重大件貨物海上運輸傾覆穩(wěn)定性校核方法簡析

王超 張巖 王南海

摘 要：重大件貨物在海上運輸途中須進行綁扎固定，避免其受船體運動傾覆力的影響而發(fā)生位移或翻轉(zhuǎn)運動，造成貨物損毀。在海上運輸途中，貨物的傾覆穩(wěn)定性起著至關重要的作用，其校核結果直接關系到整個運輸方案的可行性與否。本文結合DNV和ABS船級社規(guī)范，闡述了重大件貨物海上運輸結構穩(wěn)定性校核的計算方法與過程，為運輸方案的前期設計提供了理論數(shù)據(jù)支持。

關鍵詞：重大件貨物;海上運輸;傾覆力;穩(wěn)定性校核

中圖分類號：U698? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）11-0041-03

船舶在海上運輸途中，會受到風浪等環(huán)境載荷的作用產(chǎn)生搖蕩運動，其甲板上方載運的貨物，比如導管架、上部模塊，或者大型浮式工程船，會隨著船舶一起運動，從而受到加速度產(chǎn)生的慣性載荷的作用。同時，外部環(huán)境風也會作用到貨物上，從而產(chǎn)生風壓作用力。所以，海上運輸?shù)呢浳镄枰M行系固。這樣可以避免貨物受船體運動傾覆力的影響而發(fā)生傾覆，甚至毀壞，同時也可以避免貨物墜入海中導致貨物的損失[4]。

本文的目的在于參考以往已經(jīng)實施的項目經(jīng)驗，同時根據(jù)挪威船級社（DNV）和美國船級社（ABS）的規(guī)范標準等要求，對重大件貨物海上運輸傾覆穩(wěn)定性校核的規(guī)范計算方法和步驟作簡單介紹。

1貨物傾覆穩(wěn)定性校核方法

1.1常規(guī)貨物

導管架、上部模塊等常規(guī)貨物，其底部支撐結構面積較小，且結構強度相對較弱，為避免海上運輸途中的傾覆，通常使用焊接斜拉筋和筋板的方式進行綁扎固定。對于此類型貨物的傾覆穩(wěn)定性及固定結構詳細設計，可以使用海洋工程專業(yè)計算軟件進行直接計算。

1.2重大件貨物（大型工程船等浮體貨物）

對于重大件貨物而言，其結構形式的特點和使用方式，直接決定了與常規(guī)貨物的綁扎固定方式的不同：

（1）綁扎固定結構與貨物之間，盡量減少焊接，或者不焊接;

（2）貨物綁扎固定結構設計時，不考慮由于船舶橫搖和縱搖產(chǎn)生的慣性力彎矩因素，固定結構只允許承受單方向的正壓力;

（3）貨物底部直接由固定在載運船舶甲板的枕木支撐，在垂直方向上不設計固定結構。

綜合考慮上述3個方面的因素影響，重大件貨物海上運輸傾覆穩(wěn)定性不能使用軟件直接計算得到，則需要使用規(guī)范計算方法和步驟進行校核。

2 重大件貨物傾覆穩(wěn)定性校核步驟

重大件貨物和運載船舶是兩個獨立分開的個體，固定結構只是限制貨物的水平運動。對于重大件貨物的傾覆穩(wěn)定性而言，通常更關注在船舶橫向的傾覆穩(wěn)定性;而在船舶長度方向，其縱搖運動較小，貨物在此方向發(fā)生傾覆的可能性更小。當船舶發(fā)生橫搖運動時，貨物在慣性力和風載荷的作用下，會產(chǎn)生橫向傾覆的趨勢。如圖1顯示了重大件貨物與運載船舶之間的相對關系。

圖中，VCG：貨物重心至枕木上表面的垂直距離;L1：貨物重心至傾覆支點的水平距離，即貨物回復力臂。

圖1中所示各個部分，對應關系如下：

（1）傾覆支點通常定義在貨物底部與枕木上表面接觸處;

（2）固定結構焊接在運載船舶甲板上方，且與貨物兩側不焊接;

（3）枕木固定材料使用鋼質(zhì)扁鐵，并焊接固定至運載船舶甲板上。

貨物的側向傾覆穩(wěn)定性校核，需同時考慮風載荷彎矩、風傾載荷彎矩，以及由于船舶運動產(chǎn)生的慣性力載荷彎矩的迭加影響。慣性力載荷主要包括三個部分：橫蕩加速度產(chǎn)生的慣性載荷、橫搖加速度產(chǎn)生的慣性載荷、垂蕩加速度產(chǎn)生的慣性載荷。

2.1風載荷彎矩

參考ABS船級社的相關規(guī)范標準，貨物受到的環(huán)境風速，以距離海平面以上15.3m處為基準面。此外，風載荷計算時，以下兩種風速需要同時考慮[2]：

（1）持續(xù)時間為1小時的平均風速;

（2）持續(xù)時間為1分鐘的陣風風速。

目前，ABS規(guī)范給出風壓計算公式[2-3]：

其中，：貨物結構件的形狀系數(shù);：貨物結構件的高度系數(shù);A：貨物結構件在迎風向的投影面積;：設計計算風速。

對于公式（1）中涉及到的貨物結構件的形狀和高度系數(shù)，參照美國船級社規(guī)范第3節(jié)相關內(nèi)容的規(guī)定和建議，對貨物結構進行分塊取值，通過上述公式對各個分塊進行風載荷的計算;然后，將各個分塊的風載荷進行迭代求和計算，進而得到所需要的重大件貨物所受到的風載荷。

所以，作用至重大件貨物底部枕木上表面處的風載荷彎矩計算為：

2.2風傾載荷彎矩

重大件貨物在海上運輸過程中，運輸船舶與貨物整體受到風載荷的作用時，在船舶橫向會發(fā)生一個很小角度的傾斜。此橫傾角可以通過專業(yè)的水動力軟件MOSES計算得到;計算橫傾角時，同時考慮了2.1章節(jié)規(guī)定的兩種風速。

當重大件貨物和運輸船舶整體出現(xiàn)橫傾角時，貨物的重量在船舶橫向上會產(chǎn)生一個與運輸船舶甲板平行的分量。此分量即為風傾載荷：

2.3慣性載荷彎矩

計算重大件貨物的慣性載荷方法，其過程與常規(guī)海上結構物運輸類似：首先使用水動力計算軟件MOSES計算得到由于船舶運動在貨物重心處的6個自由度的最大加速度：橫蕩、縱蕩、垂蕩、橫搖、縱搖和首搖;然后，將橫搖角加速度和橫蕩加速度產(chǎn)生的慣性載荷，計算得到其作用至枕木上表面處的彎矩。

2.4貨物傾覆彎矩

使用上述計算得到的重大件貨物受到的風載荷彎矩、風傾載荷彎矩和慣性載荷彎矩結果，參考挪威船級社規(guī)范，將各個載荷參考公式進行迭加計算，進行求解貨物傾覆彎矩，其計算公式如下[1]：

2.5貨物傾覆力臂計算

貨物在傾覆彎矩作用下，會發(fā)生橫向傾覆的趨勢，其傾覆力臂按照如下公式計算：

2.6貨物傾覆穩(wěn)定性校核

將計算得到的貨物傾覆力臂L2與回復力臂L1做比值，即

根據(jù)上述比值的大小，可以對貨物在海上運輸途中是否會發(fā)生傾覆，進行定量分析校核。貨物傾覆穩(wěn)定性的校核衡準，如下所示：

（1）當時，貨物會發(fā)生傾覆;

（2）當時，貨物不會發(fā)生傾覆。

3 結論

本文基于實際工程經(jīng)驗，介紹了重大件貨物海上運輸傾覆穩(wěn)定性校核的計算流程。此計算流程所涉及到的分析較多，包括風載荷彎矩、風傾載荷彎矩、慣性載荷彎矩、貨物傾覆彎矩和貨物傾覆力臂的求解過程，上述各個載荷之間是彼此聯(lián)系，并且是逐級來進行計算的;此設計流程引用的船級社規(guī)范也比較多，用到了美國船級社（ABS）相關海洋工程規(guī)范，同時也涉及到了浮體貨物海上運輸方案設計的挪威船級社（DNV）規(guī)范。此外，此設計流程也涉及到水動力理論的應用，水動力計算使用到了專業(yè)計算軟件MOSES的輔助，同時應用了理論力學和結構力學的專業(yè)知識。

此重大件貨物海上運輸傾覆穩(wěn)定性校核方法，經(jīng)過了實際項目的驗證，其計算方法和步驟是可行且有效的。貨物傾覆穩(wěn)定性的校核結果，是貨物海上運輸方案是否可行的前提，為運輸方案的具體實施提供了理論數(shù)據(jù)支持，同時保證了海上運輸?shù)陌踩浴?/p>

參考文獻：

[1] Det Norske Veritas， 0030/ND Guidelines for Marine Transportations.

[2] American Bureau of Shipping， Rules for Building and Classification of Mobile Offshore Drilling Units[S]， 2017.

[3] 潘斌，苑金民.作用在海洋移動式平臺上的風載荷[J].海洋工程，1997，15（2）：32-37.

[4] 汪驥，王兆麒，李瑞，劉玉君，宋宜倫.重大件貨物系固綁扎方案中傾覆力計算方法[J].造船技術，2016年第6期.