35 000 DWT成品油船专用压载舱设计及稳性分析

2016-01-29张小雅

上海船舶运输科学研究所学报 2015年4期

阎　岩,　张小雅

(上海船舶运输科学研究所航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135)

阎岩,张小雅

(上海船舶运输科学研究所航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135)

摘要:以35 000 DWT成品油船为例，分析专用压载舱的布置和型式对完整稳性的影响；针对压载航行时的稳性衡准和强度要求，考虑多种装载方式并进行反复验算，最终获得了合理的装载模式。此外，分析其完整稳性和破舱稳性规范与常规油船稳性规范的相同点及不同点，并针对最典型的危险工况，利用NAPA软件编写宏命令，从而实现完整稳性和破舱稳性的程序化计算。

关键词:成品油船；专用压载舱；压载装载；完整稳性；破舱稳性；NAPA宏命令

0引言

35 000 DWT成品油船作为一种国际航行船舶，在设计中面临的挑战是如何在尺度限定的条件下，既能使船舶所有人获得最大的装货量,又能充分保证船舶的安全性。反映到压载舱的设计上，既要满足最小压载水量的要求，使其有足够的能力调整船舶的浮态，又要在满足双壳体和双层底尺度要求的前提下，尽可能地使货油舱的尺度最大优化。此外，作为成品油与化学品兼用船，现有稳性规范对该类船舶也有着特殊的要求。就完整稳性而言，该船既要满足IMO RES.A.749(18)[1]对所有类型船舶的完整稳性要求，又要满足MARPOL73/78/97公约附则I REG.27[2]对油船完整稳性的要求;就破舱稳性而言，该船既要满足IBC CODE[3]对化学品船破舱稳性的要求，又要满足MARPOL73/78/97公约REG.28[4]对油船破舱稳性的要求。利用现在为各大船厂、设计单位和船级社认可的船舶三维建模及性能计算软件NAPA计算该船的完整稳性和破舱稳性。

1船舶的主尺度

35 000 DWT成品油船的主尺度为：总长(LOA)188.35 m;垂线间长(LBP)178.00 m;型宽(B)29.00 m;型深(D)16.00 m;设计吃水(TD)10.50 m;结构吃水(TS)11.40 m;设计吃水处载重量32 150.0 t;结构吃水处载重量36 030.6 t。

2专用压载舱的型式与布置分析

MARPOL73/78/97公约第18条规定，每艘载重量为30 000 t及以上的成品油船均应设置专用压载舱，其可以不依靠货油舱装载压载水而安全地压载航行。专用压载舱的容量应至少能使船舶的吃水和吃水差在航行的任何部分(不论处于何种压载状态)均符合下列各项要求：

(1) 舯部型吃水(dm)以m计(不考虑任何船舶变形)应≥2.0+0.02L(L为载重线船长);

(2) 在艏、艉垂线处的吃水应相当于由规定(1)所确定的舯部吃水dm，但向艉纵倾的吃水差不得>0.015L;

(3) 艉部垂线处的吃水不得小于使螺旋桨全部浸没所必需的吃水。

专用压载舱在布置时，既要满足上述要求，又要尽可能减少总的压载舱数量，压载舱布置简洁化，从而达到结构和管系等费用降低、压载水管理方便等目的。

2.1　压载舱的型式选取

该船的边舱和双层底舱形成专用压载舱,有以下5种型式可供选择。

1) L型舱,其边舱与双层底舱连通，双层底内有纵向旁桁材(为满足纵向桁材和纵向底墩的加强连接而不采用纵中桁材)将左舷和右舷的压载舱分隔开。L型舱布置简洁、管系较少、易于布置通道、易于通风，同时由于左右舷的压载舱分隔，即使装卸货油和加压载水同时进行也不会因过大的自由液面而导致初稳性不足，所以其是首选的压载舱型式。

2) U型舱，其双层底的纵向桁材与L型舱相比是打通的。这种型式具有布置简单、管系少、易于安排通道等优点，但是由于该船较宽，U型舱在加排压载水的过程中容易产生较大的自由液面，因此不利于稳性，容易产生大角度横倾。

3) 边纵舱壁连通至基线，内底板与纵舱壁相连接形成双层底舱，双层底舱左右连通(无纵向桁材隔断)。这种型式在船底破损且破损纵向范围延伸至边舱时,会产生很大的横倾力矩，从而使得破舱稳性难以满足。

4) 内底板连通至舷侧，边舱位于内底之上，这种型式对底部破损稳性较为有利，但使得双层底舱的通道和通风的布置比较困难。

5) J型舱与S型舱的组合。这种组合结构复杂，经济性较差。

经过上述分析，该船的专用压载舱采用L型舱是比较合理的。

2.2　压载舱的布置

综合考虑各种因素，尤其是为满足破舱稳性的要求，货油舱区分为8段，即7对货油舱和1对污液舱，由于污液舱段纵向较短，因此相应的专用压载舱分为7段全L型压载舱。其中,7号货油舱和污液舱区段对应第7号压载舱。同时，在满足管系布置的前提下，将压载泵舱与6号压载舱布置在一起。经计算，该布置能满足各种工况下的完整稳性和破舱稳性要求。

综合以上分析,得到专用压载舱的布置与型式见图1。

3完整稳性的要求与难点

对于该成品油船而言，根据IMO RES.A.749(18)[1]对所有类型船舶的完整稳性要求进行常规稳性计算较容易理解，但是根据MARPOL73/78/97公约附则I REG.27[2]对油船完整稳性的要求进行计算则是一个难点。另外，船舶在压载航行状态下调整装载时，既要满足船舶的浮态和稳性衡准，又要满足船体纵向强度的要求，这也是难点。

3.1　IMO RES.A.749(18)对所有类型船舶的完整稳性要求

(1) 至横倾角30°复原力臂曲线(GZ曲线)下的面积应≥0.055 m·rad；

(a) 侧视图

(b) 俯视图

(2) 至横倾角40°或向下进水角(如果该角度<40°)复原力臂曲线下的面积应≥0.09 m·rad；

(3) 在横倾角30°~40°或30°~a(若此角度<40°)复原力臂曲线(GZ曲线)下面积应≥0.03 m·rad；

(4) 在横倾角≥30°时，复原力臂GZ应至少为 0.2 m;

(5) 初稳性高GM0≥ 0.15 m。

(6) 气象衡准：

船舶受到垂直于其中心线的1个稳定风压的作用，产生1个稳定风倾力臂(lwl)；假定船因波浪的作用由平衡角()向上风侧摇至1个横摇角()，应注意在稳定风作用下避免产生过大的横倾角；然后船舶受到阵风风压，产生阵风倾侧力臂(lw2)，在此情况下，面积“b”应等于或大于面积“a”(见图2)。

图2　突风和横摇

3.2　MARPOL73/78/97公约附则I REG.27对油船完整稳性的要求

2002-01-31后交付的5 000 DWT及以上的油船，在可能出现的货物和压载水最恶劣装载工况(符合良好操作惯例且包括液货过驳作业的中间阶段)下的任何营运吃水，应符合本条“1.1”和“1.2”所规定的完整稳性衡准(与IMO RES.A.749(18)要求类似)。在所有情况下，压载水舱应假定存在自由液面。寻找最恶劣的工况是个难点，需进一步理解和分析。

1) 理解REG.27规范,寻找稳性要求最苛刻的工况，使得：

(1) 该装载状态下的排水量所对应的KM值是横稳性曲线中最小的；

(2) 各个货油舱应装载至使其垂向力矩加上0°时的自由液面惯性矩为最大；

(3) 消耗品取满载出港，即100%的淡水和98%船用油；

(4) 各压载舱有1%的舱容压载水残剩, 以及计入所有压载舱的最大自由液面惯性矩对稳性的修正；

(5) 货油密度应对应于上述(1)~(4)所规定的排水量；

(6) 自由液面对GM的修正基于船舶正浮时的自由液面惯性矩, 复原力臂曲线的修正可按液舱移动力矩计入。

2) 具体计算如下。

(1) 根据货油舱装载后的垂向体积矩(VNET×VCG)和横倾角为0°时的自由液面惯性矩(FRSM)的最大组合值确定装载高度：NO.1货油舱(左右)的装载高度为16.15；NO.2~NO.7货油舱(左右)的装载高度为16.05。

(2) 满载出港的消耗品及人员、行李重量为W2=1 862 t。

(3) 总压载水容量的1%为W3=156.48 t。

(4) 根据最小的KMT值确定货物密度：查询静水力表，得出最小的KMT值为12.286 m，对应的吃水约为10.72 m，对应的排水量DISP为42 848.7 t；而空船重量为W1，满载出港的消耗品及人员、行李重量为W2=1 862 t，总压载水容量的1%为W3=156.48 t，货舱容积VH为42 198.5 m3。由此得最危险工况下的货物密度为(Disp-W1-W2-W3)/VH=0.717 t/m3。将0.717代入NAPA编写的宏语言中进行计算，得出实际算例的KM=12.26 m;再将接近0.717的数据代入NAPA，结果显示最小的KM值为12.26 m。

(5) 利用NAPA宏命令编写满足MARPOL73/78/97公约附则IREG.27的计算程序;

利用NAPA软件的宏命令编写程序来实现稳性计算能大大缩短计算时间，减少重复工作量，同时能形成比较简洁明了的报告形式。

GET BUNKER100%

TEXT 'MARPOL 73/78 REVISED ANNEX.I REG.27'

FRS '*B/ALL MAX' 'OTHERS MAX'

LIG A

LOAD WB V=*0.01

LOAD CAL H=16.15 CTK1P DENS=0.717

LOAD CAL H=16.15 CTK1S DENS=0.717

LOAD CAL H=16.05 CTK2P DENS=0.717

LOAD CAL H=16.05 CTK2S DENS=0.717

LOAD CAL H=16.05 CTK3P DENS=0.717

LOAD CAL H=16.05 CTK3S DENS=0.717

LOAD CAL H=16.05 CTK4P DENS=0.717

LOAD CAL H=16.05 CTK4S DENS=0.717

LOAD CAL H=16.05 CTK5P DENS=0.717

LOAD CAL H=16.05 CTK5S DENS=0.717

LOAD CAL H=16.05 CTK6P DENS=0.717

LOAD CAL H=16.05 CTK6S DENS=0.717

LOAD CAL H=16.05 CTK7P DENS=0.717

LOAD CAL H=16.05 CTK7S DENS=0.717

LOAD CAL H=16.05 SLP DENS=0.717

LOAD CAL H=16.05 SLS DENS=0.717

SAVE!; OUT LOAD(!FORM); LIS FLOAT; LIST STR; CR; LIS CRT;

END

(6) 由以上各步骤得到表1所示计算结果。

表1　满足MARPOL73/78/97公约附则IREG.27的完整稳性要求计算结果汇总表

由表1可知，该船的布置与装载能满足MARPOL73/78/97公约附则IREG.27对完整稳性的要求。

3.3　压载状态装载的调整

船舶在压载航行时对配载的要求较高,既要满足稳性衡准，又要满足船体总纵强度的要求，这是本船在配载方案上的难点。与货油舱对应，该船设置了7对专用压载舱，同时艏部设置有1个艏尖舱和1对艏压载舱，艉部设置有1个淡水压载舱。若压载舱全部装满，经过计算，稳性衡准全部满足。但在X=83.889 m(即FR66+0.5)处弯矩值达到了1 366 330 kN·m，超过了该处肋位的弯矩许用值，不满足总纵强度的要求，因此需要重新调整装载。由于该船的压载舱较多，因此在调整装载时需要考虑很多种组合方式。这里在计算时利用NAPA宏命令编制多种压载舱装载组合模式的计算程序，计算结束后对稳性衡准和船体强度进行校核，最终寻求到一种既能满足船舶压载出港、中途和到港等3个状态的稳性要求，又能满足船体的总纵强度要求的。船舶压载航行时各压载舱的装载情况见表2，船舶静水弯矩许用值见表3。

表2　船舶压载航行时各压载舱的装载情况

表3　船舶的静水弯矩许用值

4成品油船/化学品船与传统油船对破舱稳性要求的异同

在计算35 000 DWT成品油船/化学品船的破舱稳性时，要同时满足MARPOL和IBC CODE的要求。与常规油船对比，该船最大的区别是在假定破损范围时，机舱处所不得按单舱浸水处理，而是在破损时与前舱室或后舱室一起破损，即该船全部舱室都要满足2舱不沉的要求(IBC CODE要求—对于船长超过150 m的2型船舶，应假定在其船长范围内的任何部位上经受破损)。另外，MARPOL73/78/97公约附则IREG28.6在对20 000DWT以上、75 000DWT以下的油船进行常规的破损范围假定之外，补充了底部破损——纵向范围自艏垂线起0.4L；横向范围自舷侧向内B/3；垂直范围外部船体的损坏。

就破损后的稳性衡准而言，MARPOL与IBC CODE的要求近似。

1) 在浸水的任何阶段，考虑下沉、横倾和纵倾后的水线应低于可能发生连续浸水或使主船体内部浸水的任何开口的下缘。此类开口中应包括空气管和以风雨密门或舱口盖作为关闭装置的开口，但可以不包括那些用水密人孔盖和与甲板平齐的小舱口盖、能保持甲板高度完整性的小型水密液货舱舱口盖、远距离操纵的水密滑动门以及非开启式舷窗作为关闭装置的开口。

2) 虽然不对称浸水引起的最大横倾角不应超过25°，但若不出现甲板被浸没，可将此角度增加到30°。

3) 对浸水中间阶段的剩余稳性应使主管机关满意，但决不允许其比本条“4”的要求低很多。

4) 在浸水的最终平衡状态，复原力臂曲线在超过平衡位置之外应有1个20°的最小范围，且该20°范围内的最大剩余复原力臂至少为0.1 m；在此范围内，该曲线下的面积应≥0.017 5 m·rad。在上述横倾范围内，未被保护的开口不应被浸没，除非有关处所是被假定浸水的。在此范围内，“1)”所列出的任何开口和能被风雨密关闭的其他开口均可允许浸没。

5破舱稳性分析

为满足上述破舱稳性规范，利用NAPA软件中的宏命令在其命令编辑器text editor中进行初始工况/破损工况的定义和计算共(6×57组)，计算结果均满足规范的要求。这里选取其中2组最危险的组合进行分析说明。

5.1　机舱及相邻舱室两舱破损稳性分析

1) 利用NAPA软件中的宏命令在text editor中定义初始工况：

INIT INI01 ‘MAXIMUM DRAUGHT, DEPARTURE WITH 100% BUNKER’

LOAD LOAD02-1(LOAD02-1引用了完整稳性计算时的结构吃水时满载出港工况)

2) 定义破损工况：

DAM DAM01 ‘ENGINE ROOM AND ADJACENT ROOM DAMAGE’

STA FINAL

ROO WBT7P CTK7P SLP VODP HFOP FOWT FODT HFOS1 ERDAM

3) 定义水密及风雨密开口

开口定义示例：

OPEN MAF31 ‘CTKS7 AIR VENT FORWARD’

TYPE WEATHERTIGHT

POS (#54-0.39 12.88 16.935)

4) 定义衡准

DAM

CGR IBC

CRI V.PROGR.IBC V.MAXHEEL.IBC V.RANGE.IBC V.MINGZ.IBC V.MINAREA.IBC

5) 计算并分析结果

利用NAPA中TASK菜单下的DAMAGE STABILITY或在TEXT EDITOR下利用宏命令均可进行破舱稳性的计算，用户可根据自己的需要进行调试和输出。破损前后的浮态和破舱稳性衡准校核见表4及表5，破损后的状态见图3。

表4　破损前后的浮态

表5　破舱稳性衡准的校核

图3INI01/DAM01破损后的状态

2) MARPOL73/78/97公约附则IREG.28.6底部破损稳性分析

该工况的计算流程与“5.1”类似，其中初始工况、开口和稳性衡准的定义与之相同，不同的是破损工况的定义和计算结果。破损工况的定义为：

DAM DAM02 ‘MARPOL REG.28.6 BOTTOM DAMAGE’

STA FINAL

ROO FPK EFPT FWBTP WBT1P WBT1S WBT2P WBT3P HYDRS RIG PTRM

工况INI01/DAM02的计算结果见下表6和表7。

表6　破损前后的浮态

表7　破舱稳性衡准的校核

6结语

1) 该船的专用压载舱采用7段全L型压载舱，既能满足最小压载水量的要求，使压载舱有足够的能力调节船舶的浮态，同时又能使布置简单、管系较少、易于通道的布置和通风。此外，由于左右舷的压载舱是分隔开的，因此即使装卸货油与加压载水同时进行时也不会因过大的自由液面而导致初稳性不足。经计算，采用的压载舱布置和型式能满足船舶在各种工况下的稳性要求。

2) 深入研究了MARPOL73/78/97公约附则I REG.27对油船完整稳性的要求，并针对该船寻找到了1个稳性要求最苛刻的工况，使得该规范全部满足，并采用NAPA软件编制宏命令，大大简化了计算过程。

3) 为满足该船在压载航行时的稳性衡准和强度要求，考虑了多种压载舱的组合模式，并利用NAPA编制宏命令进行了逐一验证。经反复试验和验算，最终寻求到一种既能满足船舶压载出港、中途和到港等状态的稳性要求，又能满足船体的总纵强度要求的组合方式。

4) 分析了成品油船与传统油船破舱稳性规范方面的异同，并以机舱及相邻舱室两舱破损、MARPOL73/78/97公约附则IREG.28.6底部破损这2种最危险的破损工况为例，展示了利用NAPA宏命令实现破舱稳性计算的过程。经计算得出，该船既要满足IBC CODE对化学品船破舱稳性的要求，又要满足MARPOL73/78/97公约附则IREG.28[4]对油船破舱稳性的要求。

参考文献：

[1]IMO Resolution A.749(18)-Code on Intact Stability for all Types of Ships Covered by IMO Instruments-(adopted on 4 November 1993)

[2]Articles, Protocols, Annexes and Unified Interpretations of the International Convention for the Prevention of Pollution from ships,1973,as modified by the 1978 and 1997 Protocols[C].Regulation27-Intact stability.

[3]IBC Code-International Code for the Construction and Equipment of Ships Carrying Dangerous Chemicals in Bulk

[4]Articles, Protocols, Annexes and Unified Interpretations of the International Convention for the Prevention of Pollution from ships,1973,as modified by the 1978 and 1997 Protocols[C].Regulation28-Subdivision and damage stability.

Segregated Ballast Tanks Design and Stability Analysis of 3 500 DWT Product Oil Tanker

YanYan，ZhangXiaoya

(State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology，Shanghai Ship& Shipping Research

Institute，Shanghai 200135，China)

Abstract:The relation between the intact stability and the segregated ballast tank arrangement of a 35,000 DWT product oil/chemical tanker is investigated. The sailing-in-ballast load patterns, corresponding to selected ballast tank arrangement plans, are checked against the stability criterion and strength requirements, and the optimal segregated ballast tank arrangement is decided. The similarities and differences between the intact/damaged stability criteria for product oil tanker and those for ordinary oil tankers are analyzed. The NAPA macro for calculating the worst-case intact stability and damage stability are developed.

Key words:product oil; segregated ballast tanks; ballast loading; intact stability; damaged stability; NAPA macro

基金项目：上海市青年科技启明星计划资助(15QB1400800)

中图分类号：U663.85;U674.13+3

文献标志码：A

文章编号：1674-5949(2015)04-001-07

作者简介：阎岩(1983—),女,助理研究员,硕士,主要从事船舶总体设计工作。

收稿日期：2015-07-15 2015-08-21

上海船舶运输科学研究所学报

2015年4期