SOLAS 2020 破舱稳性要求对邮轮船型开发的影响研究

2020-10-15顾雅娟

中国舰船研究 2020年5期

顾雅娟

中国船级社上海规范研究所，上海 200135

0 引言

近年来，客船触礁倾覆和进水沉没等事故屡屡发生，导致大量人员伤亡，造成巨额经济损失。因此，亟待提高客船的安全性。国际海事组织（IMO）海上安全委员会（MSC）第98 届大会于2017 年6 月召开，会上通过了SOLAS 2020 修正案，提出了新的客船破舱稳性要求，并于2020年正式生效[1-3]。SOLAS 2020 适用于客船、客滚船、豪华邮轮和船上人员超过60 人的特种用途船舶，大幅提高了上述类型船舶的破舱稳性要求，同时修订了客滚船的生存概率si的计算公式。如果以新要求的分舱指数R 来衡量营运中客船的破舱稳性，基本无法满足要求，船型优化升级势在必行。

自IMO 提出增强上述各类型船舶进水后的破舱稳性及生存能力的议题以来，国内外学者开展了大量研究[4-8]。其中，有文献论述了豪华邮轮法规的现状及发展趋势，提出了新的破舱稳性评估方法以及影响其破损稳性的因素，这为开展SOLAS 2020 破舱稳性要求对我国开发同类型船舶的影响研究提供了良好基础。但是，现有研究却鲜有以邮轮实船为对象，原因是国外对邮轮相关技术进行了封锁，而国内在此方面的研究尚处于起步阶段，因此前人研究成果对于邮轮船型开发的指导意义有限。

本文拟通过对SOLAS 2020 破舱稳性要求进行解析，统计分析分舱指数水平的现状，探索满足最新分舱指数要求的船型升级方案，并分别对这些方案的效果以及对船型变化的影响程度进行分析，以应对SOLAS 2020 破舱稳性新要求对我国船舶工业带来的冲击。最后，将以某营运豪华邮轮为例，开展船型优化升级，使其满足SOLAS 2020 的破舱稳性要求。

1 SOLAS 2020 的破舱稳性要求解析

1.1 SOLAS 2020 对分舱指数R 的要求

与SOLAS 2009 相比，SOLAS 2020 对分舱指数R 的计算公式做了修订，具体如表1 所示。SOLAS 2020 的R 计算公式中N 的取值为船上总人数，而SOLAS 2009 中的N=N1+2N2，其中N1为配备的救生艇可容纳人数，N2为N1以外船上允许载运的人数，N1和N2包括了高级船员和普通船员。

由表1 可以看出，SOLAS 2009 中分舱指数R 由分舱长度Ls，船上总人数N和配备的救生艇可容纳人数N1确定，对于N 相同的不同船型，若Ls和N1不同，则要求的R也不一样；而SOLAS 2020 中R 只与N 有关，人数越多，R 越大。

表1 邮轮分舱指数R 计算公式比较Table 1 Comparison of calculation formula for subdivision index R of cruise ships

1.2 SOLAS 2020 对生存概率si 的计算要求

对于si的计算，SOLAS 2009 中规定无需区分滚装处所还是非滚装处所，而SOLAS 2020 中则要求加以区分，并对含滚装处所的破损组合进水之后的生存概率si计算公式做了部分修订，其他规定未变。

对于生存概率，si=min{sintermediate,i, sfinal,i, smom,i}，其中sintermediate,i为在最终平衡阶段之前所有进水中间阶段的生存概率，sfinal,i为进水最终平衡阶段的生存概率，smom,i为经受住横倾力矩的生存概率。由实践经验可知，对si起决定性作用的是sfinal,i，而smom,i的计算结果通常为1。因此，可以将对si的研究简化为对sfinal,i的研究。

SOLAS 2009 中生存概率sfinal,i的计算公式[2]为

式中：GZmax为最大正复原力臂，G Zmax≤0.12 m；Range为正复原力臂范围，Range≤16°；k 为无量纲系数，k 的取值公式为

综上所述，对于破损进水情况，SOLAS 2020既提高了对分舱指数R 的要求，又修订了生存概率si的计算公式，对于船舶破舱稳性的要求也更高。

2 邮轮达到的分舱指数水平现状

由表1 可知，由于SOLAS 2009 和SOLAS 2020中分舱指数R 的决定性参数不同，无法直接采用公式进行定性和定量比较。

本文基于Clarksons 船型数据库进行研究。采用91 艘邮轮作为样本，尺度如下：总吨位GT=3 200～228 081，分舱长度Ls=81.2～362.12 m，船上总人数N=100～8 880。按照SOLAS 2009 要求计算分舱指数R 时，对N1分别按照救生艇1∶1 配备和满足最小配备要求进行计算，得到Rmin和Rmax，与按照SOLAS 2020 计算得到的R 进行比较，计算得到2 个不同要求下邮轮的R 与N 的关系图，如图1 所示。

图1 要求的分舱指数R 与船上总人数N 的关系曲线Fig. 1 Curves of required subdivision index R with respect to total number of persons onboard N

从图1 可以看出：

1）在N 相同的情况下，SOLAS 2020 要求的分舱指数R 比SOLAS 2009 有显著提高；

2）对于不同的N，R 值的提升幅度ΔR 不同，且差异非常大，具体如图2 所示。

图2 要求的分舱指数R 的增幅与船上总人数N 的关系曲线Fig. 2 Curves of increasing percentage of required subdivision index R with respect to total number of persons onboard N

由图2 可见：

1）对于所有样本邮轮，与SOLAS 2009 相比，SOLAS 2020 要求的分舱指数R 的提升幅度较大，平均增幅可达6.9%～8.7%；

2）对于船上总人数N 在900～4 000 之间的样本邮轮，SOLAS 2020 新要求对R 的影响非常显著，R 的增幅超过10%；

3）当样本邮轮N≈1 500 时，要求的分舱指数R 的增幅达到峰值，约13.5%～15%。

通过以上分析，可以得出，要求的分舱指数R 基本能代表实船达到的分舱指数A 水平。理由如下：

1）以上分析是基于要求的分舱指数R 展开的，似乎不能代表实船达到的分舱指数A 水平。但是，在邮轮设计初期，通常先设定一个有一定安全裕度的初稳性高度值GM，在此基础上计算A。该GM 值应能满足所有装载工况下的完整稳性要求并考虑足够的余量，以应对实船建造中空船重量和重心高度发生偏差的情况。往往通过几轮计算，不断调整GM 值使A 逐步逼近R，最终满足要求，因此邮轮设计中A 不会有太大的余量。

2）舒适性是邮轮设计中考虑的另一个重要方面。其中，横摇周期主要由GM 值决定，对于同一艘邮轮，GM 值越大，横摇加速度越大，横摇周期越短，乘员就会不舒服，甚至晕船。

3）与货船建造过程不同，邮轮建造过程中对于空船重量和重心高度的控制近乎苛刻，几乎不允许出现正公差，出现负公差的允许范围也很小，因此R 基本就代表A。

4）以上是宏观角度的分析结果。由于掌握的邮轮资料（特别是重量、重心方面的资料）非常有限，通过对仅有的两型邮轮开展了A 指数的计算，得到了相似的结论。因此，以上对R 的分析结果基本可以代表邮轮破损进水后可达到的分舱指数A 水平。

通过上述分析还可以得出另一个重要结论，即SOLAS 2020 对于邮轮船型的开发带来的影响非常大，无法通过简单的船型优化满足分舱指数要求。因此，必须开展深入研究，综合平衡修改方案引起的其他设计修正量、造价等因素，最终选择设计修正量和造价综合水平最佳的方案。

3 满足破舱稳性新要求的邮轮建议方案

在以往的邮轮设计中，如需满足SOLAS 2020破舱稳性要求，可直接减少船上总人数N，使通过新公式计算得到的R 小于原设计方案中的A，因此，只需修改邮轮原设计方案中的船员舱室和乘客舱室。

本文将在保证N 不变的前提下，研究如何更有效、更便捷地满足SOLAS 2020 对破舱稳性的要求。优化思路是，基于破舱稳性计算公式，结合原设计方案破舱稳性计算报告中的详细信息，有针对性地提高破损概率pi或者生存概率si。按照由易到难、修改量由小到大的优化原则。通常可采用的方法包括：提高风雨密开口高度、提高初始工况GM 值、设置横贯进水装置连通同类型舱的两舷、增加水密分割、改变船型主尺度等。最终优化结果需要结合邮轮原设计方案来确定具体采取何种方案或者方案组合。

按照改动量最小的原则，首先分析原破舱稳性计算报告，找出因风雨密开口高度不够造成累进进水而被浸没的情况（即生存概率si值为零），适当提高所涉及的风雨密开口高度；此外，考虑提高GM 值的可能性，因为此改动对原设计方案几乎不会产生影响。其次，若上述2 种对原设计方案影响很小的措施不能满足新要求，可进一步考虑增加水密分舱的数量，以及增加型深、船宽、船长等对原设计方案改动较大的方案或者方案组合。最后，通过适当考虑初期投资和营运成本，选择综合效果最优的船型升级方案。

经过大量计算和分析，得到6 种方案（包括提高风雨密开口高度和初始工况 GM 值、增加水密分舱数量、型深、船宽和船长）的有效性及其对原设计修正量的总体情况。

1）提高风雨密开口高度。

提高风雨密开口高度可以使邮轮在破损后的任何阶段，在计及下沉、横倾和纵倾之后，针对原设计方案在发生累进进水时外部风雨密开口不被淹没的裕度有一定程度的增加。但如果原设计方案中风雨密开口高度已足够高，该方案的效果将很有限。

提高风雨密开口高度对原设计方案的主要影响是增加了有关风雨密开口相连通的水密舱室结构的设计压力，对原设计方案的修改量极小。

2）提高初始工况GM 值。

从计算角度看，可通过提高初始工况GM值来改善破舱稳性。如果原设计的稳性有较大富余，提高GM 值的贡献效果就比较直接、有效。但通常而言，邮轮稳性富余的情况比较少见。

从优化配载的角度看，在线型和主尺度确定的前提下，GM 值也是确定的，进一步提高GM 值意味着通过优化配载来降低全船重心高度。但对于邮轮而言，即使在满载工况下，载重量也只占排水量的15% 左右。邮轮GM 值的提高对降低载重量部分的重心高提出了极高要求，表2 所示为相关实例。

可通过减少重心较高的货物重量、携带更多的压载水等措施来降低载重量部分的重心高度。但由表2 可见，这些措施无疑都是杯水车薪，而且还会造成有效载重量减少。

表2 提高邮轮GM 值对降低载重量重心的要求Table 2 Requirements for lowering center of gravity of deadweight as improving GM of cruise ship

3）增加水密分舱数量。

增加水密分舱数量可以将水密分舱区域缩小。当该区域舱室发生破损导致进水时可减少进水量，提高破损后的生存概率。增加水密分舱数量的影响表现在2 个方面：1）空船重量会增加，载重量会减少；2）导致相关管系、阀件、穿舱件等数量增加，增加建造成本。总之，增加水密分舱数量对提高邮轮破舱稳性的效果非常明显，并且对原设计方案的修改量也不大。

4）提高型深。

在吃水不变的前提下，提高型深意味着干舷和储备浮力增加，这可以有效提高生存概率，而实际计算结果也验证了此结论。提高型深相较于增加水密分舱数量的方案而言，对原设计方案的修改量略大；此外，提高型深还会导致空船重心升高，空船重量和总吨位也随之增加，导致船舶经济性有所下降，且对于本身干舷较大的邮轮船型而言，增加型深可能达不到理想的效果。

5）增加船宽。

增加船宽时，通过提高邮轮的横稳性高KMT来增加GM 值，改善邮轮的破舱稳性性能。船宽增加后，一方面会导致空船重量增加，载重量减少；另一方面会增加邮轮阻力，快速性变差，需要增加推进功率来保持航速，或者降低设计航速。此方案直接改变了船舶的主尺度，对于邮轮的原设计方案改变很大。

6）增加船长。

增加船长，同时也增加了水密分舱的数量，使得在破损工况下舱室进水量占排水量的比例下降，从而减小了横倾角和提高了生存概率，使破舱稳性性能得到有效改善。此方案直接导致空船重量和总吨位增加，直接改变邮轮的主尺度，同时也提高了船体结构强度要求，相比原设计方案，其改动量很大。然而，在前几个方案见效甚微的情况下，增加船长的措施在改善邮轮破舱稳性方面的效果最显著。

为了更加直观地比较各种方案的效果及其设计修改量带来的影响，本文将上述修改方案的实施效果和影响船型开发的程度进行了汇总，结果如表3 所示。

表3 不同方案的效果和对船型开发的影响Table 3 Effect of different schemes and their influence on hull form development

4 应用实例分析

以船上总人数N=1 468 人的中型邮轮为例，其主要参数如表4 所示。

表4 目标邮轮主要参数Table 4 Main parameters of target cruise ship

原设计方案达到的分舱指数A=0.750 5，按照SOLAS 2020 新要求，若N 保持不变，要求的分舱指数R=0.850 2，达到的分舱指数A 需要提高约0.1，难度非常大。为此，开展船型优化，进一步验证各方案的实施效果。

1）提高风雨密开口高度。

通过对目标邮轮原设计方案636 个破损组合的计算结果进行分析，该邮轮的风雨密开口高度设置比较合理，进水点与最终平衡水线的高度足够，提高风雨密开口高度的意义不大。

图3 原设计方案舷侧和双层底分舱示意图Fig. 3 Schematic diagram for side and double bottom subdivision of original design

2）提高GM 值。

由于用于破舱稳性计算的初始满载工况、部分装载工况和轻载工况的GM 值形成的包络线与装载手册中的典型工况下的GM 值相比，几乎没有提高的空间。同时，为了避免面临因实船建造时可能出现的空船重量和重心位置控制不到位而导致完工破舱稳性不能满足要求，进而被迫减少船上总人数N 的尴尬局面，最终放弃了GM 值提高所带来的A 值增加的收益。

3）增加水密分舱数量。

考虑在原设计方案的舷侧和双层底处具备增加水密舱壁条件的处所进行加密。

本船设置的压载水舱很少，只在双层底处增加3 道水密舱壁，分别重新分割淡水舱、重油舱和船用柴油舱。原设计方案和修改设计方案分别如图3 和图4 所示。

重新计算破舱稳性，结果达到的分舱指数A提高了0.017 25。

4）提高型深。

上述3 个方案优化结果表明，其对本船A 值的提高效果非常有限，后续必须对船舶主尺度进行调整。

首先将型深增加0.5 m（即主甲板高度修改为10.4 m），主甲板以上甲板高度相应提高。重新计算破舱稳性，结果达到的分舱指数A 又提高了0.027 26。

图4 增加水密舱壁方案示意图Fig. 4 Schematic diagram of adding watertight subdivision

5）增加船宽。

将船宽增加0.6 m（即船宽修改为29.4 m），分舱甲板以下的纵舱壁距船舯的距离基本保持不变，重新计算破舱稳性，结果达到的分舱指数A提高了0.022 59。

6）增加船长。

在实施了方案1）～5）后，达到的分舱指数A仍不能满足SOLAS 2020 对本船要求的分舱指数R。因此考虑在船舯区域沿长度方向增加6.8 m，船上总人数N 保持不变，对分舱甲板以下增加的部分额外分舱，重新计算破舱稳性，结果达到的分舱指数A 又提高了0.041 18，最终A=0.858 7，满足SOLAS 2020 要求。

至此，目标船型的破舱稳性升级方案的整体思路已基本形成。代价是设计方案的大量修改和空船重量的增加，初步估算空船重量将增加约8%，同时目标船总吨位也将增加约3 200。