起重船穩性衡準研究

葛慧曉，何炎平，陳新權，李洪亮

（上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240）

隨著海洋資源開發、海上工程和海難救助事業的發展，起重船成了不可缺少的工程船，在需求量加大的同時，規模也越來越大。起重船的作業環境和載荷復雜，為保證船舶與海上起重作業的安全，起重船在各種載況下必須具有良好的穩性。完整穩性對船舶的安全性具有重要影響，也是船舶的一項重要技術性能，一直被人們所關注[1]。為保證起重船的穩性滿足安全的需要，對于起重船的完整穩性衡準就顯得尤為重要。本文結合振華港機自主研發制造、目前世界上起重量最大的7 500 t“藍鯨”全回轉自航起重船的穩性計算結果，就IMO和各船級社規范及法規有關起重船穩性衡準事宜進行了比較分析和探討。

1 起重船適用范圍及校核狀態的比較

BV對起重船的定義為無人駕駛，方形系數不小于0.9，型寬與型深比＞3.0，除用密封墊蓋封閉的小人孔外無任何艙口[2]。BV所規定的起重船是無人駕駛，即非自航。其他各船級社都沒有起重船的定義及衡準的適用范圍。

對于起重船應校核的裝載狀態，除了校核IMO要求的航行狀態外，各船級社都考慮到了起重船的特殊功能，分別規定了起重船的起吊作業狀態，即起吊最大起重載荷的情況下受到正向突風襲擊和發生起吊貨物突然跌落的意外情況。本船選擇了以下應校核的狀態：

（1）LOAD1：空船狀態；

（2）LOAD2：船舶壓載出港情況，無貨，但載有100%供應品和燃料；

（3）LOAD3：船舶壓載到港情況，無貨，載有10%的剩余供應品和燃料；

（4）LOAD41/LOAD42：在100%/10%供應品和燃料的情況下，最大幅度起吊7 500 t貨物的完整穩性；

（5）LOAD51/LOAD52：在100%/10%供應品和燃料的情況下，90°最大幅度起吊4 000 t貨物的完整穩性；

（6）LOAD501/LOAD502：在 100%/10%供應品和燃料的情況下，90°最大幅度起吊4 000 t貨物突然跌落的完整穩性。

2 起重船穩性衡準分析

為了保證起重船的安全，穩性衡準應使起重船在任何一種可能出現的危險狀態下都有足夠的穩性儲備，保證其全壽命期的安全。根據目前穩性研究的水平，穩性衡準考慮的是一種特定的危險狀態，即零速橫風橫浪狀態，這種相當于船舶在波浪中處于失去操縱能力的最壞情況。

對于起重船穩性，應分為兩種情況：航行和起重作業狀態，而對于起重作業狀態，又分為了正常作業狀態和貨物突然跌落后的短時狀態。本文以7 500 t“藍鯨”號起重船為例，分別選擇了航行狀態LOAD1、正常作業狀態LOAD41和貨物突然跌落狀態LOAD501這3種典型工況進行了穩性校核分析。

2.1 航行狀態的穩性衡準分析

對于航行狀態下的起重船穩性衡準，除了BV和CCS有自身的規定外，其他船級社直接采用IMO完整穩性要求對貨船進行穩性衡準[3]。

相對IMO穩性衡準，對復原力臂GZ值、GZ曲線下的面積和初穩性高度GM0值要求而言，由于起重船船寬較大，初穩性高度值遠遠大于一般貨船的高度值，且靜浮時，干舷相對較大，由表1可知，各值都能滿足IMO的要求，且比較富裕；對于最大復原力臂對應的橫傾角值來說，由于起重船寬度較大，甲板進水角減小，使得靜穩性曲線的最大復原力臂對應的橫傾角減小，由表1知，實際值剛好能滿足要求，所以此項要求對于起重船來說相對嚴格。

表1 航行狀態下LOAD1的穩性校核結果

鑒于以上起重船航行狀態下的特殊性，直接采用IMO對于貨船的穩性衡準是不合理的，因此本起重船相對IMO、CCS的要求而言，提高了初穩性高度值和最大復原力臂值，放寬了對最大復原力臂對應的橫傾角值，并按BV規范嚴格對復原力臂下的面積進行復核。

2.2 正常作業的穩性衡準分析

鑒于起重船作業特殊性，IMO已不包含對起重船作業狀態的衡準，所以各國船級社都根據起重船的特殊性，各自規定了相應的穩性衡準準則。以LOAD41，即在100%供應品和燃料的情況下，最大幅度起吊7 500 t貨物的作業狀態為例，穩性校核結果如表2。

表2 正常作業狀態下LOAD41的穩性校核結果

ABS、BV和DNV的穩性衡準是基于動穩性的，即假定船舶首先在一個定常風作用下產生一個初傾角，然后受波浪作用而發生橫搖，當橫搖到向風一側的最大幅度時，再受到一突風的吹襲，船舶在此狀態下不傾覆[5]。

關于傾覆力臂曲線和復原力臂曲線的第一個交點的平衡橫傾角，因本船的實際作業吃水最大值為13.463 m，相應的甲板進水角或向下進水角＞15°，由表2知BV嚴格些。

對于力臂曲線下的面積和復原力臂值的要求，由于起吊貨物至縱中平面的橫向距離為0 m，也無反向載荷，此時傾覆力臂為0 m，則BV穩性衡準中的GZc值為0 m，A1和Atot值相等，顯然滿足穩性要求。可知，BV對正常作業狀態的穩性衡準要求只要是針對傾覆力臂值不為0 m的起吊作業，即不在縱中平面起吊貨物有反向載荷的起吊作業，如本船的LOAD51/LOAD52，在100%/10%供應品和燃料的情況下，90°最大幅度起吊4 000 t貨物的完整穩性。

CCS的穩性衡準是基于靜穩性，即假定船舶無航速橫對波浪發生共振橫搖，當橫搖至向風一側的最大幅度時，遇到一陣突風的吹襲，此情況下要求船舶不傾覆，要求計及共振橫搖角后的船舶最小傾覆力臂應不小于風壓傾側力臂[5]。由于與以上幾個船級社的穩性衡準的計算模型不同，因此很難進行比較得出相應的結論。

由表2可知，CCS只校核了初穩性高度值和穩性衡準數，從實際值和要求值來看，CCS的穩性要求比較寬裕。

2.3 起吊貨物突然跌落后的穩性衡準分析

各國船級社對于貨物跌落后的穩性衡準的基本原理都是一致的。以LOAD501在100%供應品和燃料的情況下，90°最大幅度起吊4 000 t貨物突然跌落的狀態為例，由于作業時，在船的另一舷加了用來調整由于起吊貨物引起的橫傾的壓載，即反向壓載，在貨物突然跌落后，由于反向壓載的存在，使得船有了很大的橫傾，本船跌落后船體的初始橫傾角達到了9.5°。該狀態下的穩性校核曲線如圖2，穩性校核結果如表3。

圖2 穩性校核曲線

由表3可知，就力臂曲線下的面積要求來說，ABS的要求是最為嚴格的，BV的要求其次，DNV的要求最寬。但是DNV和BV除了這項衡準外，還有對傾覆力臂和復原力臂曲線交角的要求，校核結果由表3可知，BV的要求更為嚴格，其穩性衡準不但要滿足θ2-θ3≥20°的要求，而且要滿足力臂曲線下的面積要求。而CCS對于貨物跌落后的狀態還未有相關的穩性衡準，建議參考其他船級社增加有關貨物跌落后的穩性衡準。

表3 起吊貨物突然跌落后的穩性校核結果

總體上來說，對于貨物跌落后的穩性衡準原理是一致的，就校核公式的嚴格程度來說，存在一定的差異。就力臂曲線下面積的穩性衡準而言，ABS是最為嚴格的，但加上傾覆力臂和復原力臂曲線的交角的要求后，BV的嚴格程度得到了很大的提高。

3 結語

對于起重船的穩性衡準建議如下：

（1）航行狀態下，采用IMO對貨船的穩性衡準來校核起重船的穩性已不合適，建議參考BV和CCS的穩性衡準，嚴格對復原力臂下的面積、初穩性高度和最大復原力臂三者的要求，放寬最大復原力臂對應的橫傾角值要求，針對起重船的船型特點來制定衡準準則；

（2）正常工作狀態下，由于其重心高度增加幅度較大，穩心高度又相應降低，穩性消失角和靜穩性力臂也相應減小。針對其特殊性，對于傾覆力臂曲線和復原力臂曲線第一個交角的要求，建議規定其應小于甲板進水角、向下進水角或15°中的較小值；而對于無反向載荷起吊作業狀態，采用ABS復原力臂曲線下面積的穩性衡準要求；有反向載荷的起吊作業狀態，采用BV的穩性衡準要求。

（3）起吊貨物跌落后，雖然各穩性衡準原理是一致的，但根據校核公式的嚴格程度，建議采用ABS對于力臂曲線下的面積要求和BV對于傾覆力臂曲線和GZ曲線交角的要求進行衡準。

總之，隨著起重船的大型化及其作業環境的復雜化，對于大型起重船的穩性衡準亟待進一步研究完善。

[1]張志明，徐丹錚，張超，等.大型起重船船型開發的若干技術問題初探[J].船舶，2005，2（1）：10-15.

[2]BV，Rules for the Classification of Steel Ships[R].2005.

[3]國際海事組織IMOA.749（18）決議及其MSC.75（69）修正案[R].2003.

[4]中國船級社.國內航行海船法定檢驗技術規則[R].2006.

[5]顧敏童.船舶設計原理[M].上海：上海交通大學出版社，2003.

[6]ABS.Crane Ship/Intact Stability Guidelings&Crane Countballsting Criteria[R].2007.

[7]DNV.Rules for Calssification of Ships[R].2006.