海工船舶拖帶作業(yè)穩(wěn)性探討研究

錢 晶

（交通運(yùn)輸部上海打撈局，上海 200090）

0 引言

由于市場經(jīng)濟(jì)競爭的激烈化，各大油公司在招投標(biāo)時(shí)都提高了船舶的準(zhǔn)入門檻，這些準(zhǔn)入要求給為油公司服務(wù)的航運(yùn)企業(yè)帶來了不小的挑戰(zhàn)。在海工船舶OVID（海工船舶檢查數(shù)據(jù)庫）審核中，有一條要求是關(guān)于如何滿足穩(wěn)性要求下顯示鋼絲/錨鏈所能接受的最大張力，是審核中最難以量化的要求。

1 國家標(biāo)準(zhǔn)以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于海工船舶穩(wěn)性要求

1.1 IMO（國際海事組織）針對海工船舶穩(wěn)性要求

（1）應(yīng)該避免防止甲板貨物阻礙落水孔以及相關(guān)區(qū)域。

（2）在任何工況下，船舶尾部最小干舷應(yīng)保持在0.005L（L 為船的長度）。

（3）在A 部分2.2 中穩(wěn)性規(guī)則適用于所有的海工船舶，除了那些具有獨(dú)特特征可提供不能遵守A 部分2.2 要求的船舶。

A 部分2.2 的強(qiáng)制性要求：①復(fù)原力臂曲線（GZ 曲線）在橫傾角0～30°所圍成的面積不應(yīng)小于0.055 m·rad；②復(fù)原力臂曲線（GZ 曲線）在橫傾角0～40°或進(jìn)水角中較小者之間所圍面積應(yīng)不小于0.09 m·rad；③復(fù)原力臂曲線在橫傾角30～40°或者進(jìn)水角較小者之間所圍面積應(yīng)不小于0.03 m·rad；④橫傾角≥30°時(shí)，穩(wěn)性力臂GZ≥0.2 m；⑤橫傾角≥25°，才能出現(xiàn)最大的穩(wěn)性力臂GZmax，如果不能滿足該條件，申請有關(guān)部門認(rèn)可；⑥初橫穩(wěn)性高度GM0≥0.15 m。

1.2 我國針對船舶穩(wěn)性要求（經(jīng)過自由液面修正后）

（1）初橫穩(wěn)性高度GM0≥0.15 m。

（2）船長L≥40 m，最大靜穩(wěn)性力臂GZ≥0.2 m；如果船體進(jìn)水角小于最大靜穩(wěn)性臂GZmax所對應(yīng)的極限靜傾角φmax時(shí)，則進(jìn)水角φ 處的靜穩(wěn)性臂應(yīng)不小于最大靜穩(wěn)性力臂。

（3）最大靜穩(wěn)性臂GZmax相對應(yīng)的極限靜傾角≥30°。

（4）靜穩(wěn)性曲線穩(wěn)性消失角≥55°。

1.3 《海上操作指南》GOMO 對穩(wěn)性的要求

（1）航行前當(dāng)值駕駛員在駕駛臺隨時(shí)獲得如下信息：船舶所能接受橫向以及垂向力/張力；并且需要有一張GZ 曲線圖以及一張張力表上面能提供船舶所能接受得最大傾斜力矩。

（2）計(jì)算必須顯示可接受的最大鋼絲/鏈條的張力包括任何橫向力，船舶最大的傾斜角度應(yīng)該被限制在如下角度條件中的一種：①傾角對應(yīng)的GZ 值要等于GZmax的50%；②工作甲板的浸水角度；③15°傾斜角。

計(jì)算結(jié)果要顯示鋼絲/錨鏈所能接受的最大力，其中向下的力作用在尾滾筒、橫向力作用在拖纜擋銷的最外緣，如果沒有拖纜檔銷考慮尾滾筒的外緣。計(jì)算結(jié)果要滿足上述條件?；跈M向系柱拖力的傾斜力矩也要考慮及計(jì)算；垂向分量的作用距離在拖纜擋銷垂直中心線所在甲板開始。

2 穩(wěn)性分類

船舶穩(wěn)性是指船舶在外力作用下偏離平衡位置傾斜，（船舶包括橫傾以及縱傾狀態(tài)，本文僅討論研究海工船舶的橫傾狀態(tài)）外力消失后能自由回復(fù)到原來的平衡位置叫做穩(wěn)性。穩(wěn)性公式為，其中，MR是復(fù)原力矩；是穩(wěn)性力臂；Δ 是排水量。

2.1 小傾角穩(wěn)性

小傾角橫穩(wěn)性通常指橫傾斜角度10～15°。由于海工船舶拖帶時(shí)尾部已受力，此時(shí)無論船舶左傾還是右傾都將受到拖帶物的橫向力。由于海工船舶與貨輪、集裝箱船舶的工種性質(zhì)不同，幾乎沒有裝貨的性質(zhì)，所以在此不討論貨物左右移動以及上下移動對船舶穩(wěn)性的影響。另外，海工船舶的各艙室忽略自由液面的影響（因出港行滿載裝載，即使沒有滿載，如果船長感覺自由液面影響較大，可采用縱向多隔斷分倉，將自由液面對船舶的影響降到最低）。當(dāng)船舶在小角度橫傾時(shí)，根據(jù)船舶的入水體積與出水體積相同，以及重心移動理論可以得出：。其中，是穩(wěn)性高度，α 是傾斜角。又因，因此只需有其中一個(gè)數(shù)據(jù)即可推算出所有數(shù)據(jù)，駕駛員可以在靜水力曲線圖上查得這些數(shù)據(jù)，根據(jù)給出的公式計(jì)算出相應(yīng)的數(shù)值。

2.2 大傾角穩(wěn)性

大傾角穩(wěn)性通常指橫傾斜角度大于10～15°，此時(shí)船舶的入水體積和出水體積不對稱，穩(wěn)心M 是變動的，不是在討論小傾角橫穩(wěn)性時(shí)假設(shè)M 為固定點(diǎn)，因此公式不適用。此時(shí)穩(wěn)性力臂可以用公式：表示。在知道橫傾角φ 的前提下，也可以直接根據(jù)靜穩(wěn)性曲線獲得穩(wěn)性力臂或者穩(wěn)性力矩。

2.3 動橫穩(wěn)性

當(dāng)船舶受到外力矩開始傾斜時(shí)，外力矩是不斷變化的，此時(shí)船舶的回復(fù)能力被稱為動橫穩(wěn)性。當(dāng)外力矩所做的功等于復(fù)原力矩所做的功時(shí)，船舶才會停止傾斜。

3 海工船舶拖帶狀態(tài)下橫穩(wěn)性極值研究

首先根據(jù)進(jìn)水角曲線（圖1）（每條船的進(jìn)水角曲線不同，所以不能一概而論）確定船舶在排水狀態(tài)下的進(jìn)水角φB，將φB標(biāo)注在穩(wěn)性曲線上，確定穩(wěn)性曲線有效部分。

圖1 進(jìn)水角曲線

在風(fēng)浪聯(lián)合作用下，海工船舶在拖帶狀態(tài)下所能承受的最大傾斜力矩Mfmax，海工船舶在波浪作用下產(chǎn)生搖擺，當(dāng)船舶迎風(fēng)舷橫搖至最大擺幅φ0并剛往回橫搖時(shí)，突然受到一陳風(fēng)的吹襲，此時(shí)船是最危險(xiǎn)的。因?yàn)榇藭r(shí)復(fù)原力矩MR和風(fēng)傾力矩Mf還有拖帶物的作用力矩M拖方向一致，三個(gè)力矩疊加時(shí)的危險(xiǎn)性最大。在最危險(xiǎn)的情況下，只有保證在外力作用下所能承受的最大傾斜力矩Mq≥+MR+M拖+Mf，才能保證船舶的安全性。根據(jù)船舶橫搖角公式，式中，KG 是基線至重心高度；T是核算狀態(tài)下型吃水；KG/T＞1.45 時(shí)取1.45，＜0.917 時(shí)取0.917。根據(jù)公式計(jì)算出船舶自搖周期。在自搖周期表上查得C1、C2、C3，代入公式，隨后在穩(wěn)性曲線表上作圖得出Mq。

風(fēng)壓傾斜力矩公式為：Mf=0.001pAfZ。式中，Af是船舶受風(fēng)面積；Z 是受風(fēng)面積重心至水線的距離（m），假設(shè)水阻力的中心在水線處；P 是單位計(jì)算風(fēng)壓，可根據(jù)受風(fēng)面積中心在水線以上高度表查得。將計(jì)算結(jié)果代入，當(dāng)cosφ1=1 時(shí)，張力F 出現(xiàn)極值，因此只需滿足張力，即可滿足穩(wěn)性要求下的張力值。

4 結(jié)束語

針對船舶在橫傾狀態(tài)下的穩(wěn)性要求，計(jì)算鋼絲/錨鏈所能接受的最大張力，也可根據(jù)船舶裝載狀態(tài)的不同、自由液面影響、懸掛物、或貨物橫、縱移動等影響穩(wěn)性的參數(shù)進(jìn)行匹配計(jì)算，計(jì)算海工船舶在拋起錨作業(yè)中縱穩(wěn)性拖纜張力的極限值，對船舶駕駛員理解穩(wěn)性計(jì)算有一定借鑒作用。