12 500 DWT 多用途重吊船的稳性

聂帮龙

（金陵船舶（南京）有限公司，南京210015）

0 前 言

多用途重吊船航运市场运力集中度很高，据克拉克松统计， 前10 大船东的运力合计几乎占据全球多用途重吊船的半壁江山。 由于重大件运输操作的特殊性，运营公司特别关注重吊操作时的安全冗余度，重视把控作业安全风险。

在船舶起重机作业时，船舶的浮态要控制在吊机厂家的限制范围内， 吊机损坏或是重货失落时，船舶会向相反的方向急速横倾，甚至倾覆。 船舶倾覆是动态的，可能在没有平衡措施的情况下立即发生，也可能发生在第一次较大的横倾运动中。 确保重吊作业时的船舶稳性、 避免吊机及船体损坏、保障船员安全是多用途重吊船设计的难点和关键技术之一。

1 12 500 DWT 多用途重吊船概况

12 500 DWT 多用途重吊船由上海船舶研究设计院（SDARI）为日本 NYK 旗下 NYK Bulker&Projects（NBP）设计，在招商局集团旗下南京金陵船厂建造，于2021 年5 月初进行了首制船下水仪式。 该船是SDARI为NBP 量身打造的， 是全面优化升级的最新一代节能环保型多用途船。 该船配备2 台400 t重吊，联吊作业达800 t，仅有1 个货舱，货舱形式为大开口型，能够高效装卸重大货件，并满足“Hatch Coverless”要求，可敞口航行，适货性非常好。

2 重物失落应对措施

众所周知，起重机械属于特种设备，也是机械设备中蕴藏危险因素较多、易发事故概率较大的典型危险机械之一。 常见的起重机械事故包括起重机失稳倾翻、金属结构破坏、重物失落（包括脱绳、断绳、脱钩和断钩）、挤伤、坠落、触电及其他机械事故［1］。 事故中的伤亡和损失是极其巨大的。

重吊船一般选用设置浮箱、固定压载、压载水调拨、预先存放可移动货舱舱盖、二甲板等方式确保船舶浮态。 如今，越来越多的船东倾向于不再使用浮箱，因其具有作业准备时间较长、占用船上宝贵空间、压载阀失效后十分危险、货物失落的大横倾角状态稳性指标瞬时下降且联接臂强度不足不能承受横摇运动等劣势。 船东更乐于设置自动防横倾泵，使用船上压载水调拨。

预先模拟和评估重吊作业时的船舶稳性，保障船员安全、准确搭载货物、避免吊机及船体损坏是多用途重吊船设计的难点和关键技术之一。

3 目前的规范规则要求

《2008 年国际船舶完整稳性规则》（以下简称“2008 IS CODE A&B”）和《国际海上人命安全公约》（以下简称“SOLAS 公约”）明确了多用途重吊船海上航行需满足的完整稳性和破舱稳性要求。 上述规范要求船舶在任意海况 （all possible sea and weather conditions）均满足其完整和破舱稳性要求。 而重吊作业一般是在港口进行，也有离港作业，离港作业一般是在特定海况（controlled conditions）下才能进行，直接用上述规范来考核重吊作业工况是过于严格的。 另外，如以上述常规货船的稳性要求衡准综合得到的许用初稳心高（以下简称“hGM”）曲线来限制重吊作业，稍有不合理之处。 船舶进行重吊作业时，货物被吊起离岸，船舶整体重心提高，实际GM值比常规运输状态小很多， 常常会低于许用GM 曲线的要求。

此外，国际规范对港口作业的要求是比较模糊的。 重吊作业应在良好的天气情况下进行。 船舶应具有足够的稳性以应对最恶劣的情况，比如起重机断裂或者重货失落。 船舶浮态控制在最大纵倾不超出正负2°，最大横倾不超过5°。 主要依赖船长经验进行重吊作业。

2016 年，IMO 海上安全委员会第97 届会议通过了 MSC.415（97）决议暨 2008 IS CODE B 部分修正案， 增加对重吊船起重作业工况稳性考核的要求，于2020 年1 月1 日生效。 适用于铺龙骨或者类似建造阶段在2020 年1 月1 日及之后的新造重吊船，或者是在此日期以后改造为从事重吊起重作业的船舶。 2008 IS CODE B 部分是非强制满足的。

按该MSC.415（97）决议中的定义，重吊作业是指重货起吊所引起的最大横倾力矩大于如下公式的情况：

式中：ML为横倾力矩，t·m，由吊具及重货起吊引起；hGM为初稳心高，m，考虑自由液面的影响，吊具和重物起吊的影响；f 为最小干舷，m，从露天甲板顶量到水线；B 为船舶型宽；Δ 为包括重货在内的船舶排水量。

重吊作业也包括由于吊运重货使得船舶重心（VCG）加高1%以上的情况，这种情况需要满足此规范要求， 考核重吊作业过程中最不利的吊重情况。

4 MSC.415（97）决议的具体要求

4.1 重吊作业情况划分

船舶重吊作业情况主要分两种：标准作业和特殊作业。 标准作业是指在遮蔽海域进行起吊作业，起吊重物不受外力制约；特殊作业是指在无遮蔽海域起吊作业，起吊重物处于非静止状态，重物的运动受外力制约。 遮蔽海域是指港内、平静水域、外界环境对重吊作业的影响微乎其微，比如河口、锚地、海湾、潟湖，风吹程小于6 n mile。 此外则为无遮蔽海域。

4.2 重吊作业重量和开口计入

起吊作业时， 重物一旦离岸即为悬挂重量，是未加固定的，与船体非刚性连接。 重吊作业船舶横倾角度应小于5°，悬挂重物在小倾角稳性中对初稳心高的影响相当于把重量自实际位置移动到悬挂点，悬挂点称为悬挂重量的虚重心。 因此，搭载货物重心假设在吊钩处。 在稳性计算中，应准确记录吊臂、塔身、舱盖、吊梁、浮箱等变量实时的重心位置。如吊运过程中，货舱舱盖、尾跳、舷门等处于开启状态，这些进水点应作为未保护开口计入。

4.3 完整稳性计算方法及衡准要求

重吊作业一般是一个非常缓慢的过程，主要考核船舶的静稳性；而重货失落工况是横倾力矩突然作用在船上，使船舶倾斜，有明显的角速度变化，主要考核船舶的动稳性。 吊重作业中任意工况均应满足规范相应的衡准要求，尤其是吊臂处在最不利位置吊运重物的情况。 不同作业情况对应的考核方法见表1。

表1 稳性衡准要求总结表

续表1

5 船级社提出的替代要求

5.1 重物失落工况直接计算

重物失落工况计算也可以用模型试验或者是直接计算来替代， 替代方法应考虑风和浪的影响，船舶最大的横摇幅值不应导致未保护开口被淹没。DNV 船级社发布了直接计算的导则［2］，如果无法满足 MSC.415（97）决议中 2.9.5 或 2.9.7.2 的复原能量与势能的比值要求，可以基于简化的一维横摇角微分方程， 得出动态极限横倾角及最终横倾平衡角，从而检查非保护开口的淹没情况。 还可以基于RANS-CFD 模拟横摇运动来考核重物失落工况，不仅可以考虑船体、浮箱的影响，还可以考虑上建的影响。

5.2 破舱稳性替代要求

MSC.415（97）决议并未提及关于破舱稳性的新要求。 前文提到的重吊特殊作业情况，破舱稳性需满足船级符号对应的适用规范要求。 针对在决议2.9.4 的限制环境中进行重吊特殊作业的船舶，船级社提出了可替代要求。 如DNV 船级社要求保证船壳破损情况下一舱不沉， 大横倾角小于15°或17°（当甲板边线未淹没），遮蔽水域可增加到20°，平衡水线不高于导致累计进水的开口下方，GZ 曲线面积不小于 0.015 m rad。 BV 船级社也有类似要求［3］。

6 重吊作业稳性评估

在多用途重吊船设计之初，从厂家提供的吊机起升高度曲线图中取横向垂向对船体产生最大弯矩的点，将重量加载到吊钩上，并挑选吊臂旋转过程中的典型位置，根据MSC.415（97）决议或船级社要求，评估船舶稳性。 每个模拟重吊作业典型位置的计算工况，应能准确反映出重货、吊具、压载水的重量重心及装载率变化，考核重货移动过程中对船舶浮态、稳性、强度及船或岸上凸出物的影响，明确作业限制。

6.1 重吊作业流程

单吊和联吊的作业情况分别考虑， 单吊作业，吊臂旋转一周， 选择圆周上 12 点钟、3 点钟、6 点钟、9 点钟等4 个位置进行考核，吊臂均处于最大起吊能力对应的位置， 吊重重量为最大吊重能力的1.1 倍。 联吊作业比较复杂，从吊起重货到安放至船上，计算步骤如下：

1）准备起吊。根据吊机重载最大工作半径及吊臂长度，计算得到联吊最大舷外跨距，吊臂旋转至联吊作业负荷最大处定位， 通过防横倾系统向吊机作业另一舷预置压载水， 一般横倾控制在1.5°以内［4］。

2） 起吊重货。 两台吊机同时吊起重货，直至重货离岸，重量为最大联吊起吊重量。 压载水舱配合调拨，保持船舶横倾角符合吊机各部件正常工作限制。

3）假定重货失落。

4） 移动重货至舷侧。 两台吊机吊臂同时旋转，使吊梁处于舷侧露天甲板栏杆的正上方，压载水舱配合调拨，保持船舶浮态。

5） 货物装船。 两台吊机吊臂继续旋转，重货被吊至货舱舱口中间准备装船， 压载水舱配合调拨，保持船舶浮态。

在吊机作业全过程中， 船舶的静稳性曲线（GZ曲线）应保证即使出现重货失落情况，也具有足够的稳性。 船舶初稳心高（GM 值）虽然不作为衡准考核，也不可忽视，应视船型尺度确定合适的GM 值。

6.2 重吊作业稳性计算

2020 年 1 月 1 日生效的 MSC.415（97）决议，虽然是非强制性执行的，但随着重吊起重能力、起重高度逐步升级，运营公司及货主也更加关注重吊作业过程的安全冗余度，越来越多的船东都指定满足该规范要求，保证船舶安全营运。

重吊作业船舶完整稳性，一般工况，在2008 IS CODE A 部分“常规”完整稳性衡准基础上增加决议中 2.9.3 要求。 限制条件工况， 按决议 2.9.4 或者2.9.7.1 要求。 重物失落工况， 按决议 2.9.5 或者2.9.7.2 要求。 特殊作业工况，船舶破舱稳性需满足船级符号对应的适用规范要求或者船级社（如DNV、BV）提出的替代要求。 重物失落工况计算也可以用模型试验或者是直接计算来替代，替代方法应考虑风和浪的影响。

以下针对12 500 DWT 多用途重吊船进行的重物失落稳性评估计算结果，如图4、图5 所示。

图4 重物失落工况浮态

图5 稳性曲线及衡准

可以看出，该船满足国际完整稳性规则关于重吊操作稳性要求，重吊作业安全冗余度高。

7 结 语

多用途船的载货空间非常宝贵， 应根据单吊、联吊作业对船体产生的最大弯矩，预估需求的压载水总量，通过调配船舶压载水，调整重吊作业时的船舶浮态，足够的防横倾压载水量是抵抗船舶横倾的保障。 合理设计布置压载水舱，采用移动货舱盖或二甲板作为固定压载，减少压载水总量，腾挪出更多的载货空间，平衡船舶安全性与经济性，为船东带来更可观的经济效益。