重大件貨物海上運輸傾覆穩定性校核方法簡析

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生位移或翻轉運動，造成貨物損毀。在海上運輸途中，貨物的傾覆穩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船級社規范，闡述了重大件貨物海上運輸結構穩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據支持。

關鍵詞：重大件貨物;海上運輸;傾覆力;穩定性校核

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，會受到風浪等環境載荷的作用產生搖蕩運動，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，從而受到加速度產生的慣性載荷的作用。同時，外部環境風也會作用到貨物上，從而產生風壓作用力。所以，海上運輸的貨物需要進行系固。這樣可以避免貨物受船體運動傾覆力的影響而發生傾覆，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實施的項目經驗，同時根據挪威船級社（DNV）和美國船級社（ABS）的規范標準等要求，對重大件貨物海上運輸傾覆穩定性校核的規范計算方法和步驟作簡單介紹。

1貨物傾覆穩定性校核方法

1.1常規貨物

導管架、上部模塊等常規貨物，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定性及固定結構詳細設計，可以使用海洋工程專業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定性不能使用軟件直接計算得到，則需要使用規范計算方法和步驟進行校核。

2 重大件貨物傾覆穩定性校核步驟

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定性而言，通常更關注在船舶橫向的傾覆穩定性;而在船舶長度方向，其縱搖運動較小，貨物在此方向發生傾覆的可能性更小。當船舶發生橫搖運動時，貨物在慣性力和風載荷的作用下，會產生橫向傾覆的趨勢。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扁鐵，并焊接固定至運載船舶甲板上。

貨物的側向傾覆穩定性校核，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：橫蕩加速度產生的慣性載荷、橫搖加速度產生的慣性載荷、垂蕩加速度產生的慣性載荷。

2.1風載荷彎矩

參考ABS船級社的相關規范標準，貨物受到的環境風速，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）持續時間為1小時的平均風速;

（2）持續時間為1分鐘的陣風風速。

目前，ABS規范給出風壓計算公式[2-3]：

其中，：貨物結構件的形狀系數;：貨物結構件的高度系數;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，參照美國船級社規范第3節相關內容的規定和建議，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，在船舶橫向會發生一個很小角度的傾斜。此橫傾角可以通過專業的水動力軟件MOSES計算得到;計算橫傾角時，同時考慮了2.1章節規定的兩種風速。

當重大件貨物和運輸船舶整體出現橫傾角時，貨物的重量在船舶橫向上會產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

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

（1）當時，貨物會發生傾覆;

（2）當時，貨物不會發生傾覆。

3 結論

本文基于實際工程經驗，介紹了重大件貨物海上運輸傾覆穩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系，并且是逐級來進行計算的;此設計流程引用的船級社規范也比較多，用到了美國船級社（ABS）相關海洋工程規范，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知識。

此重大件貨物海上運輸傾覆穩定性校核方法，經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據支持，同時保證了海上運輸的安全性。

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.