張彩華

（天海融合防務(wù)裝備技術(shù)股份有限公司 上海201612）

引 言

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

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(zhuǎn)起重鋪管船為目標(biāo)船型。此船配備一臺大型海洋工程起重機(jī)，其最大起重能力：5 000 t（船尾固定吊）/3 500 t（全回轉(zhuǎn)式）。當(dāng)進(jìn)行全回轉(zhuǎn)吊作業(yè)（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(wěn)性，必須在適當(dāng)?shù)奈恢门渲米銐虻目箼M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(diào)載水量

1.1 確定最大調(diào)載水量

全回轉(zhuǎn)起重機(jī)起吊荷重橫向傾側(cè)力矩按式（1）計算：

式中：m1為起重機(jī)回轉(zhuǎn)部分的質(zhì)量，t；l1為力臂，指起重機(jī)回轉(zhuǎn)部分重心至回轉(zhuǎn)中心橫向距離，m；m2為吊重，t；l2為主鉤幅度，指吊重距回轉(zhuǎn)中心橫向距離，m。

根據(jù)起重機(jī)主鉤幅度與起重量關(guān)系以及相應(yīng)主鉤幅度下的起重機(jī)回轉(zhuǎn)部分的重心可以分別算出不同主鉤幅度下的起吊傾側(cè)力矩，得出最大的起吊傾側(cè)力矩。

當(dāng)起重機(jī)回轉(zhuǎn)時，通過反向調(diào)載壓載水，增加一個反向力矩，以平衡起重機(jī)旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的橫傾力矩。顯然，抗橫傾壓載水艙相距越遠(yuǎn)，調(diào)載同樣的壓載水量，將產(chǎn)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(jù)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(diào)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(diào)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(diào)載水量。經(jīng)計算，本船最大調(diào)載水量約5 170 m3。

1.2 確定最小調(diào)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(zhuǎn)起重機(jī)起吊荷重橫向傾側(cè)力矩，此時會導(dǎo)致船舶橫傾，參見式（3）。

式中：Δ 為排水量，t；GM為初穩(wěn)性高度，并計及自由液面與吊重對初穩(wěn)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(nèi)航行海船法定檢驗技術(shù)規(guī)則》［2］第4篇 船舶安全 第7章 完整穩(wěn)性3.10.5節(jié)中對旋轉(zhuǎn)式起重船作業(yè)狀態(tài)的要求，本船允許的橫傾角不超過5°；基于起重機(jī)廠商設(shè)計起重機(jī)的要求，本船全回轉(zhuǎn)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(cè)力矩和壓載水調(diào)載的抗橫傾力矩之外，還包括風(fēng)壓傾側(cè)力矩。本船風(fēng)壓傾側(cè)力矩引起的橫傾角約1°，因此起吊荷重傾側(cè)力矩和壓載水調(diào)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(diào)載水量。

經(jīng)計算，本船最小調(diào)載水量約為4 767 m3。

1.3 失鉤穩(wěn)性

采用壓載水調(diào)載平衡起吊荷重橫向傾側(cè)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(jī)本體的傾側(cè)力矩的聯(lián)合作用，船舶將向另一側(cè)傾斜并有傾覆的風(fēng)險。因此，當(dāng)回轉(zhuǎn)起重作業(yè)時，使用壓載水調(diào)載橫傾力矩的方法，有必要校核失鉤穩(wěn)性。

本船入CCS和ABS雙船級。ABS《近海供應(yīng)船建造和入級規(guī)則》第5篇 第9章 附錄1［3］中，對起重船失鉤后的穩(wěn)性作了要求。使用NAPA軟件計算最大全回轉(zhuǎn)起重工況的失鉤穩(wěn)性［4］；橫傾角約11.2°，滿足規(guī)范不超過15°的穩(wěn)性要求；回復(fù)力臂面積和傾斜力臂面積比值約為6.7（＞1.3），也滿足規(guī)范要求。因此本船使用壓載水作為抗橫傾系統(tǒng)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(diào)載水量V′后，可以根據(jù)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(yīng)艙容。為防止誤操作導(dǎo)致泵空轉(zhuǎn)，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(guān)；V2為最大存水高度至艙頂間的對應(yīng)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(guān)。

因此，最大調(diào)載水量V′= （V0-V1-V2）/2。通過建?？梢垣@得V1、V2與凈艙容V0的比例關(guān)系，凈艙容V0=2V′/［1-（V1+V2）/V0］，對應(yīng)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(diào)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(jù)完整和破艙穩(wěn)性要求，對抗橫傾壓載水艙進(jìn)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(wěn)性”的要求，同時要滿足第8條舷側(cè)破損和第9條“雙層底破損穩(wěn)性”的要求。為滿足概率破艙穩(wěn)性和舷側(cè)破損穩(wěn)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(wěn)性要求，在距基線9.6m處設(shè)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(wěn)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(shè)置2臺抗衡傾泵。抗衡傾泵均為雙向泵，抗衡傾管系上設(shè)有遙控蝶閥，遙控閥與抗衡傾泵聯(lián)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(jīng)計算，本船全回轉(zhuǎn)起吊工況起吊3500t貨物（力臂幅值45m）時，實際需要的最大調(diào)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(diào)撥壓載水量約5504m3，因此可以滿足全回轉(zhuǎn)起吊的要求。

3 抗橫傾泵的選取

本船抗衡傾泵僅供全回轉(zhuǎn)起重工況船舶調(diào)橫傾，不能對壓載艙進(jìn)行前后調(diào)駁或注入、排出。

本船技術(shù)要求：全回轉(zhuǎn)起吊工況起吊3500t貨物（力臂幅值45m）時，起重機(jī)從尾吊旋轉(zhuǎn)90°至左舷所需時間不超過14min。本工況下所需調(diào)撥壓載水量約5170m3，則抗橫傾泵總?cè)萘坎恍∮?2157m3/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(jī)配合抗橫傾泵所產(chǎn)生的抗橫傾力矩旋轉(zhuǎn)（起重機(jī)從尾吊向左旋轉(zhuǎn)90°），需要12.9 min。

表1 抗橫傾泵的配置

4 抗橫傾系統(tǒng)模式

本船共24個抗橫傾泵，抗橫傾系統(tǒng)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(tǒng)有三種控制模式：即手動模式（手動開啟或關(guān)閉泵組）；半自動模式（手動開啟泵組，根據(jù)傾斜儀感測船舶橫傾的閾值及高低液位高自動關(guān)閉泵組）；自動模式（兩舷根據(jù)傾斜儀感測船舶橫傾的閾值及高低液位高確定泵組的關(guān)停）。

抗橫傾系統(tǒng)主要部件如下頁表2所示。

起重機(jī)全回轉(zhuǎn)作業(yè)時，一般限制在一定的時間范圍內(nèi)，而非越快越好。如果起吊較輕的貨物時，當(dāng)4組泵組全部開啟，則必須加快起重機(jī)轉(zhuǎn)速，或者需要頻繁啟停泵組。因此，本船抗橫傾系統(tǒng)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(jù)A類抗橫傾艙和B類抗橫傾艙的最大允許調(diào)撥水量和調(diào)載力臂，可以分別算出A類艙和B類艙產(chǎn)生的最大抗橫傾力矩。根據(jù)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(jīng)計算，使用不同抗橫傾艙時，起重機(jī)對應(yīng)主鉤幅度下最大吊重曲線如圖4所示。

5 結(jié) 語

本文以5 000 t起重鋪管船為例，系統(tǒng)分析大型全回轉(zhuǎn)起重船應(yīng)如何配置抗橫傾系統(tǒng)。首先根據(jù)起重機(jī)吊重曲線確定調(diào)載水量，并根據(jù)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(jié)合船舶穩(wěn)性進(jìn)行分艙；然后根據(jù)艙室可調(diào)載水量和調(diào)撥時間確定抗橫傾泵參數(shù)；最后介紹抗橫傾系統(tǒng)并給出不同的運行模式下的起重機(jī)的最大吊重曲線。

本報告所述抗橫傾系統(tǒng)的分析設(shè)計方法，可為大型全回轉(zhuǎn)和半回轉(zhuǎn)起重船的分析設(shè)計提供參考和借鑒。