5 000 t起重船穩(wěn)性衡準(zhǔn)研究及NAPA宏命令應(yīng)用

閻 巖， 王文杰

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200135)

0 引 言

起重船是用來(lái)完成水上起重、吊裝等作業(yè)的專業(yè)工程船，為保證其在復(fù)雜作業(yè)工況下的安全性，必須使其具有良好的穩(wěn)性。本文結(jié)合某入級(jí)中國(guó)船級(jí)社的5 000 t浮式非自航起重船，研究其在作業(yè)、避風(fēng)和拖航狀態(tài)下的穩(wěn)性衡準(zhǔn)，利用NAPA軟件建立模型并進(jìn)行穩(wěn)性計(jì)算；同時(shí)，利用NAPA軟件的宏命令對(duì)起重船在不同狀態(tài)下的穩(wěn)性衡準(zhǔn)進(jìn)行編制，并對(duì)完整穩(wěn)性進(jìn)行校核。

1 概 述

該船為具有可仰俯、固定式起重臂架的大型非自航浮吊船，起重機(jī)臂架設(shè)置在船首，船體為鋼質(zhì)、單殼、單甲板的箱型船體,適于在近海、沿海和港口等水域吊裝各類大型重件或大型水工構(gòu)件，固定吊載時(shí)最大吊重為5 000 t(弦外50 m)，最大吊高約為110 m(距水面)。完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)應(yīng)使起重船在任何狀態(tài)下都有足夠的穩(wěn)性儲(chǔ)備，保證其在全壽命期內(nèi)的安全性，其中保證起重船在作業(yè)狀態(tài)下的穩(wěn)性尤為重要。該船在作業(yè)狀態(tài)下的穩(wěn)性按照中華人民共和國(guó)海事局《船舶與海上設(shè)施法定檢驗(yàn)規(guī)則》中的《國(guó)內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則(2011)》[1]校核。

該船屬于工程船，其完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)通常由各船級(jí)社自行規(guī)定，船寬與吃水的比值B/d通常大于2.5，橫搖角按照國(guó)際海事組織(International Maritime Organization, IMO)《2008 IS CODE》[2]中給出的計(jì)算公式計(jì)算所得結(jié)果往往很大，最大復(fù)原力臂下的對(duì)應(yīng)角很小，不滿足規(guī)范的要求。對(duì)此，經(jīng)主管機(jī)關(guān)批準(zhǔn)，決定采用《國(guó)內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則(2011)》第7章第3.10.9節(jié)規(guī)定的起重船橫搖角計(jì)算公式作為替代。該船在拖航工況下的穩(wěn)性衡準(zhǔn)按照《2008 IS CODE》校核，其中橫搖角計(jì)算公式采用《國(guó)內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則(2011)》規(guī)定的起重船橫搖角計(jì)算公式。該船的總布置圖見圖1。

圖1 5 000 t起重船總布置圖

2 起重船穩(wěn)性衡準(zhǔn)分析

2.1 起重船在作業(yè)狀態(tài)下的穩(wěn)性衡準(zhǔn)分析

《國(guó)內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則(2011)》第7章第3.10.6節(jié)規(guī)定起重船作業(yè)狀態(tài)穩(wěn)性應(yīng)滿足以下要求。

1) 初穩(wěn)性高度hGM滿足

(1)

式(1)中:hGM為所核算裝載工況下的初穩(wěn)性高度，計(jì)及吊重和自由液面對(duì)初穩(wěn)性高度的影響，m；Mf為起重船承受的風(fēng)壓傾側(cè)力矩，kN·m;Mh為起重機(jī)起吊荷重傾側(cè)力矩，kN·m；MI為船舶不對(duì)稱裝載傾側(cè)力矩，kN·m；θC為起重船允許的極限靜傾角，(°)；Δ為排水量，t。

2) 穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)Kc滿足

(2)

式(2)中:Lq為最小傾復(fù)力臂(不計(jì)橫搖角)，m；Lf為風(fēng)壓傾側(cè)力臂，m。

本文以供應(yīng)品和燃料充足的情況下最大起吊5 000 t重物，吊臂超出舷外50 m時(shí)的作業(yè)狀態(tài)為例進(jìn)行NAPA宏命令編輯計(jì)算，校核穩(wěn)性衡準(zhǔn)，結(jié)果見表1。

表1 起重船在作業(yè)狀態(tài)下的穩(wěn)性校核結(jié)果

2.2 起重船在避風(fēng)狀態(tài)下的穩(wěn)性衡準(zhǔn)分析

《國(guó)內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則(2011)》第7章第3.10.7節(jié)規(guī)定起重船在避風(fēng)狀態(tài)下的穩(wěn)性應(yīng)滿足以下要求。

1) 初穩(wěn)性高度hGM滿足

(3)

式(3)中:hGM為所核算裝載工況下的初穩(wěn)性高度,計(jì)及自由液面對(duì)初穩(wěn)性高度的影響，m；Mf為起重船承受的風(fēng)壓傾側(cè)力矩, kN·m；MI為船舶不對(duì)稱裝載傾側(cè)力矩, kN·m；θC為起重船允許的極限靜傾角，(°)；Δ為排水量，t。

2) 穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)Kc滿足

(4)

式(4)中：Lq為最小傾覆力臂(不計(jì)橫搖角)，m；Lf為風(fēng)壓傾側(cè)力臂，m。

本文以供應(yīng)品和燃料充足的情況下吊臂仰角為40.2°時(shí)的避風(fēng)狀態(tài)為例進(jìn)行NAPA宏命令編輯計(jì)算，校核穩(wěn)性衡準(zhǔn)，結(jié)果見表2。

表2 避風(fēng)狀態(tài)下的穩(wěn)性校核結(jié)果

2.3 起重船在拖航狀態(tài)下的穩(wěn)性衡準(zhǔn)分析

考慮到船舶航行時(shí)起重機(jī)臂架的運(yùn)動(dòng)承受能力，該船在特定氣象條件下的近海航區(qū)拖航，可參照《2008 IS CODE》 來(lái)衡定其在拖航狀態(tài)下的穩(wěn)性。由于《2008 IS CODE》中的A部分第2章第2.3.4節(jié)中給出的橫搖角計(jì)算公式對(duì)該船不適用(B/d=8.76，不滿足小于3.5的要求)，按照第2.3.5節(jié)的要求，經(jīng)與主管機(jī)關(guān)協(xié)商，最后采用《國(guó)內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則2011》第7章第3.10.9節(jié)規(guī)定的起重船橫搖角計(jì)算公式作為替代。

2.3.1 復(fù)原力臂曲線特性衡準(zhǔn)

根據(jù)《2008 IS CODE》 A部分第2章第2節(jié)的要求：

1) 復(fù)原力臂曲線(GZ曲線)下的面積在橫傾角θ≤30°時(shí)應(yīng)大于等于0.055 m·rad，在橫傾角θ≤40°或進(jìn)水角θf(wàn)≤40°時(shí)應(yīng)大于等于0.09 m·rad。此外，當(dāng)橫傾角在30°～40°或30°～θf(wàn)，而θf(wàn)≤40°時(shí)，復(fù)原力臂曲線(GZ曲線)下的面積應(yīng)大于等于0.03 m·rad。

2) 當(dāng)橫傾角θ≥30°時(shí)，復(fù)原力臂(GZ)至少為0.2 m。

3) 最大復(fù)原力臂應(yīng)在橫傾角θ≥25°時(shí)出現(xiàn)。若這樣要求不現(xiàn)實(shí)，經(jīng)主管機(jī)關(guān)批準(zhǔn)，適用基于等效安全水平的替代衡準(zhǔn)。

4) 初始穩(wěn)心高度hGM0應(yīng)大于等于0.15 m。

2.3.2 復(fù)原力臂曲線特性衡準(zhǔn)

根據(jù)IMO海上安全委員會(huì)MSC.1/Circ.1281對(duì)《2008 IS CODE》的補(bǔ)充說(shuō)明，對(duì)于B/d≥2.5的某些特殊船舶，主管機(jī)關(guān)可應(yīng)用以下替代衡準(zhǔn)：

1) 最大復(fù)原力臂(GZ)應(yīng)在橫傾角θ≥15°時(shí)出現(xiàn)。

2) 對(duì)于復(fù)原力臂曲線(GZ曲線)下的面積，當(dāng)最大復(fù)原力臂(GZ)在橫傾角θ=15°時(shí)出現(xiàn)時(shí)，在橫傾角θ≤15°時(shí)應(yīng)大于等于0.07 m·rad；當(dāng)最大復(fù)原力臂(GZ)在橫傾角θ=30°時(shí)出現(xiàn)時(shí)，在橫傾角θ≤30°時(shí)應(yīng)大于等于0.055 m·rad；當(dāng)最大復(fù)原力臂(GZ)在橫傾角θ∈(15°，30°)時(shí)出現(xiàn)時(shí)，復(fù)原力臂曲線下的面積應(yīng)為0.05+0.001(30°-φmax)m·rad。

2.3.3 突風(fēng)與橫搖衡準(zhǔn)(氣象衡準(zhǔn))

《2008 IS CODE》A部分第2章第2.3節(jié)規(guī)定：

1) 船舶受到垂直于船舶中心線的穩(wěn)定風(fēng)壓的作用，產(chǎn)生穩(wěn)定風(fēng)傾側(cè)力臂(Lw1)。

2) 假定船舶在波浪的作用下由平衡角(θ0)迎風(fēng)橫搖至橫搖角(θ1)。船舶在穩(wěn)定風(fēng)的作用下產(chǎn)生的橫傾角(θ0)不應(yīng)超過16°或甲板緣淹沒角的80%，取小者。

3) 使船舶受到陣風(fēng)壓力的作用，產(chǎn)生陣風(fēng)傾側(cè)力臂(Lw2)。

4) 在這些情況下，b區(qū)域應(yīng)大于等于a區(qū)域(見圖2)。

圖2 突風(fēng)和橫搖

本文以供應(yīng)品和燃料充足的情況下吊臂仰角11.5°過橋洞(全船最低高度)的拖航狀態(tài)為例進(jìn)行NAPA宏命令編輯計(jì)算，校核穩(wěn)性衡準(zhǔn)，結(jié)果見表3。

3 利用NAPA宏命令實(shí)現(xiàn)風(fēng)壓傾側(cè)力矩的計(jì)算

在起重船的完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)中，傾側(cè)力矩包括風(fēng)壓傾側(cè)力矩(Mf)、起重機(jī)起吊荷重傾側(cè)力矩(Mh)和船舶不對(duì)稱裝載的傾側(cè)力矩(MI)。在計(jì)算起重船的傾側(cè)力矩時(shí)，受風(fēng)面積應(yīng)自水線向上每15 m分一檔，計(jì)算式為

Mf=0.001∑PCiAfiZi

(5)

式(5)中：P為單位計(jì)算風(fēng)壓，Pa；Ci為高度修正系數(shù)；Afi為受風(fēng)面積，m2；Zi為受風(fēng)面積Afi中心至所核算裝載情況的水線的垂向距離，m。P和Ci可通過查表得知；Afi和Zi可根據(jù)用戶在NAPA中定義的profile，由軟件自動(dòng)計(jì)算得到。下面以起重船正常作業(yè)狀態(tài)為例，說(shuō)明利用NAPA宏命令實(shí)現(xiàn)風(fēng)壓傾側(cè)力矩的定義和計(jì)算的過程。

表3 拖航狀態(tài)下的穩(wěn)性校核結(jié)果

!CAL TP.ASSIGN('VARDEF*CCS.CRIT_PAR' 'VALUE' 22 'OPERATING' 'G')

!CALTP.ASSIGN('VARDEF*CCS.CRIT_PAR''VALUE'24'GREATER_COASTAL' 'G')

!CAL TP.ASSIGN('VARDEF*CCS.CRIT_PAR' 'VALUE' 83 'PROD' 'G')

MOM CCS_CRANE_TEST4 'WIND MOMENT'

TYPE WIND

PAR C=0.01804 WL @@ OPERATING 177 PA

CH CCS_CH

OK

風(fēng)壓傾側(cè)力矩MOM=CAZ，其中：C為風(fēng)壓，t/m2；A為水線以上的側(cè)投影面積(對(duì)應(yīng)上述宏命令中的PROD，需在之前的程序中定義好)，m2；Z為受風(fēng)面積A的中心到水線、吃水的一半或水下側(cè)投影面積的中心的垂直距離，上述宏命令定義中的WL即表示Z為受風(fēng)面積中心到水線的垂直距離。值得注意的是，根據(jù)《國(guó)內(nèi)航線海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》對(duì)起重船作業(yè)狀態(tài)的定義得出C=0.018 04。此外，上述宏命令中的CH是指定受風(fēng)面積在計(jì)算時(shí)隨高度變化的系數(shù)，該命令既可直接指定不同的高度和系數(shù)，又可指定一個(gè)存有高度和系數(shù)的表格，CCS_CH即為高度修正系數(shù)定義表格，具體形式見圖3。

圖3 高度修正系數(shù)定義表格

當(dāng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)壓傾側(cè)力矩的所有定義之后，可通過下述命令來(lái)輸出和檢查所定義的風(fēng)壓傾側(cè)力矩：

LIST WMOM MOM=CRANE-WORKING

起重船的穩(wěn)性計(jì)算涉及到很多工況，利用NAPA軟件編制宏命令可大大簡(jiǎn)化計(jì)算過程，提高工作效率。上述風(fēng)壓傾側(cè)力矩的定義是一個(gè)示例，此外還有利用NAPA宏命令校核起重船的穩(wěn)性衡準(zhǔn)等，本文不再贅述。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 本文研究了一艘5 000 t浮式非自航起重船在作業(yè)、避風(fēng)狀態(tài)下的穩(wěn)性衡準(zhǔn)與在拖航狀態(tài)下的穩(wěn)性衡準(zhǔn)的不同要求，對(duì)相應(yīng)的工況進(jìn)行了完整穩(wěn)性計(jì)算和穩(wěn)性衡準(zhǔn)校核。結(jié)果表明，該船的B/d=8.76>2.50，橫搖角很大，最大復(fù)原力臂下對(duì)應(yīng)角很小，《2008 IS CODE》中給出的橫搖角計(jì)算公式不適用于拖航工況，在主管機(jī)關(guān)批準(zhǔn)之后，采用《國(guó)內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則2011》第7章第3.10.9節(jié)規(guī)定的起重機(jī)橫搖角計(jì)算公式作為替代。使用替代衡準(zhǔn)之后，經(jīng)過校核，該船在作業(yè)、避風(fēng)和拖航工況下的穩(wěn)性衡準(zhǔn)均滿足法規(guī)的要求。

2) 本文以起重船作業(yè)狀態(tài)為例，說(shuō)明利用NAPA宏命令實(shí)現(xiàn)風(fēng)壓傾側(cè)力矩的定義和計(jì)算的過程。起重船的穩(wěn)性計(jì)算涉及到很多工況，利用NAPA軟件編制宏命令可大大簡(jiǎn)化計(jì)算過程，從而提高工作效率。