5 000 t起重船稳性衡准研究及NAPA宏命令应用

阎 岩， 王文杰

(上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135)

0 引 言

起重船是用来完成水上起重、吊装等作业的专业工程船，为保证其在复杂作业工况下的安全性，必须使其具有良好的稳性。本文结合某入级中国船级社的5 000 t浮式非自航起重船，研究其在作业、避风和拖航状态下的稳性衡准，利用NAPA软件建立模型并进行稳性计算；同时，利用NAPA软件的宏命令对起重船在不同状态下的稳性衡准进行编制，并对完整稳性进行校核。

1 概 述

该船为具有可仰俯、固定式起重臂架的大型非自航浮吊船，起重机臂架设置在船首，船体为钢质、单壳、单甲板的箱型船体,适于在近海、沿海和港口等水域吊装各类大型重件或大型水工构件，固定吊载时最大吊重为5 000 t(弦外50 m)，最大吊高约为110 m(距水面)。完整稳性衡准应使起重船在任何状态下都有足够的稳性储备，保证其在全寿命期内的安全性，其中保证起重船在作业状态下的稳性尤为重要。该船在作业状态下的稳性按照中华人民共和国海事局《船舶与海上设施法定检验规则》中的《国内航行海船法定检验技术规则(2011)》[1]校核。

该船属于工程船，其完整稳性衡准通常由各船级社自行规定，船宽与吃水的比值B/d通常大于2.5，横摇角按照国际海事组织(International Maritime Organization, IMO)《2008 IS CODE》[2]中给出的计算公式计算所得结果往往很大，最大复原力臂下的对应角很小，不满足规范的要求。对此，经主管机关批准，决定采用《国内航行海船法定检验技术规则(2011)》第7章第3.10.9节规定的起重船横摇角计算公式作为替代。该船在拖航工况下的稳性衡准按照《2008 IS CODE》校核，其中横摇角计算公式采用《国内航行海船法定检验技术规则(2011)》规定的起重船横摇角计算公式。该船的总布置图见图1。

图1 5 000 t起重船总布置图

2 起重船稳性衡准分析

2.1 起重船在作业状态下的稳性衡准分析

《国内航行海船法定检验技术规则(2011)》第7章第3.10.6节规定起重船作业状态稳性应满足以下要求。

1) 初稳性高度hGM满足

(1)

式(1)中:hGM为所核算装载工况下的初稳性高度，计及吊重和自由液面对初稳性高度的影响，m；Mf为起重船承受的风压倾侧力矩，kN·m;Mh为起重机起吊荷重倾侧力矩，kN·m；MI为船舶不对称装载倾侧力矩，kN·m；θC为起重船允许的极限静倾角，(°)；Δ为排水量，t。

2) 稳性衡准数Kc满足

(2)

式(2)中:Lq为最小倾复力臂(不计横摇角)，m；Lf为风压倾侧力臂，m。

本文以供应品和燃料充足的情况下最大起吊5 000 t重物，吊臂超出舷外50 m时的作业状态为例进行NAPA宏命令编辑计算，校核稳性衡准，结果见表1。

表1 起重船在作业状态下的稳性校核结果

2.2 起重船在避风状态下的稳性衡准分析

《国内航行海船法定检验技术规则(2011)》第7章第3.10.7节规定起重船在避风状态下的稳性应满足以下要求。

1) 初稳性高度hGM满足

(3)

式(3)中:hGM为所核算装载工况下的初稳性高度,计及自由液面对初稳性高度的影响，m；Mf为起重船承受的风压倾侧力矩, kN·m；MI为船舶不对称装载倾侧力矩, kN·m；θC为起重船允许的极限静倾角，(°)；Δ为排水量，t。

2) 稳性衡准数Kc满足

(4)

式(4)中：Lq为最小倾覆力臂(不计横摇角)，m；Lf为风压倾侧力臂，m。

本文以供应品和燃料充足的情况下吊臂仰角为40.2°时的避风状态为例进行NAPA宏命令编辑计算，校核稳性衡准，结果见表2。

表2 避风状态下的稳性校核结果

2.3 起重船在拖航状态下的稳性衡准分析

考虑到船舶航行时起重机臂架的运动承受能力，该船在特定气象条件下的近海航区拖航，可参照《2008 IS CODE》 来衡定其在拖航状态下的稳性。由于《2008 IS CODE》中的A部分第2章第2.3.4节中给出的横摇角计算公式对该船不适用(B/d=8.76，不满足小于3.5的要求)，按照第2.3.5节的要求，经与主管机关协商，最后采用《国内航行海船法定检验技术规则2011》第7章第3.10.9节规定的起重船横摇角计算公式作为替代。

2.3.1 复原力臂曲线特性衡准

根据《2008 IS CODE》 A部分第2章第2节的要求：

1) 复原力臂曲线(GZ曲线)下的面积在横倾角θ≤30°时应大于等于0.055 m·rad，在横倾角θ≤40°或进水角θf≤40°时应大于等于0.09 m·rad。此外，当横倾角在30°～40°或30°～θf，而θf≤40°时，复原力臂曲线(GZ曲线)下的面积应大于等于0.03 m·rad。

2) 当横倾角θ≥30°时，复原力臂(GZ)至少为0.2 m。

3) 最大复原力臂应在横倾角θ≥25°时出现。若这样要求不现实，经主管机关批准，适用基于等效安全水平的替代衡准。

4) 初始稳心高度hGM0应大于等于0.15 m。

2.3.2 复原力臂曲线特性衡准

根据IMO海上安全委员会MSC.1/Circ.1281对《2008 IS CODE》的补充说明，对于B/d≥2.5的某些特殊船舶，主管机关可应用以下替代衡准：

1) 最大复原力臂(GZ)应在横倾角θ≥15°时出现。

2) 对于复原力臂曲线(GZ曲线)下的面积，当最大复原力臂(GZ)在横倾角θ=15°时出现时，在横倾角θ≤15°时应大于等于0.07 m·rad；当最大复原力臂(GZ)在横倾角θ=30°时出现时，在横倾角θ≤30°时应大于等于0.055 m·rad；当最大复原力臂(GZ)在横倾角θ∈(15°，30°)时出现时，复原力臂曲线下的面积应为0.05+0.001(30°-φmax)m·rad。

2.3.3 突风与横摇衡准(气象衡准)

《2008 IS CODE》A部分第2章第2.3节规定：

1) 船舶受到垂直于船舶中心线的稳定风压的作用，产生稳定风倾侧力臂(Lw1)。

2) 假定船舶在波浪的作用下由平衡角(θ0)迎风横摇至横摇角(θ1)。船舶在稳定风的作用下产生的横倾角(θ0)不应超过16°或甲板缘淹没角的80%，取小者。

3) 使船舶受到阵风压力的作用，产生阵风倾侧力臂(Lw2)。

4) 在这些情况下，b区域应大于等于a区域(见图2)。

图2 突风和横摇

本文以供应品和燃料充足的情况下吊臂仰角11.5°过桥洞(全船最低高度)的拖航状态为例进行NAPA宏命令编辑计算，校核稳性衡准，结果见表3。

3 利用NAPA宏命令实现风压倾侧力矩的计算

在起重船的完整稳性衡准中，倾侧力矩包括风压倾侧力矩(Mf)、起重机起吊荷重倾侧力矩(Mh)和船舶不对称装载的倾侧力矩(MI)。在计算起重船的倾侧力矩时，受风面积应自水线向上每15 m分一档，计算式为

Mf=0.001∑PCiAfiZi

(5)

式(5)中：P为单位计算风压，Pa；Ci为高度修正系数；Afi为受风面积，m2；Zi为受风面积Afi中心至所核算装载情况的水线的垂向距离，m。P和Ci可通过查表得知；Afi和Zi可根据用户在NAPA中定义的profile，由软件自动计算得到。下面以起重船正常作业状态为例，说明利用NAPA宏命令实现风压倾侧力矩的定义和计算的过程。

表3 拖航状态下的稳性校核结果

!CAL TP.ASSIGN('VARDEF*CCS.CRIT_PAR' 'VALUE' 22 'OPERATING' 'G')

!CALTP.ASSIGN('VARDEF*CCS.CRIT_PAR''VALUE'24'GREATER_COASTAL' 'G')

!CAL TP.ASSIGN('VARDEF*CCS.CRIT_PAR' 'VALUE' 83 'PROD' 'G')

MOM CCS_CRANE_TEST4 'WIND MOMENT'

TYPE WIND

PAR C=0.01804 WL @@ OPERATING 177 PA

CH CCS_CH

OK

风压倾侧力矩MOM=CAZ，其中：C为风压，t/m2；A为水线以上的侧投影面积(对应上述宏命令中的PROD，需在之前的程序中定义好)，m2；Z为受风面积A的中心到水线、吃水的一半或水下侧投影面积的中心的垂直距离，上述宏命令定义中的WL即表示Z为受风面积中心到水线的垂直距离。值得注意的是，根据《国内航线海船法定检验技术规则》对起重船作业状态的定义得出C=0.018 04。此外，上述宏命令中的CH是指定受风面积在计算时随高度变化的系数，该命令既可直接指定不同的高度和系数，又可指定一个存有高度和系数的表格，CCS_CH即为高度修正系数定义表格，具体形式见图3。

图3 高度修正系数定义表格

当实现风压倾侧力矩的所有定义之后，可通过下述命令来输出和检查所定义的风压倾侧力矩：

LIST WMOM MOM=CRANE-WORKING

起重船的稳性计算涉及到很多工况，利用NAPA软件编制宏命令可大大简化计算过程，提高工作效率。上述风压倾侧力矩的定义是一个示例，此外还有利用NAPA宏命令校核起重船的稳性衡准等，本文不再赘述。

4 结 语

1) 本文研究了一艘5 000 t浮式非自航起重船在作业、避风状态下的稳性衡准与在拖航状态下的稳性衡准的不同要求，对相应的工况进行了完整稳性计算和稳性衡准校核。结果表明，该船的B/d=8.76>2.50，横摇角很大，最大复原力臂下对应角很小，《2008 IS CODE》中给出的横摇角计算公式不适用于拖航工况，在主管机关批准之后，采用《国内航行海船法定检验技术规则2011》第7章第3.10.9节规定的起重机横摇角计算公式作为替代。使用替代衡准之后，经过校核，该船在作业、避风和拖航工况下的稳性衡准均满足法规的要求。

2) 本文以起重船作业状态为例，说明利用NAPA宏命令实现风压倾侧力矩的定义和计算的过程。起重船的稳性计算涉及到很多工况，利用NAPA软件编制宏命令可大大简化计算过程，从而提高工作效率。