大型集装箱船环段起浮稳性分析

王璐玭，柳卫东，朱岚劼，董泽祥

(江南造船(集团)有限责任公司 江南研究院，上海 201913)

大型造船企业为了提高船坞的利用效率，通常采用串联造船法，即在船坞首端建造第一艘船的同时，在船坞尾端建造第二艘船的尾部，待第一艘船下水起浮之后，将第二艘船舶尾部移位至船坞首端，继续吊装其他分段建造整艘船体。与此同时，建造第三艘船的尾部，依此类推[1-4]。

21 000 TEU集装箱船是我国目前建成交付的最大集装箱船，也是当今世界最大级别的集装箱船。21 000 TEU集装箱船在江南3号船坞建造，该船坞长为580 m，坞宽120 m。为尽可能提高船舶生产建造效率，在建造过程中，21 000 TEU集装箱船在串联造船的同时，横向半串联2个巨型环段。在整船起浮出坞后，可以使下批次船尽快完成合拢，提高搭载效率，缩短船坞周期。但环段起浮存在着结构完整性差、水线面小、稳性能力差、抗倾覆风险能力低等缺点，在评估环段起浮方案时，需要对浮态和稳性进行重点分析计算，保证起浮安全性。为解决以上难点，考虑采用NAPA软件进行分析计算，提供可行的起浮方案。

1 起浮环段概况

21 000 TEU集装箱船总长400 m、宽58.6 m、型深33.5 m、最大吃水16 m，设计航速22 kn，最大标准箱载箱量21 237 TEU，配备1 000个冷藏箱插座。船型具备技术先进、性能优良、节能环保、高度智能的特点。

21 000 TEU集装箱船起浮环段为8-10 环段(FR233+134至FR290+383，以下称为环段1)和11-13 环段(FR290+383至FR348-168，以下称为环段2)，共计2个独立的环段，见图1、2。

图1 环段1模型示意

图2 环段2模型示意

环段1仅在FR257布置有水密舱壁，首尾均无水密分隔，水密完整性非常差，需要通过挡水板进行分割，保证必要的浮力提供。

环段2前后结构不对称，首部布置有燃油舱，重心偏差大，起浮需要重点调整浮态配载。

2 配载方法

2.1 针对环段1

由于环段仅在FR257布置有水密舱壁，整个环段无法形成提供浮力的封闭水密空间，依靠目前舱室分隔无法完成起浮。在进行隔舱配载过程中，考虑2种隔舱方案。

1)方案一。在FR233+134和FR290+383处，将货舱、底压载舱、边压载舱、管弄通过封板进行密封，形成完整的起浮浮体。

2)方案二。在首尾端仅在货舱区和管弄采用封板密封，形成封闭浮体，对底压载舱和边压载舱不进行分隔，与外界直接连通。

对比2个起浮方案，从稳性安全和抗倾覆性能方面，方案一具有更大优势，水线面更大，可提供浮力舱容更大，当重量重心发生偏差时，更大的水线面可以提供更强的容错能力，减小起浮浮态的偏差。方案二仅在货舱区提供起浮浮力，水线面小，对重量重心统计敏感，起浮风险性更大。

从现场施工便利性和缩短工期、节约成本的角度上比较，方案一施工量较大，封板使用量大，在配载中需要打水和排水的周期较长。相比之下，方案二封板区域小，现场施工操作简单，可节约成本，提高效率。

经过对现场施工难度和船坞生产周期的分析，在保证起浮安全性的前提下，对环段一采用方案二作为起浮方案。

2.2 针对环段2

环段本身首尾分别布置有水密舱壁，可以提供船舶起浮浮力需求，因此，不需要额外增加起浮水密隔舱来增加起浮浮体和水线面。由于本环段首部为燃油深舱舱室，环段本身的重量重心分布不对称，重量向首部集中。为保证起浮浮态的平稳，需要在尾部进行配载，增加重量分布，在满足弯矩要求的情况下，调整浮态纵倾。为此，提出了以下2种配载方案。

1)方案一。对4号底压载舱进行满舱打水，同时在301号肋位附近(具体位置根据最终多余不足重量调整)使用结构分段作为固定压载进行配载调平。需要使用4个分段，共计1 010.8 t。压载布置见图3。

图3 固定压载布置方案

2)方案二。对4号底压载舱进行满舱打水，同时在FR302处采用货舱封板分隔，在FR293水密舱壁与封板之间形成临时配载压载舱室，并打水约750 t(具体压载根据最终多余不足重量调整)。为减小自由液面，在隔舱中增加两道距船中8 m的水密纵向舱壁，将隔舱分为3个区域。隔舱压载水方案见图4。

图4 隔舱压载水方案侧视图

对比2个起浮方案，从稳性安全和抗倾覆性能方面，方案一具有更大优势，固定压载重量重心拥有更强的可控性，也不存在方案二的自由液面影响问题，现场施工更加简单，不需要进行封板焊接和打水、排水工作。但从环段货舱结构受力方面，生产部门更倾向于方案二，对结构受力更均匀，对结构变形影响更小。最终2次起浮分别采用方案一和方案二。

3 稳性计算结果

在对环段1和环段2的配载方案明确之后，则开始进行软件浮体建模和重量分布输入工作，进而进行浮态与稳性的计算分析[5-6]。

对于环段1和环段2，均存在部分舱室与外界连通进水情况，在模型计算中，考虑采用以下2种分析方法。

1)方法一。根据船舶静力学原理[7]，采用损失浮力法，在浮体建模过程中，将与外界连通的舱室排除在浮体建模范围外，则在计算分析中，不考虑连通进水舱室的浮力。如图5所示，进水舱室不包含在模型中。

图5 损失浮力法模型视图

2)方法二。根据船舶静力学原理，采用增加重量法，在NAPA软件中，采用OTS指令操作，将与外界连通的舱室包含在浮体建模范围以内，但在计算分析中，软件会根据外界液面高度计算与外界连通舱室的进水量和进水液位，进而计算舱室进水增加的压载重量，计算船舶浮态。如图6所示，阴影区域舱室在模型中存在，但与外界连通，水位保持连贯性。

图6 增加重量法模型视图

2种计算方法在原理上一致，理论计算结果应该相等[8]。在工程应用中，方法一更加常见，操作更加简单，建模工作量也更小。但方法二舱室浮体模型与实际搭载方案更加一致，当起浮方案舱室连通情况发生变更时，更改工作量更小，比较适合21 000 TEU集装箱船项目这种多批次多方案多浮态要求的起浮配载需求。因此，起浮计算最终选用了方法二。

在NAPA软件中对环段1和环段2进行浮体建模、重量重心输入和配载输入，重量重心数据采用各设计专业的理论数据统计及生产运行部的反馈数据。

环段1浮态计算结果见表1，完整稳性计算结果见表2。

表1 环段1浮态计算结果 m

表2 环段1完整稳性计算结果

环段2方案一浮态计算结果见表3，完整稳性计算结果见表4。

表3 环段2方案一浮态计算结果 m

表4 环段2方案一完整稳性计算结果

环段2方案二浮态计算结果见表5，完整稳性计算结果见表6。

表5 环段2方案二浮态计算结果 m

表6 环段2方案二完整稳性计算结果

对比以上计算结果，环段1起浮方案和环段2两种方案均满足稳性要求。

4 风险评估及预案

以环段1为例，稳性衡准计算结果见表7。

表7 环段1重量重心偏差稳性衡准分析结果

对边界舱室焊缝漏水的情况进行评估，考虑当临时封板密性不满足要求，舱室进水时，产生的最大横倾和最大纵倾，漏水后船舶浮态见图7。

图7 焊缝漏水浮态计算

根据计算结果，对那些进水后会造成倾覆风险的舱室，在起浮前安排专人进行探伤检查，保证起浮的安全性。

考虑到起浮环段的重量重心统计过程中可能存在数据偏差，起浮后的浮态可能与理论计算结果存在纵倾和横倾偏差。设计人员对环段起浮后浮态进行模拟压铁调整，计算出将环段浮态调整到可接受范围内所需的压铁用量。在起浮作业前，将压铁准备到位，随时应对可能的风险。压铁调整的船舶浮态见图8。

图8 压铁调整浮态计算

根据计算结果，设计人员为环段1和环段2各准备了100 t压铁。

5 实际起浮结果及误差分析

实际起浮结果见表8。

表8 实际起浮结果与理论计算对比

对比环段起浮结果，环段2两种方案无论采用分段压载还是隔舱加水压载方案，最终起浮吃水误差都较小。但环段1纵倾误差约1.3%，比环段2大一些。2个环段起浮都是安全可靠的，没有造成大纵倾或大横倾等危险。

分析起浮数据可知，浮体起浮过程中，环段1浮态误差更加难以控制。

环段1的特点都是小水线面，多舱室与外界连通，环段1的5号、6号边压载、底压载及封板外货舱区均与外界连通。

此类起浮方案的好处是可减少现场封舱和压载打水的时间和工作量，但小水线面浮体对重量重心误差非常敏感，数据误差造成的初始横倾纵倾会随着舱室进水变化而加剧。理论设计及现场统计的重心误差难以避免。

6 结论

串联造船法可以提高船舶建造效率，缩短船坞占用时间。通过NAPA软件对环段起浮安全性进行评估，可确认环段部分封板起浮安全可行，减少现场施工时间和物量损耗。计算方法和结果经过实际起浮验证，证明可保证船舶环段起浮的安全性和可靠性。同时，实际出现的浮态误差及误差原因的分析可让设计人员掌握环段起浮需要重点把控的风险点。计算分析为船舶建造提供了技术支撑，为后续大型箱船的生产建造提供了经验积累，在后续船舶的环段划分和起浮区域计划时能够更加安全合理。