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新型拖船完整稳性衡准应对研究

2018-09-21 23:11 来源:未知 评论: 收藏本文 转发至: 分享到QQ空间

  2014年全国船舶稳性学术研讨会文集新型拖船完整稳性衡准应对研究 石殉1,张高峰1,周耀华1 2(1.中国船级社,上海,200135;2.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海,200030) 摘要:目前国际海事组织(IMO)对拖船完整稳性尚无统一要求,各国关于拖船的 标准参差不齐,因而,国际船级社协会(IACS)拟基于欧盟项目JIP的研究成果向IMO提 出新的拖船完整稳性和护航拖带稳性规则。针对这一现状,本文对我国国内法规、IACS现 行拖船稳性要求以及拟提出的新的拖船完整稳性和护航拖带稳性规则进行了比较研究,并 给出了实船样船的计算结果,通过对结果的分析发现我国国内法规的拖船完整稳性要求在 所有衡准中最为严格。此外,本文还基于此研究为我国拖船完整稳性衡准的发展指出了新 的方向。 关键词:拖船;完整稳性;衡准 1引言 拖船入级是一个全球性的市场,然而现阶段各大船级社关于拖船的标准参差不齐。这 不仅变相增加了设计的难度和复杂性,也不利于整体技术标准的发展和提升。早在2006年 Robert Allan Ltd就在ITC(Intern撕onal TugSalvage Convention Exhibition)上提出了这一问题【11。 基于此,共计占国际船级社协会(IntemafionM Association ClassificationSocieties, 简称IACS)成员拖船入级业务64%的法国船级社(Bureau Veritas,简称BV)、英国船级社 (Lloyd’S Register,简称LR)和美国船级社(American Bureau Shipping,简称ABS)三家船级社共同发起了JIP项目(Joint Industry Project),旨在通过对现有各标准的背景、 一致性和适用性的研究,为拖船的设计、建造和操作提出一共同指南。该指南将涵盖设计 载荷、稳性、拖船设备、消防、救生、安全设备等安全相关的各个方面,并留有开放性条 款,以便随时纳入对新技术、新设备的要求12儿引。 共同指南以理论可靠和与工业界现行规则保持 致为原则进行制定。鉴于稳性对于拖 船安全的重要性和现有拖船稳性要求的多元化,共同指南给出了统一的稳性要求,且涵盖 了对护航拖船稳性的要求【31。IACS拟基于JIP项目的研究成果,以共同指南为基础向国际 海事组织(International Maritime Organization,简称IMO)提出建立新的拖船完整稳性规 此前,IMO尚无针对拖船统一的完整稳性衡准,各个国家在法规中各自给出了不同的拖船完整稳性要求,如中国、美国、挪威、西班牙、澳大利亚、波兰等。此外,IACS 1998 年公布的第24号建议案(认CS Rec.24)中也对拖船给出了附加稳性要求,后经多次修订, 为多家船级社所引用。 2014年全国船舶稳性学术研讨会文集 2拖船完整稳性衡准 目前我国国内法规中的拖船完整稳性要求是在上个世纪70年代通过对我国拖船进行 全面研究的基础上制定的,经适当修订,沿用至今。与此同时,中国船级社在自2006年版 的《钢质海船入级规范》中也纳入了IACS Rec.24有关拖船完整稳性的规定。在我国的国 内法规中,拖船完整稳性衡准是一个完整的体系,而国际现行的拖船完整稳性衡准IACS Rec.24以及IACS拟提交IMO的新的拖船完整稳性和护航拖带稳性规则均是由2008年国 际完整稳性规则(简称2008 IS CODE)加上拖船稳性附加衡准共同构成的。 2.1我国国内法期睽求 我国《国内航行海船法定检验技术规则》(2011)(以下称“国内法规”)第4篇第7章 对国内航行拖船提出了特殊稳性要求,包括复原力臂曲线特征值和稳性衡准数的要求。《国 际航行海船法定检验技术规则》附则3的说明与要求中指出国际航行拖船作业状态下的稳 性应满足国内法规中的要求。我国法规中对拖船海上和港内作业提出了不同的要求,仅在 港内作业的拖船可以仅满足港内作业的要求。 表1给出了国内法规中拖船完整稳性衡准的相关要求。由表1可见,港内的衡准要求 中复原力臂特征值要求相对较低,稳性衡准数计算时不计入横摇的影响,这主要是考虑到 港内作业的环境条件较好;此外,对进水点进行了特殊考虑,主要考虑到拖轮在港内作业 时为了方便,此类门经常开启。海上衡准除了复原力臂特征值与港内不同之外,稳性衡准 数计算时考虑了风和浪的作用。 表1我国国内法规拖船完整囊性衡糗求 初稳性高GMGM0 GM0.15 横倾角等于或大于300处的复原 力臂GZ(m) GZ0.20 0.m>25。,B/D>2时,可进行修 最大复原力臂对应角O。(。) 正墨=等>l,舯‘为最小倾覆力 ,为最小倾覆力臂,应计入横摇影臂,但不计横摇影响;‘为拖索急 响;,,为风压倾侧力臂;t为拖索 牵倾侧力臂 急牵倾侧力臂,与港内计算方法相 同(1)不论上层建筑和甲板室的侧 壁和端壁上开口的关闭装置如何, 其他 进水角一律算至上层建筑或甲板 室的端壁或侧壁上开口的门槛上 缘(2)不计入结冰的影响。 .199. 2014年全国船舶稳性学术研讨会文集 2.2 IACS Rec.24稳性衡准 IACS Rec.24的稳性衡准由基本衡准和拖船附加衡准两部分构成,具体要求详见表2。 其基本衡准指向2008 IS CODE的A部分第2.2章关于复原力臂曲线 IS CODE的B部分第2.4章近海供应船的相关要求进行替代。拖船附加衡准要求如下, 满足两条衡准中任意一条即可: (1)复原力臂曲线%所产生的倾侧力臂曲线之 间的剩余面积不得少于0.09 m-tad,该面积为两条曲线的第一交点和第二交点(或进水角, 取小者)之间的面积。 (2)复原力臂曲线下的面积不得少于与船长方向成90。角的系柱力的70%所产生的 倾侧力臂曲线。和第二交点(或进水角,取小者)之间的面积。 衡准中,倾侧力臂曲线)得到: b。:塑丝cosp ^2面cos…其中,bll为倾侧力臂,m; T为最大系柱力,kN; H为牵引钩到推进器中心之间的垂直距离,m: 为装载工况下的排水量,t。 GMO.15GMO.15 横倾角等于或大于30。处的复原力 GZ三0.20 GZ20.20 臂GZ(m) 最大复原力臂对应角D。。(。) o。25 om。三15 o ̄30。GZ曲线下的面积(m.md) 不小于0.055 0至最大复原力臂对应角,GZ曲 线(或进水角,取小者)GZ曲 不小于0.09 30时取为30线(或进水角,取小者)GZ 不小于0.03 不小于0.03 曲线下的面积(m.rad) 附加衡准 复原力臂曲线与倾侧力臂曲线点和第二交点 第一交点和第二交点(或进水角, (或进水角,取小者)之间的面积, 取小者)之间的面积不小于O.09 至少为该范围内倾侧力臂曲线下 m.I甚d 面积的1.4倍 .200. 2014年全国船舶稳性学术研讨会文集 2.3 IACS新的拖船稳性衡准 JIP项目针对拖船稳性计算给出了两种方法‘31: 方法一:Rahola修正法。计算剩余稳性,即复原力臂曲线与倾侧力臂曲线从交点到计 算点(最大复原力臂对应角、进水角、40。,三者取小)间的面积不小于0.011m.md。如 图1所示。 图l经Rahola修订的拖船稳性计算方法示意图 方法二:IMO衍生法。复原力臂曲线与倾侧力臂曲线从交点到计算点(第二交点、进 水角,两者取小:部分方法加入40。,三者取小)间的面积不小于0.09m.rad。该方法是基 于IMO要求中的复原力臂曲线。或进水角(二者取小)下面积不小于0.09m.rad而得 方法一中用最大复原力臂对应角替代第二交点与进水角相比较的方法从物理意义上来说不够明晰,现代大型拖船的进水角往往远大于最大复原力臂对应角,且对于具有同样复 原力臂曲线但同时具有更大进水角的拖船来说,其稳性更好,但在计算中却无法体现。因 此,相较而言,方法二不管从理论上还是物理意义上都更为恰当。 此外,考虑到因为按照现行IACS规则暂无出现拖船稳性事故,故无需设定更为严格 的标准;同时,工业界要达到现行IACS规则也并无明显问题,因此也无需对现行标准进 行降低。通过对上述拖船稳性校核方法的讨论,共同指南最终设定了以下拖船稳性附加衡 如图2所示,A三B,亦即复原力臂曲线与倾侧力臂曲线间自第一交点至第二交点(或进水角,取小者)之间的面积不小于倾侧力臂曲线年全国船舶稳性学术研讨会文集 的面积,便可视为满足拖船稳性附加要求。衡准中,倾侧力臂曲线IA其中,bIl为倾侧力臂,m; T为最大系柱力,kN; H为牵引点到推进器中心之间的垂直距离,m: c为系数,对非全回转推进拖船,取O.50;对全回转推进拖船,取c=0.95/(1+d/LLL), 其中d为牵引点到推进器中心之间的纵向距离,ITI: 为装载工况下的排水量,t。 %hoeing angles 图2新的拖船稳性附加衡准 IACS拟基于该研究成果,将共同指南中的拖船稳性附加衡准连同原2008 IS CODE中 的基本衡准组成新的拖船完整稳性规则提交IMO。 2.4护航拖带衡准 所谓护航拖带,是指拖船发出的推力和水动力组合产生操舵力和制动力作用于拖缆并 达及被拖带的大型船舶,从而使本身失去控制的大型船舶得以重新获得控制的工作模式, 可防止事故发生,确保大型船舶的安全。【4】护航拖带工作模式如图3所示。护航拖船一般 与被拖带的大型船舶艉部系缆,并与大型船舶一起航行。当大型船舶突然失控时,根据引 航员指令,护航拖船可以马上进行抢险,采取适当的操舵力和制动力,帮助稳向和减速。 .202. 20 14年全国船舶稳性学术研讨会文集 \图3护航拖带 因为大型船舶满载时质量大、惯性大、网上赌龙虎怎么玩,操作难、避让困难(特别在狭窄受限航道),稍 有疏忽,容易发生碰撞事故,造成人员伤亡及财产损失。且大型船舶因主机、螺旋桨、舵 等设备发生故障使船舶处于失控状态时仍会以6至8节的速度惯性淌航,一旦失控,有可 能酿成严重后果。目前,美国及欧洲许多国家港口规定ULCC、VLCC、大型LNG船进出 港口必须由护航拖船强制监护。【4J 由护航拖带的特殊工作模式可以看出,对护航拖带模式而言,操舵引起的横向拖缆力 不再是一种突发情况,而是一种常态。因此,护航拖船的稳性要求较普通拖船来说要更为 严格。目前,我国法规中并没有对进行护航拖带工作的拖船提出额外的完整稳性要求,仅 按照国内法规进行海上和港内两种基本工况的完整稳性校核。 JIP项目研究发现衡量护航拖带稳性水平的关键点包括:复原力臂下面积与倾侧力臂下 面积的比较,综合倾侧力矩与剩余干舷后的静倾角,以及波浪对缆绳拉力的影响。这与法 国船级社和挪威船级社现行护航拖带衡准制定的出发点是一致的,因此共同指南直接沿用 了该衡准,IACS将该衡准纳入对IMO的提案中,作为对护航拖带拖船的附加稳性衡准。 如图4所示,护航拖带的完整稳性附加衡准包括: (1)A三1.25B:复原力臂曲线下自复原力臂曲线与倾侧力臂曲线。之 间的面积不小于同区间倾侧力臂曲线D:复原力臂曲线至计算点(复原力臂曲线与倾侧力臂曲线。,三者取小)之间的面积不小于同区间倾侧力臂曲线。:复原力臂曲线与倾侧力臂曲线。。 其中,倾侧力臂曲线取一极限值,需从实船试验、模型试验或者通过船级社审核的替 代方法获得,且应考虑到护航拖带中所可能产生的最大舵力、装机功率、拖曳设备安装及 各推进单元。 ..203.. 2014年全国船舶稳性学术研讨会文集 00紫图4护航拖带衡准 3实船验证 为对以上各拖船稳性衡准进行研究,比较其差异性和保守度,为我国国内法规的修订 和完善奠定基础,本文选取了多艘样船进行实船验证计算。 3.1样本选取 2。。l八71人.tt7l、; VV19901995 2000 2005 2010 图5我国1990-2013年间新造拖船数据统计 .204- m5o2014年全国船舶稳性学术研讨会文集 图5给出了我国1990.2013年间新造拖船的数据统计,从图中可以看出2009年之后的 新造拖船占整个新造量的50%以上。本研究以2009年至今新造拖船为母样本,先按照船舶 主尺度进行分类,选出不同主尺度下功率最大的拖船,而后在此基础上选取同等功率下主 尺度最小的船舶作为最终计算样本。最终选取计算样船共五条,涵盖功率范围 3000kw-12000kw,样船主尺度见表3。需要特别说明的是,我国目前大于12000kw的拖船 还有14400kw及16000kw两个系列,但因为缺少相关验证数据,最终未列入计算样本中。 囊3计算样船信息 名称 总长/m 垂线问长/m功率/kw 推进模式 39.2011.60 5.00 33.06 2940.00 全回转推进 73.8517.20 64.206570.00 常规推进 99.0015.20 7.60 88.00 9000.00 常规推进 75.0016.80 7.80 66.00 10080.OO 常规推进 128.6016.00 7.90 112.70 12000.00 常规推进 衡量不同拖船完整稳性衡准是否更为严格,可以从最大许用重心高度(VCG一)和最 小初稳性高度(GM。i。)两方面来判定。国内拖船完整稳性衡准是一个完整的体系,而国际 现行完整稳性衡准认CS Rec.24和认CS拟提出的新的拖船稳性衡准和护航拖带衡准则是由 2008 IS CODE加上拖船稳性附加衡准共同构成。通过实际计算发现,部分样船存在拖船附 加衡准限定最大许用重心高度较2008 IS CODE更为宽松的情况,亦即意味着该船是否采用 不同的国际拖船完整稳性附加衡准并不影响其最终的最大许用重心高度。与此同时,仅按 照拖船稳性附加衡准所获得的最小初稳性高度也会出现不满足2008 IS CODE的情况。因 此,本研究在结果整理时,对国内拖船衡准取所有衡准共同确定的最大许用重心高度,对 国际拖船衡准仅取拖船完整稳性附加衡准确定的最大许用重心高度来进行比较。具体计算 结果见图6.10。 2014年全国船舶稳性学术研讨会文集 5.60 5。50 5.40 5.30 莒5.20 邑馨5.10 暑5.00 U>4.90 4.80 4.70 4.60 8.00 7.60 7.20 器6.80昌op6.40 >6.00 5.60 800850 950图6样船1计算结果 1050 N\30003500 4咖4500 5000 5500 Displacement(t) 图7样船2计算结果 .206. …一-国内港内 …一一国内港内 2014年全国船舶稳性学术研讨会文集 7,50 7.40 7.30 7。20 7.10 7.00 6.90 6.80 6.70 6.60 6.50 35004000 4500 5000 5500 Di邓lacemell《t) 图8样船3计算结果 \、30003500 4000 4500 5000 5500 Dl印lacement(t) 图9样船4计算结果 …—-国内港内 …一一国内港内 8777776666一星)x伽。U>2014年全国船舶稳性学术研讨会文集 ————————————————————————————————————————————————一一一一 7.70 7.60 7.50 7.40 暑7.30 矗线 一一--_--…-_---一-__ 52505500 5750 6000 6250 6500 Displacement(t) 图10样船5计算结果 ——国内海上 一一一-一国内港内 ——----———一IACSRec.24 一IACS新衡准 一护航拖带 3.3结果分析 从样船的衡准计算对比结果可以看出: (1)除样船2外,其余四条样船采用IACS Rec.24、IACS拟提出的新的拖船稳性衡准 和护航拖带附加衡准计算得到的最大许用重心高度均比国内拖船完整稳性衡准获得的最大 许用重心高度值要大,亦即国内衡准较国际现行衡准以及新增附加衡准均要严格。其中样 船2的计算结果与其他不一致,可能是由于其系柱力取绞车最大承受力所导致的,真人龙虎游戏机。系柱力 是国际拖船完整稳性附加衡准中的关键参数。 (2)在IACS新提出的拖船稳性衡准与原IACS Ree.24结果的对比中可以看出,IACS 新提出的拖船稳性衡准较原衡准有所放松,五条样船无一例外。在新衡准研究背景资料中 有提到,(新衡准)从物理意义上来说,其所反映的是拖带作业时可用于回复的能量应不小 于倾侧力矩会释放的能量,但在衡准AB中,倾侧力矩并未计入拖带工作时外界风浪的 影响,因此可以看出IACS新提出的拖船稳性衡准要求过于宽松,这也在~定程度上解释 了IACS新提出的拖船稳性衡准较我国国内衡准更为宽松的原因。 (3)在护航拖带模式的计算评估中,IACS仅提到“倾侧力臂曲线需从实船试验、模 型试验或者通过船级社审核的替代方法获得,且应考虑到护航拖带中所可能产生的最大舵 力、装机功率、拖曳设各安装及各推进单元”,并没有给出明确的计算或试验方法。本研究 按照共同指南研究报告中的结论“通常,倾侧力对非全回转推进船舶大都取50%.70%系柱 力,对全回转推进船舶取70%.100%系柱j]t3j,”来对倾侧力臂曲线进行计算,且不论对非 全回转推进船舶还是全回转推进船舶均取100%系柱力。在这一条件下所获得的护航拖带衡 准对应的最大许用重心高度仍大都大于根据IACS Ree.24计算所获得的值。理论上来说, .208.. 2014年全国船舶稳性学术研讨会文集 拖船在护航拖带工况下与普通拖带作业相比存在更大的稳性风险,而目前根据两衡准样船 计算获得的结果却与此推断并不一致。 4结论 虽然我国国内法规并没有针对护航拖带这一特殊工况提出额外的完整稳性要求,但从 样船计算结果可以看出,不论与现行IACS Rec.24相比,还是与IACS拟提出的新的拖船附 加稳性衡准和护航拖带附加稳性衡准相比,我国国内法规的要求都是最为保守的。究其原 因,很大程度上是因为国际拖船完整稳性衡准中并未计入拖带工作时外界风浪的影响。 我国国内法规中将拖船完整稳性计算分为海上和港内两种工况,一方面是考虑到港内 作业风浪条件较好,更主要的是考虑到港内作业时船员频繁出入甲板室致使形成新的进水 点这一问题。但不论是IACS Rec.24,还是IACS拟新提出的稳性计算衡准均未考虑港内作 业进水点较低的情况。 随着设计建造技术的发展和航运需求的提升,现代拖船的功率,尤其是全回转拖船的 功率大大提升,港内护航拖带要求也越来越高,考虑到这一工作模式的特殊性和港内拖带 进水点较低的问题,有必要对护航拖带这一工作模式进行深入研究,并提出适用衡准,以 保障我国拖船的水上作业安全。 参考文献 AIlanRG,A Proposal HarmonisedIntemational Regulations Tugboats,l9th Intemational TugSalvage ConventionExhibition[C1,Rotterdam,24—28 April 2006. 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