中等海況條件下起重船起吊作業(yè)時的穩(wěn)性分析

郝銘渲 李歡 李元哲

摘要：隨著陸上資源的開發(fā)趨于飽和，海洋資源尤其是深海資源成為了開發(fā)的熱點，而開發(fā)所依靠的大型海上工程設施，需要起重船作為重要的輔助船舶。在起重船的起重量不斷提高的同時，對其在各種工況下的穩(wěn)性和浮性也提出了更高的要求。起重船在工作時的穩(wěn)性和浮性是保證其作業(yè)安全與質(zhì)量的重要前提。本文針對船舶在作業(yè)時的穩(wěn)性問題，利用船舶原理中的計算方法，研究“徳瀛”號回轉(zhuǎn)式起重船在起吊作業(yè)時的穩(wěn)性并得結(jié)論

關鍵詞：起重船；船體穩(wěn)性；船舶原理；穩(wěn)性校核

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）22-0067-03

一、緒論

1.起重船介紹。起重船，是海洋工程建設中的重要輔助工程船，又名“浮吊”，在海洋交通運輸、海洋石油勘探開發(fā)、海上工程建設、港口貨物裝卸、造船工業(yè)、水下救援等領域均有廣泛使用。

2.起重船分類：起重船根據(jù)分類依據(jù)的不同有多種分類方法，以下按照功能可分為：主要用于海上吊裝、拆卸大型工程設備的大型起重船，普遍裝設回轉(zhuǎn)式起重機，起重量較大；主要用于鋪設海底管線的起重鋪管船，其上裝有回轉(zhuǎn)式起重機和鋪管專用設備；用于大型水上工程吊裝的起重船，其上多數(shù)裝設固定臂架式起重機，但由于無法靈活調(diào)動正逐步被回轉(zhuǎn)式起重機取代。桁架式臂架，因其力與力矩傳遞合理、材料的材質(zhì)輕強度高，結(jié)構受風面積較小等優(yōu)點，將逐步替代板梁、箱型梁臂架；由于起重船作業(yè)時的傾覆力矩（起重量×吊幅）相當大，起重船的回轉(zhuǎn)支承機構已全部采用多排滾輪，其支柱為焊接在船舶主甲板上的直徑25—40m圓筒，并由主甲板延伸到船底，形成牢固的船體結(jié)構。

3.起重船特點。（1）起重船總體特點：較大的甲板面積，以便安裝大型起重機，同時方便進行回轉(zhuǎn)起重作業(yè)。常規(guī)船：常規(guī)船寬度與吃水之比約為2—3，遠低于起重船（一般為6—14）。（2）起重船穩(wěn)性特點：大型起重船穩(wěn)性的特點是因其作業(yè)的特殊性所決定的；在短時間內(nèi)起吊數(shù)百噸甚至上千噸重物，由此船舶排水量急劇增加；按規(guī)范，吊鉤以上的上滑輪軸心處視為吊重貨物的重心，該點常距離水平面數(shù)十米有時是上百米，短時間內(nèi)全船重心提高很多，對船舶穩(wěn)性極為不利；起吊重物的產(chǎn)生的巨大傾覆力矩，對浮態(tài)產(chǎn)生很大影響，靜橫傾角可能達到7—8°。

二、海況分析

海況等級劃分。不同海況對應不同波級、風速等級：0級，風力0級，風速0—0.2m/s，水面平靜無浪。1級，風力1級，風速0.3—1.5m/s，微浪，浪高0.1米，波紋、小波紋以及浪涌同時存在，但未形成浪花。2級，小浪，風力2級，風速1.6—3.3m/s，浪高0.1—0.5米波浪很小，波長短，但波形顯著。3級，輕浪，風力3—4級，風速3.4—7.9m/s，浪高0.5—1.25米，波浪不大，波長變長，波峰開始破裂，伴隨有白色浪花出現(xiàn)。4級，中浪，風力5級，風速8.0—10.7m/s，浪高1.25—2.50米，波浪形狀明顯，許多波峰破裂，形成白浪。5級，大浪，風力6級，風速10.8—13.8m/s，浪高2.50—4.0米，高大波峰開始形成，碎浪成白沫沿風向呈條狀。

三、起重船穩(wěn)性衡準

為保證起重船的安全，穩(wěn)性衡準應考慮起重船在任何一種可能出現(xiàn)的危險狀態(tài)下都有足夠的穩(wěn)性儲備，保證其全壽命期的安全，但這相對難以實現(xiàn)，也沒有必要。根據(jù)目前穩(wěn)性研究的水平，穩(wěn)性衡準考慮一種特定的危險狀態(tài)即零速橫風橫浪狀態(tài)，此時，船舶喪失動力和操縱能力，隨浪浮沉，是最危險的情況。穩(wěn)性衡準主要參照中國船級社（CCS）、法國船級社（BV）威船級社（DNV）的衡準標準，本文重點介紹和研究中國船級社衡準。

1.起重船應核算下列基本裝載情況下的穩(wěn)性。

（1）LOAD1：空船狀態(tài)；（2）LOAD2：船舶壓載出港情況，載有100%供應品和燃料，無貨；（3）LOAD3：船舶載有100%/10%供應品和燃料的情況下，最大幅度起吊1700t貨物的完整穩(wěn)性；（4）LOAD4：載有100%/10%供應品和燃料的情況下，最大幅度起吊560t貨物的完整穩(wěn)性。

2.極限靜傾角θc。起重船的極限靜傾角θc定義為4/5舭部出水角，4/5上甲板邊緣入水角，或橫傾至剩余干舷為0.3m時的橫傾角，取其小者；在避風狀態(tài)下一般不超過8°；在作業(yè)狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)式起重機不應超過5°。

3.起重船作業(yè)狀態(tài)時的穩(wěn)性計算。起重機在作業(yè)狀態(tài)時的穩(wěn)性應該滿足下列條件：

（1）初穩(wěn)性高

（2）穩(wěn)性衡準數(shù)

公式（3.1，3.2）中符號說明：GM：實際計算得到的初穩(wěn)性高，計及自由液面與懸吊重物對初穩(wěn)性高度的影響，m；GM′：規(guī)范要求的最小初穩(wěn)性高度，計及自由液面與懸吊重物對初穩(wěn)性高度的影響，m；

4.實例計算分析。在船體坐標系中以指向船首為x軸正半軸，指向右舷為y軸正半，向上為z軸正半軸，針對全回轉(zhuǎn)起重船的船體特點，在船體本身的坐標系上在起重機的位置增設一個局部直角坐標系如圖1。

以最大起重重量為1700噸的“徳瀛”號全回轉(zhuǎn)起重船為例進行穩(wěn)性計算校核。船體主尺度參數(shù)：船體總長115m，型深45m，型寬9m，設計吃水5.5m，結(jié)構吃水5.9m。本文選擇的工作載況如表1所示。

作業(yè)時船舶浮態(tài)計算結(jié)果：

計算結(jié)果如圖2，3，4，5。

5.結(jié)論：（1）在作業(yè)過程中船體橫傾角隨著起重臂旋轉(zhuǎn)而逐漸變化，在吊臂旋轉(zhuǎn)到與船體中心線垂直的位置時，船體的橫傾角達到最大，如果起吊重物過大或者作業(yè)半徑過長均會導致船體浮態(tài)超出安全范圍（橫傾角<5°，縱傾角<2°）。（2）由圖3、4可知船舶穩(wěn)性滿足要求并且有較大富裕，但是起重船穩(wěn)性高較普通船舶大，橫搖周期短，船舶搖擺劇烈，故現(xiàn)在更大起重量的起重船向著平臺式發(fā)展。

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