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超长货物半潜装船防撞措施分析

2020-05-26 02:07:27 《中国水运》 2020年3期

文俊华 林振东

摘 要:半潜运输是石油平台、工程船等水上结构物远洋运输的主要方式,保证安全装船是实施半潜运输的前提条件。超长货物因其长度接近半潜船装货甲板长度,操作空间小,浮装过程中容易与半潜船发生碰撞。本文设计了一种防撞装置,通过有限元分析和实际工程应用验证了该防撞装置的适用性。

关键词:半潜运输;超长货物;安全装船;防撞装置

1 序言

半潜运输是指将缺少自航能力的船舶、平台、模块等水上设备浮装在半潜船甲板上,然后半潜船排水起浮,经过绑扎固定后将货物干拖运往目的地的一种运输方式。与拖轮湿拖相比,半潜运输具有时间短、安全性高等优点,是远距离跨洋运输中最常见的运输方式。目前常见的半潜船有两种形式:一种是具有首尾楼,尾驾驶形式的;另一种是尾部半开放、具有艉浮箱、首驾驶形式的。在半潜运输的众多货物类型中,经常会碰到一些超长的货物,比如浮船坞、大型船舶等,这些货物的长度一般超过或者接近半潜船的装货甲板长度。对于长度超过半潜船装货甲板的货物,通常的做法是将货物斜装,货物艏艉悬出半潜船。对于长度接近半潜船装货甲板的货物可以选择斜装或者纵向装载,如图1~2所示,斜装的优点是装船空间大,装船难度较低,缺点是货物艏艉悬出运输船舷外,航行途中易受波浪抨击,对货物自身强度有一定影响,且为克服航行途中货物的扭转力,所需的绑扎工装多。纵装的优点是货物艏艉均在运输船甲板内,不受破浪抨击影响,绑扎工作量小;缺点是装船空间小、浮装难度大,装船过程中控制不好,容易导致货物与运输船碰撞。由于半潜船较少靠泊码头,船上工装有限,斜装所需的额外工装的制作、采购和运输费用高昂且用时较长,影响装货进度,此时纵装便成了更加可行的方案。如何避免超长货物与运输船碰撞、降低装船风险成为我们要解决的首要问题。

2 防撞措施分析

超长货物纵向装船过程中,由于装船空间冗余很小,稍有不慎货物就会撞击到运输船。为了降低装船风险,通常可以采取的措施有如下几项:

(1)选择合适的装船锚地,锚地需要满足水深要求,最好能在港池内或者遮蔽水域,以减小风浪的影响;

(2)选择合适的天气窗口,通常情况下需要满足波高≤0.5m,涌高≤0.3m,流速≤2.0knots,风速≤7.9m/s;

(3)货物上增设吊耳或缆桩,增加带缆位置;

(4)加装防撞装置,避免货物直接撞击运输船。

上述措施中锚地、天气等因素很重要,但这些因素非人力可控,取决于当地水域、气象条件等。货物上增设吊耳/缆桩等方式虽可以增加缆绳对货物方位的控制,但随着货物位置的移动导致带缆角度不佳,不能完全避免货物撞击运输船。加装防撞装置是指通过在货物或运输船上安装柔性装置,当货物靠近运输船时起到碰撞缓冲作用,避免货物直接撞击运输船。防撞装置的使用降低了装船操作的难度,变被动调整为主动控制,能有效保护船货安全。常规的防撞装置由垫木、橡胶等组成,安装在货物端部或运输船舷墙上,如图3所示。这些防撞物虽能起到碰撞缓冲作用,但也存在一定的不足:当货物移动挤压防撞物时,垫木或橡胶容易脱落,且由于货物撞击位置的不确定性,需要安装大面积的防撞装置,费时费力。

为改善当前防撞装置的缺点,本文设计了一种新型的防撞装置,如图4所示。该装置为橡胶滚轮式,由钢结构和橡胶轮胎组成,固定在货物端部。装船时,橡胶滚轮接触运输船舱壁,起到碰撞缓冲作用,同时滚轮可以转动,将货物与运输船之间的滑动摩擦转化为滚动摩擦,减小装船阻力。这种滚轮形式的防碰装置安装在货物上,在装船过程中随货物移动,无需大面积安装,只需安装几处即可。该装置已使用在具体工程中,实践表明该滚轮防撞装置方便高效,装船过程中起到了良好的碰撞缓冲作用。

3 实例分析

现以一艘半潜船运输一艘超长船段的工程实例来分析验证防撞滚轮的实际效果。本航次运输的船段重约16000吨,总长167.1米,半潜运输船装货甲板长度为168.8米,即该船段装上半潜船后,前后总共只有1.7米的间隙,在海上漂浮状态下装船难度极大,稍有不慎货物就会撞到运输船。项目执行前期考虑装船风险,初定为斜装。但斜装运输时要克服较大的扭转力矩,需要在货物船底进行绑扎作业,至少要铺设两层墩木。由于半潜船上工装有限,需要国外采购大量墩木和制作绑扎件,时间成本和经济成本均无法被业主接受。后经计算分析,确定为完全纵装,这样虽然装卸难度变大,但可节约近一半的墩木,绑扎难度也大幅降低,利用船上现有工装即可完成绑扎,整体经济效益要大大优于斜装。此时如何保证安全装船成为项目能否顺利实施的关键。根据上述设计思路,在船段尾部增设了4组防撞滚轮,如图5所示,避免船货直接接触,保证装船过程中船货结构安全。

本次设计的防撞滚轮纵向长1.1米,船段加上该防撞滚轮后长度达到168.2米,装船间隙进一步减小到只有0.6米。这就要求装船时防撞滚轮需贴着运输船前舱壁进入,才能保证船段另一端不会碰撞运输船。

装船过程中货物在水流作用下产生的阻力如表2:

惯性力:Fi=W×a/g=16000×0.005/9.81=8.2吨。

总阻力:F=Fw+Fi=14.2+8.2=22.4吨.

防撞滚轮结构强度分析:

防撞滚轮焊接在货物尾部强结构上,滚轮为实心轮胎,选型时轮胎承压能力足够,在此只需分析防撞滚轮的钢结构强度是否满足受力要求。利用有限元软件ANSYS建立防撞滚轮钢结构模型,如图6所示。防撞滚轮钢结构焊接在货物尾部,约束形式为钢结构端部全约束。本项目中共设置了4组防撞滚轮,在装船的前期,只有一组滚轮接触到运输船,该组滚轮将承担货物水流压力和惯性力的总和,即22.4吨(219744N),此作用力通过橡胶滚轮传递到钢结构上。钢结构约束及受力示意图如图7所示。

经有限元计算,钢结构在承受纵向(X向)22.4吨作用力下的应力云图如图8所示:

得出最大应力为27.1MPa,钢结构许用应力为345/1.1=313MPa,27.1<313,钢结构强度满足使用要求。

实际操作中按照方案要求,选择平潮水流緩慢且风小的天气窗口开始装船。货物一端通过防撞滚轮贴在运输船前舱壁上,给另一端留出约60公分的装船间隙。货物经由缆绳拖拽和拖轮顶推慢慢移动到指定位置。在此过程中防撞滚轮与运输船前舱壁保持基本接触状态,最终货物到达指定位置,运输船排水起浮,装船安全顺利完成,如图9所示。

4 结论

超长货物半潜装船难度大、风险高,合理有效的避碰装置对于安全装船非常重要。通过工程实例可以得出防撞滚轮在纵向装载超长货物时起到了良好的防撞缓冲作用,其自身强度足够,保证了货物的安全装载。相较其他防撞装置,该装置成本低、使用方便,为后续类似项目提供了良好的示范。

参考文献:

[1] DNVGL-ST-N001 Marine operations and marine warranty.

[2] IMO, Code on Intact Stability for All Types of Ships Covered by IMO Instruments.

[3] ABS, Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units.

[4] JTS 144-1-2010 港口工程载荷规范。