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        大型全回轉(zhuǎn)起重船抗橫傾系統(tǒng)設(shè)計

        2019-07-05 09:55:32張彩華
        船舶 2019年3期

        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)起重機所吊重物從船尾轉(zhuǎn)向舷側(cè)時,起重機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(zhuǎn)式)。當進行全回轉(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?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)起重機起吊荷重橫向傾側(cè)力矩按式(1)計算:

        式中:m1為起重機回轉(zhuǎn)部分的質(zhì)量,t;l1為力臂,指起重機回轉(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。

        當起重機回轉(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,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)起重機起吊荷重橫向傾側(cè)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(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°;基于起重機廠商設(shè)計起重機的要求,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,還包括風壓傾側(cè)力矩。本船風壓傾側(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)傾斜并有傾覆的風險。因此,當回轉(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。通過建模可以獲得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??购鈨A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,起重機配合抗橫傾泵所產(chǎn)生的抗橫傾力矩旋轉(zhuǎn)(起重機從尾吊向左旋轉(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4組泵組全部開啟,則必須加快起重機轉(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。

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