大型全回轉起重船抗橫傾系統設計

張彩華

（天海融合防務裝備技術股份有限公司 上海201612）

引 言

大型起重船回轉起重作業時需要具備與起重能力相匹配的橫向調載系統［1］。全回轉起重機所吊重物從船尾轉向舷側時，起重機和重物重心的變化將產生橫向力矩，從而使船產生橫傾，如不采取相應措施，船會有發生傾覆的危險（反之亦然）。為平衡上述變化，需要反方向調撥壓載水，使船的橫傾控制在安全范圍之內。

本文以煙臺打撈局一艘具有動力定位和錨泊定位能力的5 000 t自航全回轉起重鋪管船為目標船型。此船配備一臺大型海洋工程起重機，其最大起重能力：5 000 t（船尾固定吊）/3 500 t（全回轉式）。當進行全回轉吊作業（主鉤幅度45 m）時，可以起吊3 500 t貨物。不過，為保證船舶的穩性，必須在適當的位置配置足夠的抗橫傾艙以及選擇合適的抗橫傾泵，并且提供合適的自動控制方法。

1 確定調載水量

1.1 確定最大調載水量

全回轉起重機起吊荷重橫向傾側力矩按式（1）計算：

式中：m1為起重機回轉部分的質量，t；l1為力臂，指起重機回轉部分重心至回轉中心橫向距離，m；m2為吊重，t；l2為主鉤幅度，指吊重距回轉中心橫向距離，m。

根據起重機主鉤幅度與起重量關系以及相應主鉤幅度下的起重機回轉部分的重心可以分別算出不同主鉤幅度下的起吊傾側力矩，得出最大的起吊傾側力矩。

當起重機回轉時，通過反向調載壓載水，增加一個反向力矩，以平衡起重機旋轉時產生的橫傾力矩。顯然，抗橫傾壓載水艙相距越遠，調載同樣的壓載水量，將產生更大的抗橫傾力矩，因此抗橫傾水艙布置在左右邊艙。根據左右邊艙的典型橫剖面形狀，初步確定邊艙的體積形心，算出調載水量的力臂后，抗橫傾力矩按式（2）計算：

式中：ρ為壓載水密度，t/m3；V′為調載水量，m；l1為左舷抗橫傾水艙體積形心距船中的橫向距離，m；l2為右舷抗橫傾水艙體積形心距船中的橫向距離，m。

由力矩平衡方程可算出最大調載水量。經計算，本船最大調載水量約5 170 m3。

1.2 確定最小調載水量

有時，因為總體布置的原因，抗橫傾力矩不足以完全抵消全回轉起重機起吊荷重橫向傾側力矩，此時會導致船舶橫傾，參見式（3）。

式中：Δ 為排水量，t；GM為初穩性高度，并計及自由液面與吊重對初穩性高度的影響，m；θ為橫傾角，°。

基于中華人民共和國海事局《2011國內航行海船法定檢驗技術規則》［2］第4篇 船舶安全 第7章 完整穩性3.10.5節中對旋轉式起重船作業狀態的要求，本船允許的橫傾角不超過5°；基于起重機廠商設計起重機的要求，本船全回轉工況允許的橫傾角為3.5°。

引起船舶橫傾的除起吊荷重傾中的側力矩和壓載水調載的抗橫傾力矩之外，還包括風壓傾側力矩。本船風壓傾側力矩引起的橫傾角約1°，因此起吊荷重傾側力矩和壓載水調載的抗橫傾力矩引起的橫傾角最大為2.5°。將橫傾角帶入公式（3），可以算出最小調載水量。

經計算，本船最小調載水量約為4 767 m3。

1.3 失鉤穩性

采用壓載水調載平衡起吊荷重橫向傾側力矩時，如果起吊荷重突然跌落，則船體將受到壓載水的抗橫傾力矩和起重機本體的傾側力矩的聯合作用，船舶將向另一側傾斜并有傾覆的風險。因此，當回轉起重作業時，使用壓載水調載橫傾力矩的方法，有必要校核失鉤穩性。

本船入CCS和ABS雙船級。ABS《近海供應船建造和入級規則》第5篇 第9章 附錄1［3］中，對起重船失鉤后的穩性作了要求。使用NAPA軟件計算最大全回轉起重工況的失鉤穩性［4］；橫傾角約11.2°，滿足規范不超過15°的穩性要求；回復力臂面積和傾斜力臂面積比值約為6.7（＞1.3），也滿足規范要求。因此本船使用壓載水作為抗橫傾系統可以保證船舶的安全。

2 確定抗橫傾壓載艙的最小凈艙容和初始壓載水量

計算出最大調載水量V′后，可以根據泵的布置型式和壓載艙形狀，確定抗橫傾壓載艙的最小凈艙容。圖1為抗橫傾水艙艙容示意圖。

圖1 抗橫傾水艙艙容示意圖

圖1中的V0為抗橫傾水艙凈艙容；V1為最少存水高度對應艙容。為防止誤操作導致泵空轉，最少存水高度一般取為防橫傾管系上緣以上100 mm，并在此位置安裝低位停泵浮子開關；V2為最大存水高度至艙頂間的對應艙容。一般取透氣孔下緣為最大存水高度，并在此位置安裝高位停泵浮子開關。

因此，最大調載水量V′= （V0-V1-V2）/2。通過建模可以獲得V1、V2與凈艙容V0的比例關系，凈艙容V0=2V′/［1-（V1+V2）/V0］，對應初始壓載水量為（V0+V1-V2）/2。

從以上公式可知，V1、V2與凈艙容V0的占比越大，調載同樣的壓載水量將需要更大的凈艙容。最小凈艙容確定后，還需要根據完整和破艙穩性要求，對抗橫傾壓載水艙進行劃分。

本船定員398人，船級符號中有SPS（特種用途船）符號［5］，因此需滿足 SOLAS［6］第 II-1 第 6條和第7條“概率破艙穩性”的要求，同時要滿足第8條舷側破損和第9條“雙層底破損穩性”的要求。為滿足概率破艙穩性和舷側破損穩性要求，沿船長方向上，每舷抗橫傾水艙劃分為6個抗橫傾水艙。為滿足雙層底破損穩性要求，在距基線9.6m處設置平臺甲板，平臺甲板將抗橫傾水艙分上下兩層，平臺甲板以下的抗橫傾水艙以“A”表示，平臺甲板以上的抗橫傾水艙以“B”表示。

因此，本船在考慮穩性后配置抗橫傾壓載水艙共12對，每對抗橫傾壓載水艙對稱布置。12對抗衡傾艙命名為NO.4A邊壓載水艙（P/S）至NO.9A邊壓載水艙（P/S），以及NO.4B邊壓載水艙（P/S）至NO.9B邊壓載水艙（P/S），每對抗衡傾艙設置2臺抗衡傾泵。抗衡傾泵均為雙向泵，抗衡傾管系上設有遙控蝶閥，遙控閥與抗衡傾泵聯鎖。圖2為抗橫傾水艙平面布置圖。

圖2 抗橫傾水艙平面布置圖

圖3為抗橫傾水艙典型橫剖面布置圖。

圖3 抗橫傾水艙典型橫剖面布置圖

經計算，本船全回轉起吊工況起吊3500t貨物（力臂幅值45m）時，實際需要的最大調載水量約5170m3。本船12對抗橫傾壓載水艙總凈艙容約24855m3，實際最大可調撥壓載水量約5504m3，因此可以滿足全回轉起吊的要求。

3 抗橫傾泵的選取

本船抗衡傾泵僅供全回轉起重工況船舶調橫傾，不能對壓載艙進行前后調駁或注入、排出。

本船技術要求：全回轉起吊工況起吊3500t貨物（力臂幅值45m）時，起重機從尾吊旋轉90°至左舷所需時間不超過14min。本工況下所需調撥壓載水量約5170m3，則抗橫傾泵總容量不小于22157m3/h（5170/14×60）。表 1為 No.4邊壓載水艙抗橫傾泵的典型配置。理論上，如果泵全部開啟，起重機配合抗橫傾泵所產生的抗橫傾力矩旋轉（起重機從尾吊向左旋轉90°），需要12.9 min。

表1 抗橫傾泵的配置

4 抗橫傾系統模式

本船共24個抗橫傾泵，抗橫傾系統將泵分成4組：No.4A、No.6A、No.8A三對艙的6個泵為一組；No.5A、No.7A、No.9A三對艙的6個泵為一組；No.4B、No.6B、No.8B三對艙的6個泵為一組；No.5B、No.7B、No.9B三對艙的6個泵為一組。

本船抗橫傾系統有三種控制模式：即手動模式（手動開啟或關閉泵組）；半自動模式（手動開啟泵組，根據傾斜儀感測船舶橫傾的閾值及高低液位高自動關閉泵組）；自動模式（兩舷根據傾斜儀感測船舶橫傾的閾值及高低液位高確定泵組的關停）。

抗橫傾系統主要部件如下頁表2所示。

起重機全回轉作業時，一般限制在一定的時間范圍內，而非越快越好。如果起吊較輕的貨物時，當4組泵組全部開啟，則必須加快起重機轉速，或者需要頻繁啟停泵組。因此，本船抗橫傾系統提供如下三種運行模式：

（1）模式1——只啟動B類艙泵組；

（2）模式2——只啟動A類艙泵組；

（3）模式3——同時啟動A類和B類艙泵組。

根據A類抗橫傾艙和B類抗橫傾艙的最大允許調撥水量和調載力臂，可以分別算出A類艙和B類艙產生的最大抗橫傾力矩。根據式（1）、式（2）和力矩平衡原理，可以算出不同主鉤幅度下的最大起吊貨物。經計算，使用不同抗橫傾艙時，起重機對應主鉤幅度下最大吊重曲線如圖4所示。

5 結 語

本文以5 000 t起重鋪管船為例，系統分析大型全回轉起重船應如何配置抗橫傾系統。首先根據起重機吊重曲線確定調載水量，并根據泵的吸口位置確定最小凈艙容和最佳的初始壓載水量，并結合船舶穩性進行分艙；然后根據艙室可調載水量和調撥時間確定抗橫傾泵參數；最后介紹抗橫傾系統并給出不同的運行模式下的起重機的最大吊重曲線。

本報告所述抗橫傾系統的分析設計方法，可為大型全回轉和半回轉起重船的分析設計提供參考和借鑒。