基于压载水法的50 000 t半潜船倾斜试验测量参数敏感性分析

左文安 田明琦

（中集船舶海洋工程设计研究院有限公司 上海201206）

基于压载水法的50 000 t半潜船倾斜试验测量参数敏感性分析

左文安 田明琦

（中集船舶海洋工程设计研究院有限公司 上海201206）

由于半潜船在主甲板完全没入水面后，船体水线面面积急剧减小，导致GM值较小，而倾斜试验读数误差会影响到空船重心高度，从而影响最终配载的GM值。文章以50 000 t半潜船为例，根据船舶静力学原理，针对压载水法倾斜试验的测量参数水尺、测深及摆锤读数开展敏感性分析。结果表明：摆锤读数及手工测深读数对倾斜试验结果影响较大，而水尺读数的影响较小；读数误差影响范围可能超过最小的GM值，因此对半潜船来说，倾斜试验的准确性极其重要。

半潜船；倾斜试验；压载水法；测量参数；敏感性分析

引 言

船舶初期设计所采用的空船质量和重心只是估算或计算的结果，船舶在建造过程中，结构构件及材料或设备位置、质量等变化，都可能造成质量和重心一定程度的偏差，因此，船舶在完工后需要进行倾斜试验，以便确定其实际质量和重心的纵向位置和垂向位置。倾斜试验关系到船舶的载重量指标是否满足合同的约定要求，同时也影响到船舶的配载与稳性衡准要求［1］。

对于常规吨位船舶，一般采用铸铁块、钢锭或水泥块等外形正规的重物作为倾斜试验移动载荷。对于大吨位船舶，若采用固体重物作为倾斜试验的移动载荷，此方法要求船厂配置大量固体压块及重吊，条件苛刻且经济性较差。50 000 t半潜船的空船排水量约为30 000 t、初稳性高约为23 m，如果采用较规则形状的固体重块作为移动载荷来作倾斜试验，对于船厂来说则非常困难。CB/T 3035-2005船舶倾斜试验标准规定：在难以采用固体重块的情况下，可使用压载水作为试验质量［2］。本船采用WBT07.3压载舱（左/右）交换压载水作为移动重量，该舱长25 600 mm、宽10 053 mm、液面面积达257.36 m2。由于压载舱液面面积大，对于测深及相关参数的测量精度要求较高，同时本船在下潜过程中，主甲板完全没入水面后，稳性急剧变化，稳性值较小，因此开展其敏感性分析非常有必要。

50 000 t半潜船主要技术参数为：

总 长 227.00 m

垂线间长 220.60 m

型 宽 43.00 m

型 深 13.50 m

设计吃水 10.00 m

半潜吃水 27.00 m

载重量 约50 000 t

推进器 3组×4 500 kW

服务航速（90%推进器功率） 约14.00 kn

续航力 18 000 n mile

床 位 55人

船 级 CCS

图1 50 000 t半潜船

1 试验方法

本船试验采用移动压载水的方法完成，压载水采用压载泵从一舷移到另一舷。WBT07.3压载舱（左/右）作为移动质量压载水舱，且对其自由液面惯性矩给予修正，参见图2和下页图3。

图2 压载舱布置图

试验中使用两套摆锤测量横倾角，摆锤分别布置在FR0和FR224，摆长约为17 m。移动压载水的质量由测深尺通过测深管测定，移动顺序见表1。

图3 压载舱调载图

表1 调载工况

应测数据包括：试验时间、天气、风力及海况，不足质量及位置，多余质量及位置，吃水标志处的吃水（包括前、中、后标志的两侧），海水温度和海水密度，摆长，摆锤在标尺上的初始位置。每次读取摆锤位移时，应测量WBT07.3压载舱（左/右）的测深值，以确定每次的移动量。

每个载荷工况移动的压载水重约200 t，WBT07.3压载舱（左/右）水面深度增加或减小约778 mm，估算横倾角度θ正切值及摆锤幅值a见表2。

表2 单次调载估算横倾角及摆锤幅值

2 敏感性参数分析

船舶倾斜试验是通过调整WBT07.3压载舱（左/右）压载水，使船舶产生较小的横倾角，通过测量摆锤的读数及压载舱的测深，经过计算得到船舶相关稳性参数。

试验初始浮态见表3。

表3 初始浮态

由于试验过程船体发生横倾，压载舱自由液面将发生变化，自由液面对初稳性的修正公式为：

式中：GM0为初稳性高，m；GM1为自由液面修正后的初稳性高，m；ρ为调压载舱水的密度，t/m3；IXX为压载舱自由液面横向惯性矩，m4；Δ为排水量，t。

由表4可知，单次调载横倾角的变化对GM自由液面修正的影响较小，200 t压载水调载导致GM变化仅为0.006 mm，因此横倾角变化引起的调压载舱自由液面对GM变化的影响可忽略不计。

表4 自由液面修正

由于KM与船体外壳型线有关，调载压载水横向移动的距离l为定值，影响重心高度的参数有：排水量Δ、调载压载水质量及相应横倾角θ。

2.1 排水量测量参数

在倾斜试验过程中，环境条件要求风力一般不超过2级，特殊情况不超过3级。通常由于交船时间节点的限制，遇到完全风平浪静的时候较少，因此水面上不可避免会存在波浪。通常采用玻璃管或微管连通器的方法进行消波以减小对船舶吃水读数准确性的影响［3-4］。

在单次调载工况下，仅考虑吃水读数引起误差的影响。假设吃水读数测量值与理论值差值为δT，理论排水量为Δ0，若读数误差引起的排水量为Δ1，水线面面积为S，则由吃水读数误差引起初重心高hKG变化值δKG为：

由式（2）可知，δKG与δT成正比，排水量理论值与测量值的乘积成反比。吃水读数误差引起δKG的变化结果见表5。若吃水读数误差为±10 mm，则引起最大的δKG变化为0.058 m。

2.2 倾角测量参数

倾斜角的测量采用 U型管、摆锤等方法。采用摆锤进行测量时（摆锤至少2个），摆锤应处于防风区域，并尽可能远离。摆锤应置于水槽或油槽中，且在最大倾角时不应触及槽壁。设摆锤长度为λ（量自摆锤挂点至刻度标尺间的垂直距离），λ应足够长，至少为3 m。设摆动幅度为a，则倾角θ为：

表5 吃水读数误差分析

在单次调载工况下，仅考虑摆锤读数引起误差的影响。假设摆动幅度理论值为a0，相应的倾角θ0，实际的测量值为a1，相应的倾角为θ1，则由读数误差引起初稳性变化值δGM为：

由式（4）可知，δGM与摆锤读数误差值成正比，与理论值和测量值的乘积成反比。摆锤读数误差引起δGM变化结果见表6。若摆锤读数误差为±2 mm，则引起最大的δGM变化为-0.305 m。

表6 摆锤读数误差分析

2.3 手工测深参数

测深钢卷尺又称量油尺，主要部件是一条具有弹性的连续钢制尺带和一个规定的尺砣，尺带的一面刻蚀或印制有m、cm、mm等刻度及相应数字。测深钢卷尺与钢卷尺最主要的区别是测深钢卷尺多了一个尺砣，零刻度线就是尺砣的顶端，导致校正误差比钢卷尺多了一个步骤，实际使用时需要对其进行零值检定［5-6］。调压载舱的压载水深度通过测深钢卷尺进行测量（见图4）。

图4 测深钢卷尺对压载舱进行测深

在单次调载工况下，仅考虑测深读数引起误差的影响。假设理论调载压载水质量为p0，相应的舱室的测深为h0；实际的调载压载水质量为p1，相应舱室的测深为h1，则由读数误差引起的GM值变化值δGM为：

由式（5）可知，δGM与测深读数误差值成正比。测深读数误差引起δGM的变化结果见表7。假设测深读数误差为±10 mm，则引起最大的δGM变化为0.302 m。

2.4 倾角测量与手工测深联合参数

读数误差往往同时包括摆锤读数与手工测深的误差，两者联合误差引起的GM值变化值δGM为 ：

表7 手工测深读数误差分析

由式（6）可知，δGM与摆锤及测深读数的理论值及测量值都有关，读数误差引起δGM的变化结果见表8。假设测深读数误差位±10 mm，摆锤读数误差为±2 mm，两者联合引起最大的δGM变化为0.612 m。δGM变化三维枝干图见下页图5，摆锤及测深读数反相时δGM的变化变大。

表8 摆锤与手工测深读数误差分析

续表8

图5 δGM变化三维枝干图

3 结 论

通过对50 000 t半潜船倾斜试验水尺、摆锤和手工测深读数误差进行敏感性分析研究，得出以下结论：

（1）摆锤读数及手工测深读数是影响倾斜试验结果准确性的关键因素，而水尺读数的影响较小。

（2）本船考虑单一参数对倾斜试验结果的影响时，摆锤读数每1 mm误差对GM值偏差约为0.15 m；手工测深读数每5 mm误差对GM值偏差约为0.151 m。

（3）本船考虑双参数对倾斜试验结果的影响时，摆锤读数及手工测深读数联合误差对GM值偏差可能变大。假设摆锤读数误差最大为±2 mm，手工测深读数最大误差为±10 mm，对GM值偏差可达0.612 m。

（4）半潜船在下潜过程中，主甲板完全淹没水面后，GM值急剧降低。本船在主甲板没入后最小GM值约为0.44 m。摆锤读数及手工测深读数联合误差对空船重心高度偏差可达0.612 m，若再考虑到部分舱室虽作为满舱考虑而实际并非满舱，存在自由液面修正的不确定情况，则在下潜过程中可能存在稳性丧失导致船舶倾覆的风险，因此倾斜试验数据的准确性极为重要。

（5）减小倾斜试验结果数据误差的措施有：增大摆锤绳长；选择自由液面面积较小的舱室作为调载压载水舱；提高液舱测深精度；试验人员多次测量摆幅等。

［1］ 中国船舶工业集团公司.船舶设计实用手册（总体分册）［M］. 北京：国防工业出版社，2014.

［2］ 中华人民共和国船舶行业标准，CB/T 3035-2005.船舶倾斜试验［S］.国防科学技术工业委员会，2005.

［3］ 郭顺福.特殊连同器实验［J］.物理实验，2005（5）：33-38.

［4］ 郭顺福.一项驳船水尺计重技术原理［J］.造船技术，2003（6）：23-25.

［5］ 郭丽宏.探讨与测深钢卷尺检定有关的“误差” ［C］.中国油气计量技术论坛文集，2010：462-465.

［6］ 中华人民共和国国家标准. GB13236-1991.石油用量油尺和钢围尺技术条件［S］.北京：中国标准出版社，1992.

Sensitivity analysis of measurement parameters in inclining experiment based on ballast water method for 50 000 t semi-submersible vessel

ZUO Wen-an TIAN Ming-qi
(CIMC Ocean Engineering Design & Research Institute Co., Ltd., Shanghai 201206,China)

The semi-submersible vessel has less initial stability, i.e. less value of GM, due to the sharp decrease of the hull waterline area when the main deck of the semi-submersible vessel has been totally submersed into the water. However, the reading errors in the inclining experiment affect the height of the center of the lightship gravity, eventually influencing the finally collocated value of GM. According to the ship statics principle, it performs the sensitivity analysis of the measurement parameters, draft mark, sounding and the pendulum reading in the inclining experiment based on the ballast water method for a 50 000 t semi-submersible vessel. The results show that the pendulum reading and manual sounding have greater impact on the inclining experiment than the draft mark. It also indicates that the incidence of the reading error may exceed the minimum value of GM.Therefore, the accuracy of the inclining experiment is extremely important to the semi-submersible vessel.

semi-submersible vessel; inclining experiment; ballast water method; measurement parameter;sensitivity analysis

U661.2+2

A

1001-9855（2017）06-0021-06

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.06.021

2017-04-27；

2017-05-12

左文安（1981-），男，硕士，高级工程师。研究方向：船舶与海洋工程设计与计算。田明琦（1980-），男，硕士，工程师。研究方向：船舶与海洋工程设计与计算。