大型全回转起重船抗横倾系统设计

张彩华

（天海融合防务装备技术股份有限公司 上海201612）

引 言

大型起重船回转起重作业时需要具备与起重能力相匹配的横向调载系统［1］。全回转起重机所吊重物从船尾转向舷侧时，起重机和重物重心的变化将产生横向力矩，从而使船产生横倾，如不采取相应措施，船会有发生倾覆的危险（反之亦然）。为平衡上述变化，需要反方向调拨压载水，使船的横倾控制在安全范围之内。

本文以烟台打捞局一艘具有动力定位和锚泊定位能力的5 000 t自航全回转起重铺管船为目标船型。此船配备一台大型海洋工程起重机，其最大起重能力：5 000 t（船尾固定吊）/3 500 t（全回转式）。当进行全回转吊作业（主钩幅度45 m）时，可以起吊3 500 t货物。不过，为保证船舶的稳性，必须在适当的位置配置足够的抗横倾舱以及选择合适的抗横倾泵，并且提供合适的自动控制方法。

1 确定调载水量

1.1 确定最大调载水量

全回转起重机起吊荷重横向倾侧力矩按式（1）计算：

式中：m1为起重机回转部分的质量，t；l1为力臂，指起重机回转部分重心至回转中心横向距离，m；m2为吊重，t；l2为主钩幅度，指吊重距回转中心横向距离，m。

根据起重机主钩幅度与起重量关系以及相应主钩幅度下的起重机回转部分的重心可以分别算出不同主钩幅度下的起吊倾侧力矩，得出最大的起吊倾侧力矩。

当起重机回转时，通过反向调载压载水，增加一个反向力矩，以平衡起重机旋转时产生的横倾力矩。显然，抗横倾压载水舱相距越远，调载同样的压载水量，将产生更大的抗横倾力矩，因此抗横倾水舱布置在左右边舱。根据左右边舱的典型横剖面形状，初步确定边舱的体积形心，算出调载水量的力臂后，抗横倾力矩按式（2）计算：

式中：ρ为压载水密度，t/m3；V′为调载水量，m；l1为左舷抗横倾水舱体积形心距船中的横向距离，m；l2为右舷抗横倾水舱体积形心距船中的横向距离，m。

由力矩平衡方程可算出最大调载水量。经计算，本船最大调载水量约5 170 m3。

1.2 确定最小调载水量

有时，因为总体布置的原因，抗横倾力矩不足以完全抵消全回转起重机起吊荷重横向倾侧力矩，此时会导致船舶横倾，参见式（3）。

式中：Δ 为排水量，t；GM为初稳性高度，并计及自由液面与吊重对初稳性高度的影响，m；θ为横倾角，°。

基于中华人民共和国海事局《2011国内航行海船法定检验技术规则》［2］第4篇 船舶安全 第7章 完整稳性3.10.5节中对旋转式起重船作业状态的要求，本船允许的横倾角不超过5°；基于起重机厂商设计起重机的要求，本船全回转工况允许的横倾角为3.5°。

引起船舶横倾的除起吊荷重倾中的侧力矩和压载水调载的抗横倾力矩之外，还包括风压倾侧力矩。本船风压倾侧力矩引起的横倾角约1°，因此起吊荷重倾侧力矩和压载水调载的抗横倾力矩引起的横倾角最大为2.5°。将横倾角带入公式（3），可以算出最小调载水量。

经计算，本船最小调载水量约为4 767 m3。

1.3 失钩稳性

采用压载水调载平衡起吊荷重横向倾侧力矩时，如果起吊荷重突然跌落，则船体将受到压载水的抗横倾力矩和起重机本体的倾侧力矩的联合作用，船舶将向另一侧倾斜并有倾覆的风险。因此，当回转起重作业时，使用压载水调载横倾力矩的方法，有必要校核失钩稳性。

本船入CCS和ABS双船级。ABS《近海供应船建造和入级规则》第5篇 第9章 附录1［3］中，对起重船失钩后的稳性作了要求。使用NAPA软件计算最大全回转起重工况的失钩稳性［4］；横倾角约11.2°，满足规范不超过15°的稳性要求；回复力臂面积和倾斜力臂面积比值约为6.7（＞1.3），也满足规范要求。因此本船使用压载水作为抗横倾系统可以保证船舶的安全。

2 确定抗横倾压载舱的最小净舱容和初始压载水量

计算出最大调载水量V′后，可以根据泵的布置型式和压载舱形状，确定抗横倾压载舱的最小净舱容。图1为抗横倾水舱舱容示意图。

图1 抗横倾水舱舱容示意图

图1中的V0为抗横倾水舱净舱容；V1为最少存水高度对应舱容。为防止误操作导致泵空转，最少存水高度一般取为防横倾管系上缘以上100 mm，并在此位置安装低位停泵浮子开关；V2为最大存水高度至舱顶间的对应舱容。一般取透气孔下缘为最大存水高度，并在此位置安装高位停泵浮子开关。

因此，最大调载水量V′= （V0-V1-V2）/2。通过建模可以获得V1、V2与净舱容V0的比例关系，净舱容V0=2V′/［1-（V1+V2）/V0］，对应初始压载水量为（V0+V1-V2）/2。

从以上公式可知，V1、V2与净舱容V0的占比越大，调载同样的压载水量将需要更大的净舱容。最小净舱容确定后，还需要根据完整和破舱稳性要求，对抗横倾压载水舱进行划分。

本船定员398人，船级符号中有SPS（特种用途船）符号［5］，因此需满足 SOLAS［6］第 II-1 第 6条和第7条“概率破舱稳性”的要求，同时要满足第8条舷侧破损和第9条“双层底破损稳性”的要求。为满足概率破舱稳性和舷侧破损稳性要求，沿船长方向上，每舷抗横倾水舱划分为6个抗横倾水舱。为满足双层底破损稳性要求，在距基线9.6m处设置平台甲板，平台甲板将抗横倾水舱分上下两层，平台甲板以下的抗横倾水舱以“A”表示，平台甲板以上的抗横倾水舱以“B”表示。

因此，本船在考虑稳性后配置抗横倾压载水舱共12对，每对抗横倾压载水舱对称布置。12对抗衡倾舱命名为NO.4A边压载水舱（P/S）至NO.9A边压载水舱（P/S），以及NO.4B边压载水舱（P/S）至NO.9B边压载水舱（P/S），每对抗衡倾舱设置2台抗衡倾泵。抗衡倾泵均为双向泵，抗衡倾管系上设有遥控蝶阀，遥控阀与抗衡倾泵联锁。图2为抗横倾水舱平面布置图。

图2 抗横倾水舱平面布置图

图3为抗横倾水舱典型横剖面布置图。

图3 抗横倾水舱典型横剖面布置图

经计算，本船全回转起吊工况起吊3500t货物（力臂幅值45m）时，实际需要的最大调载水量约5170m3。本船12对抗横倾压载水舱总净舱容约24855m3，实际最大可调拨压载水量约5504m3，因此可以满足全回转起吊的要求。

3 抗横倾泵的选取

本船抗衡倾泵仅供全回转起重工况船舶调横倾，不能对压载舱进行前后调驳或注入、排出。

本船技术要求：全回转起吊工况起吊3500t货物（力臂幅值45m）时，起重机从尾吊旋转90°至左舷所需时间不超过14min。本工况下所需调拨压载水量约5170m3，则抗横倾泵总容量不小于22157m3/h（5170/14×60）。表 1为 No.4边压载水舱抗横倾泵的典型配置。理论上，如果泵全部开启，起重机配合抗横倾泵所产生的抗横倾力矩旋转（起重机从尾吊向左旋转90°），需要12.9 min。

表1 抗横倾泵的配置

4 抗横倾系统模式

本船共24个抗横倾泵，抗横倾系统将泵分成4组：No.4A、No.6A、No.8A三对舱的6个泵为一组；No.5A、No.7A、No.9A三对舱的6个泵为一组；No.4B、No.6B、No.8B三对舱的6个泵为一组；No.5B、No.7B、No.9B三对舱的6个泵为一组。

本船抗横倾系统有三种控制模式：即手动模式（手动开启或关闭泵组）；半自动模式（手动开启泵组，根据倾斜仪感测船舶横倾的阈值及高低液位高自动关闭泵组）；自动模式（两舷根据倾斜仪感测船舶横倾的阈值及高低液位高确定泵组的关停）。

抗横倾系统主要部件如下页表2所示。

起重机全回转作业时，一般限制在一定的时间范围内，而非越快越好。如果起吊较轻的货物时，当4组泵组全部开启，则必须加快起重机转速，或者需要频繁启停泵组。因此，本船抗横倾系统提供如下三种运行模式：

（1）模式1——只启动B类舱泵组；

（2）模式2——只启动A类舱泵组；

（3）模式3——同时启动A类和B类舱泵组。

根据A类抗横倾舱和B类抗横倾舱的最大允许调拨水量和调载力臂，可以分别算出A类舱和B类舱产生的最大抗横倾力矩。根据式（1）、式（2）和力矩平衡原理，可以算出不同主钩幅度下的最大起吊货物。经计算，使用不同抗横倾舱时，起重机对应主钩幅度下最大吊重曲线如图4所示。

5 结 语

本文以5 000 t起重铺管船为例，系统分析大型全回转起重船应如何配置抗横倾系统。首先根据起重机吊重曲线确定调载水量，并根据泵的吸口位置确定最小净舱容和最佳的初始压载水量，并结合船舶稳性进行分舱；然后根据舱室可调载水量和调拨时间确定抗横倾泵参数；最后介绍抗横倾系统并给出不同的运行模式下的起重机的最大吊重曲线。

本报告所述抗横倾系统的分析设计方法，可为大型全回转和半回转起重船的分析设计提供参考和借鉴。