重吊船大件貨物吊裝方案

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(大連海事大學 航海學院，遼寧 大連 116026)

近些年，隨著國家重點建設工程項目數量和規模的不斷加大，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域，重吊船因配備裝卸設備，且具有較強適貨性能，一直保持著相對穩定的市場占有率。在多數情況下，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性和浮態問題一直被業界所關注。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的發電機時發生翻沉事故，造成3人死亡，船舶從發現問題到翻沉僅約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性及橫傾進行控制至關重要。本文依據船舶靜力學基本原理，詳細推導了重大件貨物裝載過程中船舶穩性及橫傾角的計算方法，闡述了變化過程，設計了裝貨方案。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要求

1.1 浮態要求

國內外主要船級社起重設備規范要求，起重設備工作時，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商也按照此標準設計船用重吊。我國《船舶與海上設施法定檢驗規則》(國內)中對此要求相同，要求回轉式起重船在作業狀態下橫傾不超過5°[5]。為保證裝卸安全，我國國家標準和一些國內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 初穩性要求

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

(1)

2 裝卸過程中穩性和浮態控制

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。重吊主要包括回轉基座和吊臂兩大部分，見圖1。

圖1 重吊船聯吊裝載大件貨物示意

2.1 穩性控制

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

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，右舷為正，m；ybi為第i個重吊頂端橫坐標，右舷為正，初始坐標為(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，m；ys為吊裝橫梁、繩索等原擺放位置橫坐標，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，船舶吃水差已經根據預裝貨物重量提前設置在限值之內，不需要在裝卸過程中縱向調整壓載水，但是，當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，或當限于尺寸和重量等原因，某些重大件貨物需3臺重吊聯動吊裝時，則需縱向調整壓載水。根據船舶靜力學相關知識[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，m；Xb為船舶浮心縱坐標，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 船舶初始參數設置

重吊船A輪相關參數見表1。該輪左舷首部和中部配置了2臺350 t重吊，2臺聯吊可以吊起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式重吊。

表1 船舶參數

圖2 吊裝重貨時最小初穩性高度曲線

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 初始狀態壓載水布置方案

3.2 吊裝方案

預裝大件貨物為近似長方體均質貨件(長lc=30 m；寬bc=5 m；高hc=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。

根據上述內容，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。根據文獻[5]可知，當吊臂仰角為α，單吊車裝載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。船舶產生橫傾角θ后，吊臂頂端距離基座水平投影距離表達式為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，當貨物起吊時lbcos α最大，當貨物吊至兩重吊連線的位置時，lbcos α最小，根據已知條件分別為18.12 m和11.00 m，均在安全限位之內，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。在聯吊過程中，須保證吊索始終與水平面垂直，則需不斷調整吊臂的仰角α。設圖1中No.2重吊初始回旋角β為負，則可根據已知條件繪制出整個吊裝過程中仰角的變化規律如圖4所示。

3.3 吊裝過程浮態控制

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。根據文獻[10]可知

(7)

式中：PBW為需要調整的壓載水噸數，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，縱傾角控制在0.5°以內，則吊起方案見表3，整個吊起過程穩性曲線變化見圖5。

圖5 吊起過程中船舶穩性曲線變化

步驟吊起操作浮態控制排水量/t初穩性高度/m橫傾/(°)縱傾/(°)0初始狀態初始狀態18621.44.7700.291安裝屬具、吊臂伸出到位從5WBP調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55t至5WBS18676.44.43→4.43-0.98→00.31→0.313吊起貨物至105t5WBP調52t至5WBS18726.44.30→4.29-0.93→00.31→0.314吊起貨物至155t5WBP調50t至5WBS18776.44.16→4.14-0.94→00.31→0.315吊起貨物至205t5WBP調10.7t至5WBS(5WBP調空),6WBP調40t至6WBS18826.44.02→4.02-0.98→00.30→0.306吊起貨物至250t6WBP調46t至6WBS18871.43.91→3.91-0.91→00.30→0.307吊起貨物至295t6WBP調45.7t至6WBS18916.43.91→3.80-0.91→00.30→0.308吊起貨物至340t6WBP調46t至6WBS18961.43.68→3.68-0.95→00.30→0.309吊起貨物至385t6WBP調45t至6WBS19006.43.56→3.55-0.98→00.30→0.3010吊起貨物至425t6WBP調25t至6WBS(5WBP調空),7WBP調40.7t至7WBS19046.43.45→3.44-0.91→00.30→0.3011吊起貨物至465t7WBP調41t至7WBS19086.43.34→3.35-0.93→00.30→0.3012吊起貨物至505t7WBP調41t至7WBS19126.43.25→3.26-0.95→00.30→0.3013吊起貨物至545t7WBP調40t至7WBS19166.43.16→3.16-0.97→00.30→0.3014吊起貨物至580t7WBP調35t至7WBS19201.43.07→3.06-0.88→00.30→0.3015吊起貨物至615t7WBP調36t至7WBS19236.42.98→2.97-0.92→00.30→0.3016吊起貨物至650t7WBP調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，每次吊起重量和調整壓載水誤差盡量控制在5 t以內，這樣橫傾角誤差能控制在0.1°以內。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，可充分應對吊起過程中的一些突發情況。

2)橫移過程。貨件在橫移過程中，排水量不發生變化，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)。當仰角α增至最大時(71.93°)，對船舶穩性影響最大(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個平衡水艙調節船舶橫傾，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生很大的橫向沖量，很難利用人工安全繩索協助控制貨物的穩定性，雖然目前主流的重吊本身均帶有這方面的設計，但也應避免船舶左右搖擺的情況出現，盡量在裝卸過程中使船舶的橫傾控制在貨物吊裝的一側。為此，在貨物吊起后，建議保持一定的左傾(貨物一側)時再開始向船中緩慢移動貨物。

2)在設置初始載況時，對設有平衡水艙的重吊船，盡量將裝貨一側的平衡水艙調滿，另一側調空。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整即可將貨件平穩吊裝到艙內。當然，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配速度相對應。另外，船上應做好應急預案，左右舷盡量留3～5個空置壓載艙以備應急，必要時將錨鏈開啟，落入水中以增加穩性。

3)為保證安全，吊裝之前應確保船舶所有可移動設備已經固定好，舷梯已收緊，兩舷所有水線附近的開口、通風孔、人孔都已經關閉，所有纜繩松緊適度。盡量在白天進行貨物裝卸作業，吊車操作人員、岸上人員、船上人員與現場指揮人員提前對裝卸方案進行了解，做好協調通信工作。

4)船上準備好各項系固設備和襯墊材料，貨物裝到指定位置后，盡快進行系固。

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