抛起锚稳性计算分析

2014-05-07沈威

船舶与海洋工程 2014年2期

沈威

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

0 引言

海洋蕴藏着丰富的资源，人类的脚步逐渐向海洋迈进。随着海洋油气开发作业量加大，多功能的海洋工程辅助船已成为当今主要开发船型之一[1]。而抛起锚作业也成为该类船舶在海上的主要操作之一。

2007年6月6日之前，国际海事组织（IMO）对具有抛起锚能力的供应船和拖船不要求核算其抛起锚稳性。根据供应船及拖船稳性衡准，最大回复力臂会出现在≥15°的位置（大致在15～20°之间）[2]，这意味着即使是较小的横倾也可能是致命的。2007年3月13日，一艘挪威抛起锚船“Bourbon Dolphin”在锚泊作业时顷刻侧翻，导致船上作业的8名工作人员遇难。挪威海事局通过对这次严重的海难事故调查，向国际海事组织（IMO）提交报告，从而促成海安会MSC 83/INF.9[3]颁布，要求具有抛起锚能力的供应船和拖船需满足抛起锚稳性。虽然该议程不是强制的，但一些船级社已经按照此要求对具有锚作船级符号的船舶进行审核。

1 抛锚稳性计算

抛锚船在海上作业时，布置在甲板上的锚链的拉伸力导致巨大的横向力矩、较高的倒车速度或横向运动速度，同时可能发生舵力失效，丧失推力，船舶旋转，横向力进一步增加；此外，作用于船上的环境外载荷风、浪、流的大小也会影响抛起锚过程，这样可能使船舶发生危险，因此有必要通过衡准来判断船舶在进行锚泊作业时所受的水平以及垂直拉力是安全的，不会发生事故。

MSC 83/INF.9中指出，对于具有抛起锚能力的船舶[4]都需要计算船舶的抛起锚稳性，在抛起锚作业过程中，计算：在船舶尾部的水平力和横向力产生最大横向力矩作用下的船舶最大横倾角，其应小于以下任何一个角度：

1)在GZ曲线上，最大GZ的50%对应的横倾角，即0.5GZmax处对应的横倾角；

2)甲板浸水角；

3)15°。

通过以上衡准，船舶在某一横倾力矩作用下，可以计算出一组曲线，不同排水量对应的最大船舶重心高度，船舶浮态不同计算出来的结果也是不同的。如图1所示，某拖船在横倾力矩2450kN·m作用下不同纵倾对应的一组重心高度曲线。

图1 最大重心高度（VCG）曲线

在横倾力矩2450kN·m作用下，对应任一排水量的任一纵倾，可以从图1中线性插值出船舶最大重心高度。通过计算，得出几组不同横倾力矩作用下的最大重心曲线，这样船舶操纵者可以线性插值出任意横倾力矩作用下的船舶最大重心高度。

为了更准确全面地分析船舶在进行抛起锚作业时是否安全，还需要分析船舶尾筒端部受力情况，同一个力施加在船舶的尾筒端部，何种情况下产生的横向力矩最大？当船舶进行抛起锚作业时，作用于船舶尾筒端部的力可以分解为3个方向的力，水平向后的拉力、横向水平拉力和一个垂直向下的拉力，其中横向水平拉力和垂直向下拉力都会对船舶产生横向力矩，水平向后的拉力不会产生横向力矩，在此不予考虑，并假定其为0。横向水平拉力和垂直向下拉力如图2所示。

注：垂向力臂：A；水平力臂：B；垂向拉力：T cosθ；水平力拉力：T sinθ；横向力矩：A Tcosθ+BTsin θ。

根据表1计算结果，随着角度从0～90°变化，横向力矩也随之变化，不同角度对应的最大拉力也是不一样的，如图3所示。

图2 受力分解

图3 最大拉力

对于此种装载情况，当最大许可拉力为2724kN时所有方向均能够满足要求，因此此种装载工况，最大许可拉力为2724kN。

但是实际上把每个方向的最大拉力算出来并不是必要的。船舶抛起锚作业时是个动态的过程，角度随时可能会改变，但是锚链的最大拉力是不变的，可能在某个角度满足要求，但角度变了，要求就不能满足了。因此需要分析什么情况下产生的横倾力矩最大。船舶的尾筒位置是固定的，A是个常数；同时B也是一常数。通过三角函数，可以计算当角度 θ0=90-arctg(A/ B)时作用在船上的横向力矩最大。这样对于某工况，当一定的拉力作用于船舶上，假设此力产生最为不利的横倾力矩（即最大横倾力矩），仅分解为横向水平拉应力与垂向下拉应力，根据图1的曲线，船舶操作人员可以很快通过线性插值查出最大许可的船舶重心是多少，这样可以判断出船舶是否能安全地进行抛起锚作业。