多用途船起重及重物失落工況分析

孫海曉

(上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203)

多用途船可載運(yùn)的貨品種類多，包括大、重型工程件，例如,導(dǎo)管桁架、風(fēng)車葉片等，甚至游艇、小船等。因此多用途船上配有起重能力較強(qiáng)的甲板起重機(jī)，有些還會(huì)配置吊梁，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的聯(lián)吊功能，從而獲得更大的起重能力。多用途船起重作業(yè)時(shí)，起重貨物產(chǎn)生較大的橫傾力矩，船舶通過壓載水調(diào)整自身浮態(tài)，避免過大橫傾，保證起重設(shè)備正常工作和船舶安全，一旦發(fā)生重物失落，由于船舶壓載水左右分布不平衡，自身狀態(tài)發(fā)生劇烈變化，極易導(dǎo)致事故發(fā)生，見圖1。

圖1 典型事故現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景

1 起重作業(yè)穩(wěn)性

2016年，IMO海上安全委員會(huì)第97次會(huì)議，通過了MSC.415(97)決議關(guān)于2008 IS Code中B部分修正案，增加了對(duì)從事起重作業(yè)船進(jìn)行起重作業(yè)時(shí)的穩(wěn)性考核要求，于2020年1月1日生效，適用于鋪龍骨日期或者類似建造階段在2020年1月1日及之后的新造船，或者在此日期后改造為用以起重作業(yè)的改裝船。

MSC.415(97)決議中明確了適用于以下兩種情況。

1)起重作業(yè)引起的最大橫傾力矩大于公式(1)計(jì)算結(jié)果。

(1)

2)起重作業(yè)無橫傾力矩。由于起吊重貨導(dǎo)致船舶重心加高1%以上的情況。船級(jí)社通常認(rèn)定有橫傾力矩且起吊重貨導(dǎo)致船舶重心加高1%以上的情況，也應(yīng)計(jì)入在內(nèi)。

同時(shí)，MSC.415(97)決議還明確要求考核最不利的起重情況。

MSC.415(97)決議中2.9.3條款給出了一般工況中的穩(wěn)性衡準(zhǔn)，區(qū)分為暴露海域作業(yè)和非暴露海域作業(yè)兩種情況，決議2.9.4條款給出了在環(huán)境和操作限制下的起吊衡準(zhǔn)，可替代2.9.3中的穩(wěn)性衡準(zhǔn)。此外從事起重作業(yè)的船舶還應(yīng)承受2.9.5條款中關(guān)于“重物失落”工況的衡準(zhǔn)要求。2.9.6條款則是給出了2.9.3條款到2.9.5條款所有衡準(zhǔn)的替代方法。本文主要以一般工況采用的2.9.3條款和2.9.5條款作為主要分析內(nèi)容，也是多用途船設(shè)計(jì)中最常采用的衡準(zhǔn)要求。

起重作業(yè)時(shí)應(yīng)滿足的穩(wěn)性衡準(zhǔn)。

1)IS Code中A部分對(duì)于完整穩(wěn)性的要求。

2)船舶橫傾角度φ1，不得超過起重設(shè)備允許的工作角度，通常由設(shè)備資料確定，一般為5°[1]。

3)對(duì)于非暴露海域起重作業(yè)，船舶剩余干舷不小于0.50 m。

4)對(duì)于暴露海域起重作業(yè)，船舶剩余干舷不小于1.00 m或75%最大有義波高，取大值。

重物失落時(shí)應(yīng)滿足的穩(wěn)性衡準(zhǔn)。

復(fù)原力臂曲線上，重物起吊相對(duì)另一側(cè)復(fù)原力臂下的面積大于起吊一側(cè)復(fù)原力臂下的面積，見圖2。

圖2 典型重物失落復(fù)原力臂曲線

1)暴露海域起重作業(yè)時(shí)，面積A2>1.4倍面積A1。

2)非暴露海域起重作業(yè)時(shí)，面積A2>1.0倍面積A1。

雖然MSC.415(97)決議對(duì)船舶起重作業(yè)提出了具體的衡準(zhǔn)要求，但遺憾的是并沒有給出統(tǒng)一的方法解釋如何確定船舶起重作業(yè)的最不利情況。目前重吊多用途船穩(wěn)性校核中，多考慮船舶空載時(shí)起重作業(yè)的狀態(tài)[2-4]，此時(shí)船舶裝有大量壓載水，吃水淺，重心低，穩(wěn)性好。船舶實(shí)際裝載過程中，有可能會(huì)出現(xiàn)多次重貨起重作業(yè)情況，每一次的起重作業(yè)時(shí)的船舶狀態(tài)較前一次都有所不同，甚至可能出現(xiàn)艙內(nèi)裝滿貨品，將大、重型工程件最后吊裝在艙蓋上進(jìn)行運(yùn)輸?shù)那闆r。

2 船型概況

以一艘8 800 DWT多用途船作為分析對(duì)象，分析內(nèi)容和結(jié)論也同樣適用其他類似從事起重作業(yè)的船舶。

8 800 DWT多用途船是上海船舶研究設(shè)計(jì)院開發(fā)的新一代多用途船(見圖3)，適用于裝載雜貨、鋼卷和大型工程件、煤和礦石等散貨，艙蓋上可裝載集裝箱和甲板貨。該船的主尺度為總長(zhǎng)：122.20 m；垂線間長(zhǎng)：119.60 m；型寬：19.80 m；型深：10.70 m；設(shè)計(jì)吃水：7.20 m。

圖3 8 800 DWT多用途船總布置

主甲板上左舷設(shè)2臺(tái)起重能力50 t的起重機(jī)，具備聯(lián)吊功能，實(shí)現(xiàn)大型工程件的裝卸，聯(lián)吊時(shí)吊梁距船舶舷側(cè)最大距離12.0 m。全船設(shè)艏尖艙，4對(duì)底壓載艙和5對(duì)邊壓載艙，用于調(diào)整船舶浮態(tài)，其中第3邊壓載艙和第4邊壓載艙用作防橫傾艙，可用來控制船舶起吊過程中的橫傾角度。

3 衡準(zhǔn)適用性

船舶正常壓載到港時(shí)，大部分壓載艙都攜帶有壓載水，靠碼頭后進(jìn)行裝貨作業(yè)。隨著艙內(nèi)裝貨的增加，船舶吃水逐漸加深，壓載水逐漸排出舷外。由于無法確定貨物的具體形狀和位置，因此假定貨物以均值貨形式裝載在貨艙內(nèi)，此時(shí)假定的貨物重心高度較實(shí)際高度偏高，可認(rèn)為船舶處于一種較不利的狀態(tài)。假定聯(lián)吊時(shí)重物起吊高度超過艙蓋頂高度位置2.0 m，根據(jù)MSC.415(97)決議計(jì)算船舶各吃水狀態(tài)下橫傾力矩衡準(zhǔn)值，以及各吃水狀態(tài)下起吊貨物對(duì)重心變化的影響，見表1。

表1 不同吃水橫傾力矩衡準(zhǔn)值及起重作業(yè)重心高度變化

4 起重工況

國(guó)內(nèi)外主要船級(jí)社起重設(shè)備規(guī)范要求，起重設(shè)備工作時(shí)，船舶橫傾角度不大于5°，縱傾不大于2°，國(guó)內(nèi)外一些主流船用起重機(jī)生產(chǎn)商也按照此標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)船用起重機(jī)。船舶起重作業(yè)非常緩慢，中間伴隨著壓載水的調(diào)配，以使得船舶處于良好的浮態(tài)范圍。以8 800 DWT多用途船為例，船舶整個(gè)起重作業(yè)過程，分為4個(gè)階段。

1)起吊準(zhǔn)備，此時(shí)起重機(jī)吊臂伸出左舷舷外，處于聯(lián)吊最大舷外跨距位置處，通過防橫傾系統(tǒng)向右舷預(yù)置壓載水，船舶右傾，處于允許的角度范圍內(nèi)，為左舷起吊重貨做好準(zhǔn)備。

2)重物吊起，隨著起重機(jī)舉力的增加，壓載水系統(tǒng)繼續(xù)將左舷壓載水調(diào)撥到右舷，隨著重物的吊起，壓載水調(diào)撥到位，船舶左傾，仍處于允許的橫傾角度范圍內(nèi)。

3)重物經(jīng)過舷側(cè)，起重機(jī)吊臂相互配合旋轉(zhuǎn)90°，此時(shí)重物位于船舶舷側(cè)上方，同時(shí)壓載水艙配合調(diào)撥，保證船舶的浮態(tài)。

4)重物裝船，起重機(jī)吊臂繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，重物吊至貨艙艙口中間正上方準(zhǔn)備裝船，同時(shí)壓載水艙配合調(diào)撥，保證船舶的浮態(tài)。

對(duì)上述起重作業(yè)過程分析可知：①船舶在重物吊起時(shí)受到的外界橫傾力矩最大；②船舶重物吊起至裝船，船舶經(jīng)歷一個(gè)時(shí)歷過程，起重過程橫傾力矩由最大逐漸減為最小，起重機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度可隨著壓載水調(diào)撥能力調(diào)整，船舶相對(duì)而言比較安全；③起吊準(zhǔn)備到重物吊起，相對(duì)是一個(gè)瞬時(shí)過程，船舶狀態(tài)發(fā)生突變，不確定因素較多。

8 800 DWT多用途船按照空載和滿載情況進(jìn)行計(jì)算的起吊準(zhǔn)備和重物吊起后的狀態(tài)見表2，工況計(jì)算中假定船舶處于一個(gè)特定狀態(tài)，并預(yù)置特定量的壓載水，可避免起吊前和吊起后發(fā)生過大橫傾。

由表2可見，起吊過程中，如保證起吊準(zhǔn)備預(yù)橫傾角和吊起后橫傾角度控制在較小范圍內(nèi)，需在起吊時(shí)調(diào)撥大量的壓載水，這就對(duì)防橫傾泵或壓載泵提出了很高的要求，同時(shí)，還應(yīng)考慮起重機(jī)舉力從零到吊起重物的時(shí)間，盡量延長(zhǎng)起重機(jī)的發(fā)力時(shí)間，緩慢增加起重機(jī)的舉力，避免重物吊起時(shí)，壓載水還沒調(diào)撥到位的情況。當(dāng)不采用壓載水調(diào)撥時(shí)，滿載狀態(tài)橫傾角度更大，已達(dá)到了起重機(jī)正常工作允許的橫傾角度，可以判斷，船舶滿載進(jìn)行起重作業(yè)時(shí)處于一種更不利的狀態(tài)。船舶實(shí)際建造中，通常不具備滿載狀態(tài)進(jìn)行起重試驗(yàn)的條件，營(yíng)運(yùn)過程中，船舶實(shí)際裝載時(shí)狀態(tài)多種多樣，進(jìn)行起重作業(yè)時(shí)，應(yīng)對(duì)船舶的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行核算，根據(jù)起吊貨物的重量，確定合適的預(yù)橫傾角度，保證船舶起重作業(yè)安全。

表2 8 800 DWT多用途船工況計(jì)算起重狀態(tài)

5 重物失落工況

為保證裝卸安全，一些重大件運(yùn)輸公司要求多用途船裝卸過程中，船舶橫傾不超過3°，而在工程實(shí)踐中，對(duì)橫傾的要求會(huì)更高，通常不超過1.5°。對(duì)橫傾角度的要求，意味著壓載水調(diào)載能力需要增強(qiáng)，船舶另一側(cè)重物失落時(shí)平衡角度也會(huì)相應(yīng)增加。一旦出現(xiàn)重貨失落的意外情況，在防橫傾水艙產(chǎn)生的平衡力矩與突然增加的初穩(wěn)性高的雙重作用下，會(huì)產(chǎn)生劇烈橫搖，甚至?xí)?dǎo)致船舶傾覆[5]。

8 800 DWT多用途船重物吊起時(shí)不同初始角度發(fā)生重物失落后的計(jì)算結(jié)果見表3。

由表3可見，重物吊起時(shí)初始角度較小時(shí)，由于較多壓載水調(diào)撥到起重貨物的另一舷，發(fā)生重物失落后的平衡角度較大，計(jì)算的復(fù)原力臂下對(duì)應(yīng)的面積比值較小，即采用較大的橫傾限制角度進(jìn)行起重作業(yè)時(shí)，發(fā)生重物失落時(shí)船舶相對(duì)更安全。對(duì)比空載和滿載起吊狀態(tài)，在相同重物吊起的初始角度下，滿載起吊較空載狀態(tài)發(fā)生重物失落后的平衡角度更大，橫傾進(jìn)水角度更小，復(fù)原力臂下對(duì)應(yīng)的面積比值更小，因此滿載起吊情況下，發(fā)生重物失落時(shí)，船舶處于一種更危險(xiǎn)的狀態(tài)。

表3 8 800 DWT多用途船重物失落狀態(tài)

6 船舶極限起重能力

由表2和表3計(jì)算的工況可知，8 800 DWT多用途船聯(lián)吊100 t時(shí)穩(wěn)性仍具備一定的余量，在不考慮防橫傾泵配置，起重時(shí)間，起重機(jī)自重增加等因素的情況下，逐步增加船舶的起重能力，直至達(dá)到穩(wěn)性極限狀態(tài)，見表4。

表4 8 800 DWT多用途船極限起重時(shí)重物失落狀態(tài)

當(dāng)船舶按照空載狀態(tài)核算起重能力時(shí)，其極限起重能力可以達(dá)到360 t，按照滿載狀態(tài)進(jìn)行核算時(shí)，極限起重能力僅為155 t，因此在船舶設(shè)計(jì)過程中，如參照船舶空載起吊狀態(tài)配置船舶起重機(jī)的起重能力，應(yīng)同時(shí)對(duì)船舶滿載及其他裝載狀態(tài)起重作業(yè)情況進(jìn)行約束，避免發(fā)生起重事故。

7 結(jié)論

以往多用途船設(shè)計(jì)中，部分船級(jí)社對(duì)于船舶起重作業(yè)穩(wěn)性都有各自的建議衡準(zhǔn)，MSC.415(97)第一次從法規(guī)層面規(guī)定了具體的衡準(zhǔn)要求，本文通過對(duì)一艘8 800 DWT多用途船進(jìn)行起重作業(yè)分析研究，得到以下結(jié)論。

1)采用MSC.415(97)在判定船舶的衡準(zhǔn)適用性時(shí)還存在一定的盲目性，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步明確船舶的最不利起吊情況。

2)多用途船設(shè)計(jì)中，起重工況的校核通常采用船舶空載狀態(tài)，此時(shí)船舶重心低，穩(wěn)性好，根據(jù)計(jì)算可知，船舶滿載起重作業(yè)時(shí)處于一種更不利狀態(tài)，應(yīng)對(duì)滿載時(shí)的起重工況加以核算；如參照船舶空載起吊狀態(tài)配置船舶起重機(jī)的起重能力，應(yīng)同時(shí)對(duì)船舶滿載及其他裝載狀態(tài)起重作業(yè)情況進(jìn)行約束，避免發(fā)生事故。

3)船舶實(shí)際裝載時(shí)狀態(tài)多種多樣，存在諸多不確定因素，進(jìn)行起重作業(yè)時(shí)，應(yīng)對(duì)船舶的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行核算，根據(jù)起吊貨物的重量，確定合適的預(yù)橫傾角度，橫傾角度變化量，以及合適的調(diào)撥壓載水量，保證船舶起重作業(yè)安全。

文中假定的滿載狀態(tài)，以船舶貨艙滿載均質(zhì)貨品為基礎(chǔ)，重心位置偏高，船舶處于自由漂浮狀態(tài)，而實(shí)際船舶裝載時(shí)重心位置較均質(zhì)貨品偏低，且處于碼頭系泊狀態(tài)。船舶設(shè)計(jì)時(shí)，如采用較高的重心位置核算工況，則會(huì)影響起重機(jī)的配置，無法發(fā)揮船舶的潛力，如何平衡船舶起重機(jī)配置的起重能力和明確船舶起吊工況的最不利狀態(tài)，還有待法規(guī)進(jìn)一步明確。