7 500 t起重船壓載艙的優(yōu)化研究

張茴棟 何炎平 李洪亮

上海交通大學海洋工程國家重點實驗室，上海 200240

7 500 t起重船壓載艙的優(yōu)化研究

張茴棟 何炎平 李洪亮

上海交通大學海洋工程國家重點實驗室，上海 200240

針對7500噸起重船的作業(yè)進行了簡單的受力分析，并且對原起重船壓載艙的特點進行了詳細的總結(jié)。結(jié)合實際經(jīng)驗和相關理論，對原起重船的壓載艙提出了四套改進方案，選取四種典型的工況，采用傳統(tǒng)的多方案比較方法，從總壓載量和壓載水的調(diào)撥量兩個主要方面進行綜合評價，得出最優(yōu)的壓載方案。最后，總結(jié)了起重船壓載艙優(yōu)化的一些規(guī)律。

起重船；壓載艙；優(yōu)化；多方案比較

1 引 言

隨著海洋石油開發(fā)、大型海上工程和海灘救助事業(yè)的發(fā)展，大型起重船作為不可缺少的工程船舶，近幾十年來有了長足的發(fā)展。在我國，開展海上平臺的吊裝、海上平臺的拆卸、大型橋梁工程的建設和沉船的快速打撈等工程的施工時，最主要的裝備就是大型起重船。

起重船的發(fā)展已經(jīng)日趨大型化，目前國內(nèi)裝設的起重機最大單機起重量為7 500 t。然而，大型起重船工作時，起吊重物產(chǎn)生的傾斜力矩，會對浮態(tài)［1］產(chǎn)生很大的影響，靜橫傾角可以達到 7°～8°，甚至更大。為了使船舶處于安全浮態(tài)，必須在反向加載大量的壓載水以抵消起吊重物時所產(chǎn)生的傾斜力矩。回轉(zhuǎn)起重機在船的兩舷帶載回轉(zhuǎn)時，巨大的傾斜力矩在短時間內(nèi)突然反向，原來的壓載水也必須迅速地反向調(diào)載，否則會造成船舶傾斜加劇，并使回轉(zhuǎn)機構(gòu)處于下坡運轉(zhuǎn)的狀態(tài)，這將是非常危險的。為了能夠?qū)崿F(xiàn)迅速的調(diào)載［2］，合理地布置起重船的壓載艙就成為其關鍵因素之一。

2 起重船受力的簡單分析

7 500 t回轉(zhuǎn)起重船的作業(yè)有兩種形式：固定起吊和回轉(zhuǎn)起吊。綜合分析所有工況，可以將作業(yè)分為三大過程：起吊與卸載重物、變幅運動和回轉(zhuǎn)運動。

起重船的起吊和卸載瞬間是船體穩(wěn)性變化最大的時刻。此時，船體的重心會瞬間發(fā)生移動，并且重心的偏移軌跡是一條直線。為了減緩重心的偏移，一方面可以進行預壓載，另一方面起重船會盡量減緩起吊和卸貨的速度，并利用相關措施使得載荷逐步加上或卸掉，從而增加壓載水的調(diào)撥時間，減緩重心偏移對全船總體性能的沖擊。

起重船的變幅運動主要通過改變吊臂的俯仰角度來實現(xiàn)。圖1所示為一個簡化的起重船的受力示意圖。

圖中，G表示起吊重物重量；Mg表示起吊重物時產(chǎn)生的傾斜力矩；W表示壓載水的重量；Mw表示壓載水產(chǎn)生的復原力矩；ΔF表示浮力的增加量；ΔMf表示船體傾斜時自身所產(chǎn)生的復原力矩。

當起重船起吊重量為G的重物做變幅運動時，吊臂和重物會產(chǎn)生一個大小為Mg的傾斜力矩，如果不加壓載水，僅靠船體自身發(fā)生傾斜來實現(xiàn)平衡，則有如下平衡關系：

然而由于船體傾斜的角度有一定的限制，并且起吊的重物重量較大，因此很難依靠船體自身實現(xiàn)上述平衡，必須反向加載大量的壓載水來調(diào)節(jié)船體浮態(tài)，因而有下面新的平衡關系：

起重船做回轉(zhuǎn)運動時，回轉(zhuǎn)的運動軌跡與吊臂幅度和轉(zhuǎn)動角度有關，通常情況下，吊臂幅度在回轉(zhuǎn)過程中保持不變。回轉(zhuǎn)運動示意圖如圖2所示。

當在任意θ位置處轉(zhuǎn)動Δθ角度時，在縱向位置上，載荷的位移為Δx，在橫向位置上，載荷的位移為Δy。

假設起重船在回轉(zhuǎn)過程中一直處于正浮狀態(tài)，吊臂幅度為L，起吊載荷為G。由于只做簡單的定性分析，因此忽略吊臂的影響，實際計算時必須考慮吊臂重量在各個轉(zhuǎn)角處所產(chǎn)生的傾斜力矩。此時，縱向傾斜力矩和橫向傾斜力矩的變化分別為：

顯然，回轉(zhuǎn)過程中起重船的傾斜力矩在不斷地變化。在各個轉(zhuǎn)角處，吊臂每轉(zhuǎn)過一度，傾斜力矩變化量的大小可如圖3所示。

由圖可見，在－45°～45°，橫傾力矩的變化較大，鑒于船體對橫傾的敏感性，在分析回轉(zhuǎn)起吊的壓載量時，角度間隔的步長應該較小，可取5°，而其他范圍的角度間隔步長可取10°。

3 原船方案的分析

1）原船壓載艙按其所在位置可分為四類：頂邊壓載艙、邊壓載艙、中壓載艙和尾部壓載艙。

2）頂邊壓載艙：對稱分布在起重船兩側(cè)的邊上，每側(cè)7個，總計14個，起重船調(diào)節(jié)浮態(tài)的關鍵艙室之一。由于此部分結(jié)構(gòu)為改裝后新增加的部分，受到位置和原船結(jié)構(gòu)的影響，在布置上，唯一可改進的地方是改變每個艙室的容積，但這會增加改造成本和管道布置的難度，因此，可改進和提升的空間較小。

3）邊壓載艙：對稱分布在起重船的兩側(cè)，每側(cè)6個，總計12個，起重船調(diào)節(jié)浮態(tài)的主要艙室之一。邊壓載艙的艙室尺寸較大，約為18 m×10 m×20 m，并且與雙層底相通。此種布置的優(yōu)點是艙室較少，結(jié)構(gòu)簡單，對于管道的要求較低。缺點是如此深的壓載艙對艙壁結(jié)構(gòu)提出了較高的要求；邊壓載艙的形狀不利于實現(xiàn)高速精確的配載，也就更難實現(xiàn)自動化控制。

4）中壓載艙：對稱分布在船中兩側(cè)，每邊2個，總計4個。盡管中壓載艙調(diào)節(jié)橫傾的作用不如邊壓載艙和頂邊壓載艙那么明顯，但是由于其位置偏于船中，調(diào)撥壓載水的距離較短，在快速調(diào)節(jié)縱傾時會發(fā)揮重要作用。飲用水艙和燃油艙也分布在中壓載艙的位置上，可以考慮布置到其他空置的地方，因此，中壓載艙仍有進一步改進的空間。

5）尾部壓載艙：容積較小，總計2個，一個處于雙層底里，另外一個位于第二層甲板下面，對于控制螺旋槳的吃水和調(diào)節(jié)縱傾有著重要的作用，鑒于其大小和數(shù)量的限制，改進的空間不是很大。

6）空倉：壓載艙與起重機之間有一個很大的3號空倉，可以考慮進一步的利用。船中1號空倉的布置比較合理，用來安裝壓載系統(tǒng)的管道，便于維修與保養(yǎng)。

4 多方案比較分析法

4.1 定 義

對于大型起重船壓載艙的優(yōu)化，目前國內(nèi)并沒有多少研究，國外的技術也屬于各公司的內(nèi)部資料，未予公開。因此，本論文采用了一種傳統(tǒng)的分析方法——多方案比較分析法，即以原船的壓載艙為基礎，根據(jù)實際經(jīng)驗和相關船舶原理，提出幾套改進的方案，然后綜合比較壓載艙在不同工況下的工作效率，從而選出最佳方案。此方法的優(yōu)點是優(yōu)化速度較快，可操縱性和經(jīng)濟性較好，對原船的結(jié)構(gòu)改動較小，同時可以探索出起重船壓載艙的一些規(guī)律，為開展更深入的研究打下基礎；缺點是很難求得全局最優(yōu)解，改進的方案并不一定都合理，對經(jīng)驗的依賴性較大。

4.2 改進的原則

1）以原船結(jié)構(gòu)為基礎，按照原有的艙室布置進行進一步的改進。否則，改造的經(jīng)濟成本會過高，艙室結(jié)構(gòu)強度、甚至整船的強度都需要重新計算。

2）適當增加壓載艙的數(shù)量，減小壓載艙的容積，從而實現(xiàn)精確調(diào)配壓載水。

3）修改壓載艙時要考慮非壓載艙的影響，同時注意壓載艙位置的限制，避免做復雜的設計，增加施工的難度。

4）設計壓載艙時還要考慮管道安裝的問題［3-5］，要留有足夠的空間來安裝管路，同時盡量縮短調(diào)撥距離和節(jié)約能源，本著“能實現(xiàn)重力調(diào)撥，就不要水泵調(diào)撥；能利用水泵調(diào)撥，就不要壓縮空氣”的原則來設計壓載艙的大小和位置。

5）優(yōu)化時，可以分別從縱向、橫向和垂向三個方向上依次對壓載艙進行分析［6］，充分利用空置的空間來盛放燃油和淡水，但是，前提要保證其總?cè)萘看笮〔蛔儯駝t會出現(xiàn)飲用水或燃油不足的情況。

4.3 改進的方案

依據(jù)原船壓載艙的特點，按照上面所述的優(yōu)化原則，可以提出4種改進的方案，具體的艙室布置如圖4～圖7所示。

5 評價方案

針對原船方案和上述改進的方案，選取四種典型的工況，利用芬蘭納帕公司的NAPA軟件，求得每個工況下，起重船橫傾角小于0.2°、縱傾小于0.01 m時的壓載數(shù)據(jù)，然后再利用EXCEL和相關數(shù)學公式進行處理，最后得到各個方案的壓載艙的評價參數(shù)，從而找出合理的改進方案和改進規(guī)律。

5.1 固定起吊

在船首固定起吊重物時，起重船的最大起吊能力為7 500 t，此時起吊幅度為35～45 m。選取滿載和空載（消耗液體為20%）兩種典型的裝載狀態(tài)［7］，比較此時起重船壓載艙作業(yè)的參數(shù)。總壓載量與幅度變化的關系如圖8所示。

為了清楚地比較各個方案，對壓載水調(diào)撥量的變化采用了數(shù)理統(tǒng)計的方法進行處理，得到的結(jié)果如表1和表2所示。

通過分析，得出以下結(jié)構(gòu)：固定起吊時，各個方案的總壓載量與起重船的裝載狀態(tài)有關；改進艙室時，將部分消耗液體艙向船首方向平移一段距離的做法在此時并不適用。

5.2 回轉(zhuǎn)起吊

表1 滿載時起吊7 500 t調(diào)撥量變化統(tǒng)計表

表2 空載時起吊7 500 t調(diào)撥量變化統(tǒng)計表

起重船回轉(zhuǎn)起吊時，最大起吊能力為4 000 t，起吊幅度為40 m，仍然選取滿載和空載這兩種典型的裝載狀態(tài)，計算左旋起吊重物后，順時針旋轉(zhuǎn)180°時各個方案的總壓載量和壓載水的調(diào)撥量。總壓載量與轉(zhuǎn)角變化的關系如圖9所示。

同樣，對回轉(zhuǎn)起吊時壓載水的調(diào)撥量的變化進行數(shù)理統(tǒng)計，得到的結(jié)果如表4和表5所示。

表3 滿載時回轉(zhuǎn)起吊4 000 t調(diào)撥量變化統(tǒng)計表

表4 空載時回轉(zhuǎn)起吊4 000 t調(diào)撥量變化統(tǒng)計表

通過分析，得出以下結(jié)論：回轉(zhuǎn)起吊時，起重船的總壓載量隨轉(zhuǎn)角的改變而呈現(xiàn)波峰狀變化；各個方案的總壓載量與起重船的裝載狀態(tài)有關；為利用空艙而向船首平移消耗液體艙的做法此時也不合適；所有方案的波峰位置都在±60°處，這表明各個方案的壓載艙在此轉(zhuǎn)角處均未能實現(xiàn)總壓載量的優(yōu)化，原因在于長方體壓載艙的長度尺寸仍然過大。

5.3 評價指標的綜合

對于多目標多方案的比較問題，為了綜合評價改進方案的效果，可以引進工程決策理論中的處理方法進行數(shù)學建模［8］，其公式為：

式中，i表示各個方案；j表示各個評價指標；wj表示評價指標的權(quán)重，可全取0.2；yijmax表示第i個方案中第j個指標的最大值；yijmin表示第i個方案中第j個指標的最小值。

通過對表（1）～表（4）中的指標值進行計算，得到的綜合評價指數(shù)如表5所示。

表5 綜合評價指數(shù)表

比較兩種工況下的綜合評價指數(shù)可知：方案四優(yōu)化了原船的壓載艙，方案2和3則遠不如原船的壓載艙布置，方案1則略遜于原船壓載艙布置方案。

6 結(jié) 論

在典型的工況下，通過對原船方案和四種改進方案進行比較分析，可以得出壓載艙優(yōu)化時的一些規(guī)律［9，10］：

1）為充分利用船首的空艙，而向首部平移消耗液體艙，進而增加壓載艙的方法，對于7 500 t起重船并不很適用。

2）壓載艙的優(yōu)化主要分為橫向艙壁的優(yōu)化和縱向艙壁的優(yōu)化，鑒于多方案比較法的特性和改動原船橫向艙壁會導致工程較大的原因，橫向艙壁的優(yōu)化空間非常小，但是對于縱向艙壁，通過簡單的修改，便會取得很好的效果。

3）為了節(jié)約能源，可以利用重力實現(xiàn)壓載水的調(diào)撥，因此要對壓載艙進行分層，但是管道數(shù)量會因此增加。

4）5個指標的綜合評價指數(shù)可以很好地反映壓載艙的整體性能，但是這與各種指標的權(quán)重選取有很大關系。

5）當各個方案的優(yōu)化效果相差不大時，合理的管道布置將會進一步改進壓載系統(tǒng)的效率。

6）若要進一步優(yōu)化壓載艙，需要大規(guī)模地修改原起重船的結(jié)構(gòu)，這對于改裝船并不很實用。

［1］毛建輝， 朱治農(nóng).工程作業(yè)船舶的浮態(tài)調(diào)整 ［J］.船舶，2004（6）：13-15，17.

［2］杜剛，邱文昌.集裝箱船的合理配載［J］.航海技術，2007（2）：28-29.

［3］孫莉，楊文仲.1200t起重船的設計分析［J］.江蘇船舶：2003，20（6）：23-25.

［4］張志明，徐丹錚，張超，等.大型起重船船型開發(fā)的若干技術問題初探［J］.船舶，2005（1）：10-15.

［5］楊勝杰，張玉強，張京亮，等.多功能起重船研究［J］.中國水運：2008，8（8）：28-29.

［6］Bruce C，Nehrling.Recognizing and using patterns in preliminary ship compartment ［J］.Computer Applications in the Automation of Shipyard Operation and Ship Design，1976.

［7］盛振邦，楊尚榮，陳雪深.船舶靜力學［M］.上海：上海交通大學出版社，1992.

［8］葉劍平，戴余良，李亞楠.潛艇主壓載水艙高壓氣吹除系統(tǒng)數(shù)學模型［J］.艦船科學技術：2007，29（2）：112-114.

［9］張明霞，夏益美，林焰，等.全回轉(zhuǎn)起重船作業(yè)過程穩(wěn)性仿真［J］.船海工程：2007，36（4）：137-141.

［10］DAQAQ M F.Virtual reality simulation of ships and ship－mounted cranes ［D］.Jordan： Jordan University of science and technology，2003.

Optimization of Ballast Tanks for 7500t Floating Crane

Zhang Hui－dong He Yan－ping Li Hong－liang
State Key Laboratory of Marine Eng， Shanghai Jiaotong Univ， Shanghai 200240， China

A simple stress analysis is performed on a 7500 tfloating crane and the features of its original ballast tanks are elaborated.By combining the practical experience with relevant theory， four sets of innovative schemes are proposed to improve the ballast tank of the floating crane vessel.Using conventional method to compare multiple schemes，four typical working conditions are selected to evaluate the four schemes from two aspects， the total ballast load and the ballast water adjustment.And then the best scheme is picked up.In the end， rules on the optimization of the ballast tank of a floating crane are summarized.

floating crane； ballast tank； optimization； multi－program conparison

U662.3

A

1673－3185（2010）02－49－06

2009－08-03

2007年度國家科技支撐計劃，7500噸海上起重裝備浮吊關鍵技術研究（2007BAF10B02）

2007年度國家（重點）實驗室專項經(jīng)費，大型全回轉(zhuǎn)浮吊船體設計關鍵技術研究（GKZD010019）

張茴棟（1984－），男，碩士研究生。研究方向：船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設計制造。E-mail：zhanghd2740＠163.com

何炎平（1971－ ），男，副教授，碩士生導師。 研究方向：船舶與海洋工程。E-mail：hyp110＠ sjtu.edu.cn