超長貨物半潛裝船防撞措施分析

文俊華 林振東

摘 要：半潛運(yùn)輸是石油平臺、工程船等水上結(jié)構(gòu)物遠(yuǎn)洋運(yùn)輸?shù)闹饕绞剑ＷC安全裝船是實(shí)施半潛運(yùn)輸?shù)那疤釛l件。超長貨物因其長度接近半潛船裝貨甲板長度，操作空間小，浮裝過程中容易與半潛船發(fā)生碰撞。本文設(shè)計(jì)了一種防撞裝置，通過有限元分析和實(shí)際工程應(yīng)用驗(yàn)證了該防撞裝置的適用性。

關(guān)鍵詞：半潛運(yùn)輸;超長貨物;安全裝船;防撞裝置

1 序言

半潛運(yùn)輸是指將缺少自航能力的船舶、平臺、模塊等水上設(shè)備浮裝在半潛船甲板上，然后半潛船排水起浮，經(jīng)過綁扎固定后將貨物干拖運(yùn)往目的地的一種運(yùn)輸方式。與拖輪濕拖相比，半潛運(yùn)輸具有時(shí)間短、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，是遠(yuǎn)距離跨洋運(yùn)輸中最常見的運(yùn)輸方式。目前常見的半潛船有兩種形式：一種是具有首尾樓，尾駕駛形式的;另一種是尾部半開放、具有艉浮箱、首駕駛形式的。在半潛運(yùn)輸?shù)谋姸嘭浳镱愋椭校?jīng)常會碰到一些超長的貨物，比如浮船塢、大型船舶等，這些貨物的長度一般超過或者接近半潛船的裝貨甲板長度。對于長度超過半潛船裝貨甲板的貨物，通常的做法是將貨物斜裝，貨物艏艉懸出半潛船。對于長度接近半潛船裝貨甲板的貨物可以選擇斜裝或者縱向裝載，如圖1～2所示，斜裝的優(yōu)點(diǎn)是裝船空間大，裝船難度較低，缺點(diǎn)是貨物艏艉懸出運(yùn)輸船舷外，航行途中易受波浪抨擊，對貨物自身強(qiáng)度有一定影響，且為克服航行途中貨物的扭轉(zhuǎn)力，所需的綁扎工裝多。縱裝的優(yōu)點(diǎn)是貨物艏艉均在運(yùn)輸船甲板內(nèi)，不受破浪抨擊影響，綁扎工作量小;缺點(diǎn)是裝船空間小、浮裝難度大，裝船過程中控制不好，容易導(dǎo)致貨物與運(yùn)輸船碰撞。由于半潛船較少靠泊碼頭，船上工裝有限，斜裝所需的額外工裝的制作、采購和運(yùn)輸費(fèi)用高昂且用時(shí)較長，影響裝貨進(jìn)度，此時(shí)縱裝便成了更加可行的方案。如何避免超長貨物與運(yùn)輸船碰撞、降低裝船風(fēng)險(xiǎn)成為我們要解決的首要問題。

2 防撞措施分析

超長貨物縱向裝船過程中，由于裝船空間冗余很小，稍有不慎貨物就會撞擊到運(yùn)輸船。為了降低裝船風(fēng)險(xiǎn)，通常可以采取的措施有如下幾項(xiàng)：

（1）選擇合適的裝船錨地，錨地需要滿足水深要求，最好能在港池內(nèi)或者遮蔽水域，以減小風(fēng)浪的影響;

（2）選擇合適的天氣窗口，通常情況下需要滿足波高≤0.5m，涌高≤0.3m，流速≤2.0knots，風(fēng)速≤7.9m/s;

（3）貨物上增設(shè)吊耳或纜樁，增加帶纜位置;

（4）加裝防撞裝置，避免貨物直接撞擊運(yùn)輸船。

上述措施中錨地、天氣等因素很重要，但這些因素非人力可控，取決于當(dāng)?shù)厮颉庀髼l件等。貨物上增設(shè)吊耳/纜樁等方式雖可以增加纜繩對貨物方位的控制，但隨著貨物位置的移動(dòng)導(dǎo)致帶纜角度不佳，不能完全避免貨物撞擊運(yùn)輸船。加裝防撞裝置是指通過在貨物或運(yùn)輸船上安裝柔性裝置，當(dāng)貨物靠近運(yùn)輸船時(shí)起到碰撞緩沖作用，避免貨物直接撞擊運(yùn)輸船。防撞裝置的使用降低了裝船操作的難度，變被動(dòng)調(diào)整為主動(dòng)控制，能有效保護(hù)船貨安全。常規(guī)的防撞裝置由墊木、橡膠等組成，安裝在貨物端部或運(yùn)輸船舷墻上，如圖3所示。這些防撞物雖能起到碰撞緩沖作用，但也存在一定的不足：當(dāng)貨物移動(dòng)擠壓防撞物時(shí)，墊木或橡膠容易脫落，且由于貨物撞擊位置的不確定性，需要安裝大面積的防撞裝置，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

為改善當(dāng)前防撞裝置的缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種新型的防撞裝置，如圖4所示。該裝置為橡膠滾輪式，由鋼結(jié)構(gòu)和橡膠輪胎組成，固定在貨物端部。裝船時(shí)，橡膠滾輪接觸運(yùn)輸船艙壁，起到碰撞緩沖作用，同時(shí)滾輪可以轉(zhuǎn)動(dòng)，將貨物與運(yùn)輸船之間的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)摩擦，減小裝船阻力。這種滾輪形式的防碰裝置安裝在貨物上，在裝船過程中隨貨物移動(dòng)，無需大面積安裝，只需安裝幾處即可。該裝置已使用在具體工程中，實(shí)踐表明該滾輪防撞裝置方便高效，裝船過程中起到了良好的碰撞緩沖作用。

3 實(shí)例分析

現(xiàn)以一艘半潛船運(yùn)輸一艘超長船段的工程實(shí)例來分析驗(yàn)證防撞滾輪的實(shí)際效果。本航次運(yùn)輸?shù)拇沃丶s16000噸，總長167.1米，半潛運(yùn)輸船裝貨甲板長度為168.8米，即該船段裝上半潛船后，前后總共只有1.7米的間隙，在海上漂浮狀態(tài)下裝船難度極大，稍有不慎貨物就會撞到運(yùn)輸船。項(xiàng)目執(zhí)行前期考慮裝船風(fēng)險(xiǎn)，初定為斜裝。但斜裝運(yùn)輸時(shí)要克服較大的扭轉(zhuǎn)力矩，需要在貨物船底進(jìn)行綁扎作業(yè)，至少要鋪設(shè)兩層墩木。由于半潛船上工裝有限，需要國外采購大量墩木和制作綁扎件，時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本均無法被業(yè)主接受。后經(jīng)計(jì)算分析，確定為完全縱裝，這樣雖然裝卸難度變大，但可節(jié)約近一半的墩木，綁扎難度也大幅降低，利用船上現(xiàn)有工裝即可完成綁扎，整體經(jīng)濟(jì)效益要大大優(yōu)于斜裝。此時(shí)如何保證安全裝船成為項(xiàng)目能否順利實(shí)施的關(guān)鍵。根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，在船段尾部增設(shè)了4組防撞滾輪，如圖5所示，避免船貨直接接觸，保證裝船過程中船貨結(jié)構(gòu)安全。

本次設(shè)計(jì)的防撞滾輪縱向長1.1米，船段加上該防撞滾輪后長度達(dá)到168.2米，裝船間隙進(jìn)一步減小到只有0.6米。這就要求裝船時(shí)防撞滾輪需貼著運(yùn)輸船前艙壁進(jìn)入，才能保證船段另一端不會碰撞運(yùn)輸船。

裝船過程中貨物在水流作用下產(chǎn)生的阻力如表2：

慣性力：Fi=W×a/g=16000×0.005/9.81=8.2噸。

總阻力：F=Fw+Fi=14.2+8.2=22.4噸.

防撞滾輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析：

防撞滾輪焊接在貨物尾部強(qiáng)結(jié)構(gòu)上，滾輪為實(shí)心輪胎，選型時(shí)輪胎承壓能力足夠，在此只需分析防撞滾輪的鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足受力要求。利用有限元軟件ANSYS建立防撞滾輪鋼結(jié)構(gòu)模型，如圖6所示。防撞滾輪鋼結(jié)構(gòu)焊接在貨物尾部，約束形式為鋼結(jié)構(gòu)端部全約束。本項(xiàng)目中共設(shè)置了4組防撞滾輪，在裝船的前期，只有一組滾輪接觸到運(yùn)輸船，該組滾輪將承擔(dān)貨物水流壓力和慣性力的總和，即22.4噸（219744N），此作用力通過橡膠滾輪傳遞到鋼結(jié)構(gòu)上。鋼結(jié)構(gòu)約束及受力示意圖如圖7所示。

經(jīng)有限元計(jì)算，鋼結(jié)構(gòu)在承受縱向（X向）22.4噸作用力下的應(yīng)力云圖如圖8所示：

得出最大應(yīng)力為27.1MPa，鋼結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力為345/1.1=313MPa，27.1<313，鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足使用要求。

實(shí)際操作中按照方案要求，選擇平潮水流緩慢且風(fēng)小的天氣窗口開始裝船。貨物一端通過防撞滾輪貼在運(yùn)輸船前艙壁上，給另一端留出約60公分的裝船間隙。貨物經(jīng)由纜繩拖拽和拖輪頂推慢慢移動(dòng)到指定位置。在此過程中防撞滾輪與運(yùn)輸船前艙壁保持基本接觸狀態(tài)，最終貨物到達(dá)指定位置，運(yùn)輸船排水起浮，裝船安全順利完成，如圖9所示。

4 結(jié)論

超長貨物半潛裝船難度大、風(fēng)險(xiǎn)高，合理有效的避碰裝置對于安全裝船非常重要。通過工程實(shí)例可以得出防撞滾輪在縱向裝載超長貨物時(shí)起到了良好的防撞緩沖作用，其自身強(qiáng)度足夠，保證了貨物的安全裝載。相較其他防撞裝置，該裝置成本低、使用方便，為后續(xù)類似項(xiàng)目提供了良好的示范。

參考文獻(xiàn)：

[1] DNVGL-ST-N001 Marine operations and marine warranty.

[2] IMO， Code on Intact Stability for All Types of Ships Covered by IMO Instruments.

[3] ABS， Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units.

[4] JTS 144-1-2010 港口工程載荷規(guī)范。