施工水域船舶通航對起重船作業的影響

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(大連海事大學 綜合運輸研究所，遼寧 大連 116026)

在內河水域開展施工作業會占用部分航道，為不影響船舶通航，施工船需停工撤離施工區以避讓船舶，等待船舶通航后再恢復施工作業。在既要保證水域通航效率又不影響施工船舶安全作業的情況下，施工水域的船舶通航問題引起了關注。

海上工程建設，海洋資源開發，打撈作業等對起重船的需求較大，起重船的發展也漸趨大型化和復雜化[1-4]。在開敞海域施工區，通航船舶對起重船作業的影響表現為船行波對起重船作業的干擾。通航船舶降速航行雖然可保證通航安全，減小對附近船舶的影響，但同時也降低了通航效率。所以，兼顧兩方面考慮，分析討論施工區通航船舶的合理航速和安全航行距離問題。

1 回轉式起重船特性及安全浮態

1.1 起重船特性

起重船甲板平面大，便于安裝起重設備和進行起重作業；船寬吃水比B/d大，一般為6～14，對穩性要求高；船型以箱型居多，設有多個壓載水艙。在起重作業時，需在短時間內吊起重物，船舶排水量急劇增加，船舶整體重心上移，穩定性能受到一定影響。起重機回轉起吊重物，會產生傾覆力矩，通常需要在反向加載壓載水以保證船舶安全浮態。

為保持壓載水總量不變，壓載水只在各壓載艙間相互調撥。在起重機旋轉作業初期，壓載水調撥速度將會慢于起重機旋轉速度，傾覆力矩不能被完全抵消，使得在作業過程中船舶向起重機旋轉方向傾斜。在施工時，當起重船向起重機旋轉方向傾斜約1°時，起重機要停止運作直到調撥壓載水將船舶調平為止[5]。

船舶在波浪中會發生6個自由度的搖蕩運動，而對船舶安全及作業影響最大的是橫搖運動。若最大靜傾角能保持在安全范圍內，則船舶安全浮態便能得到保障，滿足船舶安全作業的要求。

1.2 作業安全浮態

1.2.1 吊裝作業

(1)

所以，船舶恢復力矩變為

(2)

重物被吊起，吊臂的旋轉角度為β，吊臂及重物形成一傾覆力矩為

(3)

船舶傾斜后，若是水線WL水平時，船體一側楔形體積浮出水面，另一側楔形體積浸入水中，船舶浮心位置的變化是由一側楔形體積移動到另一側引起；兩楔形體積的形心分別為k1、k2，長度Ok1、Ok2均為(2/3)y，見圖1。由于波浪的影響，水線為正(余)弦形，船體進出水體積形狀發生改變，所受水的浮力矩發生改變[7-8]。單位長度內船舶受到的波浪力矩為

(4)

式中：▽為單位長度內船舶水下體積改變量。而波面角表達式為ζ=ζacos(ky-ωt)，所以有

(5)

對單位長度內的波浪力矩沿船舶長度積分，求得波浪擾動力矩為

(6)

(7)

當船寬和吃水相對波長有限尺度時，船體下的波形曲率發生變化，船體下表面所受浮力方向與波面法線方向不一致，其垂直于某一次波面，該波面為有效波面，波面上的波面角為有效波傾，有效波傾小于表面波傾[9]。船行波對起重船造成擾動，不能以船舷處的表面波傾進行計算，而要以對船舶產生有效影響的有效波傾計算。

最不利的情況是船行波以最大波高到達起重船船舷處，即波浪擾動力矩最大，起重船達到允許安全作業最大橫傾角；根據瞬時受力平衡，即船舶恢復力矩、傾覆力矩和波浪擾動力矩平衡有

Ms=Mh+MF

(8)

1.2.2 吊卸作業

重物在被起重船卸離之前，船舶總的排水量保持不變。重物吊卸過程中，船舶重心提高致使初穩性高度發生改變，吊臂及重物產生傾覆力矩，船舶發生一定程度橫傾。受船行波擾動力矩的影響，船舶橫傾角加大。假設起重船上需要卸載重物重心高度為zc，初穩性高度減少量為

(9)

船舶恢復力矩為

(10)

與吊裝作業類似，吊臂及重物產生傾覆力矩見式(3)，船行波產生擾動力矩見式(7)，起重船受到船行波擾動并達到允許安全作業最大橫傾角，由3種力矩達到平衡見式(8)。

2 船行波相關要素計算

根據凱爾文船行波理論，船舶航行在水面上產生壓力擾動，在船艏及船艉均激起橫波和散波，各橫波波峰線和各散波波峰線交點的連線與航線形成一夾角Φ，該角理論值為19°28′。船行波向船舶兩側擴散，任意點的波速為壓力擾動點速度在該波峰線垂線上的分量[10]，即VcosΦ，可以推導出波長與波速的關系式λ=2πV2cos2Φ/g。船行波多以散波的形式對附近船舶造成擾動。

在相對水深h/d<2的開敞海域，采用波高計算公式[10]為

(11)

式中：Hm為船舷側產生船行波波高；V為航速；g為重力加速度；Cb為船舶方形系數；d為船舶吃水；L為船長。

船行波形成后向遠處傳播，波高隨著傳播距離的改變而改變，在傳播距離s后，波高Hs為

(12)

船舶航行產生的船行波，其波高與航速的二次方成正比，波高隨著傳播距離的增加而逐漸減小，衰減后的船行波對附近船舶的影響也逐漸減弱。此外，波高還與船舶參數有關，如船長、船寬、方形系數等。

3 算例

以南海號回轉式起重船為例，起重船相關參數見表1。通航船舶選擇一艘符合BCI指數(波羅的海海峽型指數)規范的好望角型散貨船，相關參數見表2。

表1 起重船船體參數

表2 好望角型散貨船參數

起重船在某開敞海域進行海上平臺的拆卸作業，需要起吊重量為1 000 kN的平臺板塊，在重物起吊瞬間壓載水來不及調撥，起重船由于傾覆力矩發生橫傾，通航船舶生成的船行波以最大波高抵達，使起重船橫傾加劇。選擇起重船3個作業狀態(見表3)計算橫傾角隨航速及距離的變化，結果見圖2。

表3 起重船作業工況

按照海事局規范，回轉式起重船在作業過程中要滿足極限靜傾角不超過5°的要求[12]。

1)在通航船舶航速一定時，LOAD3狀態下，即起重船吊臂旋轉90°作業，通航船舶對起重船作業影響較大；此時傾覆力矩達到最大值，初始橫傾角也最大，受船行波擾動以致達到極限靜傾角5°所需的條件更低。比較3種作業狀態，吊臂與船中線面夾角越大，船舶作業所受影響越明顯。為避免安全事故的發生，在吊重作業開始前可進行反向預壓載，抵消部分傾覆力矩，減弱船行波對起重作業的影響。

2)當通航船舶航速為12.0 kn時，至少距離起重船61 m，可保證在3種作業狀態下起重船最大橫傾角均低于5°；通航船舶航速為13.5kn時，至少距離起重船71 m，可保證在3種作業狀態下起重船最大橫傾角均低于5°；通航船舶航速15 kn時，至少距離起重船80 m，可保證在3種作業狀態下起重船最大橫傾角均低于5°。

4 結論

1)超重船作業橫傾角與船行波波高呈正相關關系，與傳播距離呈負相關關系；起重船吊臂90°作業時受到船行波影響較明顯。

2)在波浪中起重船工作穩性分析中引入了船行波理論，并從力矩平衡角度入手分析起重船穩性，所提出的起重船作業周邊船舶通航安全航速及航行距離限定值估算方法，可為施工水域范圍劃定及監管部門工作開展提供定量分析和理論出發點。

3)僅重點考慮了船行波的影響，實際上開敞海域風力因素也不容忽視，所以今后應結合風速值、起重船受風面積等因素對起重船穩性進行更深入研究。