7 500 t起重船压载舱的优化研究

张茴栋 何炎平 李洪亮

上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海 200240

7 500 t起重船压载舱的优化研究

张茴栋 何炎平 李洪亮

上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海 200240

针对7500吨起重船的作业进行了简单的受力分析，并且对原起重船压载舱的特点进行了详细的总结。结合实际经验和相关理论，对原起重船的压载舱提出了四套改进方案，选取四种典型的工况，采用传统的多方案比较方法，从总压载量和压载水的调拨量两个主要方面进行综合评价，得出最优的压载方案。最后，总结了起重船压载舱优化的一些规律。

起重船；压载舱；优化；多方案比较

1 引 言

随着海洋石油开发、大型海上工程和海滩救助事业的发展，大型起重船作为不可缺少的工程船舶，近几十年来有了长足的发展。在我国，开展海上平台的吊装、海上平台的拆卸、大型桥梁工程的建设和沉船的快速打捞等工程的施工时，最主要的装备就是大型起重船。

起重船的发展已经日趋大型化，目前国内装设的起重机最大单机起重量为7 500 t。然而，大型起重船工作时，起吊重物产生的倾斜力矩，会对浮态［1］产生很大的影响，静横倾角可以达到 7°～8°，甚至更大。为了使船舶处于安全浮态，必须在反向加载大量的压载水以抵消起吊重物时所产生的倾斜力矩。回转起重机在船的两舷带载回转时，巨大的倾斜力矩在短时间内突然反向，原来的压载水也必须迅速地反向调载，否则会造成船舶倾斜加剧，并使回转机构处于下坡运转的状态，这将是非常危险的。为了能够实现迅速的调载［2］，合理地布置起重船的压载舱就成为其关键因素之一。

2 起重船受力的简单分析

7 500 t回转起重船的作业有两种形式：固定起吊和回转起吊。综合分析所有工况，可以将作业分为三大过程：起吊与卸载重物、变幅运动和回转运动。

起重船的起吊和卸载瞬间是船体稳性变化最大的时刻。此时，船体的重心会瞬间发生移动，并且重心的偏移轨迹是一条直线。为了减缓重心的偏移，一方面可以进行预压载，另一方面起重船会尽量减缓起吊和卸货的速度，并利用相关措施使得载荷逐步加上或卸掉，从而增加压载水的调拨时间，减缓重心偏移对全船总体性能的冲击。

起重船的变幅运动主要通过改变吊臂的俯仰角度来实现。图1所示为一个简化的起重船的受力示意图。

图中，G表示起吊重物重量；Mg表示起吊重物时产生的倾斜力矩；W表示压载水的重量；Mw表示压载水产生的复原力矩；ΔF表示浮力的增加量；ΔMf表示船体倾斜时自身所产生的复原力矩。

当起重船起吊重量为G的重物做变幅运动时，吊臂和重物会产生一个大小为Mg的倾斜力矩，如果不加压载水，仅靠船体自身发生倾斜来实现平衡，则有如下平衡关系：

然而由于船体倾斜的角度有一定的限制，并且起吊的重物重量较大，因此很难依靠船体自身实现上述平衡，必须反向加载大量的压载水来调节船体浮态，因而有下面新的平衡关系：

起重船做回转运动时，回转的运动轨迹与吊臂幅度和转动角度有关，通常情况下，吊臂幅度在回转过程中保持不变。回转运动示意图如图2所示。

当在任意θ位置处转动Δθ角度时，在纵向位置上，载荷的位移为Δx，在横向位置上，载荷的位移为Δy。

假设起重船在回转过程中一直处于正浮状态，吊臂幅度为L，起吊载荷为G。由于只做简单的定性分析，因此忽略吊臂的影响，实际计算时必须考虑吊臂重量在各个转角处所产生的倾斜力矩。此时，纵向倾斜力矩和横向倾斜力矩的变化分别为：

显然，回转过程中起重船的倾斜力矩在不断地变化。在各个转角处，吊臂每转过一度，倾斜力矩变化量的大小可如图3所示。

由图可见，在－45°～45°，横倾力矩的变化较大，鉴于船体对横倾的敏感性，在分析回转起吊的压载量时，角度间隔的步长应该较小，可取5°，而其他范围的角度间隔步长可取10°。

3 原船方案的分析

1）原船压载舱按其所在位置可分为四类：顶边压载舱、边压载舱、中压载舱和尾部压载舱。

2）顶边压载舱：对称分布在起重船两侧的边上，每侧7个，总计14个，起重船调节浮态的关键舱室之一。由于此部分结构为改装后新增加的部分，受到位置和原船结构的影响，在布置上，唯一可改进的地方是改变每个舱室的容积，但这会增加改造成本和管道布置的难度，因此，可改进和提升的空间较小。

3）边压载舱：对称分布在起重船的两侧，每侧6个，总计12个，起重船调节浮态的主要舱室之一。边压载舱的舱室尺寸较大，约为18 m×10 m×20 m，并且与双层底相通。此种布置的优点是舱室较少，结构简单，对于管道的要求较低。缺点是如此深的压载舱对舱壁结构提出了较高的要求；边压载舱的形状不利于实现高速精确的配载，也就更难实现自动化控制。

4）中压载舱：对称分布在船中两侧，每边2个，总计4个。尽管中压载舱调节横倾的作用不如边压载舱和顶边压载舱那么明显，但是由于其位置偏于船中，调拨压载水的距离较短，在快速调节纵倾时会发挥重要作用。饮用水舱和燃油舱也分布在中压载舱的位置上，可以考虑布置到其他空置的地方，因此，中压载舱仍有进一步改进的空间。

5）尾部压载舱：容积较小，总计2个，一个处于双层底里，另外一个位于第二层甲板下面，对于控制螺旋桨的吃水和调节纵倾有着重要的作用，鉴于其大小和数量的限制，改进的空间不是很大。

6）空仓：压载舱与起重机之间有一个很大的3号空仓，可以考虑进一步的利用。船中1号空仓的布置比较合理，用来安装压载系统的管道，便于维修与保养。

4 多方案比较分析法

4.1 定 义

对于大型起重船压载舱的优化，目前国内并没有多少研究，国外的技术也属于各公司的内部资料，未予公开。因此，本论文采用了一种传统的分析方法——多方案比较分析法，即以原船的压载舱为基础，根据实际经验和相关船舶原理，提出几套改进的方案，然后综合比较压载舱在不同工况下的工作效率，从而选出最佳方案。此方法的优点是优化速度较快，可操纵性和经济性较好，对原船的结构改动较小，同时可以探索出起重船压载舱的一些规律，为开展更深入的研究打下基础；缺点是很难求得全局最优解，改进的方案并不一定都合理，对经验的依赖性较大。

4.2 改进的原则

1）以原船结构为基础，按照原有的舱室布置进行进一步的改进。否则，改造的经济成本会过高，舱室结构强度、甚至整船的强度都需要重新计算。

2）适当增加压载舱的数量，减小压载舱的容积，从而实现精确调配压载水。

3）修改压载舱时要考虑非压载舱的影响，同时注意压载舱位置的限制，避免做复杂的设计，增加施工的难度。

4）设计压载舱时还要考虑管道安装的问题［3-5］，要留有足够的空间来安装管路，同时尽量缩短调拨距离和节约能源，本着“能实现重力调拨，就不要水泵调拨；能利用水泵调拨，就不要压缩空气”的原则来设计压载舱的大小和位置。

5）优化时，可以分别从纵向、横向和垂向三个方向上依次对压载舱进行分析［6］，充分利用空置的空间来盛放燃油和淡水，但是，前提要保证其总容量大小不变，否则会出现饮用水或燃油不足的情况。

4.3 改进的方案

依据原船压载舱的特点，按照上面所述的优化原则，可以提出4种改进的方案，具体的舱室布置如图4～图7所示。

5 评价方案

针对原船方案和上述改进的方案，选取四种典型的工况，利用芬兰纳帕公司的NAPA软件，求得每个工况下，起重船横倾角小于0.2°、纵倾小于0.01 m时的压载数据，然后再利用EXCEL和相关数学公式进行处理，最后得到各个方案的压载舱的评价参数，从而找出合理的改进方案和改进规律。

5.1 固定起吊

在船首固定起吊重物时，起重船的最大起吊能力为7 500 t，此时起吊幅度为35～45 m。选取满载和空载（消耗液体为20%）两种典型的装载状态［7］，比较此时起重船压载舱作业的参数。总压载量与幅度变化的关系如图8所示。

为了清楚地比较各个方案，对压载水调拨量的变化采用了数理统计的方法进行处理，得到的结果如表1和表2所示。

通过分析，得出以下结构：固定起吊时，各个方案的总压载量与起重船的装载状态有关；改进舱室时，将部分消耗液体舱向船首方向平移一段距离的做法在此时并不适用。

5.2 回转起吊

表1 满载时起吊7 500 t调拨量变化统计表

表2 空载时起吊7 500 t调拨量变化统计表

起重船回转起吊时，最大起吊能力为4 000 t，起吊幅度为40 m，仍然选取满载和空载这两种典型的装载状态，计算左旋起吊重物后，顺时针旋转180°时各个方案的总压载量和压载水的调拨量。总压载量与转角变化的关系如图9所示。

同样，对回转起吊时压载水的调拨量的变化进行数理统计，得到的结果如表4和表5所示。

表3 满载时回转起吊4 000 t调拨量变化统计表

表4 空载时回转起吊4 000 t调拨量变化统计表

通过分析，得出以下结论：回转起吊时，起重船的总压载量随转角的改变而呈现波峰状变化；各个方案的总压载量与起重船的装载状态有关；为利用空舱而向船首平移消耗液体舱的做法此时也不合适；所有方案的波峰位置都在±60°处，这表明各个方案的压载舱在此转角处均未能实现总压载量的优化，原因在于长方体压载舱的长度尺寸仍然过大。

5.3 评价指标的综合

对于多目标多方案的比较问题，为了综合评价改进方案的效果，可以引进工程决策理论中的处理方法进行数学建模［8］，其公式为：

式中，i表示各个方案；j表示各个评价指标；wj表示评价指标的权重，可全取0.2；yijmax表示第i个方案中第j个指标的最大值；yijmin表示第i个方案中第j个指标的最小值。

通过对表（1）～表（4）中的指标值进行计算，得到的综合评价指数如表5所示。

表5 综合评价指数表

比较两种工况下的综合评价指数可知：方案四优化了原船的压载舱，方案2和3则远不如原船的压载舱布置，方案1则略逊于原船压载舱布置方案。

6 结 论

在典型的工况下，通过对原船方案和四种改进方案进行比较分析，可以得出压载舱优化时的一些规律［9，10］：

1）为充分利用船首的空舱，而向首部平移消耗液体舱，进而增加压载舱的方法，对于7 500 t起重船并不很适用。

2）压载舱的优化主要分为横向舱壁的优化和纵向舱壁的优化，鉴于多方案比较法的特性和改动原船横向舱壁会导致工程较大的原因，横向舱壁的优化空间非常小，但是对于纵向舱壁，通过简单的修改，便会取得很好的效果。

3）为了节约能源，可以利用重力实现压载水的调拨，因此要对压载舱进行分层，但是管道数量会因此增加。

4）5个指标的综合评价指数可以很好地反映压载舱的整体性能，但是这与各种指标的权重选取有很大关系。

5）当各个方案的优化效果相差不大时，合理的管道布置将会进一步改进压载系统的效率。

6）若要进一步优化压载舱，需要大规模地修改原起重船的结构，这对于改装船并不很实用。

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Optimization of Ballast Tanks for 7500t Floating Crane

Zhang Hui－dong He Yan－ping Li Hong－liang
State Key Laboratory of Marine Eng， Shanghai Jiaotong Univ， Shanghai 200240， China

A simple stress analysis is performed on a 7500 tfloating crane and the features of its original ballast tanks are elaborated.By combining the practical experience with relevant theory， four sets of innovative schemes are proposed to improve the ballast tank of the floating crane vessel.Using conventional method to compare multiple schemes，four typical working conditions are selected to evaluate the four schemes from two aspects， the total ballast load and the ballast water adjustment.And then the best scheme is picked up.In the end， rules on the optimization of the ballast tank of a floating crane are summarized.

floating crane； ballast tank； optimization； multi－program conparison

U662.3

A

1673－3185（2010）02－49－06

2009－08-03

2007年度国家科技支撑计划，7500吨海上起重装备浮吊关键技术研究（2007BAF10B02）

2007年度国家（重点）实验室专项经费，大型全回转浮吊船体设计关键技术研究（GKZD010019）

张茴栋（1984－），男，硕士研究生。研究方向：船舶与海洋结构物设计制造。E-mail：zhanghd2740＠163.com

何炎平（1971－ ），男，副教授，硕士生导师。 研究方向：船舶与海洋工程。E-mail：hyp110＠ sjtu.edu.cn