海上重大件貨物受風(fēng)力影響研究

王若琦，蘭培真

(1.集美大學(xué)海上交通安全研究所，福建 廈門 361021;2.交通安全應(yīng)急信息技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361021)

0　引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和裝備制造業(yè)水平的提高，越來越多的貨物呈現(xiàn)出大型化和重型化的發(fā)展趨勢[1]。在重大件貨物運(yùn)輸過程中，對重大件貨物進(jìn)行有效綁扎和系固是保證貨物運(yùn)輸安全的首要前提。為確保海上貨物綁扎系固方案的有效性和經(jīng)濟(jì)性，必須對貨物可能的受風(fēng)力情況進(jìn)行分析和判定。對重大件貨物進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)可得到最為可靠的風(fēng)力數(shù)據(jù)，但是風(fēng)洞試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)周期長、實(shí)驗(yàn)成本高[2]，并不適用于船載重大件貨物的風(fēng)力計(jì)算。國內(nèi)外學(xué)者和機(jī)構(gòu)對海上相關(guān)的各類結(jié)構(gòu)物的風(fēng)力計(jì)算進(jìn)行了研究，并形成了一系列的規(guī)范和計(jì)算公式。其中廖建清[3]應(yīng)用《貨物系固手冊編制指南》的規(guī)范要求，并結(jié)合集裝箱橋吊海上運(yùn)輸實(shí)踐,推導(dǎo)出集裝箱橋吊海上運(yùn)輸過程中整體及重要部位受風(fēng)力計(jì)算公式。Gould[4]針對船舶的上層建筑，討論研究了海風(fēng)對于船舶相對速度的影響，并提出一種對數(shù)方式來描述風(fēng)速；劉亞沖等[5]應(yīng)用fluent軟件針對超大型集裝箱船建立模型，計(jì)算水面以上船體模型表面所受風(fēng)壓情況，為船舶穩(wěn)性設(shè)計(jì)和校核提供參考；許多國家船級社在海上平臺設(shè)計(jì)計(jì)算載荷的研究中取得了一系列的研究成果[6]，其計(jì)算結(jié)果的可信度也越來越高。2016年，中國船級社重新修訂了《海上平臺入級規(guī)范》[7]，對海洋平臺設(shè)計(jì)載荷的風(fēng)載荷設(shè)計(jì)中，考慮到了平臺在不同傾斜程度下的投影面積、受風(fēng)構(gòu)件距離水面的垂直高度以及受風(fēng)構(gòu)件的形狀因素影響，并給出不同形狀受風(fēng)構(gòu)件的參考系數(shù)值。

Blendermann[8]歸納出船舶受風(fēng)時(shí)橫縱方向的受風(fēng)載荷系數(shù)；岳曉瑞等[9]證實(shí)了Blendermann計(jì)算方法的結(jié)果同實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合。鑒于海上重大件貨物在運(yùn)輸中的環(huán)境同海上平臺比較相似，本文借鑒中國船級社(CCS)和挪威船級社(DNV)的海上平臺風(fēng)力計(jì)算規(guī)范，調(diào)研了大量海上重大件貨物成功綁扎系固方案，在CSS規(guī)則貨物分類的基礎(chǔ)上，根據(jù)受風(fēng)力計(jì)算的特點(diǎn)，將海上常見重大件貨物進(jìn)行分類，對于船公司常見的重大件貨物，應(yīng)用Blendermann計(jì)算方法、CCS規(guī)范和DNV規(guī)范對其進(jìn)行受風(fēng)力計(jì)算，并與船公司經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行比較，得出不同類型海上重大件貨物受風(fēng)力計(jì)算的適用規(guī)范與方法。

1　風(fēng)力計(jì)算

1.1　CCS風(fēng)力計(jì)算

CCS規(guī)范中風(fēng)壓P及風(fēng)力F具有如下關(guān)系[7]：

P=0.613×10-3V2；

(1)

F=ChCsSP。

(2)

式中：V為設(shè)計(jì)風(fēng)速，m/s；S為受風(fēng)貨物的正投影面積，m2；Ch為受風(fēng)貨物的高度系數(shù)，該值可以根據(jù)貨物高度h(貨物型心到設(shè)計(jì)水面的垂直距離)來確定；Cs—受風(fēng)貨物形狀系數(shù)，其主要外形取值為：球形為0.4；圓柱形為0.5；大的平面(船體、甲板室、平滑的甲板下表面)為1.0；甲板室群或類似結(jié)構(gòu)為1.1；鋼索為1.2；井架為1.25；甲板下暴露的梁和桁材取值為1.3。

1.2　DNV風(fēng)力計(jì)算

DNV規(guī)范中風(fēng)壓q和風(fēng)力Fw的計(jì)算公式[10]為：

(3)

Fw=CsqA·sin ?。

(4)

式中：ρ為空氣密度，1.23 kg/m3;vz為水平面以上高度z處的平均風(fēng)速；A為垂直于來風(fēng)方向構(gòu)件的投影面積，m2；?為暴露的構(gòu)件或者其表面與風(fēng)向間夾角；Cs為受風(fēng)貨物形狀系數(shù)，取值可參考CCS規(guī)范的形狀系數(shù)值。

在無有效遮擋時(shí)，基本風(fēng)壓PW按式(5)計(jì)算：

PW=±CPq。

(5)

其中：CP為風(fēng)壓系數(shù)。

1.3　Blendermann方法風(fēng)力計(jì)算

Blendermann在風(fēng)洞試驗(yàn)的基礎(chǔ)上搜集了大量關(guān)于風(fēng)力的數(shù)據(jù)，對橫向、縱向以及首搖數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并提出風(fēng)力系數(shù)計(jì)算公式，這種方法主要細(xì)化了重大件貨物受到橫向和縱向的風(fēng)載荷系數(shù)[11]，具體公式如下：

CX=-Cd1(AL/AF)(cosθ/(1-δ(1-Cd1/Cdq)sin2(2θ)/2)；

(6)

CY=Cdqsinθ/(1-δ(1-Cd1/Cdq)sin2(2θ)/2)。

(7)

式中：CX為縱向(正面)風(fēng)力系數(shù)；CY為橫向(側(cè)面)風(fēng)力系數(shù)；Cd1、Cdq、δ分別為與船舶類型相關(guān)的參數(shù)；θ為風(fēng)向角；AL、AF分別為側(cè)面、正面的受風(fēng)投影面積。

在求得貨物受風(fēng)的橫向、縱向風(fēng)力系數(shù)后，橫向、縱向受風(fēng)力為：

X=Cx×(q×AF)；

(8)

Y=CY×(q×AL)。

(9)

式中：X為貨物縱向(正面)受風(fēng)力；Y為貨物橫向(側(cè)面)受風(fēng)力；q=ρ/2u2，其中u為風(fēng)速，ρ為空氣密度，取值為1.23 kg/m3。

2　常見貨物分類及受風(fēng)力計(jì)算值比較

1991年版的CSS(code of safe practice for cargo stowage and securing)規(guī)范將非標(biāo)準(zhǔn)化系固和積載的重型貨物分為12類[12]，CSS規(guī)范對上述12類貨物的積載和系固進(jìn)行了分類和要求，但目前還有許多CSS規(guī)范之外的非規(guī)則貨物，如渡輪、漁船、游艇、風(fēng)葉等，這類貨物CSS未提出有針對性的系固解決方法。

通過對船公司大量海上重大件貨物成功綁扎系固方案的研究分析，結(jié)合CSS規(guī)范中涉及的重大件貨物分類，考慮受風(fēng)力計(jì)算中貨物的尺寸和外形等特點(diǎn)，以及積載和系固的具體要求，將海上裝載在露天甲板上的常見重大件貨物劃分為5類，具體分類如下：

1)渡輪類；2)風(fēng)葉類；3)風(fēng)電塔筒、罐柜及裝載在甲板上的圓柱形容器類；4)集裝箱、輪載(滾動(dòng))貨物、機(jī)車類；5)漁船類。

根據(jù)以上分類結(jié)果，選取5種貨物作為各類貨物的代表，對它們進(jìn)行綁扎系固受風(fēng)力分析，具體數(shù)據(jù)如下：

1)462 t渡輪，總長78.4 m，寬14.4 m，高度13 m，重心高度為4.89 m，其橫向受風(fēng)面積為1 019.2 m2，縱向受風(fēng)面積為187.2 m2。

2)43.5 t的三層堆放風(fēng)葉，總長53.5 m，寬2.8 m，高度9.3 m，重心高度為4.75 m，其橫向受風(fēng)面積為497.55 m2，縱向受風(fēng)面積為26.04 m2。

3)116 t的兩層堆放風(fēng)電塔筒，總長31.36 m，寬4.32 m，高度9.65 m，重心高度為4.61 m，其橫向受風(fēng)面積為302.62 m2，縱向受風(fēng)面積為41.688 m2。

4)15 t大巴車輛，總長12 m，寬3 m，高度3 m，重心高度為1.6 m，其橫向受風(fēng)面積為36 m2，縱向受風(fēng)面積為36 m2。

5)166 t漁船，總長32 m，寬5.7 m，高度8 m，重心高度為3.5 m，其橫向受風(fēng)面積為256 m2，縱向受風(fēng)面積為45.6 m2。

應(yīng)用CCS規(guī)范、DNV規(guī)范及Blendermann方法計(jì)算出5種貨物各自的受風(fēng)力值，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

另外，船公司積累了大量重大件貨物運(yùn)輸綁扎系固經(jīng)驗(yàn)，它們在IMO規(guī)定的基礎(chǔ)上綜合考慮運(yùn)輸安全保障和綁扎系固成本，從中提煉出不同重大件貨物受風(fēng)力計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，對5種貨物進(jìn)行受風(fēng)力計(jì)算，得到安全經(jīng)濟(jì)的橫向受風(fēng)力和縱向受風(fēng)力值，結(jié)果如表1所示。表1中船公司經(jīng)驗(yàn)值是通過對船公司相關(guān)運(yùn)輸項(xiàng)目實(shí)地調(diào)研收集得到，該經(jīng)驗(yàn)值已多次在實(shí)際運(yùn)輸中成功應(yīng)用，其安全性已得到充分驗(yàn)證，可以作為CCS規(guī)范、DNV規(guī)范及Blendermann方法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較的參考基準(zhǔn)值。

由表1可知，CCS規(guī)范與DNV規(guī)范的計(jì)算結(jié)果比較接近，此外，大巴車輛的CCS規(guī)范和DNV規(guī)范的計(jì)算結(jié)果最接近船公司經(jīng)驗(yàn)值，而渡輪、風(fēng)葉、風(fēng)電塔筒和漁船的Blendermann方法計(jì)算值則比兩個(gè)規(guī)范更接近船公司的經(jīng)驗(yàn)值。

表1　受風(fēng)力計(jì)算結(jié)果比較

3　海上重大件貨物運(yùn)輸受風(fēng)力計(jì)算方法的比較

IMO規(guī)定在計(jì)算貨物受風(fēng)時(shí)的風(fēng)壓均取1 kPa，這個(gè)數(shù)值相對實(shí)際海上運(yùn)輸來說偏大，若將所有貨物的表面視為平面，求出其投影面積再依此計(jì)算風(fēng)壓力，這樣計(jì)算得到的結(jié)果往往比實(shí)際運(yùn)輸中的貨物受風(fēng)力大很多，以此數(shù)據(jù)進(jìn)行綁扎系固會造成人力物力的較大浪費(fèi)。為此，船公司根據(jù)實(shí)際運(yùn)輸中的綁扎經(jīng)驗(yàn)，在滿足IMO規(guī)范要求并確保貨物運(yùn)輸安全的前提下，總結(jié)出不同重大件貨物受風(fēng)力計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，求得更經(jīng)濟(jì)且足夠保證安全的風(fēng)力計(jì)算值，但船公司的經(jīng)驗(yàn)值不便于推廣應(yīng)用，亟待理論的提升。CCS規(guī)范和DNV規(guī)范的適用對象原為海洋平臺，因其與無遮擋綁扎系固在船舶甲板面上的重大件貨物的運(yùn)輸環(huán)境類似，因此其風(fēng)載荷設(shè)計(jì)對于海上重大件貨物的風(fēng)力計(jì)算具有較高的參考價(jià)值。Blendermann方法是在大量船舶風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)出風(fēng)力對于船舶橫縱方向的系數(shù)計(jì)算方法，因此可借鑒Blendermann方法來計(jì)算海上重大件貨物的受風(fēng)力，但局限于船舶實(shí)驗(yàn)的影響，這種方法并不適用于所有類型的海上重大件貨物的風(fēng)力計(jì)算，此方法的應(yīng)用需注意船舶類型的選擇。

從表1可知，CCS規(guī)范和DNV規(guī)范在計(jì)算大巴車輛受風(fēng)力時(shí)的數(shù)值最接近船公司經(jīng)驗(yàn)值，因?yàn)榇蟀蛙囕v的外形最為規(guī)則平整，變化較少，適合規(guī)范中的類別；但應(yīng)用規(guī)范計(jì)算其他不規(guī)則重大件貨物時(shí)，雖然兩個(gè)規(guī)范的公式中都涉及到了形狀系數(shù)的影響，但規(guī)范中給出的形狀系數(shù)類別少，不夠細(xì)化，因此導(dǎo)致其計(jì)算結(jié)果與船公司經(jīng)驗(yàn)值的差距較大。Blendermann方法在計(jì)算渡輪、風(fēng)電塔筒、風(fēng)葉和漁船的受風(fēng)力時(shí)的結(jié)果較為接近船公司經(jīng)驗(yàn)值，但在計(jì)算平整規(guī)則的重大件貨物(如大巴車輛)時(shí)，橫向受風(fēng)力偏小，縱向偏大，計(jì)算結(jié)果不如CCS規(guī)范和DNV規(guī)范的結(jié)果適用。

重大件貨物不同于普通船載貨物，由于貨物的特殊性，在將其綁扎系固在船舶上時(shí)對穩(wěn)定性的要求非常高，海上航行時(shí)必須將船舶和貨物視為一個(gè)整體來看待，因此貨物受風(fēng)力的計(jì)算結(jié)果決定了綁扎系固方案的制定，也決定了船舶的航行安全。為方便貨物受風(fēng)力的計(jì)算，根據(jù)前面的研究結(jié)果，將5類重大件貨物的受風(fēng)力計(jì)算方法歸納如下：渡輪類適合Blendermann計(jì)算方法；風(fēng)葉類適合Blendermann計(jì)算方法；風(fēng)電塔筒、罐柜及裝載在甲板上的圓柱形容器類適合Blendermann計(jì)算方法；集裝箱、輪載(滾動(dòng))貨物、機(jī)車類適合CCS規(guī)范和DNV規(guī)范的計(jì)算方法；漁船類適合Blendermann計(jì)算方法。

4　結(jié)論

貨物受風(fēng)力計(jì)算值是海上重大件貨物綁扎系固方案制定的重要依據(jù)，是船舶運(yùn)輸安全保障的重要因素之一。將海上重大件貨物進(jìn)行分類，并研究了各類別貨物的受風(fēng)力計(jì)算規(guī)范與方法。研究結(jié)果表明，CCS規(guī)范和DNV規(guī)范更適用于外形平整規(guī)則的重大件貨物受風(fēng)力計(jì)算，而對于其他不規(guī)則的重大件貨物則可優(yōu)先考慮應(yīng)用Blendermann方法進(jìn)行受風(fēng)力計(jì)算。