張飛成， 任玉清， 張先飛， 徐和中

(1. 大連海洋大學(xué) 航海與船舶工程學(xué)院, 遼寧 大連 116023；2. 中國外運(文萊)有限公司, 北京 100029； 3. 中波輪船股份公司, 上海 200002)

在做重大件吊裝方案時，索具的選擇和組裝、貨物積載位置、吊裝過程中對船舶穩(wěn)性和橫傾的影響、吊裝操作程序?qū)χ卮蠹陌踩跹b至關(guān)重要。文獻(xiàn)[1]～文獻(xiàn)[3]在重大件貨物裝卸的計算原理方面給出裝卸貨物對船舶浮態(tài)和初穩(wěn)性的計算方法；文獻(xiàn)[4] ～文獻(xiàn)[9]在計算時考慮吊桿仰角問題，并采用注入(排放)壓載水方法對船舶進(jìn)行橫傾調(diào)整；文獻(xiàn)[9]從理論上建立雙吊聯(lián)動理論數(shù)學(xué)模型。對此，綜合上述文獻(xiàn)所給的計算方法，聯(lián)系航海實際，針對聯(lián)吊吊裝重大件，改進(jìn)上述計算穩(wěn)性方法和調(diào)整橫傾方法的不足之處，并考慮吊裝索具和調(diào)撥壓載水(相關(guān)文獻(xiàn)均采用注入排出壓載水)對船舶穩(wěn)性的影響，計算出實船條件下船舶的最小穩(wěn)心值和最大橫傾角。在調(diào)整船舶橫傾的方法上采用調(diào)撥壓載水法并針對實際工作中反向吊起“旁通”法，調(diào)整船舶橫傾的可行性進(jìn)行理論上的計算驗證，最后給出“黃海開拓”船聯(lián)吊吊裝重大件的具體操作程序。

1 索具和貨物積載位置

1.1 索具的安全負(fù)荷

1.2 貨物的積載位置

目前，專用的重大件雜貨船的克令吊一般布置在船舶的一側(cè)，而不是傳統(tǒng)的布置于艏艉中心線上，這樣布置的優(yōu)點在于整個貨艙(包括二層柜)、艙蓋可裝運超長貨物并且增大裝貨空間，缺點就是當(dāng)貨物超長甚至超過兩吊之間距離時增加聯(lián)吊操作難度，并且受限于克令吊的趴臂伸展距離，起吊前對重大件貨物在碼頭或駁船的位置以及在裝船后的積載位置都有嚴(yán)格要求。貨物的吊點必須處于克令吊不同的安全負(fù)荷對應(yīng)的趴距之內(nèi)。 “黃海開拓”船單吊最大安全負(fù)荷80 t,趴距為5～22 m，理論上聯(lián)吊操作可吊裝160 t貨物(包括所用橫梁自重)。根據(jù)貨物的長度不等可確定粗方格區(qū)域為聯(lián)吊操作時重大件貨物可積載位置，見圖2。

圖2 “黃海開拓”船聯(lián)吊吊裝重大件貨物積載位置

2 吊裝重大件時對船舶穩(wěn)性及橫傾的影響

單件重大件一般幾十噸至幾百噸，相比于遠(yuǎn)洋雜貨船排水量來講，貨物重量仍然小于排水量的10%。因此，在吊裝重大件貨物時計算船舶的穩(wěn)性可按照少量裝載貨物來處理。[4]船舶在吊裝過程中，會導(dǎo)致船舶穩(wěn)性的下降以及產(chǎn)生橫傾角。[3,5]在做吊裝方案時，一定要計算準(zhǔn)確，防止在吊裝過程中貨物觸碰甚至船舶傾覆的事故。

2.1 吊裝過程中船舶初穩(wěn)心計算

設(shè)船舶的初始排水量為Δ，船舶的重心高度為kG，吊貨前克令吊吊臂處于前后水平固定位置(船舶航行狀態(tài))、吊梁初始位置位于主甲板。當(dāng)船吊吊起貨物時，船舶排水量增大和初穩(wěn)心高度減少[10]，其減少量δGM為

(1)

p=lbsinα+q

(2)

式(1)和式(2)中:P為貨重;p為吊頂部距基線的距離;Q為吊頂部重量;q為吊底座距基線距離;R為吊梁重量;r為型深;S為需調(diào)撥壓載水的重量;Sz為需調(diào)撥壓載水重心的上升高度；lb為吊臂長度;α為吊臂仰角。由式(1)和式(2)可知：初穩(wěn)心的減少量與吊臂仰角、吊臂頂部重量、所用吊梁的重量、需調(diào)撥壓載水重量和重心上升的高度有關(guān)。吊裝對穩(wěn)性核算計算參數(shù)見圖3。

圖3 吊裝時穩(wěn)性核算計算參數(shù)

由船舶原理相關(guān)知識可知，此時的船舶復(fù)原力矩為

MS=(Δ+P)[hGM-δGM]sinθ=[(Δ+P)hGM-

P(p-kG)-Q(p-q)-R(p-r)-S×Sz]×

sinθ

(3)

2.2 吊裝過程中船舶最大橫傾角計算

在重大件貨物被吊起后，在貨物由碼頭轉(zhuǎn)移至船上的過程中，船舶會受到一橫傾力矩Mh的作用Mh可表示為

(4)

式(4)中:α為吊臂仰角;β為吊臂水平旋回角;B為型寬。

在實際工作中，一般計算最大橫傾力矩(或最大橫傾角)。一般來講，裝貨前貨物在岸上或駁船的位置是固定的，為達(dá)到吊的最大起重負(fù)荷，此時吊臂仰角較大。對于克令吊布置在一舷的船舶而言，最大橫傾力矩產(chǎn)生在貨物吊離地面時且吊臂與船長方向垂直即β為90°時最大橫傾力矩有

(5)

根據(jù)橫傾力矩與復(fù)原力矩平衡的條件，可得到吊裝最大件貨物過程中最大的橫傾角為

(6)

2.3 兩種調(diào)整橫傾的計算方法

在吊裝重大件貨物時，應(yīng)盡量保持船體處于正浮狀態(tài)，如不能滿足正浮狀態(tài)則要求橫傾角不超過3°[5-6]，以防起吊時貨物搖晃以及克令吊自我保護(hù)而停止工作。當(dāng)發(fā)現(xiàn)橫傾過大時，可采用調(diào)撥壓載水方法(此法比單邊壓載或排放速度快2倍，目前，重大件船舶都設(shè)有專門的調(diào)平邊柜)對船舶進(jìn)行調(diào)平。另外，重大件雜貨船一般都有二層柜，也可利用閑置的克令吊吊起一塊“旁通”在反方向?qū)Υ皺M傾進(jìn)行調(diào)整，能否完全調(diào)平取決于吊裝大件時引起的橫傾角大小和吊起一塊“旁通”引起的橫傾角大小進(jìn)行比較。

2.3.1調(diào)撥壓載水法

調(diào)撥壓載水法由于能夠快速將船舶調(diào)平，在重大件船舶上廣泛應(yīng)用，前提是船方要提前計算好需要的調(diào)撥壓載水量，把左右調(diào)平邊柜的水按需備好。防止調(diào)平時某邊柜的壓載水不夠而另一邊柜的壓載水已滿溢出。需要調(diào)撥的最大壓載水質(zhì)量的表達(dá)

式為

(7)

式(7)中：Sy為壓載水轉(zhuǎn)移的橫向距離。

2.3.2反向吊起“旁通”法

目前，還沒有相關(guān)文獻(xiàn)提到使用反向吊起“旁通”法調(diào)整船舶橫傾，但在實際工作中卻有使用此方法。該方法只針對配有“旁通”的二層柜船舶，可減小橫傾角度甚至調(diào)平船舶，操作方便。根據(jù)有關(guān)船舶原理知識，吊起船舶內(nèi)的“旁通”相當(dāng)于卸載一件貨物但沒落地，此時必然引起船舶橫傾，這個橫傾角度和船舶吊裝重大件產(chǎn)生的橫傾角度相反，可使整個船舶的橫傾減小以便滿足要求。但是，需要注意的是船內(nèi)吊起“旁通”時，也會引起的船舶穩(wěn)性進(jìn)一步減小。其減少量δGM′的計算式為

(8)

船內(nèi)吊起“旁通”時引起的橫傾角的表達(dá)式為

(9)

式(8)和(9)中：PT為“旁通”的重量；p′為該吊頂部距基線距離;zPT為“旁通”初始的垂向坐標(biāo)值;P為貨重。當(dāng)α取最小值(吊臂的水平限位仰角)，β為90°時，產(chǎn)生最大的抑制橫傾角。

3 實船計算及聯(lián)吊操作

3.1 穩(wěn)性計算和橫傾角計算

以“黃海開拓”船某航次為例，相關(guān)船舶參數(shù)見表1。克令吊技術(shù)參數(shù)見表2。

表1 “黃海開拓”船舶資料

某航次裝運盾構(gòu)機，單件貨重135 t，由于貨物自身兩吊點距離不足4 m，故采用橫梁增長兩克令吊吊點距離，橫梁自重20 t，采用1號和2號克令吊聯(lián)吊操作將貨吊起，將貨物裝于2艙二層柜，相關(guān)穩(wěn)性和橫傾角計算示意如圖3所示。計算過程中需要的一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表3。在實際工作中，只要計算吊裝過程中船舶最小穩(wěn)心值大于該排水量對應(yīng)的穩(wěn)心值即滿足要求，計算最大橫傾角以便給出相應(yīng)調(diào)平措施。極限穩(wěn)性值見表4。

表2 “黃海開拓”船克令吊技術(shù)參數(shù)

表3 計算所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

把相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(1)中可得穩(wěn)心最大減小值為

δGM=0.55 m

(10)

船舶起吊過程中的最小初穩(wěn)心值為

hGM1=hGM-δGM=2.35 m

(11)

由表4可知:在該排水量下船舶極限穩(wěn)心值為2.1 m，滿足要求。

把相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(6)中可得吊裝過程中最大橫傾角為

θ=6.6°

(12)

3.2 調(diào)平船舶橫傾計算

把相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(7)中可得將船調(diào)平需要從

表4 “黃海開拓”船穩(wěn)心極限值

NO4艙左邊柜調(diào)駁右邊柜的最大壓載水量為

S=190 t

(13)

把相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(8)中可得用3號吊反向吊起一塊“旁通”還會使船舶減小的初穩(wěn)心值為

δGM′=0.20 m

(14)

此時，船舶的最小穩(wěn)心值為

hGM2=hGM1-δGM′=2.15 m

(15)

產(chǎn)生的反向最大抑制橫傾角為

φ=2.2°

(16)

由上述可知：本次反向吊起“旁通”操作并不能將船調(diào)整至橫傾3°內(nèi)，但是若貨重減少或排水量減少可將船舶調(diào)至橫傾3°內(nèi)，甚至調(diào)平。

3.3 聯(lián)吊操作

本件貨物采用聯(lián)吊吊裝將其裝船。起吊前最重要的第一步就是要保證連接克令吊鉤頭和橫梁的吊貨鋼絲(或吊帶)受力均勻、鉤頭要在各自橫梁吊點的正上方。否則在貨物剛吊離地面時，會加劇重大件貨物的晃蕩?？刹扇∪缦罗k法調(diào)整鉤頭位置：先絞起鉤頭，注意觀察，讓吊貨鋼絲(或吊帶)受力，不要直接吊起貨物，否則會發(fā)生嚴(yán)重事故。然后快速落鉤頭，若發(fā)現(xiàn)鉤頭不是垂直下落而是向某一方向偏轉(zhuǎn)，則說明鉤頭位置不正，應(yīng)向鉤頭偏轉(zhuǎn)方向的反方向調(diào)整。如此反復(fù)，直至將鉤頭調(diào)整至橫梁吊點的正上方。

吊裝時應(yīng)先讓兩克令鋼絲慢慢受力，當(dāng)克令吊鋼絲繩受力達(dá)到貨重的1/2時，操吊人員應(yīng)告知地面指揮人員，之后鋼絲繩受力每增加10 t報告一次。當(dāng)船舶橫傾接近2.5°時，克令吊應(yīng)停止絞鋼絲繩，駕駛員開始將NO4艙左邊柜壓載水調(diào)撥至右邊柜，隨著壓載水調(diào)撥，船舶左傾慢慢減小，鋼絲繩受力繼續(xù)增大，當(dāng)壓載水調(diào)撥至貨物離開地面時，壓載水停止操作，此時吊貨鋼絲繩受力最大，船舶保持平衡。貨物離地后，繼續(xù)絞鋼絲繩將貨物抬高到艙口圍以上約0.5 m，隨后將1號吊吊臂左轉(zhuǎn)(左右以操吊人員在操控室為基準(zhǔn))見圖4，2號吊追隨1號吊左轉(zhuǎn)，當(dāng)1號吊鉤頭到達(dá)A位時，2號吊吊臂開始右轉(zhuǎn)，1號吊繼續(xù)左轉(zhuǎn)，當(dāng)1號吊鉤頭達(dá)到B位置時，2號吊鉤頭到達(dá)C位置時，為把重大件裝在指定位置，對1號吊右轉(zhuǎn)再趴臂，2號吊趴臂。當(dāng)橫梁越過左側(cè)船舷向船內(nèi)移動時，船舶會慢慢變?yōu)橛覂A，此時視情況將NO4右邊柜壓載水向左邊柜調(diào)駁，保證船舶的橫傾在可接受范圍之內(nèi)。盡管目前多功能雜貨船都配有自動調(diào)平功能，但一般只在裝卸集裝箱時使用該功能，因為裝卸重大件貨物時使用自動調(diào)平功能會使指揮人員失去對船舶態(tài)勢的判斷。

圖4 聯(lián)吊吊裝示意

吊裝過程應(yīng)防止兩吊吊臂形成“內(nèi)八字”或“外八字”造成對吊貨鋼絲斜拉，此外還應(yīng)保持橫梁水平方向不能有傾斜，否則的話應(yīng)該采取相應(yīng)措施進(jìn)行調(diào)整。該件貨物實船吊裝圖見圖5。

4 結(jié)束語

為確保重大件的安全吊裝，必須正確組裝吊裝索具并選擇好索具的安全負(fù)荷，掌握吊裝過程中對船舶穩(wěn)性和橫傾的影響規(guī)律，以便采取切實可行的措施。利用文中的方法，可求得吊裝過程中任意時刻船舶的穩(wěn)心值和橫傾角大小，并算出需調(diào)撥的壓載水量和反向吊起“旁通”可抑制的橫傾角大小。聯(lián)吊吊裝具體操作程序和吊裝過程中壓載水操作程序?qū)Υ瑔T具有一定的實踐指導(dǎo)意義。

圖5 實船聯(lián)吊吊裝圖