(wěn)性計算校核。船體主尺度參數(shù)：船體總長115m，型深45m，型寬9m，設(shè)計吃水5.5m，結(jié)構(gòu)吃水5.9m。本文選擇的工作載況如表1所示。

作業(yè)時船舶浮態(tài)計算結(jié)果：

計算結(jié)果如圖2，3，4，5。

5.結(jié)論：（1）在作業(yè)過程中船體橫傾角隨著起重臂旋轉(zhuǎn)而逐漸變化，在吊臂旋轉(zhuǎn)到與船體中心線垂直的位置時，船體的橫傾角達(dá)到最大，如果起吊重物過大或者作業(yè)半徑過長均會導(dǎo)致船體浮態(tài)超出安全范圍（橫傾角<5°，縱傾角<2°）。（2）由圖3、4可知船舶穩(wěn)性滿足要求并且有較大富裕，但是起重船穩(wěn)性高較普通船舶大，橫搖周期短，船舶搖擺劇烈，故現(xiàn)在更大起重量的起重船向著平臺式發(fā)展。

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