施工水域船舶通航對(duì)起重船作業(yè)的影響

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(大連海事大學(xué) 綜合運(yùn)輸研究所，遼寧 大連 116026)

在內(nèi)河水域開(kāi)展施工作業(yè)會(huì)占用部分航道，為不影響船舶通航，施工船需停工撤離施工區(qū)以避讓船舶，等待船舶通航后再恢復(fù)施工作業(yè)。在既要保證水域通航效率又不影響施工船舶安全作業(yè)的情況下，施工水域的船舶通航問(wèn)題引起了關(guān)注。

海上工程建設(shè)，海洋資源開(kāi)發(fā)，打撈作業(yè)等對(duì)起重船的需求較大，起重船的發(fā)展也漸趨大型化和復(fù)雜化[1-4]。在開(kāi)敞海域施工區(qū)，通航船舶對(duì)起重船作業(yè)的影響表現(xiàn)為船行波對(duì)起重船作業(yè)的干擾。通航船舶降速航行雖然可保證通航安全，減小對(duì)附近船舶的影響，但同時(shí)也降低了通航效率。所以，兼顧兩方面考慮，分析討論施工區(qū)通航船舶的合理航速和安全航行距離問(wèn)題。

1 回轉(zhuǎn)式起重船特性及安全浮態(tài)

1.1 起重船特性

起重船甲板平面大，便于安裝起重設(shè)備和進(jìn)行起重作業(yè)；船寬吃水比B/d大，一般為6～14，對(duì)穩(wěn)性要求高；船型以箱型居多，設(shè)有多個(gè)壓載水艙。在起重作業(yè)時(shí)，需在短時(shí)間內(nèi)吊起重物，船舶排水量急劇增加，船舶整體重心上移，穩(wěn)定性能受到一定影響。起重機(jī)回轉(zhuǎn)起吊重物，會(huì)產(chǎn)生傾覆力矩，通常需要在反向加載壓載水以保證船舶安全浮態(tài)。

為保持壓載水總量不變，壓載水只在各壓載艙間相互調(diào)撥。在起重機(jī)旋轉(zhuǎn)作業(yè)初期，壓載水調(diào)撥速度將會(huì)慢于起重機(jī)旋轉(zhuǎn)速度，傾覆力矩不能被完全抵消，使得在作業(yè)過(guò)程中船舶向起重機(jī)旋轉(zhuǎn)方向傾斜。在施工時(shí)，當(dāng)起重船向起重機(jī)旋轉(zhuǎn)方向傾斜約1°時(shí)，起重機(jī)要停止運(yùn)作直到調(diào)撥壓載水將船舶調(diào)平為止[5]。

船舶在波浪中會(huì)發(fā)生6個(gè)自由度的搖蕩運(yùn)動(dòng)，而對(duì)船舶安全及作業(yè)影響最大的是橫搖運(yùn)動(dòng)。若最大靜傾角能保持在安全范圍內(nèi)，則船舶安全浮態(tài)便能得到保障，滿(mǎn)足船舶安全作業(yè)的要求。

1.2 作業(yè)安全浮態(tài)

1.2.1 吊裝作業(yè)

(1)

所以，船舶恢復(fù)力矩變?yōu)?/p>

(2)

重物被吊起，吊臂的旋轉(zhuǎn)角度為β，吊臂及重物形成一傾覆力矩為

(3)

船舶傾斜后，若是水線(xiàn)WL水平時(shí)，船體一側(cè)楔形體積浮出水面，另一側(cè)楔形體積浸入水中，船舶浮心位置的變化是由一側(cè)楔形體積移動(dòng)到另一側(cè)引起；兩楔形體積的形心分別為k1、k2，長(zhǎng)度Ok1、Ok2均為(2/3)y，見(jiàn)圖1。由于波浪的影響，水線(xiàn)為正(余)弦形，船體進(jìn)出水體積形狀發(fā)生改變，所受水的浮力矩發(fā)生改變[7-8]。單位長(zhǎng)度內(nèi)船舶受到的波浪力矩為

(4)

式中：▽為單位長(zhǎng)度內(nèi)船舶水下體積改變量。而波面角表達(dá)式為ζ=ζacos(ky-ωt)，所以有

(5)

對(duì)單位長(zhǎng)度內(nèi)的波浪力矩沿船舶長(zhǎng)度積分，求得波浪擾動(dòng)力矩為

(6)

(7)

當(dāng)船寬和吃水相對(duì)波長(zhǎng)有限尺度時(shí)，船體下的波形曲率發(fā)生變化，船體下表面所受浮力方向與波面法線(xiàn)方向不一致，其垂直于某一次波面，該波面為有效波面，波面上的波面角為有效波傾，有效波傾小于表面波傾[9]。船行波對(duì)起重船造成擾動(dòng)，不能以船舷處的表面波傾進(jìn)行計(jì)算，而要以對(duì)船舶產(chǎn)生有效影響的有效波傾計(jì)算。

最不利的情況是船行波以最大波高到達(dá)起重船船舷處，即波浪擾動(dòng)力矩最大，起重船達(dá)到允許安全作業(yè)最大橫傾角；根據(jù)瞬時(shí)受力平衡，即船舶恢復(fù)力矩、傾覆力矩和波浪擾動(dòng)力矩平衡有

Ms=Mh+MF

(8)

1.2.2 吊卸作業(yè)

重物在被起重船卸離之前，船舶總的排水量保持不變。重物吊卸過(guò)程中，船舶重心提高致使初穩(wěn)性高度發(fā)生改變，吊臂及重物產(chǎn)生傾覆力矩，船舶發(fā)生一定程度橫傾。受船行波擾動(dòng)力矩的影響，船舶橫傾角加大。假設(shè)起重船上需要卸載重物重心高度為zc，初穩(wěn)性高度減少量為

(9)

船舶恢復(fù)力矩為

(10)

與吊裝作業(yè)類(lèi)似，吊臂及重物產(chǎn)生傾覆力矩見(jiàn)式(3)，船行波產(chǎn)生擾動(dòng)力矩見(jiàn)式(7)，起重船受到船行波擾動(dòng)并達(dá)到允許安全作業(yè)最大橫傾角，由3種力矩達(dá)到平衡見(jiàn)式(8)。

2 船行波相關(guān)要素計(jì)算

根據(jù)凱爾文船行波理論，船舶航行在水面上產(chǎn)生壓力擾動(dòng)，在船艏及船艉均激起橫波和散波，各橫波波峰線(xiàn)和各散波波峰線(xiàn)交點(diǎn)的連線(xiàn)與航線(xiàn)形成一夾角Φ，該角理論值為19°28′。船行波向船舶兩側(cè)擴(kuò)散，任意點(diǎn)的波速為壓力擾動(dòng)點(diǎn)速度在該波峰線(xiàn)垂線(xiàn)上的分量[10]，即VcosΦ，可以推導(dǎo)出波長(zhǎng)與波速的關(guān)系式λ=2πV2cos2Φ/g。船行波多以散波的形式對(duì)附近船舶造成擾動(dòng)。

在相對(duì)水深h/d<2的開(kāi)敞海域，采用波高計(jì)算公式[10]為

(11)

式中：Hm為船舷側(cè)產(chǎn)生船行波波高；V為航速；g為重力加速度；Cb為船舶方形系數(shù)；d為船舶吃水；L為船長(zhǎng)。

船行波形成后向遠(yuǎn)處傳播，波高隨著傳播距離的改變而改變，在傳播距離s后，波高Hs為

(12)

船舶航行產(chǎn)生的船行波，其波高與航速的二次方成正比，波高隨著傳播距離的增加而逐漸減小，衰減后的船行波對(duì)附近船舶的影響也逐漸減弱。此外，波高還與船舶參數(shù)有關(guān)，如船長(zhǎng)、船寬、方形系數(shù)等。

3 算例

以南海號(hào)回轉(zhuǎn)式起重船為例，起重船相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。通航船舶選擇一艘符合BCI指數(shù)(波羅的海海峽型指數(shù))規(guī)范的好望角型散貨船，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 起重船船體參數(shù)

表2 好望角型散貨船參數(shù)

起重船在某開(kāi)敞海域進(jìn)行海上平臺(tái)的拆卸作業(yè)，需要起吊重量為1 000 kN的平臺(tái)板塊，在重物起吊瞬間壓載水來(lái)不及調(diào)撥，起重船由于傾覆力矩發(fā)生橫傾，通航船舶生成的船行波以最大波高抵達(dá)，使起重船橫傾加劇。選擇起重船3個(gè)作業(yè)狀態(tài)(見(jiàn)表3)計(jì)算橫傾角隨航速及距離的變化，結(jié)果見(jiàn)圖2。

表3 起重船作業(yè)工況

按照海事局規(guī)范，回轉(zhuǎn)式起重船在作業(yè)過(guò)程中要滿(mǎn)足極限靜傾角不超過(guò)5°的要求[12]。

1)在通航船舶航速一定時(shí)，LOAD3狀態(tài)下，即起重船吊臂旋轉(zhuǎn)90°作業(yè)，通航船舶對(duì)起重船作業(yè)影響較大；此時(shí)傾覆力矩達(dá)到最大值，初始橫傾角也最大，受船行波擾動(dòng)以致達(dá)到極限靜傾角5°所需的條件更低。比較3種作業(yè)狀態(tài)，吊臂與船中線(xiàn)面夾角越大，船舶作業(yè)所受影響越明顯。為避免安全事故的發(fā)生，在吊重作業(yè)開(kāi)始前可進(jìn)行反向預(yù)壓載，抵消部分傾覆力矩，減弱船行波對(duì)起重作業(yè)的影響。

2)當(dāng)通航船舶航速為12.0 kn時(shí)，至少距離起重船61 m，可保證在3種作業(yè)狀態(tài)下起重船最大橫傾角均低于5°；通航船舶航速為13.5kn時(shí)，至少距離起重船71 m，可保證在3種作業(yè)狀態(tài)下起重船最大橫傾角均低于5°；通航船舶航速15 kn時(shí)，至少距離起重船80 m，可保證在3種作業(yè)狀態(tài)下起重船最大橫傾角均低于5°。

4 結(jié)論

1)超重船作業(yè)橫傾角與船行波波高呈正相關(guān)關(guān)系，與傳播距離呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；起重船吊臂90°作業(yè)時(shí)受到船行波影響較明顯。

2)在波浪中起重船工作穩(wěn)性分析中引入了船行波理論，并從力矩平衡角度入手分析起重船穩(wěn)性，所提出的起重船作業(yè)周邊船舶通航安全航速及航行距離限定值估算方法，可為施工水域范圍劃定及監(jiān)管部門(mén)工作開(kāi)展提供定量分析和理論出發(fā)點(diǎn)。

3)僅重點(diǎn)考慮了船行波的影響，實(shí)際上開(kāi)敞海域風(fēng)力因素也不容忽視，所以今后應(yīng)結(jié)合風(fēng)速值、起重船受風(fēng)面積等因素對(duì)起重船穩(wěn)性進(jìn)行更深入研究。