周 旭，莫中華

(南通中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

2.8萬(wàn)t多用途船破艙穩(wěn)性計(jì)算研究

周 旭，莫中華

(南通中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

介紹了使用NAPA軟件對(duì)2.8萬(wàn)t多用途船關(guān)于新版國(guó)際海上人命安全公約(SOLAS)(適用于2009年1月1日后建造的船舶)概率論破艙穩(wěn)性的計(jì)算研究結(jié)果，重點(diǎn)介紹了新版破艙穩(wěn)性計(jì)算規(guī)則與此前版本的不同之處和本船計(jì)算中需要注意的一些問(wèn)題，通過(guò)研究各種可能的實(shí)際裝載工況的初穩(wěn)心高(G0M)值，針對(duì)破艙穩(wěn)性計(jì)算，確定不同吃水下該船型的最小G0M限制，使其滿足國(guó)際海上人命安全公約概率論破艙穩(wěn)性計(jì)算。

多用途船；概率論；破艙穩(wěn)性

0 引言

2.8萬(wàn)t多用途船貨艙配備了移動(dòng)式甲板，有3檔位置可以調(diào)節(jié)，可以裝載大型設(shè)備、各種包裝貨物、集裝箱、鋼卷、木材等，也可以運(yùn)輸散裝貨物。該船型主要量度為：

總長(zhǎng)Loa

～179.50 m

分艙長(zhǎng)度LS

176.00 m

型寬B

28.00 m

型深D

14.80 m

夏季吃水(最深分艙吃水)dS

10.50 m

本船對(duì)破損穩(wěn)性采用NAPA軟件進(jìn)行計(jì)算。

1 SOLAS破艙穩(wěn)性主要變更內(nèi)容

1.1要求的分艙指數(shù)R(LS>100m)

舊版：R=(0.002+0.000 9LS)1/3=0.546 87

新版：R=1-128/(LS+152)=0.613 88

通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，新版舊版中要求的分艙指數(shù)均取決于船舶分艙長(zhǎng)度，新版中要求的分艙指數(shù)要比舊版的大。SOLAS要求的新舊版分艙指數(shù)比較如圖1所示。

1.2達(dá)到的分艙指數(shù)A

舊版：分艙指數(shù)(A)=0.5×部分吃水分艙指數(shù)AP+0.5×夏季吃水分艙指數(shù)AS

新版：A=0.2×最輕載吃水分艙指數(shù)Al+0.4AP+0.4AS

式中：A指數(shù)表示船體遭受碰撞損壞后殘存的概率，需要在由破損范圍和破損前初始裝載工況所定義的各種破損情況的基礎(chǔ)上通過(guò)計(jì)算獲得。

1.3縱傾范圍的定義

舊版中對(duì)縱傾沒(méi)有相關(guān)的規(guī)定。

新版中規(guī)定了實(shí)際運(yùn)營(yíng)中的縱傾變化在大于0.5%LS時(shí)，應(yīng)按相同吃水但不同縱傾進(jìn)行A指數(shù)的計(jì)算，并在各縱傾下計(jì)算獲得的破損穩(wěn)性極限GM曲線的基礎(chǔ)上，繪制覆蓋整個(gè)營(yíng)運(yùn)縱傾范圍的極限GM包絡(luò)線；并且規(guī)定了輕載航行吃水時(shí)按照實(shí)際縱傾計(jì)算。縱傾范圍的定義如圖2所示。圖2中，dP為部分分艙吃水，dL為輕載航行吃水。

圖1 SOLAS要求的新舊版分艙指數(shù)比較

圖2 縱傾范圍的定義

1.4破損概率P值計(jì)算

P值的計(jì)算公式舊版與新版不同，具體可參見(jiàn)國(guó)際海上人命安全公約。

1.5浸水率

舊版中對(duì)于部分分艙吃水和最深分艙吃水，貨艙浸水率均為0.70。

新版中規(guī)定了不同吃水下，貨艙等處所不同的浸水率。對(duì)該船型貨艙而言:

最深分艙吃水dS：浸水率為0.70;

部分分艙吃水dP：浸水率為0.80;

輕載航行吃水dL：浸水率為0.95。

2 分艙和布置特點(diǎn)

該船型布置特點(diǎn)如下：

(1)全船僅有3個(gè)貨艙，其中2號(hào)貨艙最大長(zhǎng)度為54 m，用于裝載大型貨物。

(2)為了布置大型吊機(jī)(2臺(tái)×350 t, 1臺(tái)×100 t)，左右舷雙殼設(shè)計(jì)成不對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

(3)為保證裝載大型貨物時(shí)的視野，居住區(qū)布置在艏部。

鑒于本船貨艙數(shù)量少，且容積相對(duì)較大，因此本船破艙穩(wěn)性要求很高。由于分艙上需要設(shè)置較多的壓載艙和水密分隔艙壁等，而且本船結(jié)構(gòu)、管系復(fù)雜，特別是貨艙通道和通風(fēng)管道，以及壓載艙和橫傾艙的管系等，因此在破艙穩(wěn)性計(jì)算時(shí)都要進(jìn)行考慮。

3 破艙穩(wěn)性計(jì)算的一般過(guò)程

在以上總體布置的基礎(chǔ)上，使用NAPA軟件進(jìn)行破艙穩(wěn)性的計(jì)算，主要進(jìn)行以下工作。

(1)船舶型線的建立，該項(xiàng)工作主要由水動(dòng)力試驗(yàn)決定，并在該階段進(jìn)行完善，如增加板厚、附體等的定義。

(2)艙室的定義和船舶模型的建立，特別注意的是要正確定義機(jī)艙、貨艙區(qū)劃的浸水率，一般區(qū)劃通過(guò)定義浸水率屬性來(lái)設(shè)置浸水率。貨艙區(qū)劃由于不同吃水下有不同的浸水率，需要定義貨艙浸水率屬性，格式為T 0.95dL+0.01 0.8dP+0.01 0.7；另外各艙室小的區(qū)劃也要注意不能忽略，否則生成破損區(qū)劃時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤，導(dǎo)致計(jì)算不正確。對(duì)于貨艙通風(fēng)管道，如果貨艙尾部邊界在Fr34，分艙表格中Fr34正好是一個(gè)縱向的分艙位置，而其通風(fēng)管道向后延伸到了Fr32，如果沒(méi)有正確定義通風(fēng)管道，則破損時(shí)可能遺漏相關(guān)艙室的破損。

(3)開(kāi)口的定義。開(kāi)口主要包括艙口、通道、門和空氣管頭等，其中空氣管頭的位置基本設(shè)計(jì)階段一般沒(méi)有具體的位置，所以一般定義為該艙室最前、最后端，并靠近舷邊的位置。如果艙室較多，可以使用NAPA BASIC編寫宏程序，使用UL、LL函數(shù)獲取艙室邊界來(lái)定義空氣管頭的位置，并且需要根據(jù)國(guó)際載重線公約的要求來(lái)定義其高度。有一點(diǎn)需要特別注意，新版中增加規(guī)定了保持水密完整性的管路閥門或通風(fēng)管道閥門的操作位置不能被淹沒(méi)，否則生存概率s等于0。

(4)艙室聯(lián)通的定義。一些不同的區(qū)劃之間可能并非需要水密，比如機(jī)艙和舵機(jī)室之間由于船員需要經(jīng)常通行和防火要求，在滿足破艙穩(wěn)性的前提下可以將其聯(lián)通起來(lái)進(jìn)行計(jì)算。這種情況下使用艙室的聯(lián)通表來(lái)定義計(jì)算就比較方便，使得NAPA在生成破損時(shí)會(huì)自動(dòng)考慮與之聯(lián)通艙室的破損。

(5)分艙位置的定義，主要根據(jù)水密艙壁的位置。如果艙壁有曲折，一般可以定義一個(gè)小的間隙。如果遇到污水井延伸到水密艙壁之外，或者艙室的閥門延伸到水密艙壁之外的情況，也可以定義為間隙，或者通過(guò)增加縱向分艙位置，并增加橫向分艙位置來(lái)計(jì)算，不過(guò)這樣會(huì)增加計(jì)算的復(fù)雜性。本船為獲得更大的分艙因子，采用增加分艙位置的方法。對(duì)于垂向位置的定義，需要區(qū)分為向上破損位置和向下破損位置，其中向上破損位置需要在初始載況水線以上，用來(lái)計(jì)算垂直方向破損概率v；而向下破損位置是公約中要求的較小破損情況下的校核，取其中較為嚴(yán)厲的結(jié)果。

(6)初始工況的定義。定義包括吃水、縱傾、最小G0M值等，其中最小G0M值和縱傾值根據(jù)載況計(jì)算中所有可能的運(yùn)營(yíng)工況來(lái)設(shè)定。

(7)生成破損區(qū)劃，由NAPA根據(jù)設(shè)定自動(dòng)生成。設(shè)定時(shí)，根據(jù)需要設(shè)置相鄰破損區(qū)劃的個(gè)數(shù)。

(8)完成以上工作后，可以進(jìn)行不同縱傾條件下的破艙穩(wěn)性指數(shù)的計(jì)算。同時(shí)根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)分艙、開(kāi)口、艙室聯(lián)通設(shè)置等進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終得到合適的計(jì)算結(jié)果。

4 本船破艙穩(wěn)性計(jì)算的注意點(diǎn)

4.1特殊管路布置在破艙穩(wěn)性計(jì)算時(shí)的考慮方法

對(duì)于一般的壓載艙室的管路，在同一區(qū)劃都布置有閥門，因此一個(gè)區(qū)劃的破損不會(huì)引起其他艙室的連續(xù)進(jìn)水。但本船設(shè)有橫傾艙室，為便于維護(hù),其閥門布置在橫傾泵室附近。這種布置在C區(qū)劃破損時(shí)，雖然5號(hào)邊壓載艙(左舷)、6號(hào)邊壓載艙(左舷)艙室沒(méi)有破損，但水會(huì)通過(guò)C區(qū)劃破損的管路進(jìn)入這2個(gè)艙室；同樣，B區(qū)劃破損時(shí)，6號(hào)邊壓載艙(左舷)雖然沒(méi)有破損，但水會(huì)通過(guò)B區(qū)劃破損的管路進(jìn)入該艙室。

處理方法有2種：第1種是使用艙室聯(lián)通的方法。這種方法比較簡(jiǎn)單，即5號(hào)邊壓載艙(左舷)、6號(hào)邊壓載艙(左舷)的管路在1號(hào)燃油艙內(nèi)，1號(hào)燃油艙破損時(shí)聯(lián)通5號(hào)邊壓載艙(左舷)和6號(hào)邊壓載艙(左舷)；同樣，5號(hào)雙層底壓載艙聯(lián)通6號(hào)邊壓載艙(左舷)。但是這樣分艙獲得因子會(huì)受影響，因?yàn)?號(hào)雙層底壓載艙破損的范圍很大，造成6號(hào)邊壓載艙(左舷)進(jìn)一步進(jìn)水的情況較多。而實(shí)際上，6號(hào)邊壓載艙(左舷)的管路靠近船舶中心線，可以通過(guò)設(shè)置船寬方向的分隔減少其破損的情況。

第2種方法：把管路加入該艙室的模型定義，并增加船寬方向的分隔。這種方法稍復(fù)雜，但會(huì)獲得更大的分艙因子。另外，還需要對(duì)原來(lái)布置靠舷邊的管路進(jìn)行修改，使其靠近中心線，降低破損的概率，如圖3中的虛線。

圖3 特殊的管路布置

4.2合理使用艙室聯(lián)通表格以提高計(jì)算精度

與一般船舶不同，貨艙與其聯(lián)通的交通通道、通風(fēng)管道等處所的容積相對(duì)較大，如果簡(jiǎn)單的將其定義為一個(gè)區(qū)劃，會(huì)因其貨物處所與其他處所規(guī)定的浸水率不同，造成計(jì)算誤差。通過(guò)定義為不同的區(qū)劃，定義不同的浸水率，且通過(guò)艙室聯(lián)通表格將其聯(lián)通，確保了不同區(qū)劃破損時(shí)正確的計(jì)算結(jié)果。

4.3細(xì)化分艙表格以提高分艙因子

一般情況下，分艙位置選取水密艙壁處。最初計(jì)算本船縱向上分為16個(gè)區(qū)劃， 由于沒(méi)有考慮局部的布置，如上所述的貨艙通道區(qū)劃等，因此獲得的分艙因子較小。需要考慮對(duì)這些處所在橫向、縱向上進(jìn)行細(xì)分，最終縱向上分為19個(gè)區(qū)劃，橫向上也增加了分隔，分艙因子顯著提高。

4.4考慮較小的進(jìn)一步進(jìn)水以提高分艙因子

為保證計(jì)算精度，機(jī)艙雙層底的小艙也都分別進(jìn)行了定義，如圖4中溢油艙和油渣艙。在計(jì)算中發(fā)現(xiàn)個(gè)別工況原本可以生存的，卻沒(méi)有生存。比如某個(gè)破損工況，由于半寬沒(méi)有包含溢油艙室，溢油艙沒(méi)有破損，但溢油艙的通風(fēng)開(kāi)口被淹沒(méi)，導(dǎo)致s=0。另一側(cè)破損亦然?？紤]到該2個(gè)艙室都比較小，容積僅為30.9 m3，因此根據(jù)SOLAS規(guī)定：“如果證實(shí)累進(jìn)進(jìn)水的影響能易于控制并且不損害船舶的安全，則主管機(jī)關(guān)可允許較小的累進(jìn)進(jìn)水”，在計(jì)算時(shí)修改了破損范圍，即溢油艙也加入了破損艙室，對(duì)船舶破損后的浮態(tài)幾乎沒(méi)有影響，使其生存獲得了更大的分艙因子。

圖4 進(jìn)一步進(jìn)水

4.5艙室合并優(yōu)化

在上述計(jì)算后發(fā)現(xiàn)分艙因子有一定余量的條件下，在滿足破艙穩(wěn)性要求的前提下，考慮到下甲板通道作為交通的要求，將多個(gè)水密艙室合并，減少水密門的數(shù)量，有利于交通，并且降低了建造成本。

變更前下甲板通道分為了左右各10個(gè)水密區(qū)劃，變更后下甲板通道左舷分為3個(gè)水密區(qū)劃，右舷分為4個(gè)水密區(qū)劃。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)計(jì)算，本船分艙因子滿足國(guó)際海上人命安全公約要求。

根據(jù)計(jì)算設(shè)定的各初始工況最小G0M，以及完整穩(wěn)性規(guī)則要求的完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)，驗(yàn)證了本船的最小G0M滿足各標(biāo)準(zhǔn)工況的要求。

本文通過(guò)對(duì)2.8萬(wàn)t多用途船破艙穩(wěn)性計(jì)算分析，簡(jiǎn)述了使用NAPA軟件進(jìn)行破艙穩(wěn)性計(jì)算的工作要點(diǎn)和注意事項(xiàng)，并就一些破艙穩(wěn)性計(jì)算的特殊分析方法進(jìn)行了介紹。通過(guò)相關(guān)的分析得到詳細(xì)的計(jì)算結(jié)果，對(duì)計(jì)算進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)布置和其他設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。

[1]中國(guó)船級(jí)社.國(guó)際海上人命與安全公約[M].北京：人民交通出版社，2009.

[2]中國(guó)船級(jí)社.SOLAS 2009分艙與破損穩(wěn)性要求實(shí)施指南[M].北京：人民交通出版社，2009.

2013-09-03

周旭(1977-)，男，工程師，主要從事船舶總體設(shè)計(jì)。

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