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(大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026)

近些年，隨著國家重點建設(shè)工程項目數(shù)量和規(guī)模的不斷加大，電力、化工、機車和冶煉等重大件貨物運輸量均有一定程度的增加。在中小型重大件運輸領(lǐng)域，重吊船因配備裝卸設(shè)備，且具有較強適貨性能，一直保持著相對穩(wěn)定的市場占有率。在多數(shù)情況下，重吊船依靠自身配置的吊車自裝自卸重大件貨物，裝卸過程中的船舶穩(wěn)性和浮態(tài)問題一直被業(yè)界所關(guān)注。2003年12月9日，在美國紐約州Albany港，Jumbo公司的大件運輸船“MV Stellamare”在裝載一個重為308 t的發(fā)電機時發(fā)生翻沉事故，造成3人死亡，船舶從發(fā)現(xiàn)問題到翻沉僅約1 min[1]。重吊船在裝載重大件貨物時，合理運用壓載水對船舶穩(wěn)性及橫傾進(jìn)行控制至關(guān)重要。本文依據(jù)船舶靜力學(xué)基本原理，詳細(xì)推導(dǎo)了重大件貨物裝載過程中船舶穩(wěn)性及橫傾角的計算方法，闡述了變化過程，設(shè)計了裝貨方案。實踐表明，裝貨方案合理有效。

1 重吊船裝卸大件貨物的相關(guān)要求

1.1 浮態(tài)要求

國內(nèi)外主要船級社起重設(shè)備規(guī)范要求，起重設(shè)備工作時，船舶橫傾不大于5°，縱傾不大于2°[2- 4]。國外一些主流船用重吊生產(chǎn)商也按照此標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計船用重吊。我國《船舶與海上設(shè)施法定檢驗規(guī)則》(國內(nèi))中對此要求相同，要求回轉(zhuǎn)式起重船在作業(yè)狀態(tài)下橫傾不超過5°[5]。為保證裝卸安全，我國國家標(biāo)準(zhǔn)和一些國內(nèi)外重大件運輸公司則要求重吊船裝卸過程中，船舶橫傾不超過3°[6- 7]，而在工程實踐中，對橫傾的要求會更高些，通常不超過1.5°。

1.2 初穩(wěn)性要求

對于重吊船貨物裝卸期間的穩(wěn)性要求，2008IS Code中并未單獨提及[8]，但由于船舶的穩(wěn)性大小會直接影響貨物裝卸安全，一些專業(yè)的重大件運輸公司建議此類船舶的初穩(wěn)性應(yīng)大于1.0 m。由于船舶初穩(wěn)性的大小也應(yīng)考慮船舶排水量、吊裝貨物重量等因素，因此，一些國內(nèi)學(xué)者建議參照文獻(xiàn)[5]中對起重船的穩(wěn)性要求對重吊船的初穩(wěn)性進(jìn)行設(shè)定[9]。

(1)

2 裝卸過程中穩(wěn)性和浮態(tài)控制

目前，重吊船綜合考慮貨物裝卸、貨艙配置等情況，大多配置3臺重吊，2臺較大重吊臨近配置，且3臺重吊均配置在一舷。重吊主要包括回轉(zhuǎn)基座和吊臂兩大部分，見圖1。

圖1 重吊船聯(lián)吊裝載大件貨物示意

2.1 穩(wěn)性控制

在重大件貨物裝卸過程中，將貨物從舷外(艙內(nèi))剛剛吊起后，貨物重心移動到吊桿頂端，穩(wěn)性產(chǎn)生突降，隨著吊臂仰角的增加，船舶穩(wěn)性減小值也增加。為保證穩(wěn)性充足，需要對整個裝卸過程中的穩(wěn)性進(jìn)行核算。

1)吊裝過程。

(2)

2)吊卸過程。

(3)

式中：zc為貨物垂向位置，m。

2.2 橫傾控制

在重大件貨物裝卸過程中，須嚴(yán)格控制船舶的橫傾，大多重吊船裝卸事故是由裝卸過程中橫傾過大所引起的。

1)吊裝過程。

tanθ=

(4)

式中：θ為船舶橫傾角，(°)；yp為貨物重心橫坐標(biāo)，右舷為正，m；ybi為第i個重吊頂端橫坐標(biāo)，右舷為正，初始坐標(biāo)為(B/2-Ri)，m；其中：Ri為第i個重吊基座的半徑，m。

2)吊卸過程。

tanθ=

(5)

式中：yc為貨物原擺放位置橫坐標(biāo)，m；ys為吊裝橫梁、繩索等原擺放位置橫坐標(biāo)，m。

2.3 縱傾控制

一般情況下，重大件的裝卸僅是橫向移動貨物，船舶吃水差已經(jīng)根據(jù)預(yù)裝貨物重量提前設(shè)置在限值之內(nèi)，不需要在裝卸過程中縱向調(diào)整壓載水，但是，當(dāng)限于港序和貨物布置等原因，某些重大件貨物需裝在船舶艏艉部時，或當(dāng)限于尺寸和重量等原因，某些重大件貨物需3臺重吊聯(lián)動吊裝時，則需縱向調(diào)整壓載水。根據(jù)船舶靜力學(xué)相關(guān)知識[12]，船舶縱傾角由式(6)確定。

(6)

式中：τ為船舶縱傾角，(°)；Xg為船舶重心縱坐標(biāo)，m；Xb為船舶浮心縱坐標(biāo)，m；MTC為每厘米縱傾力矩，kNm/cm；Lbp為垂線周長，m。

3 實例分析

3.1 船舶初始參數(shù)設(shè)置

重吊船A輪相關(guān)參數(shù)見表1。該輪左舷首部和中部配置了2臺350 t重吊，2臺聯(lián)吊可以吊起700 t貨物，另外1臺100 t重吊，配置在尾部，3臺吊車均是單吊臂回轉(zhuǎn)式重吊。

表1 船舶參數(shù)

圖2 吊裝重貨時最小初穩(wěn)性高度曲線

ContentsFill/%Weight/tL.C.G./mV.C.G./mT.C.G./mF.M./t·mFreshWaterTanks100571.80-64.394.760.060.00DieselOilTanks95115.585.9313.188.0236.55FuelOilTanks951565.813.528.64-0.561758.45LightWeight11555.003.7511.63-0.95Constant388.0054.9711.870.00130.00BallastTotal374425.30-10.503.342.46126.08HeavyCargo0.00-2.0051.48-26.000.00Displacement18621.400.679.210.002051.08

圖3 初始狀態(tài)壓載水布置方案

3.2 吊裝方案

預(yù)裝大件貨物為近似長方體均質(zhì)貨件(長lc=30 m；寬bc=5 m；高h(yuǎn)c=6 m)，重量為668 t，貨件放置在距離左舷外lp=12 m位置，裝載至xc=-2 m(船艏部為負(fù)值)，yc=-2 m，zc=5 m處，貨件與船舶首尾方向平行，距兩個重吊的縱向距離相等，吊裝位置分別位于貨件首尾部5 m處。吊裝橫梁、繩索等屬具等重Sc=32 t，原擺放位置為xs=-62 m，ys=0 m，zs=14.8 m。艏部兩個重吊縱向間距為42.0 m，吊臂長度均為lb=35.45 m，重量均為Pb=83.5 t，重吊基座半徑均為R=2.4 m，吊臂基座距甲板高度均為h=15.3 m。

根據(jù)上述內(nèi)容，擬將貨件沿著圖1所示的軌跡平行吊裝至貨艙中，并分步給出操作方法。根據(jù)文獻(xiàn)[5]可知，當(dāng)?shù)醣垩鼋菫棣粒瑔蔚踯囇b載350 t重貨時，吊臂頂端距離基座水平投影距離(lbcosα)安全限位為7～20 m。船舶產(chǎn)生橫傾角θ后，吊臂頂端距離基座水平投影距離表達(dá)式為lbcosαcosθ，但通常吊裝過程要求船舶橫傾不超過0～3°，cosθ介于0.999～1.000之間，此處可忽略cosθ的影響。由圖1可知，當(dāng)貨物起吊時lbcos α最大，當(dāng)貨物吊至兩重吊連線的位置時，lbcos α最小，根據(jù)已知條件分別為18.12 m和11.00 m，均在安全限位之內(nèi)，此項滿足要求。在實踐中，為了避免貨件在裝卸過程中碰到重吊基座，至少會保留1 m左右的安全距離，由于貨件長度與兩重吊的間距尚有較大的距離，此項也滿足要求。

圖4 吊裝過程中仰角及吊臂Outreach隨著回旋角的變化

由于是平行移動，在整個裝貨過程中，可取yb1=yb2=yp。在聯(lián)吊過程中，須保證吊索始終與水平面垂直，則需不斷調(diào)整吊臂的仰角α。設(shè)圖1中No.2重吊初始回旋角β為負(fù)，則可根據(jù)已知條件繪制出整個吊裝過程中仰角的變化規(guī)律如圖4所示。

3.3 吊裝過程浮態(tài)控制

1)吊起過程。貨件和吊裝屬具總重為700 t，需逐漸吊起重量，第5、第6、第7和第8平衡水艙中左舷壓載水較多，右舷較少，可充分用來控制船舶橫傾。根據(jù)文獻(xiàn)[10]可知

(7)

式中：PBW為需要調(diào)整的壓載水噸數(shù)，t；yWBS為右舷邊壓載艙距船中線面的距離，m；yWBP為左舷邊壓載艙距船中線面的距離，m。

根據(jù)船舶資料，上述4個平衡水艙中yWBP=-12.60 m，yWBS=13.00 m。如最大橫傾角控制在1.5°以內(nèi)，縱傾角控制在0.5°以內(nèi)，則吊起方案見表3，整個吊起過程穩(wěn)性曲線變化見圖5。

圖5 吊起過程中船舶穩(wěn)性曲線變化

步驟吊起操作浮態(tài)控制排水量/t初穩(wěn)性高度/m橫傾/(°)縱傾/(°)0初始狀態(tài)初始狀態(tài)18621.44.7700.291安裝屬具、吊臂伸出到位從5WBP調(diào)80t壓載水至5WBS(以下均壓載水操作)18621.44.56→4.57-1.37→00.29→0.302吊起貨物至55t5WBP調(diào)55t至5WBS18676.44.43→4.43-0.98→00.31→0.313吊起貨物至105t5WBP調(diào)52t至5WBS18726.44.30→4.29-0.93→00.31→0.314吊起貨物至155t5WBP調(diào)50t至5WBS18776.44.16→4.14-0.94→00.31→0.315吊起貨物至205t5WBP調(diào)10.7t至5WBS(5WBP調(diào)空),6WBP調(diào)40t至6WBS18826.44.02→4.02-0.98→00.30→0.306吊起貨物至250t6WBP調(diào)46t至6WBS18871.43.91→3.91-0.91→00.30→0.307吊起貨物至295t6WBP調(diào)45.7t至6WBS18916.43.91→3.80-0.91→00.30→0.308吊起貨物至340t6WBP調(diào)46t至6WBS18961.43.68→3.68-0.95→00.30→0.309吊起貨物至385t6WBP調(diào)45t至6WBS19006.43.56→3.55-0.98→00.30→0.3010吊起貨物至425t6WBP調(diào)25t至6WBS(5WBP調(diào)空),7WBP調(diào)40.7t至7WBS19046.43.45→3.44-0.91→00.30→0.3011吊起貨物至465t7WBP調(diào)41t至7WBS19086.43.34→3.35-0.93→00.30→0.3012吊起貨物至505t7WBP調(diào)41t至7WBS19126.43.25→3.26-0.95→00.30→0.3013吊起貨物至545t7WBP調(diào)40t至7WBS19166.43.16→3.16-0.97→00.30→0.3014吊起貨物至580t7WBP調(diào)35t至7WBS19201.43.07→3.06-0.88→00.30→0.3015吊起貨物至615t7WBP調(diào)36t至7WBS19236.42.98→2.97-0.92→00.30→0.3016吊起貨物至650t7WBP調(diào)36t至7WBS19271.42.88→2.86-0.94→00.30→0.2917吊起貨物至668t無19289.42.82-0.480.29

注：表中左傾為“-”，右傾為 “+”；艏傾為 “-”，艉傾為 “+”。

在整個吊裝過程中，每次吊起重量和調(diào)整壓載水誤差盡量控制在5 t以內(nèi)，這樣橫傾角誤差能控制在0.1°以內(nèi)。在貨物吊起過程中，僅利用上述4個衡水艙中的3個，左右舷均至少有7個壓載艙空置，可充分應(yīng)對吊起過程中的一些突發(fā)情況。

2)橫移過程。貨件在橫移過程中，排水量不發(fā)生變化，為了保證重吊的受力始終與水平面保持垂直，且保證貨件沿著圖1中的軌跡向船中平行移動，兩個重吊的仰角需先增大后減小(見圖4中α角的變化)。當(dāng)仰角α增至最大時(71.93°)，對船舶穩(wěn)性影響最大(表4中步驟10)。由表4可知，則在整個橫移過程中，船舶穩(wěn)性均滿足要求。由于是吊起過程僅使用了上述4個平衡水艙調(diào)節(jié)船舶橫傾，吊起后，4個左舷平衡水艙為空，右舷4個也未完全裝滿，為此，仍可利用4個平衡水艙，橫向調(diào)整壓載水，即對縱傾影響較小，也可控制船舶橫傾。

表4 橫移過程方案

注：表中左傾為“-”，右傾為“+”；艏傾為“-”，艉傾為“+”。

4 相關(guān)建議

1)在提升和橫移過程中，由于貨件較重，一個小角度的左右搖擺會產(chǎn)生很大的橫向沖量，很難利用人工安全繩索協(xié)助控制貨物的穩(wěn)定性，雖然目前主流的重吊本身均帶有這方面的設(shè)計，但也應(yīng)避免船舶左右搖擺的情況出現(xiàn)，盡量在裝卸過程中使船舶的橫傾控制在貨物吊裝的一側(cè)。為此，在貨物吊起后，建議保持一定的左傾(貨物一側(cè))時再開始向船中緩慢移動貨物。

2)在設(shè)置初始載況時，對設(shè)有平衡水艙的重吊船，盡量將裝貨一側(cè)的平衡水艙調(diào)滿，另一側(cè)調(diào)空。平衡水艙的自由液面較小，一般情況下通過多個平衡水艙的左右舷調(diào)整即可將貨件平穩(wěn)吊裝到艙內(nèi)。當(dāng)然，需要掌握船舶壓載水的排放速度，保證貨物移動速度和壓載水的調(diào)配速度相對應(yīng)。另外，船上應(yīng)做好應(yīng)急預(yù)案，左右舷盡量留3～5個空置壓載艙以備應(yīng)急，必要時將錨鏈開啟，落入水中以增加穩(wěn)性。

3)為保證安全，吊裝之前應(yīng)確保船舶所有可移動設(shè)備已經(jīng)固定好，舷梯已收緊，兩舷所有水線附近的開口、通風(fēng)孔、人孔都已經(jīng)關(guān)閉，所有纜繩松緊適度。盡量在白天進(jìn)行貨物裝卸作業(yè)，吊車操作人員、岸上人員、船上人員與現(xiàn)場指揮人員提前對裝卸方案進(jìn)行了解，做好協(xié)調(diào)通信工作。

4)船上準(zhǔn)備好各項系固設(shè)備和襯墊材料，貨物裝到指定位置后，盡快進(jìn)行系固。

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