多用途船起重及重物失落工況分析

孫海曉

(上海船舶研究設計院，上海 201203)

多用途船可載運的貨品種類多，包括大、重型工程件，例如,導管桁架、風車葉片等，甚至游艇、小船等。因此多用途船上配有起重能力較強的甲板起重機，有些還會配置吊梁，實現(xiàn)起重機的聯(lián)吊功能，從而獲得更大的起重能力。多用途船起重作業(yè)時，起重貨物產(chǎn)生較大的橫傾力矩，船舶通過壓載水調(diào)整自身浮態(tài)，避免過大橫傾，保證起重設備正常工作和船舶安全，一旦發(fā)生重物失落，由于船舶壓載水左右分布不平衡，自身狀態(tài)發(fā)生劇烈變化，極易導致事故發(fā)生，見圖1。

圖1 典型事故現(xiàn)場場景

1 起重作業(yè)穩(wěn)性

2016年，IMO海上安全委員會第97次會議，通過了MSC.415(97)決議關于2008 IS Code中B部分修正案，增加了對從事起重作業(yè)船進行起重作業(yè)時的穩(wěn)性考核要求，于2020年1月1日生效，適用于鋪龍骨日期或者類似建造階段在2020年1月1日及之后的新造船，或者在此日期后改造為用以起重作業(yè)的改裝船。

MSC.415(97)決議中明確了適用于以下兩種情況。

1)起重作業(yè)引起的最大橫傾力矩大于公式(1)計算結果。

(1)

2)起重作業(yè)無橫傾力矩。由于起吊重貨導致船舶重心加高1%以上的情況。船級社通常認定有橫傾力矩且起吊重貨導致船舶重心加高1%以上的情況，也應計入在內(nèi)。

同時，MSC.415(97)決議還明確要求考核最不利的起重情況。

MSC.415(97)決議中2.9.3條款給出了一般工況中的穩(wěn)性衡準，區(qū)分為暴露海域作業(yè)和非暴露海域作業(yè)兩種情況，決議2.9.4條款給出了在環(huán)境和操作限制下的起吊衡準，可替代2.9.3中的穩(wěn)性衡準。此外從事起重作業(yè)的船舶還應承受2.9.5條款中關于“重物失落”工況的衡準要求。2.9.6條款則是給出了2.9.3條款到2.9.5條款所有衡準的替代方法。本文主要以一般工況采用的2.9.3條款和2.9.5條款作為主要分析內(nèi)容，也是多用途船設計中最常采用的衡準要求。

起重作業(yè)時應滿足的穩(wěn)性衡準。

1)IS Code中A部分對于完整穩(wěn)性的要求。

2)船舶橫傾角度φ1，不得超過起重設備允許的工作角度，通常由設備資料確定，一般為5°[1]。

3)對于非暴露海域起重作業(yè)，船舶剩余干舷不小于0.50 m。

4)對于暴露海域起重作業(yè)，船舶剩余干舷不小于1.00 m或75%最大有義波高，取大值。

重物失落時應滿足的穩(wěn)性衡準。

復原力臂曲線上，重物起吊相對另一側復原力臂下的面積大于起吊一側復原力臂下的面積，見圖2。

圖2 典型重物失落復原力臂曲線

1)暴露海域起重作業(yè)時，面積A2>1.4倍面積A1。

2)非暴露海域起重作業(yè)時，面積A2>1.0倍面積A1。

雖然MSC.415(97)決議對船舶起重作業(yè)提出了具體的衡準要求，但遺憾的是并沒有給出統(tǒng)一的方法解釋如何確定船舶起重作業(yè)的最不利情況。目前重吊多用途船穩(wěn)性校核中，多考慮船舶空載時起重作業(yè)的狀態(tài)[2-4]，此時船舶裝有大量壓載水，吃水淺，重心低，穩(wěn)性好。船舶實際裝載過程中，有可能會出現(xiàn)多次重貨起重作業(yè)情況，每一次的起重作業(yè)時的船舶狀態(tài)較前一次都有所不同，甚至可能出現(xiàn)艙內(nèi)裝滿貨品，將大、重型工程件最后吊裝在艙蓋上進行運輸?shù)那闆r。

2 船型概況

以一艘8 800 DWT多用途船作為分析對象，分析內(nèi)容和結論也同樣適用其他類似從事起重作業(yè)的船舶。

8 800 DWT多用途船是上海船舶研究設計院開發(fā)的新一代多用途船(見圖3)，適用于裝載雜貨、鋼卷和大型工程件、煤和礦石等散貨，艙蓋上可裝載集裝箱和甲板貨。該船的主尺度為總長：122.20 m；垂線間長：119.60 m；型寬：19.80 m；型深：10.70 m；設計吃水：7.20 m。

圖3 8 800 DWT多用途船總布置

主甲板上左舷設2臺起重能力50 t的起重機，具備聯(lián)吊功能，實現(xiàn)大型工程件的裝卸，聯(lián)吊時吊梁距船舶舷側最大距離12.0 m。全船設艏尖艙，4對底壓載艙和5對邊壓載艙，用于調(diào)整船舶浮態(tài)，其中第3邊壓載艙和第4邊壓載艙用作防橫傾艙，可用來控制船舶起吊過程中的橫傾角度。

3 衡準適用性

船舶正常壓載到港時，大部分壓載艙都攜帶有壓載水，靠碼頭后進行裝貨作業(yè)。隨著艙內(nèi)裝貨的增加，船舶吃水逐漸加深，壓載水逐漸排出舷外。由于無法確定貨物的具體形狀和位置，因此假定貨物以均值貨形式裝載在貨艙內(nèi)，此時假定的貨物重心高度較實際高度偏高，可認為船舶處于一種較不利的狀態(tài)。假定聯(lián)吊時重物起吊高度超過艙蓋頂高度位置2.0 m，根據(jù)MSC.415(97)決議計算船舶各吃水狀態(tài)下橫傾力矩衡準值，以及各吃水狀態(tài)下起吊貨物對重心變化的影響，見表1。

表1 不同吃水橫傾力矩衡準值及起重作業(yè)重心高度變化

4 起重工況

國內(nèi)外主要船級社起重設備規(guī)范要求，起重設備工作時，船舶橫傾角度不大于5°，縱傾不大于2°，國內(nèi)外一些主流船用起重機生產(chǎn)商也按照此標準設計船用起重機。船舶起重作業(yè)非常緩慢，中間伴隨著壓載水的調(diào)配，以使得船舶處于良好的浮態(tài)范圍。以8 800 DWT多用途船為例，船舶整個起重作業(yè)過程，分為4個階段。

1)起吊準備，此時起重機吊臂伸出左舷舷外，處于聯(lián)吊最大舷外跨距位置處，通過防橫傾系統(tǒng)向右舷預置壓載水，船舶右傾，處于允許的角度范圍內(nèi)，為左舷起吊重貨做好準備。

2)重物吊起，隨著起重機舉力的增加，壓載水系統(tǒng)繼續(xù)將左舷壓載水調(diào)撥到右舷，隨著重物的吊起，壓載水調(diào)撥到位，船舶左傾，仍處于允許的橫傾角度范圍內(nèi)。

3)重物經(jīng)過舷側，起重機吊臂相互配合旋轉90°，此時重物位于船舶舷側上方，同時壓載水艙配合調(diào)撥，保證船舶的浮態(tài)。

4)重物裝船，起重機吊臂繼續(xù)旋轉，重物吊至貨艙艙口中間正上方準備裝船，同時壓載水艙配合調(diào)撥，保證船舶的浮態(tài)。

對上述起重作業(yè)過程分析可知：①船舶在重物吊起時受到的外界橫傾力矩最大；②船舶重物吊起至裝船，船舶經(jīng)歷一個時歷過程，起重過程橫傾力矩由最大逐漸減為最小，起重機的旋轉速度可隨著壓載水調(diào)撥能力調(diào)整，船舶相對而言比較安全；③起吊準備到重物吊起，相對是一個瞬時過程，船舶狀態(tài)發(fā)生突變，不確定因素較多。

8 800 DWT多用途船按照空載和滿載情況進行計算的起吊準備和重物吊起后的狀態(tài)見表2，工況計算中假定船舶處于一個特定狀態(tài)，并預置特定量的壓載水，可避免起吊前和吊起后發(fā)生過大橫傾。

由表2可見，起吊過程中，如保證起吊準備預橫傾角和吊起后橫傾角度控制在較小范圍內(nèi)，需在起吊時調(diào)撥大量的壓載水，這就對防橫傾泵或壓載泵提出了很高的要求，同時，還應考慮起重機舉力從零到吊起重物的時間，盡量延長起重機的發(fā)力時間，緩慢增加起重機的舉力，避免重物吊起時，壓載水還沒調(diào)撥到位的情況。當不采用壓載水調(diào)撥時，滿載狀態(tài)橫傾角度更大，已達到了起重機正常工作允許的橫傾角度，可以判斷，船舶滿載進行起重作業(yè)時處于一種更不利的狀態(tài)。船舶實際建造中，通常不具備滿載狀態(tài)進行起重試驗的條件，營運過程中，船舶實際裝載時狀態(tài)多種多樣，進行起重作業(yè)時，應對船舶的實時狀態(tài)進行核算，根據(jù)起吊貨物的重量，確定合適的預橫傾角度，保證船舶起重作業(yè)安全。

表2 8 800 DWT多用途船工況計算起重狀態(tài)

5 重物失落工況

為保證裝卸安全，一些重大件運輸公司要求多用途船裝卸過程中，船舶橫傾不超過3°，而在工程實踐中，對橫傾的要求會更高，通常不超過1.5°。對橫傾角度的要求，意味著壓載水調(diào)載能力需要增強，船舶另一側重物失落時平衡角度也會相應增加。一旦出現(xiàn)重貨失落的意外情況，在防橫傾水艙產(chǎn)生的平衡力矩與突然增加的初穩(wěn)性高的雙重作用下，會產(chǎn)生劇烈橫搖，甚至會導致船舶傾覆[5]。

8 800 DWT多用途船重物吊起時不同初始角度發(fā)生重物失落后的計算結果見表3。

由表3可見，重物吊起時初始角度較小時，由于較多壓載水調(diào)撥到起重貨物的另一舷，發(fā)生重物失落后的平衡角度較大，計算的復原力臂下對應的面積比值較小，即采用較大的橫傾限制角度進行起重作業(yè)時，發(fā)生重物失落時船舶相對更安全。對比空載和滿載起吊狀態(tài)，在相同重物吊起的初始角度下，滿載起吊較空載狀態(tài)發(fā)生重物失落后的平衡角度更大，橫傾進水角度更小，復原力臂下對應的面積比值更小，因此滿載起吊情況下，發(fā)生重物失落時，船舶處于一種更危險的狀態(tài)。

表3 8 800 DWT多用途船重物失落狀態(tài)

6 船舶極限起重能力

由表2和表3計算的工況可知，8 800 DWT多用途船聯(lián)吊100 t時穩(wěn)性仍具備一定的余量，在不考慮防橫傾泵配置，起重時間，起重機自重增加等因素的情況下，逐步增加船舶的起重能力，直至達到穩(wěn)性極限狀態(tài)，見表4。

表4 8 800 DWT多用途船極限起重時重物失落狀態(tài)

當船舶按照空載狀態(tài)核算起重能力時，其極限起重能力可以達到360 t，按照滿載狀態(tài)進行核算時，極限起重能力僅為155 t，因此在船舶設計過程中，如參照船舶空載起吊狀態(tài)配置船舶起重機的起重能力，應同時對船舶滿載及其他裝載狀態(tài)起重作業(yè)情況進行約束，避免發(fā)生起重事故。

7 結論

以往多用途船設計中，部分船級社對于船舶起重作業(yè)穩(wěn)性都有各自的建議衡準，MSC.415(97)第一次從法規(guī)層面規(guī)定了具體的衡準要求，本文通過對一艘8 800 DWT多用途船進行起重作業(yè)分析研究，得到以下結論。

1)采用MSC.415(97)在判定船舶的衡準適用性時還存在一定的盲目性，應當進一步明確船舶的最不利起吊情況。

2)多用途船設計中，起重工況的校核通常采用船舶空載狀態(tài)，此時船舶重心低，穩(wěn)性好，根據(jù)計算可知，船舶滿載起重作業(yè)時處于一種更不利狀態(tài)，應對滿載時的起重工況加以核算；如參照船舶空載起吊狀態(tài)配置船舶起重機的起重能力，應同時對船舶滿載及其他裝載狀態(tài)起重作業(yè)情況進行約束，避免發(fā)生事故。

3)船舶實際裝載時狀態(tài)多種多樣，存在諸多不確定因素，進行起重作業(yè)時，應對船舶的實時狀態(tài)進行核算，根據(jù)起吊貨物的重量，確定合適的預橫傾角度，橫傾角度變化量，以及合適的調(diào)撥壓載水量，保證船舶起重作業(yè)安全。

文中假定的滿載狀態(tài)，以船舶貨艙滿載均質貨品為基礎，重心位置偏高，船舶處于自由漂浮狀態(tài)，而實際船舶裝載時重心位置較均質貨品偏低，且處于碼頭系泊狀態(tài)。船舶設計時，如采用較高的重心位置核算工況，則會影響起重機的配置，無法發(fā)揮船舶的潛力，如何平衡船舶起重機配置的起重能力和明確船舶起吊工況的最不利狀態(tài)，還有待法規(guī)進一步明確。