王超 張巖 王南海

摘 要：重大件貨物在海上運(yùn)輸途中須進(jìn)行綁扎固定，避免其受船體運(yùn)動(dòng)傾覆力的影響而發(fā)生位移或翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，造成貨物損毀。在海上運(yùn)輸途中，貨物的傾覆穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用，其校核結(jié)果直接關(guān)系到整個(gè)運(yùn)輸方案的可行性與否。本文結(jié)合DNV和ABS船級(jí)社規(guī)范，闡述了重大件貨物海上運(yùn)輸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性校核的計(jì)算方法與過(guò)程，為運(yùn)輸方案的前期設(shè)計(jì)提供了理論數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：重大件貨物;海上運(yùn)輸;傾覆力;穩(wěn)定性校核

中圖分類號(hào)：U698? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）11-0041-03

船舶在海上運(yùn)輸途中，會(huì)受到風(fēng)浪等環(huán)境載荷的作用產(chǎn)生搖蕩運(yùn)動(dòng)，其甲板上方載運(yùn)的貨物，比如導(dǎo)管架、上部模塊，或者大型浮式工程船，會(huì)隨著船舶一起運(yùn)動(dòng)，從而受到加速度產(chǎn)生的慣性載荷的作用。同時(shí)，外部環(huán)境風(fēng)也會(huì)作用到貨物上，從而產(chǎn)生風(fēng)壓作用力。所以，海上運(yùn)輸?shù)呢浳镄枰M(jìn)行系固。這樣可以避免貨物受船體運(yùn)動(dòng)傾覆力的影響而發(fā)生傾覆，甚至毀壞，同時(shí)也可以避免貨物墜入海中導(dǎo)致貨物的損失[4]。

本文的目的在于參考以往已經(jīng)實(shí)施的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)根據(jù)挪威船級(jí)社（DNV）和美國(guó)船級(jí)社（ABS）的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等要求，對(duì)重大件貨物海上運(yùn)輸傾覆穩(wěn)定性校核的規(guī)范計(jì)算方法和步驟作簡(jiǎn)單介紹。

1貨物傾覆穩(wěn)定性校核方法

1.1常規(guī)貨物

導(dǎo)管架、上部模塊等常規(guī)貨物，其底部支撐結(jié)構(gòu)面積較小，且結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相對(duì)較弱，為避免海上運(yùn)輸途中的傾覆，通常使用焊接斜拉筋和筋板的方式進(jìn)行綁扎固定。對(duì)于此類型貨物的傾覆穩(wěn)定性及固定結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)，可以使用海洋工程專業(yè)計(jì)算軟件進(jìn)行直接計(jì)算。

1.2重大件貨物（大型工程船等浮體貨物）

對(duì)于重大件貨物而言，其結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)和使用方式，直接決定了與常規(guī)貨物的綁扎固定方式的不同：

（1）綁扎固定結(jié)構(gòu)與貨物之間，盡量減少焊接，或者不焊接;

（2）貨物綁扎固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，不考慮由于船舶橫搖和縱搖產(chǎn)生的慣性力彎矩因素，固定結(jié)構(gòu)只允許承受單方向的正壓力;

（3）貨物底部直接由固定在載運(yùn)船舶甲板的枕木支撐，在垂直方向上不設(shè)計(jì)固定結(jié)構(gòu)。

綜合考慮上述3個(gè)方面的因素影響，重大件貨物海上運(yùn)輸傾覆穩(wěn)定性不能使用軟件直接計(jì)算得到，則需要使用規(guī)范計(jì)算方法和步驟進(jìn)行校核。

2 重大件貨物傾覆穩(wěn)定性校核步驟

重大件貨物和運(yùn)載船舶是兩個(gè)獨(dú)立分開(kāi)的個(gè)體，固定結(jié)構(gòu)只是限制貨物的水平運(yùn)動(dòng)。對(duì)于重大件貨物的傾覆穩(wěn)定性而言，通常更關(guān)注在船舶橫向的傾覆穩(wěn)定性;而在船舶長(zhǎng)度方向，其縱搖運(yùn)動(dòng)較小，貨物在此方向發(fā)生傾覆的可能性更小。當(dāng)船舶發(fā)生橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)，貨物在慣性力和風(fēng)載荷的作用下，會(huì)產(chǎn)生橫向傾覆的趨勢(shì)。如圖1顯示了重大件貨物與運(yùn)載船舶之間的相對(duì)關(guān)系。

圖中，VCG：貨物重心至枕木上表面的垂直距離;L1：貨物重心至傾覆支點(diǎn)的水平距離，即貨物回復(fù)力臂。

圖1中所示各個(gè)部分，對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

（1）傾覆支點(diǎn)通常定義在貨物底部與枕木上表面接觸處;

（2）固定結(jié)構(gòu)焊接在運(yùn)載船舶甲板上方，且與貨物兩側(cè)不焊接;

（3）枕木固定材料使用鋼質(zhì)扁鐵，并焊接固定至運(yùn)載船舶甲板上。

貨物的側(cè)向傾覆穩(wěn)定性校核，需同時(shí)考慮風(fēng)載荷彎矩、風(fēng)傾載荷彎矩，以及由于船舶運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力載荷彎矩的迭加影響。慣性力載荷主要包括三個(gè)部分：橫蕩加速度產(chǎn)生的慣性載荷、橫搖加速度產(chǎn)生的慣性載荷、垂蕩加速度產(chǎn)生的慣性載荷。

2.1風(fēng)載荷彎矩

參考ABS船級(jí)社的相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，貨物受到的環(huán)境風(fēng)速，以距離海平面以上15.3m處為基準(zhǔn)面。此外，風(fēng)載荷計(jì)算時(shí)，以下兩種風(fēng)速需要同時(shí)考慮[2]：

（1）持續(xù)時(shí)間為1小時(shí)的平均風(fēng)速;

（2）持續(xù)時(shí)間為1分鐘的陣風(fēng)風(fēng)速。

目前，ABS規(guī)范給出風(fēng)壓計(jì)算公式[2-3]：

其中，：貨物結(jié)構(gòu)件的形狀系數(shù);：貨物結(jié)構(gòu)件的高度系數(shù);A：貨物結(jié)構(gòu)件在迎風(fēng)向的投影面積;：設(shè)計(jì)計(jì)算風(fēng)速。

對(duì)于公式（1）中涉及到的貨物結(jié)構(gòu)件的形狀和高度系數(shù)，參照美國(guó)船級(jí)社規(guī)范第3節(jié)相關(guān)內(nèi)容的規(guī)定和建議，對(duì)貨物結(jié)構(gòu)進(jìn)行分塊取值，通過(guò)上述公式對(duì)各個(gè)分塊進(jìn)行風(fēng)載荷的計(jì)算;然后，將各個(gè)分塊的風(fēng)載荷進(jìn)行迭代求和計(jì)算，進(jìn)而得到所需要的重大件貨物所受到的風(fēng)載荷。

所以，作用至重大件貨物底部枕木上表面處的風(fēng)載荷彎矩計(jì)算為：

2.2風(fēng)傾載荷彎矩

重大件貨物在海上運(yùn)輸過(guò)程中，運(yùn)輸船舶與貨物整體受到風(fēng)載荷的作用時(shí)，在船舶橫向會(huì)發(fā)生一個(gè)很小角度的傾斜。此橫傾角可以通過(guò)專業(yè)的水動(dòng)力軟件MOSES計(jì)算得到;計(jì)算橫傾角時(shí)，同時(shí)考慮了2.1章節(jié)規(guī)定的兩種風(fēng)速。

當(dāng)重大件貨物和運(yùn)輸船舶整體出現(xiàn)橫傾角時(shí)，貨物的重量在船舶橫向上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與運(yùn)輸船舶甲板平行的分量。此分量即為風(fēng)傾載荷：

2.3慣性載荷彎矩

計(jì)算重大件貨物的慣性載荷方法，其過(guò)程與常規(guī)海上結(jié)構(gòu)物運(yùn)輸類似：首先使用水動(dòng)力計(jì)算軟件MOSES計(jì)算得到由于船舶運(yùn)動(dòng)在貨物重心處的6個(gè)自由度的最大加速度：橫蕩、縱蕩、垂蕩、橫搖、縱搖和首搖;然后，將橫搖角加速度和橫蕩加速度產(chǎn)生的慣性載荷，計(jì)算得到其作用至枕木上表面處的彎矩。

2.4貨物傾覆彎矩

使用上述計(jì)算得到的重大件貨物受到的風(fēng)載荷彎矩、風(fēng)傾載荷彎矩和慣性載荷彎矩結(jié)果，參考挪威船級(jí)社規(guī)范，將各個(gè)載荷參考公式進(jìn)行迭加計(jì)算，進(jìn)行求解貨物傾覆彎矩，其計(jì)算公式如下[1]：

2.5貨物傾覆力臂計(jì)算

貨物在傾覆彎矩作用下，會(huì)發(fā)生橫向傾覆的趨勢(shì)，其傾覆力臂按照如下公式計(jì)算：

2.6貨物傾覆穩(wěn)定性校核

將計(jì)算得到的貨物傾覆力臂L2與回復(fù)力臂L1做比值，即

根據(jù)上述比值的大小，可以對(duì)貨物在海上運(yùn)輸途中是否會(huì)發(fā)生傾覆，進(jìn)行定量分析校核。貨物傾覆穩(wěn)定性的校核衡準(zhǔn)，如下所示：

（1）當(dāng)時(shí)，貨物會(huì)發(fā)生傾覆;

（2）當(dāng)時(shí)，貨物不會(huì)發(fā)生傾覆。

3 結(jié)論

本文基于實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，介紹了重大件貨物海上運(yùn)輸傾覆穩(wěn)定性校核的計(jì)算流程。此計(jì)算流程所涉及到的分析較多，包括風(fēng)載荷彎矩、風(fēng)傾載荷彎矩、慣性載荷彎矩、貨物傾覆彎矩和貨物傾覆力臂的求解過(guò)程，上述各個(gè)載荷之間是彼此聯(lián)系，并且是逐級(jí)來(lái)進(jìn)行計(jì)算的;此設(shè)計(jì)流程引用的船級(jí)社規(guī)范也比較多，用到了美國(guó)船級(jí)社（ABS）相關(guān)海洋工程規(guī)范，同時(shí)也涉及到了浮體貨物海上運(yùn)輸方案設(shè)計(jì)的挪威船級(jí)社（DNV）規(guī)范。此外，此設(shè)計(jì)流程也涉及到水動(dòng)力理論的應(yīng)用，水動(dòng)力計(jì)算使用到了專業(yè)計(jì)算軟件MOSES的輔助，同時(shí)應(yīng)用了理論力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)的專業(yè)知識(shí)。

此重大件貨物海上運(yùn)輸傾覆穩(wěn)定性校核方法，經(jīng)過(guò)了實(shí)際項(xiàng)目的驗(yàn)證，其計(jì)算方法和步驟是可行且有效的。貨物傾覆穩(wěn)定性的校核結(jié)果，是貨物海上運(yùn)輸方案是否可行的前提，為運(yùn)輸方案的具體實(shí)施提供了理論數(shù)據(jù)支持，同時(shí)保證了海上運(yùn)輸?shù)陌踩浴?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1] Det Norske Veritas， 0030/ND Guidelines for Marine Transportations.

[2] American Bureau of Shipping， Rules for Building and Classification of Mobile Offshore Drilling Units[S]， 2017.

[3] 潘斌，苑金民.作用在海洋移動(dòng)式平臺(tái)上的風(fēng)載荷[J].海洋工程，1997，15（2）：32-37.

[4] 汪驥，王兆麒，李瑞，劉玉君，宋宜倫.重大件貨物系固綁扎方案中傾覆力計(jì)算方法[J].造船技術(shù)，2016年第6期.