11 700 t多用途單艙大開口重吊船穩性分析

左文安，田明琦,張延輝

(1.中集船舶海洋工程設計研究院有限公司，上海 201206；2.海洋石油工程股份有限公司，上海 200335)

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11 700 t多用途單艙大開口重吊船穩性分析

左文安1，田明琦1,張延輝2

(1.中集船舶海洋工程設計研究院有限公司，上海 201206；2.海洋石油工程股份有限公司，上海 200335)

針對11 700 t多用途單艙大開口重吊船存在的貨艙開口大，橫艙壁少，船舶自身的壓載水調節無法滿足最大聯吊時規范穩性衡準要求等問題。采用NAPA軟件對破艙穩性、港口吊裝穩性及吊物丟失穩性等進行分析，論證設置浮箱裝置對穩性的作用。結果表明,本船滿足相關規范對穩性的強制要求，設置平衡浮箱是改善穩性及提高調載效率的有效方法。

重吊船；穩性浮箱；單艙大開口；吊重丟失

重吊船屬于多用途船中的一類，配置有超強起重能力的吊機，可用于重大件、集裝箱及雜貨的吊裝運輸。該類船具有單艙大開口，最大單一貨艙裝載可達上萬t，開口長度達兩柱間長的80%左右。一般在同舷側裝有2臺重吊，可聯吊上千t貨物[1-2]。貨艙區采用雙殼結構，雙層底及兩舷側布置壓載水艙，同時采用浮筒裝置抵抗吊裝產生的傾覆彎矩，保證吊裝時的穩性要求。圖1為一艘正在載貨航行的多用途船。由于其是單艙又是大開口，因此設計的難度和復雜性相比一般的集裝箱要高，穩性問題較為復雜。

圖1 某多用途船在航行中

11 700 t多用途重吊船左舷配備2臺450 t克令吊，該船主要技術參數為：

總長143 m；垂線間長135.5 m；

型寬24.4 m；型深14 m；

設計吃水6.8 m；設計航速16.2 kn；

載重量11 700 t；貨艙艙容19 700 m3。

1 設計布置概況

該船采用單機單槳、柴油機推進，航區為無限航區，主要用于運載礦砂、谷物、煤、水泥等散裝貨物，以及集裝箱、鋼卷、雜貨、木材、重貨和大件等，并可用于裝載危險品。該船在船艏設有球鼻艏并配有艏側推器，艉部采用方艉形式。上建及駕駛室位于船艏，具有良好的視線。對全船進行合理的分艙，通過水密艙壁把全船分為艏尖艙、泵艙、油艙、貨艙、邊壓載艙、底部壓載艙、機艙、尾尖艙等。本船設有水密尾門，車輛等移動貨物可直接進入貨艙。貨艙長108 m，寬18.6 m，采用雙殼大開口箱型結構，適應了現代多用途船發展趨勢，可裝載較大尺寸的大件貨物[3]。貨艙內設有活動的二甲板，通過側縱艙壁上的支撐盒可調整甲板高度。支撐盒布置在3個不同的高度，便于裝運不同的雜貨，不用時可收放在盒內，提高了使用上的靈活性。邊艙內設有二甲板，作為艏艉貫通的人員通道，并用水密門進行分割，提高了破艙穩性。雙層底作重貨加強，以便裝載集中荷載較大的貨物。由于甲板面積的限制，2臺起重能力達450 t的克林吊布置在左舷邊，可以聯吊900 t的重貨。2臺克林吊在一舷布置導致了全船重量分布左右不對稱，采用在右舷布置主要的燃油艙及深壓載邊艙的措施進行平衡。邊壓載艙離船中縱剖面最遠，可以有效地調整船舶橫傾狀態，因此兩側設有大量的邊壓載艙。重貨吊裝時，通過左右舷排水量的變化及壓載水的反向調節來平衡貨物產生的傾覆力矩，通過配備長方體平衡浮箱提高重物吊裝時的初穩性以及轉運貨物的效率。

2 完整穩性計算

船中大開口貨艙尺寸為108 m×18.6 m。完整穩性計算分為航行和起重作業工況，其中起重作業工況又分為正常作業和吊物突然丟失的工況。航行工況下的穩性衡準要求參照IMO 2008 IS code規范，起重作業工況參照港口吊裝的具體的規范要求。

2.1 平衡浮箱穩性計算

浮箱通常采用長方體的箱體結構，通過一個呈90°折角的支撐臂連接到船體。支撐臂一端與船體剛性連接，另一端采用可調節的銷孔與浮箱連接。由于舷側浮箱的存在，相當于增加了船寬，增大了水線面慣性矩，提高了初穩性高。浮箱吃水隨著船舶橫傾的變化而變化，從而產生反向的復原力矩，使橫傾角變小。浮箱離船體中縱剖面距離遠，力臂大，對船體抗傾作用明顯。浮箱對初穩性高的修正為[4]

(1)

式中:a為浮箱沿船體縱向的長度；b為浮箱沿船體橫向的長度；ρ為水的密度；y為浮箱型心至船中縱剖面的距離。

由式(1)可知，浮箱對初穩性高的修正與浮箱的水線面截面積及浮箱型心離傾斜軸線的距離有關。截面積越大，距離越遠，對初穩性高的修正越大。在小角度橫傾時，水線面位于浮箱高度范圍內，浮箱可以持續提供復原力矩。在大角度橫傾時，水線面超出浮箱高度范圍，浮箱將失去調節橫傾的能力。平衡浮箱的布置見圖2。

圖2 平衡浮箱的布置示意

表1 浮箱尺寸及修正

2.2 航行工況完整穩性計算

目前船級社尚沒有專門針對大開口多用途船的穩性計算規范，對于大開口的穩性衡準主要參考MSC.Circ.608 《Interim Guidelines for Open Top Containerships》[5]。

對于海上自航運輸集裝箱的敞口(無艙口蓋)船舶，完整穩性計算包括以下工況[6]。

1)滿載出港。滿載貨物及全部消耗液體及物料。

2)滿載到港。滿載貨物及10%消耗液體及物料。

3)壓載出港。無貨，全部消耗液體及物料。

4)壓載到港。無貨，10%消耗液體及物料。

5)上述1)和2)裝載工況，需要考慮敞口貨艙浸水，浸水的滲透率取為0.7；艙內自由液面計算考慮實際的幾何分布，箱內的水作為固定重量，而集裝箱之間空隙水，按實際的分布計算慣性矩。

對于1)～4)載荷工況下的完整穩性應滿足IMO 2008 IS code要求[7]。對于5)所規定裝載工況，假設浸水至艙口邊緣或艙口圍板的頂端。如設有排水舷口，則浸水至其開口下緣。

敞口多用途船與敞口集裝箱船略有不同，敞口貨艙浸水的滲透率取為0.9，自由液面按照整個貨艙全自由液面慣性矩計算，浸水高度取極端氣象條件下合理的高度。

敞口貨艙的上浪量通過耐波性模型試驗測量，規范規定累計最大每小時上浪量不超過艙口開敞面積乘以400 mm/h，最終敞口貨艙每小時浸水高度為最大每小時上浪量減去貨艙排水舷口的每小時排放量，貨艙累計進水時間考慮24 h。模型試驗的波浪譜為P-M譜或JONSWAP譜等，有義波高為8.5 m，耐波性進水模型試驗見圖3。

圖3 耐波性進水模型試驗場景

考慮敞口貨艙最大每小時進水為220 mm，則貨艙24 h的進水高度為5.28 m，總的進水量為6 907 t。取其中一個工況進行計算，假定船上油水及備品為壓載出港狀態，無吊裝貨物，調節壓載水使船盡量無橫傾，開口貨艙為空艙，可容納最大進水。該工況下裝載狀態見表2。由于考慮了敞口貨艙自由液面的修正，穩性修正值很大為-2.08 m。圖4為相應的裝載工況。從表3完整穩性校核結果可知，穩性衡準滿足船級社要求。

表2 完整穩性裝載工況

表3 完整穩性校核結果

2.3 港口吊裝工況完整穩性計算

本船在左舷配置了2臺450 t的克林吊，可聯吊900 t的大件貨物。在重吊過程中將產生非常大的傾覆力矩。吊裝重大件的貨物，相當于在吊機的吊繩頂端懸掛重物，提高了船舶的重心高度，降低了初穩性高，對船舶穩性不利，見圖5。

圖4 航行工況下進水裝載工況

圖5 側向左舷最大聯吊時配置工況

起重船作業狀態初穩性高GM應滿足[8]：

(2)

穩性衡準數Kc應滿足：

(3)

起重船的風壓傾側力矩Mw或力臂lw，受風面積應自水線向上每15 m分為一檔，按下式計算。

Mw=0.001p∑CiAviZikN·m

(4)

(5)

式中：p為單位計算風壓，Pa，見表4；Avi為受風面積，m2；Ci為高度修正系數，見表5；Zi為受風面積Avi中心至裝載工況下水線的垂向距離，m。

表4 單位計算風壓p Pa

表5 高度修正系數Ci

貨物自左舷側起吊，在吊臂牽引下逐漸向船中移動直至到達安放位置上方放下。此過程通過不斷調整左右舷壓載艙壓載水，確保船舶橫傾和縱傾處在規范要求的范圍里。開始吊裝前，船上油水及備品為裝滿狀態，此時無吊重，通過調整壓載水使船無橫傾。吊裝中，油水及備品不變，吊桿仰角最大，在左舷側開始聯吊900 t貨物，此時通過調整舷側邊艙壓載水使船盡量無橫傾。

考慮最危險的吊裝工況：2臺450 t克令吊在左舷側聯吊900 t，此時傾覆力矩最大。船舶港口吊裝裝載工況見表6，相應壓載水配載見圖5。

從表7港口吊裝穩性校核結果可知，穩性衡準滿足船級社要求。

表6 港口吊裝裝載工況

表7 港口吊裝穩性校核結果

2.4 吊物丟失穩性計算

進行起重作業時，重貨會隨著吊桿移動及升起。意外情況下若發生吊物丟失，會導致很大的反向橫傾力矩，使船舶產生較大的橫傾角。規范要求：起重船的極限靜傾角，在作業狀態下對旋轉式起重船不超過5°，非旋轉式吊臂起重船不超過3°。

DNV船級社在規范ts507/sec17中對吊裝穩性衡準作出了明確的要求[9]，見圖6。

RL1-吊物丟失前的GZ曲線；RL2-吊物丟失后的曲線；θL-吊物丟失前的平衡角；θe-吊物丟失后的平衡角；θf-吊物丟失后的浸沒角。圖6 吊物丟失穩性衡準的規范要求示意

衡準要求為

(6)

(7)

在NAPA軟件中，系統自帶的衡準OB_CRANE1和OB_CRANE2可以分別用來計算吊物丟失后的面積及橫傾角[10]。

選擇左舷側最大力臂聯吊900 t貨物時最危險的狀態進行吊物丟失工況計算。吊裝裝載工況見表6，相應壓載水配載見圖5。圖7～8分別為OB_CRANE1和OB_CRANE2下衡準穩性力臂圖，從表7吊物丟失穩性校核計算結果可知，不滿足DNV船級社的衡準要求。目前船級社對于吊物丟失穩性并沒有強制要求，船東可以根據作業時的天氣情況調整吊重并靈活安排。

圖7 衡準OB_CRANE1

圖8 衡準OB_CRANE2

表8 吊物丟失穩性校核結果

3 破艙穩性計算

采用概率性方法計算破艙穩性，該方法根據大量的碰撞、擱淺等海損事故為依據，建立計算船舶殘存概率。采用分艙指數把船舶破損后具有的殘存能力作為衡準安全程度的高低。艙室破損的位置和范圍視隨機的，知道其概率分布后，預測船舶進水及殘存概率，采用分艙指數A作為衡準參數[11]。

本船概率性破艙穩性計算參考SOLAS 2009規則，該規則要求客船和干貨船的采用統一的概率法計算破艙穩性，同時對舷側、底部、縱向及艏部破損范圍等方面有具體規定。新規則相比舊規則(SOLAS 2004)在計算方法上作出重大調整，對于破艙穩性的要求更為嚴格[12]。

3.1 要求的分艙指數R

對于船長(Ls)大于100 m的船舶，分艙指數R按下式求解[13]。

(8)

3.2 分艙指數A

分艙指數A由最深分艙吃水ds,部分分艙吃水dp和輕載航行吃水dl計算的分項指數As，Ap，Al的加權和求得。

A=0.4As+0.4Ap+0.2Al

(9)

各分項分艙指數為所考慮的工況下全部破損所起作用的總和，公式如下。

A=∑pisi

(10)

式中：i為所考慮的每一個艙或艙組；pi為所考慮的艙或艙組可能進水的概率，不考慮任何水平分割；si為所考慮的艙或艙組進水后生存概率，并包括任何水平分割的影響。

計算得到的分艙指數As、Ap、Al3項的加權和不小于R,同時要求對于貨船各分艙指數不小于0.5R，則認為分艙指數滿足衡準要求，船舶分艙是足夠的。采用非對稱布置的船舶，A的計算值為兩舷分別計算得到的平均值，或者采用明顯最不利一舷的計算結果。

本船分艙長度為141.952 m，要求的分艙指數R為0.564 55。破艙計算的3個裝載工況見表9，從表10破艙計算結果可知，分艙指數A略大于要求的分艙指數R，滿足破艙穩性要求。

表9 破艙計算的3個裝載工況

表10 破艙計算結果

4 結論

1)對于敞口多用途船重吊船，完整穩性需要考慮艙口進水量的影響，具體的進水量由耐波性進水模型試驗得到。

2)在起吊重貨時，通過設置平衡浮箱可以極大地改善初穩性高度，使吊裝穩性滿足船級社衡準要求。

3)雖然船級社對吊物丟失穩性不作強制要求，但是吊物的突然丟失有可能產生船舶傾覆的嚴重后果。本船在左舷側聯吊最大吊重時吊物丟失穩性不滿足船級社衡準要求，需與船東協商可行的吊裝方案，以保證吊裝安全。

4)單一大開口貨艙對破艙穩性的影響很大，本船考慮3艙破損對分艙指數的貢獻才剛好滿足概率破艙的要求。合理的分艙布置可提高破損穩性儲備。

[1] 中國船舶工業集團公司.船舶設計實用手冊.總體分冊[M].北京：國防工業出版社，2013.

[2] 胡關德，王剛毅.多用途船船型及設計簡介[J].船舶設計通訊，2009,45(3)：45-50.

[3] 焦宇清.12 000 t多用途散貨船開發設計綜述[J].船舶設計通訊，2005(1)：15-20.

[4] 柳楊.單艙大開口重吊船破艙穩性及吊裝穩性研究[D].上海：上海交通大學，2009.

[5] IMO. Interim Guidelines for Open Top Containerships: MSC/Circular608 [S].IMO,1994.

[6] 中華人民共和國海事局.敞口集裝箱船檢驗暫行規則海法規[2004]019[S].2004.

[7] IMO. The International Code On Intact Stability: Resolution MSC.267(85)[S].IMO,2008.

[8] 中華人民共和國海事局.國內航行海船法定檢驗技術規則[S].北京：人民交通出版社，2011.

[9] DNV, Offshore Service Vessels, Tugs and Special Ships：ts507 [S].DNV，2012.

[10] Napa Ltd. NAPA Onlien Manuals stability criteria [M].Napa Ltd,2016.

[11] 周曉明.基于概率破艙穩性的駁船優化分艙研究[J].大連理工大學，2006.

[12] 吳剛.王彩蓮.SOLAS第Ⅱ-Ⅰ章破艙穩性新舊規則對比分析[J].船舶，2009(3):6-11.

[13] IMO. SOLAS Consolidated Edition[S]. International Convention for the Safety of Life at Sea. IMO，2014.

Stability Research of 11 700 t Multi-purpose Heavy Lift Vessel with Large Opening Single Cargo Hold

ZUO Wen-an1, TIAN Ming-qi1, ZHANG Yan-hui2

(1.CIMC Ocean Engineering Design & Research Institute Co., Ltd., Shanghai 201206, China;2.Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Shanghai 200335, China)

Aiming at the problems of 11 700 t multi-purpose heavy lift vessel with large opening single cargo hold, such as large opening single cargo hold with few transversal bulkhead, the ship ballast adjustment system can’t meet the stability requirement of rule, etc., the damage stability and the harbor lifting stability and the stability with loss of crane load were performed by NAPA. The effect of pontoon on stability was demonstrated. The results showed that the vessel meets the mandatory requirements for stability of relevant rules, and to set up a balance pontoon is an effective method to improve the stability and increase the efficiency of adjusting ballast water to balance the floating state.

heavy lift vessel; stability pontoon; large opening single cargo hold; loss of crane load

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.011

2017-01-09

左文安(1981—)，男，碩士，高級工程師

研究方向：船舶與海洋工程設計與計算

U661.2

A

1671-7953(2017)04-0050-06

修回日期：2017-02-22