核電超重核心設(shè)備遠(yuǎn)洋海運(yùn)技術(shù)控制

王靚靚

摘要：核電站超重核心設(shè)備運(yùn)輸安全至關(guān)重要，遠(yuǎn)洋海運(yùn)不可控因素多，需要更為嚴(yán)格的技術(shù)控制。文章以核電超重蒸汽發(fā)生器海運(yùn)為例，對(duì)遠(yuǎn)洋海運(yùn)應(yīng)進(jìn)行的技術(shù)性計(jì)算和控制進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括航道的安全性、船舶穩(wěn)性、綁扎加固的可靠性以及海運(yùn)加速度的計(jì)算及檢測(cè)方法等。文章可供同類(lèi)核電設(shè)備遠(yuǎn)洋運(yùn)輸借鑒。

關(guān)鍵詞：核電站;海運(yùn);大型貨物;加速度;穩(wěn)定性;綁扎加固

中圖分類(lèi)號(hào)：U695? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?? 文章編號(hào)：1006—7973（2022）03-0131-03

我國(guó)核工業(yè)飛速發(fā)展，核電蒸汽發(fā)生器達(dá)700t 以上，需采用吃水較淺的船舶運(yùn)輸。國(guó)際運(yùn)輸航線可能會(huì)遇惡劣海況，為防止設(shè)備內(nèi)部合金 U 型管變形，要求三維運(yùn)輸加速度不超過(guò)0.9g（g—9.8m/s2），需在運(yùn)輸前進(jìn)行周密的技術(shù)設(shè)計(jì)并按照設(shè)計(jì)嚴(yán)格控制操作，確保運(yùn)輸安全。

1海運(yùn)船舶的選擇

1.1內(nèi)河航道條件

國(guó)外內(nèi)河航道常難以獲得詳細(xì)的水文資料。對(duì)于潮汐河道，可參考附近港口潮汐周期表進(jìn)行吃水估算。潮汐常難以用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)函數(shù)曲線擬合，考慮擱淺風(fēng)險(xiǎn)，估算以更為可靠的方式進(jìn)行。船舶以漂浮狀態(tài)進(jìn)出航道的吃水 d 應(yīng)滿(mǎn)足：

式中：Hp ──航道水深; c ──船底安全間隙。

考慮可靠性，估算中將潮汐曲線假設(shè)為線性，則半潮高以上時(shí)航道水深 Hp 所持續(xù)的時(shí)間為（參看圖1）

式中：Hmax─航道最大水深; Hmin─航道最小水深; T ─潮汐周期時(shí)間。

可以海船通過(guò)航道所需時(shí)間作為tp 代入式（2）求解出水深 Hp，再代入式（1）即可求出船舶的安全吃水d為

如為避免駁船轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)及風(fēng)險(xiǎn)，則需要選擇遠(yuǎn)洋貨輪裝載后的吃水應(yīng)小于 d。當(dāng) d 值較小時(shí)，需要選擇淺吃水船舶，或采用修正壓載水使船底水平，或排空壓載水、減少淡水?dāng)?shù)量等方法來(lái)滿(mǎn)足。

1.2船舶穩(wěn)性

國(guó)際海事組織（IMO）頒發(fā)相關(guān)穩(wěn)性規(guī)則主要用于船舶建造及使用的穩(wěn)性控制。在穩(wěn)性校核的主要參數(shù)有橫傾角Ф、復(fù)原力臂 GZ、初穩(wěn)性高度 GM。計(jì)算船舶在不同橫傾角Ф情況下的復(fù)原力臂 GZ，繪制成圖即為靜穩(wěn)性曲線圖（圖2）。

可依據(jù)國(guó)際海事組織 IMO《船舶與海上設(shè)施法定檢驗(yàn)規(guī)格》進(jìn)行穩(wěn)性校核計(jì)算。按照穩(wěn)性手冊(cè)要求正常裝載時(shí)無(wú)需再計(jì)算，但當(dāng)貨物超重且積載位置過(guò)高時(shí)就應(yīng)注意校核穩(wěn)性。以下為某核電蒸汽發(fā)生器裝載后船舶的穩(wěn)性核準(zhǔn)，將穩(wěn)性計(jì)算報(bào)告書(shū)的主要結(jié)果列入表1，穩(wěn)性曲線圖見(jiàn)圖3，顯然穩(wěn)性是能夠滿(mǎn)足規(guī)范要求的。

1.3運(yùn)輸加速度

船舶在海上在三維方向產(chǎn)生搖蕩，造成貨物產(chǎn)生3個(gè)方向的加速度。國(guó)際海事組織 IMO《貨物積載和系固安全操作規(guī)則》提供了無(wú)限航區(qū)貨物加速度的確定方法：

式中： a0y ， a0x ， a0z 為貨物在不同位置時(shí)的橫、縱、垂向基本加速度（見(jiàn)表2）; k1為船長(zhǎng)及航速修正系數(shù);k2—船寬與初穩(wěn)性高度比修正系數(shù)。

表2中所列基本加速度值的條件為：無(wú)限航區(qū);全年航行;25天連續(xù)航行;船長(zhǎng)等于100米;服務(wù)航速15節(jié); B/GM 不小于13（B 為船寬， GM 為船舶未經(jīng)自由液面修正的初穩(wěn)性高度）。當(dāng)本船的船長(zhǎng)、航速及 B/GM 不符合上述條件時(shí)，應(yīng)查 IMO 手冊(cè)得相應(yīng)的修正系數(shù) K1和 K2進(jìn)行修正計(jì)算。

對(duì)于某蒸汽發(fā)生器運(yùn)輸：船長(zhǎng)97m，航速14節(jié)，經(jīng)查 k1修正系數(shù)表得k1 =0.99;B/GM=14.9，大于13， k2 =1;貨物裝載在船的底艙0.6L 的位置，可依據(jù)表2查得各向基本加速度值。則可求得貨物的三維加速度值

分別為：

橫向加速度 ay 5.049m / s20.515g

縱向加速度 ax 1.485m / s20.152g

垂向加速度az4.95m / s20.505g

根據(jù)蒸汽發(fā)生器對(duì)運(yùn)輸加速度的限制要求，三維沖擊加速度均應(yīng)不超過(guò)0.9g，顯然可以滿(mǎn)足要求。

2承載甲板的襯墊

蒸汽發(fā)生器多數(shù)只有兩個(gè)運(yùn)輸托架，需采用枕木或鋼梁襯墊方式對(duì)集中荷載進(jìn)行分散，滿(mǎn)足船舶甲板承載強(qiáng)度要求。需要校核船甲板單位面積承載力和襯墊底梁的強(qiáng)度。襯墊間隔一般距離不大于船的承載甲板龍骨間距（300～600mm）時(shí)，可按均布荷載計(jì)算。設(shè)貨物托架按貨物重心對(duì)稱(chēng)布置，則根據(jù)甲板單位面積承載力要求可計(jì)算得襯墊底梁的長(zhǎng)度 r 為

（4）

式中：m─貨物質(zhì)量;n─貨物托架數(shù)量; p0─船甲板單位面積允許力。

根據(jù)單根底梁的強(qiáng)度可推導(dǎo)出計(jì)算襯墊底梁數(shù)量的公式為：

式中： c ─個(gè)托架下的襯墊底梁數(shù)量;σp ─底梁材料允許拉應(yīng)力;Wx─底梁抗彎截面模量。

還應(yīng)核算托架寬度范圍內(nèi)能否容納下數(shù)量 c，和為了均布荷載對(duì)襯墊梁之間間隙的要求，必要時(shí)調(diào)整底梁的規(guī)格尺寸或材料。

3綁扎加固

貨物在海運(yùn)過(guò)程中產(chǎn)生三維加速度會(huì)造成貨物在橫向、縱向發(fā)生滑移或翻轉(zhuǎn)，需要通過(guò)綁扎加固來(lái)解決。大型貨物每次運(yùn)輸都需要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的綁扎設(shè)計(jì)和工藝安排，因此是海運(yùn)安全控制的重點(diǎn)。

3.1綁扎方法

考慮蒸汽發(fā)生器外殼上可利用的綁扎點(diǎn)（突出管等）對(duì)綁扎索具的耐受程度，有兩種綁扎方案。

（1）型鋼焊接方案。在貨物前后端設(shè)計(jì)型鋼支撐架，防止貨物縱向滑移和翻轉(zhuǎn)。在兩側(cè)托架端面處，設(shè)計(jì)橫向擋板，并將甲板、托架焊接在一起，防止貨物的橫向滑移和翻轉(zhuǎn)。

（2）索具綁扎方案。采用鋼絲繩、螺旋松緊器、甲板固定耳環(huán)作為綁扎索具。縱向綁扎利用設(shè)備上的突出管作為固定點(diǎn)，在甲板上焊接多個(gè)耳環(huán)作為地錨。突出管強(qiáng)度由設(shè)備供應(yīng)商根據(jù)綁扎最大力進(jìn)行校核計(jì)算。橫向利用設(shè)備的筒體進(jìn)行綁扎，和貨物接觸的鋼絲繩套有橡膠管，保護(hù)設(shè)備表面。

3.2綁扎計(jì)算

國(guó)際海事組織 IMO 發(fā)布有《貨物積載與系固安全操作規(guī)則》，可依據(jù)進(jìn)行綁扎計(jì)算。貨物在縱、橫、垂

三個(gè)方向上所受外力可利用下式求得：

式中：Fw（x，y）─風(fēng)壓力， Fs（x，y）─浪拍擊力，對(duì)于艙內(nèi)貨物可不計(jì)。

系固裝置的允許工作負(fù)荷 MSL 由綁扎材料的破斷強(qiáng)度確定（見(jiàn)表3），計(jì)算強(qiáng)度：

對(duì)于貨物的縱向、橫向滑移校核，綁扎后不發(fā)生滑

移的平衡條件為：

式中：CSi ─第 i個(gè)加固件的計(jì)算強(qiáng)度;μ─襯

墊摩擦系數(shù)（鋼-木、鋼-橡膠取0.3）;fi? ─系數(shù)（ f ?sin（α）cos（α）sin（β），α、β為綁扎索具的垂向、橫向夾角）。

對(duì)于蒸汽發(fā)生器運(yùn)輸，重力作用下的縱、橫向抵抗力矩均大于翻倒力矩，翻倒綁扎校核安全。

4運(yùn)輸三維加速度記錄

貨物海運(yùn)會(huì)受到船舶正常的三維加速度影響（參看表2），但運(yùn)輸、裝卸船過(guò)程可能遭遇意外造成貨物滑移與碰撞并產(chǎn)生較大的三維沖擊加速度。如果超出貨物限值，則可能造成貨物內(nèi)部構(gòu)件的變形與位移損壞。對(duì)于精密貨物可選擇在本體兩端各安裝一個(gè)加速度記錄儀以便于排除干擾，時(shí)長(zhǎng)涵蓋從發(fā)運(yùn)到安裝工地全程運(yùn)輸，喚醒設(shè)置選擇適當(dāng)值以確保意外事件被記錄又可避免正常運(yùn)輸產(chǎn)生的加速度頻繁記錄，一般可設(shè)置為縱向0.2g、橫向0.40g、垂向0.3g。

運(yùn)輸完成后讀取記錄儀數(shù)據(jù)，如加速度在喚醒值之內(nèi)，則無(wú)數(shù)據(jù)記錄，說(shuō)明運(yùn)輸過(guò)程正常。如果記錄儀曾被喚醒并有數(shù)據(jù)，則會(huì)有喚醒時(shí)段整個(gè)加速度曲線，可依據(jù)加速度曲線和值大小分辨所發(fā)生的事件及危害。

5結(jié)束語(yǔ)

（1）海運(yùn)技術(shù)控制的關(guān)鍵是預(yù)先設(shè)計(jì)。應(yīng)使運(yùn)輸船舶吃水小于航道水深，船舶穩(wěn)定滿(mǎn)足要求，綁扎加固和襯墊安全，同時(shí)通過(guò)改變積載位置和調(diào)整船舶的初穩(wěn)性高度使三維加速度小于限定值。所有計(jì)算應(yīng)留有余量，并滿(mǎn)足國(guó)際海運(yùn)規(guī)范的要求。

（2）在調(diào)研和計(jì)算基礎(chǔ)上編制運(yùn)輸實(shí)施方案。其中，對(duì)綁扎加固和襯墊等應(yīng)有詳細(xì)的施工工藝圖紙、材料和工具計(jì)劃，并與發(fā)貨地國(guó)家的材料和工具標(biāo)準(zhǔn)相一致，以便于海外安排實(shí)施。

（3）派往海外的裝船監(jiān)裝人員依據(jù)圖紙和方案進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督，特別是對(duì)綁扎加固的材料規(guī)格和焊縫的檢驗(yàn)、襯墊防滑材料的布置等的檢查，有助于使方案得到準(zhǔn)確實(shí)施。

（4）對(duì)加速度的記錄可顯示運(yùn)輸過(guò)程是否發(fā)生過(guò)對(duì)貨物的較大沖擊，直觀有效的監(jiān)督運(yùn)輸過(guò)程，對(duì)無(wú)法派人全程監(jiān)運(yùn)的遠(yuǎn)洋運(yùn)輸可起到有效的間接監(jiān)督作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔣維清.船舶原理[M].人民交通出版社 ， 1992.

[2]沈玉如.船舶貨運(yùn)[M].大連海事大學(xué)出版社 ，2006.

[3]. IMO IA292E. Code of Safe Practice for Cargo Stowage and Securing[S]. International Maritime Organization Publication，2003.

[4]中華人民共和國(guó)海事局.船舶與海上設(shè)施法定檢驗(yàn)規(guī)格[S]人民交通出版社，1999.