拋起錨穩(wěn)性計算分析

沈 威

（上海船舶研究設(shè)計院，上海 201203）

0 引 言

海洋蘊藏著豐富的資源，人類的腳步逐漸向海洋邁進。隨著海洋油氣開發(fā)作業(yè)量加大，多功能的海洋工程輔助船已成為當今主要開發(fā)船型之一[1]。而拋起錨作業(yè)也成為該類船舶在海上的主要操作之一。

2007年6月6日之前，國際海事組織（IMO）對具有拋起錨能力的供應船和拖船不要求核算其拋起錨穩(wěn)性。根據(jù)供應船及拖船穩(wěn)性衡準，最大回復力臂會出現(xiàn)在≥15°的位置（大致在15～20°之間）[2]，這意味著即使是較小的橫傾也可能是致命的。2007年3月13日，一艘挪威拋起錨船“Bourbon Dolphin”在錨泊作業(yè)時頃刻側(cè)翻，導致船上作業(yè)的8名工作人員遇難。挪威海事局通過對這次嚴重的海難事故調(diào)查，向國際海事組織（IMO）提交報告，從而促成海安會MSC 83/INF.9[3]頒布，要求具有拋起錨能力的供應船和拖船需滿足拋起錨穩(wěn)性。雖然該議程不是強制的，但一些船級社已經(jīng)按照此要求對具有錨作船級符號的船舶進行審核。

1 拋錨穩(wěn)性計算

拋錨船在海上作業(yè)時，布置在甲板上的錨鏈的拉伸力導致巨大的橫向力矩、較高的倒車速度或橫向運動速度，同時可能發(fā)生舵力失效，喪失推力，船舶旋轉(zhuǎn)，橫向力進一步增加；此外，作用于船上的環(huán)境外載荷風、浪、流的大小也會影響拋起錨過程，這樣可能使船舶發(fā)生危險，因此有必要通過衡準來判斷船舶在進行錨泊作業(yè)時所受的水平以及垂直拉力是安全的，不會發(fā)生事故。

MSC 83/INF.9中指出，對于具有拋起錨能力的船舶[4]都需要計算船舶的拋起錨穩(wěn)性，在拋起錨作業(yè)過程中，計算：在船舶尾部的水平力和橫向力產(chǎn)生最大橫向力矩作用下的船舶最大橫傾角，其應小于以下任何一個角度：

1)在GZ曲線上，最大GZ的50%對應的橫傾角，即0.5GZmax處對應的橫傾角；

2)甲板浸水角；

3)15°。

通過以上衡準，船舶在某一橫傾力矩作用下，可以計算出一組曲線，不同排水量對應的最大船舶重心高度，船舶浮態(tài)不同計算出來的結(jié)果也是不同的。如圖1所示，某拖船在橫傾力矩2450kN·m作用下不同縱傾對應的一組重心高度曲線。

圖1 最大重心高度（VCG）曲線

在橫傾力矩2450kN·m作用下，對應任一排水量的任一縱傾，可以從圖1中線性插值出船舶最大重心高度。通過計算，得出幾組不同橫傾力矩作用下的最大重心曲線，這樣船舶操縱者可以線性插值出任意橫傾力矩作用下的船舶最大重心高度。

為了更準確全面地分析船舶在進行拋起錨作業(yè)時是否安全，還需要分析船舶尾筒端部受力情況，同一個力施加在船舶的尾筒端部，何種情況下產(chǎn)生的橫向力矩最大？當船舶進行拋起錨作業(yè)時，作用于船舶尾筒端部的力可以分解為3個方向的力，水平向后的拉力、橫向水平拉力和一個垂直向下的拉力，其中橫向水平拉力和垂直向下拉力都會對船舶產(chǎn)生橫向力矩，水平向后的拉力不會產(chǎn)生橫向力矩，在此不予考慮，并假定其為0。橫向水平拉力和垂直向下拉力如圖2所示。

注：垂向力臂：A；水平力臂：B；垂向拉力：T cosθ；水平力拉力：T sinθ；橫向力矩：A Tcosθ+BTsin θ。

根據(jù)表1計算結(jié)果，隨著角度從0～90°變化，橫向力矩也隨之變化，不同角度對應的最大拉力也是不一樣的，如圖3所示。

圖2 受力分解

圖3 最大拉力

對于此種裝載情況，當最大許可拉力為2724kN時所有方向均能夠滿足要求，因此此種裝載工況，最大許可拉力為2724kN。

但是實際上把每個方向的最大拉力算出來并不是必要的。船舶拋起錨作業(yè)時是個動態(tài)的過程，角度隨時可能會改變，但是錨鏈的最大拉力是不變的，可能在某個角度滿足要求，但角度變了，要求就不能滿足了。因此需要分析什么情況下產(chǎn)生的橫傾力矩最大。船舶的尾筒位置是固定的，A是個常數(shù)；同時B也是一常數(shù)。通過三角函數(shù)，可以計算當角度 θ0=90-arctg(A/ B)時作用在船上的橫向力矩最大。這樣對于某工況，當一定的拉力作用于船舶上，假設(shè)此力產(chǎn)生最為不利的橫傾力矩（即最大橫傾力矩），僅分解為橫向水平拉應力與垂向下拉應力，根據(jù)圖1的曲線，船舶操作人員可以很快通過線性插值查出最大許可的船舶重心是多少，這樣可以判斷出船舶是否能安全地進行拋起錨作業(yè)。

表1 最大拉力計算結(jié)果

根據(jù)MSC 83/INF.9，在計算拋起錨穩(wěn)性時，需要考慮拉力分解的垂向力對船舶縱傾以及回復力臂GZ曲線的影響。例如，拉力：490kN；艉筒外輪廓距中心：2m；拉力高度：4.0m；最大橫向力矩：2189kN·m；最大橫向力矩時角度：63.4°；垂直向下拉力：220kN。

根據(jù)船舶作業(yè)時的狀態(tài)表2，計算船舶浮態(tài)以及GZ曲線，然后判斷是否滿足拋起錨衡準。

表2 船舶狀態(tài)

2 結(jié) 語

對MSC 83/INF.9中的拋起錨穩(wěn)性計算進行了分析研究，對于供應船或拖船還須根據(jù)船級社要求進行相關(guān)的其他穩(wěn)性計算。

[1] 閆秋蓮，周國平.10 000kW深水動力定位工作船拋起錨穩(wěn)性研究[J].船舶標準化工程師，2012，（5）：47-51.

[2] International Code on Intact Stability[S].2008.

[3] MSC 83/INF.9[S].2007.

[4] 盛慶武.3000t鋪管起重船鋪管作業(yè)錨泊定位系統(tǒng)設(shè)計研究[J].船舶與海洋工程，2012, (1): 84-93.