裝卸重大件貨物對(duì)船舶穩(wěn)性的影響

王玉闖， 史國友， 李偉峰

(1. 大連海事大學(xué) 航海學(xué)院， 遼寧 大連 116026； 2. 遼寧省航海安全保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116026)

在大件貨物裝卸計(jì)算原理方面：文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]將裝卸載荷對(duì)船舶浮態(tài)和初穩(wěn)性的影響分為裝卸小量載荷和裝卸大量載荷2類進(jìn)行探討，分別給出計(jì)算方法和理論推導(dǎo)過程；文獻(xiàn)[3]先給出一個(gè)通用公式，然后將少量裝卸載荷作為一類特殊情況進(jìn)行理論推導(dǎo)并提出直壁假設(shè)和初穩(wěn)心不變假設(shè)2種假設(shè)方法。基于上述靜力學(xué)理論推導(dǎo)，文獻(xiàn)[4]在計(jì)算船舶初穩(wěn)性和橫傾角時(shí)均考慮吊桿仰角對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響；文獻(xiàn)[5]雖然也考慮吊桿仰角問題，但在運(yùn)用計(jì)算公式推導(dǎo)時(shí)將模型理想化，簡(jiǎn)化了計(jì)算公式；文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]直接將整個(gè)裝卸過程中吊桿的仰角理想化為不變。裝卸過程中的橫傾調(diào)整：文獻(xiàn)[4]～文獻(xiàn)[6]均采用調(diào)撥或注入(排放)壓載水的方式；不同之處在于文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]將安全閾值設(shè)為3°，即在整個(gè)重大件裝卸期間要求橫傾角≤3°，而文獻(xiàn)[6]要求橫傾角≤12°。

對(duì)此，綜合文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]所給計(jì)算方法的優(yōu)點(diǎn)，聯(lián)系航海實(shí)際，總結(jié)兩者出現(xiàn)差異的原因，給出更具有通用性的計(jì)算方法,給出考慮吊桿仰角的公式推導(dǎo)過程及應(yīng)用該公式時(shí)的注意事項(xiàng)，計(jì)算出在滿足《2008年國際完整穩(wěn)性規(guī)則》對(duì)初穩(wěn)性要求條件下的“裝載極限”，同時(shí)給出“大富”輪裝卸過程中為調(diào)整橫傾而具體采用的壓載水調(diào)撥方案。

1 海運(yùn)重大件貨物的定義及特點(diǎn)

重大件貨物的定義有一個(gè)演變的過程[8]，且各個(gè)國家和地區(qū)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，一般指單件體積過大或過長(zhǎng)、質(zhì)量超過一定界限的貨物[9]，具體定義見表1。

表1 重大件貨物定義

重大件貨物除了具有定義中指出的超高、超寬、超長(zhǎng)、超重和形狀不規(guī)則等特性之外，其運(yùn)作過程也具有復(fù)雜性和多變性等特點(diǎn)，是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。大件貨物通常應(yīng)用在重要的基礎(chǔ)和制造行業(yè)，具有顯著的一次性和特殊性等特點(diǎn)。[10]目前專業(yè)的大件貨物運(yùn)輸船舶不多，很難滿足大件貨物運(yùn)輸要求，一般采用多用途船或標(biāo)準(zhǔn)型散貨船代替。[11]因此，重大件貨物裝卸過程中的穩(wěn)性計(jì)算尤為重要，是船舶和船員安全的最基本保障，是避免穩(wěn)性喪失、橫傾過大釀成嚴(yán)重后果的有力保障。

2 裝卸載荷對(duì)船舶浮態(tài)及初穩(wěn)性影響的理論計(jì)算

裝卸載荷必然會(huì)引起船舶排水量和重心發(fā)生改變，進(jìn)而改變船舶的浮態(tài)和初穩(wěn)性。綜合文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]所提方法的優(yōu)點(diǎn)，聯(lián)系航海實(shí)際，總結(jié)出兩者出現(xiàn)差異的原因，文獻(xiàn)[3]的計(jì)算方法更具有通用性。

2.1 裝卸少量載荷對(duì)船舶初穩(wěn)心高度的影響

在船上任意位置處增加載荷會(huì)使船舶的吃水增加，并產(chǎn)生橫傾和縱傾。在理論計(jì)算中，可在保證計(jì)算精度的基礎(chǔ)上做一些假設(shè)和簡(jiǎn)化，具體分為以下2個(gè)步驟[12]討論：

1) 船舶平行沉浮，即假定載荷裝載的位置在水線面漂心F上。

2) 將載荷移到指定位置，以確定船舶的橫傾。

由船舶靜力學(xué)原理可知：

(1) 船舶平行沉浮，有

δd=m/(100TPC)

(1)

(2) 重心發(fā)生變化，有

(2)

(3) 浮心發(fā)生變化，有

(3)

(4)

(4) 假設(shè)船舶水線面附近為直舷壁，則裝卸前后水線面形狀不變，水線面面積慣性矩不變，有

(5)

聯(lián)合式(2)、式(4)和式(5)得裝卸載荷后船舶初穩(wěn)心高度為

(6)

(7)

2.2 裝載任意質(zhì)量載荷對(duì)船舶初穩(wěn)心高度的影響

裝載重物前后，船舶吃水、漂心、浮心、穩(wěn)心和重心等均有變化，可根據(jù)初穩(wěn)心高度的定義求取裝卸重物之后的初穩(wěn)心高度。[14]

1) 計(jì)算裝卸重物之后船舶的質(zhì)量和重心。

(1) 裝卸重物之后船舶的排水量為

(8)

(2) 根據(jù)合力矩定理求裝卸重物之后船舶的重心位置，有

(9)

2) 根據(jù)裝卸重物之后船舶的排水量Δ1，查靜水力參數(shù)資料，得到等容平均吃水d1、船舶穩(wěn)心距基線的高度KM1和浮心位置等參數(shù)。

3) 計(jì)算裝卸重物之后船舶的初穩(wěn)心高度，有

hG1M1=KM1-KG1

(10)

上述計(jì)算方法存在差別的主要原因是計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展使得船舶設(shè)計(jì)單位或船廠能直接給出詳細(xì)的靜水力性能參數(shù)，原來的靜水力曲線圖逐漸變成現(xiàn)在的參數(shù)表，這種“圖”到“表”的轉(zhuǎn)變使計(jì)算方法得到進(jìn)一步拓展。圖1給出的是某船靜水力性能參數(shù)表的部分截圖。

由圖1可知，靜水力性能參數(shù)表的吃水間隔僅為5 cm，因此利用該方法計(jì)算船舶裝卸重物前后的初穩(wěn)心高度不僅方便，而且準(zhǔn)確。

2.3 裝卸載荷所引起的船舶橫傾

假設(shè)裝卸重物之前船舶為正浮狀態(tài)，裝卸后船舶會(huì)因產(chǎn)生相應(yīng)的橫傾和縱傾而變?yōu)槿我飧B(tài)。本文只研究裝卸載荷產(chǎn)生的船舶橫傾，即假設(shè)船舶為單純橫傾。式(9)給出裝卸重物之后船舶的重心位置，若yg1≠0，則船舶存在橫傾角滿足

tanθ=(myg1)/(Δ1hG1M1)

(11)

3 裝卸大件貨時(shí)對(duì)船舶穩(wěn)性的影響

一般裝卸大件貨的重吊的起重能力為幾十噸至幾百噸，雖然單件大件貨遠(yuǎn)比一般貨物重，但與排水量相比，二者的差值仍?10%，“大富”輪夏季滿載排水量為24 305 t，貨艙克令吊起重能力為250 t，顯然遠(yuǎn)小于10%的排水量。因此，在計(jì)算裝卸大件貨時(shí)船舶的穩(wěn)性時(shí)，仍可按照少量裝卸貨物來處理。

3.1 吊卸作業(yè)

船上重吊在吊卸大件貨離船的整個(gè)過程中所遇到的問題都屬于船內(nèi)問題。[15]即貨物在吊離初始裝載位置至卸落碼頭之前一直保持懸掛狀態(tài)，而當(dāng)貨物橫向移動(dòng)偏離裝載位置垂線之后，便以起吊設(shè)備底座為中心作變半徑弧形水平移動(dòng)。

3.1.1吊卸過程中船舶初穩(wěn)性計(jì)算

貨物在整個(gè)吊卸過程中的運(yùn)動(dòng)可分為垂向和橫向2個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，其中僅有垂向移動(dòng)影響重心，即改變船舶的初穩(wěn)性。因此，在整個(gè)吊卸過程中，船舶初穩(wěn)性的減小量?jī)H與吊桿的仰角α有關(guān)，船舶穩(wěn)心減小量δGM的計(jì)算式為

(12)

式(12)中：δGM為吊卸過程中船舶初穩(wěn)心減小量，m；m為卸貨件質(zhì)量，t；lb為吊桿臂長(zhǎng),m;mb為吊桿質(zhì)量，t；α為吊桿仰角，(°)；D為船舶型深，m；zp為所卸貨物的位置坐標(biāo)(zp，yp)，m；Δ為吊卸貨物前船舶的排水量，t。

由船舶原理相關(guān)知識(shí)可知，此時(shí)船舶的復(fù)原力矩可表示為

Ms=ΔhGM-P(lbsinα+D-zp)-

(13)

式(13)中：θ為船舶橫傾角。

由式(12)可知，在整個(gè)貨物吊卸過程中，船舶的初穩(wěn)性減小僅與吊桿的仰角有關(guān)，且船舶初穩(wěn)性最小處出現(xiàn)在吊桿仰角最大位置處。一般情況下，吊桿仰角的最大值出現(xiàn)在吊卸重物的初始階段，最小值出現(xiàn)在卸落碼頭階段。

3.1.2吊卸過程中船舶橫傾角的計(jì)算

橫移將影響船舶的橫傾，此時(shí)由于貨物橫移而產(chǎn)生的船舶橫傾力矩Mh可表示為

Mh=mycosθ+mby′cosθ

(14)

式(14)中：Mh為 橫傾力矩；y為貨物橫移距離；y′為吊桿重心橫移距離。

式(14)中的貨物橫移距離y和吊桿重心橫移距離y′可進(jìn)一步展開為

(15)

式(15)中：yp為所卸貨物的位置坐標(biāo)(zp，yp)，裝載于遠(yuǎn)離碼頭一舷取正值，裝載于靠近碼頭一舷取負(fù)值；β為吊桿偏離船舶中縱面水平旋回角。

根據(jù)橫傾力矩與穩(wěn)性力矩平衡的條件，聯(lián)立式(13)和式(14)，得出船上重吊吊卸重物時(shí)的瞬時(shí)船舶橫傾角表達(dá)式為

(16)

由式(16)可知，船舶在吊裝貨物時(shí)產(chǎn)生的橫傾角與吊卸過程中吊桿的仰角α和水平旋回角β有關(guān)，最大橫傾角出現(xiàn)在吊桿仰角與水平旋回角最大時(shí)。因此，在整個(gè)吊卸貨物過程中，橫傾角的極值一定出現(xiàn)在吊桿仰角最大處(α≤90°)。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)狀況，在將貨物卸落至碼頭時(shí)，吊桿的仰角通常有所減小，因此橫傾角的極值并非在卸落前出現(xiàn)。然而，考慮到在吊卸過程中若干參數(shù)的隨機(jī)性和計(jì)算的簡(jiǎn)便性，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)均將卸落前的瞬間作為橫傾角極值出現(xiàn)的時(shí)刻。因此，式(16)可簡(jiǎn)化為

(17)

式(17)中：B為船寬；l為舷外跨距；zb為貨物懸掛點(diǎn)垂向坐標(biāo)。

3.2 吊裝作業(yè)

吊裝大件貨與吊卸貨物類似，只是船舶的排水量發(fā)生了變化，推導(dǎo)方法和研究思路及得出的結(jié)論與“3.1”節(jié)相同。為簡(jiǎn)便起見，這里僅給出最后的計(jì)算式和結(jié)論。

3.2.1吊裝過程中船舶初穩(wěn)性計(jì)算

船舶穩(wěn)心減小量δGM的計(jì)算式為

(18)

由式(18)可知，在吊裝貨物過程中，船舶初穩(wěn)心的減小同樣僅與吊桿的仰角有關(guān)，且船舶初穩(wěn)性最小值出現(xiàn)在吊桿仰角最大的位置處。一般情況下，吊桿仰角的最大值出現(xiàn)在重吊旋至擬裝艙位的上方時(shí)，最小值出現(xiàn)在吊離碼頭時(shí)。

3.2.2吊裝過程中船舶橫傾角的計(jì)算

船上重吊吊裝重物時(shí)的瞬時(shí)船舶橫傾角的表達(dá)式為

(19)

與吊卸過程一樣，式(19)可簡(jiǎn)化為

tanθ=

(20)

式(18)～式(20)中：KG為裝貨前船舶重心高度；l為吊桿跨距。

3.3 裝卸過程中的橫傾調(diào)整

船舶在裝卸過程中應(yīng)盡量保持正浮狀態(tài)，前已述及，無論是吊裝還是吊卸，勢(shì)必會(huì)造成船舶橫傾角發(fā)生變化。為保障船舶和船員的安全，按照國際慣例，通常要求在整個(gè)裝卸過程中船舶的橫傾角≤3°。因此，在吊裝或吊卸作業(yè)前要對(duì)此次作業(yè)進(jìn)行細(xì)致的計(jì)算校核，查驗(yàn)是否滿足整個(gè)裝卸過程中橫傾角均≤3°，若不滿足，應(yīng)通過調(diào)撥或注入(排出)壓載水予以調(diào)整。

利用調(diào)撥或注入(排放)壓載水的方法調(diào)整船舶裝卸貨期間任意時(shí)刻橫傾角所需壓載水質(zhì)量mw的通用表達(dá)式為

mwy′cosθ=Mh

(21)

式(21)中：mw為所需壓載水質(zhì)量；y′為壓載水調(diào)撥橫傾力臂。

在卸貨或裝貨過程中，所需調(diào)撥或注入(排放)壓載水質(zhì)量mw的具體計(jì)算式見表2。

表2 貨物裝卸過程中欲調(diào)撥壓載水量

3.4 實(shí)船計(jì)算

“大富”輪的參數(shù)見表3。

表4給出“大富”輪貨艙克令吊的技術(shù)參數(shù)。

由表4可知，克令吊的最大安全工作負(fù)荷為250 t，吊臂長(zhǎng)為27 m。為便于計(jì)算，將用于船舶穩(wěn)性計(jì)算的數(shù)值標(biāo)注為圖2的形式，其中：lb為吊臂長(zhǎng)度；H為克令吊底座高度；D為船舶型深。

表3 “大富”輪參數(shù)

表4 “大富”輪貨艙克令吊技術(shù)參數(shù)

以某航次為例，所裝貨物為橋梁和火電設(shè)備，單件貨物最重為220 t。根據(jù)式(18)可計(jì)算出此次吊裝貨物導(dǎo)致的船舶穩(wěn)心減小量的數(shù)值，將計(jì)算所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匯總于表5中。

將表5中的數(shù)據(jù)代入到式(18)中可得到此次吊裝貨物造成的船舶初穩(wěn)心減小量為δGM=-0.33～1.24 m,即船舶初穩(wěn)心的減小僅與吊桿仰角有關(guān)，吊桿仰角越大，對(duì)船舶初穩(wěn)性的影響越大，即船舶初穩(wěn)心最小值出現(xiàn)在吊桿仰角最大的位置處。在實(shí)際操作中，一般吊桿仰角α最大為60°，將該值代入到式(18)中求得船舶初穩(wěn)心減小量δGM=1.14 m。

將表5中的數(shù)據(jù)代入到式(20)中可得到此次吊裝貨物造成的船舶橫傾角滿足tanθ≈0.077 6。

在以上計(jì)算中，吊桿跨距取的最大值為27 m，求得的橫傾角為最大值θ≈4°26″。

由上述分析和實(shí)船計(jì)算可知，裝卸重大件過程中的穩(wěn)性降低或產(chǎn)生的橫傾角可通過側(cè)翼壓載的方式減小。通過運(yùn)用考慮吊桿仰角的計(jì)算方法，對(duì)“大富”輪在吊桿最大工作載荷情況下的“極限裝載”進(jìn)行計(jì)算，單次吊裝貨物可對(duì)“大富”輪產(chǎn)生船舶初穩(wěn)心減小1.14 m、橫傾4°26″的影響，對(duì)船舶裝卸貨物操作實(shí)踐具有理論指導(dǎo)意義。

表5 計(jì)算所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

給出裝卸載荷對(duì)船舶浮態(tài)和初穩(wěn)性的影響的理論計(jì)算通用方法，從考慮吊桿仰角的角度給出整個(gè)吊裝、吊卸作業(yè)過程中產(chǎn)生的船舶初穩(wěn)心降低及橫傾的具體推導(dǎo)過程。船舶初穩(wěn)性的變化僅與吊桿的仰角有關(guān)，運(yùn)用該方法對(duì)單次吊裝貨物進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果產(chǎn)生船舶初穩(wěn)心減小1.14 m、橫傾4°26″的影響，通過調(diào)撥壓載水可調(diào)整裝卸重物引起的船舶橫傾，對(duì)船舶裝卸貨物操作實(shí)踐具有理論指導(dǎo)意義。

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