8400载重吨单货舱重吊多用途船的破损稳性研究

陈彦希，王德安，杨 博

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

0 引言

海上运输是当前国际贸易中最主要的货物运输方式，保证船舶安全航行一直是航运业和造船业研究的重点，其中船舶破损稳性是反映船舶安全性能的一个重要指标。据统计，全球40%以上的海上事故都是船舶碰撞造成船舶稳性受损引起的[1]。对此，本文以某8400载重吨单货舱重吊多用途船为例，对其破损稳性进行分析。该船是上海船舶研究设计院设计的新型单货舱大开口重吊多用途船，其主要技术特点是：全船仅设1个货舱，货舱长度达60.9m；左舷配备2台150t重型甲板起重机，可联吊300t货物；货舱上方装货区域平整，无任何突出物体。该船的货舱和甲板上方可载运大件、重件和超长件货物，如核电站设备、游艇、海洋平台模块、采矿机械和化工设备等。

该船采用单货舱设计，货舱破损之后进水量较大，自由液面较大，在部分吃水和结构吃水工况下难以维持足够的剩余稳性，发生事故的概率很大[2]。这就要求尽量提高其他区域破损对分舱指数A的贡献，包括边舱、艏艉尖舱和机舱。破损稳性的计算结果决定装载工况下的极限初稳性高（GM）[3]，直接影响船舶的经济性和货物装载的灵活性。因此，必须认真研究该船的破损稳性，以满足规范和船东的要求。

1 船型概况

该船是一艘单机、单桨、单舵、低速柴油机推进的单货舱重吊多用途船，适于全球航行，货舱区域为双壳结构，用于装运谷物、煤、盐、水泥和矿石等散装货物，以及集装箱、钢卷、木材、新闻纸和大型工程件等，并适合装运国际海事组织（International Maritime Organization, IMO）规定的第1～9类危险品。该船满足船舶能效设计指数（Energy Efficiency Design Index, EEDI）、压载水处理、香港公约、排放控制区域使用超低硫燃油、集装箱绑扎和美国环保署等的要求，其主要技术参数如下：

1) 总长 99.99m；型宽 20.50m；型深12.00m；设计吃水7.20m；结构吃水8.40m；载重量（结构吃水）8400t。

2) 货舱容积 10200m3；集装箱容量431TEU，其中，甲板上249TEU，货舱内182TEU。

3) 主机型号 WINGD W6X35-B TII；主机功率3950kW。

4) 服务航速 13.5kn。

2 计算规范和模型

根据该船的建造合同日期和龙骨铺设日期，其破损稳性需按2009年版的《国际海上人命安全公约》（SOLAS 2009）[4]的要求计算。相比SOLAS 2004，SOLAS 2009的破损稳性计算在最大破损范围、初始工况、要求的分舱指数R和达到的分舱指数A的计算公式、纵倾影响及渗透率等方面都做了较大调整[5]。图1为基于2种规范的破损稳性计算结果对比。由图1可知：按SOLAS 2004计算，达到的分舱指数A的值比要求的分舱指数R的值大10.5%；按SOLAS 2009计算，分舱指数A的值比分舱指数R的值大3.3%。由此可知，SOLAS 2009的破损稳性计算更难满足。

图1 基于2种规范的破损稳性计算结果对比

采用NAPA（Naval Architectural Package）软件对该船的破损稳性进行建模计算，破损模型DAMHULL包括主甲板以下船体、艏楼、艉楼和舱口围，不包括艉楼前方甲板储藏室和货舱盖。破损区域划分见图2，其中：纵向划分主要包括防撞舱壁、艏侧推舱端壁、货舱前后端壁、压载舱端壁和机舱端壁等；横向划分主要包括货舱纵舱壁和管弄侧壁等；水平划分主要包括内底板和结构水密二甲板等。

图2 破损区域划分

在货舱前后端结构风道和通道与其他舱室相互重叠的区域，水密分割适当加密，减少1个区域破损导致多个区域的舱室进水的情况，这样虽然会使计算量有所增加，但对计算结果是有利的。另外，需注意正确定义通风管道，避免遗漏相关舱室[6]。

3 破损稳性影响因素分析

SOLAS 2009针对船长为80～100m的货船给出的分舱指数的计算式为

SOLAS 2009达到的分舱指数的计算式为

式(2)中：is为生存概率，以单个区域破损为例，破损概率ip的计算式为

式(3)中：为船壳与一假定垂直平面之间在最深分舱载重线处垂直于中心线量取的平均横向距离，m ；的计算式分为破损界限与船舶前端点或后端点重合和不重合2种，对于相同长度的破损，破损界限与船舶前端点或后端点重合时的概率值比不重合时的概率值大[7]。也就是说，对于相同长度的破损，发生在艏艉端的概率比发生在中间的概率大，这与实际艏艉更易发生碰撞的观点是一致的。因此，在优化船舶破损稳性时要尽量保证艏艉区域破损之后的生存概率，这样可在计算达到的分舱指数A时获得更大的收益。生存概率的计算式为

对于货船，当破损之后最终状态的最大复原力臂lGZ,max＞0.12m，正复原力臂的范围Range＞16°和最终平衡角小于25°时，生存概率is=1。因此，尽量减少破损之后的进水量，保证有足够的储备浮力[8]，特别要注意减少非对称进水造成的横倾，这是优化破损稳性的主要方向。

3.1 边舱数量

图3 边舱数量对分舱指数A的影响

该船的货舱区域是双壳结构，舷侧自上而下分为顶边空舱和边压载舱，边舱破损会导致船舶非对称进水，对生存概率系数中的K值影响最大。增加边舱数量，缩短每个边舱的长度，可得到对生存概率s有贡献的更长的破损长度，以得到更大的破损概率p和分舱指数A[9]。该船无法计算边舱数量对应的分舱指数A（见图3）。计算结果表明，随着边舱数量的增加，分舱指数A越来越大。但是，边舱越多，所需的管系和阀越多，会导致船舶建造成本增加。对于该船，边舱数量设计为6对是合适的。

3.2 边舱宽度

在船宽不变的情况下，增加边舱的宽度，边舱破损的进水量和最终状态的横倾角会增大，生存概率s会减小，边舱破损概率p会增大；同时，增加边舱的宽度，货舱的宽度和容积会相应减小，货舱进水量会减少，货舱破损的生存概率s会增大。增加边舱的宽度在理论上对分舱指数A的影响有利有弊，需分析哪个因素起主导作用，船型不一样，计算结果会有所不同。

该船货舱破损之后的进水量很大，但不会产生过大横倾，在轻载营运吃水工况下对分舱指数A有贡献，在部分吃水和最深分舱吃水工况下对分舱指数A的贡献为0。增加边舱的宽度可获得轻载营运吃水工况下货舱进水之后的生存概率贡献，此时货舱进水之后的生存概率起主导作用，因此轻载吃水工况下的分舱指数Al随着边舱宽度的增加而增大，且较为明显；在部分吃水和最深分舱吃水工况下，货舱破损的生存概率为0，此时影响分舱指数A的因素只有边舱的生存概率s和破损概率p，且随着边舱宽度的变化，这2个因素交替起主导作用，致使部分吃水和最深分舱吃水工况下的分舱指数Ap和As交替增大和减小。不同吃水工况下的分舱指数A随边舱宽度的变化见表1。

表1 不同吃水工况下分舱指数A随边舱宽度的变化

边舱宽度的变化对分舱指数A的影响见图4，总的趋势是边舱宽度增加，分舱指数A会进一步增大[10]，仅在边舱宽度从2.4m增加到2.6m时，边舱破损的生存概率起主导作用，导致分舱指数A呈减小的趋势。边舱宽度除了影响破损稳性以外，还对船舶的总体布置有很大影响，例如货舱容积、集装箱布置、起重机联吊必需的防横倾水量和起重机基座在甲板上的布置宽度等。综合考虑各方面因素之后，确定边舱宽度为2.6m。

图4 边舱宽度对分舱指数A的影响

3.3 水密二甲板高度

该船的最深分舱吃水8.4m小于水密二甲板的高度[11]，因此二甲板水平分隔以下的破损可计入较小范围的破损对分舱指数的贡献，对分舱指数是有利的。计算舷侧结构水密二甲板高度从8.6m变化到9.4m时分舱指数A受到的影响，结果见图5。由图5可知，水密二甲板高度的变化对分舱指数的影响不敏感。在综合考虑压载水量、顶边空舱通道高度和结构骨材与强框的间距等因素之后，确定二甲板高度为9.0m。

图5 水密二甲板分隔高度对分舱指数A的影响

3.4 双层底高度

该船双层底的中间设置有管弄，左右两侧为压载水舱。双层底破损会导致非对称进水，双层底高度越高，非对称进水量越大，对破损稳性的影响应该是不利的。计算双层底高度从1.6m变化至2.4m的破损分舱指数，结果见图6。

图6 双层底高度对分舱指数A的影响

规范要求常规双层底高度不能小于h（船宽1/20和2.0m中的小者），该船双层底高度至少为1.025m。另外，考虑到满足压载工况和联吊工况下的稳性所需压载水量和双层底管系布置的要求，该船双层底高度设计为2.0m。

4 底部破损计算

1) 该船货舱区域为常规双层底，压载管系为总管式，总管和阀布置在管弄内，连接总管与舷侧压载水舱的支管高于基线1.025m，不需要计算货舱区域双层底的底部破损。

2) SOLAS要求双层底小阱底部距离船底不能小于500mm，该船的主机轴线较低，为满足主机滑油泵吸口高度的要求，主机滑油循环舱后部做2档下凹设计，距船底只有200mm（见图7）。该处机舱双层底需计算底部破损[12]，为减小累计进水，满足底部破损稳性的要求，在机舱与舵机舱之间和机舱与艉楼之间设置水密门[13]。特别注意的是，主机滑油循环舱的高度是按小阱的要求500mm设计，还是按常规双层底高度h设计一直存在争议，不同船级社的理解也不一样。IMO MSC.421(98)决议已通过对SOLAS第II-1章的B-2部分第9条的修订，修改之后的规范明确了主机滑油循环舱底部高度不能小于h/2或500mm中的大者，否则需计算底部破损，该决议会对2020年以后签署建造合同的新造船产生影响。

图7 主机滑油循环舱

5 破损稳性计算结果

结合船舶在典型装载工况下的纵倾，按SOLAS 2009的要求，分别计算0m纵倾和-0.938m纵倾2组初始条件下的破损稳性，各初始条件下左右舷达到的分舱指数的平均值满足规范的要求，计算结果见表2，要求的分舱指数R为0.48934。

表2 破损稳性计算结果 单位：%

6 结 语

通过对8400载重吨单货舱重吊多用途船的破损稳性进行深入研究，实现了良好的破损稳性设计和优化，满足了要求的分舱指数。研究了边舱数量对破损稳性的影响，确定了该船采用6对边舱；研究了边舱宽度对破损稳性的影响，在综合考虑总体布置和起重机联吊之后确定边舱宽度为2.6m。研究发现，该船的水密二甲板高度对破损稳性的影响不敏感，双层底高度越高，破损稳性越差，在考虑必要的压载水容积之后确定该船双层底高度为2.0m。此外，计算了机舱底部破损稳性。该船极大程度地降低了破损稳性对装载工况下的极限初稳性高GM的影响，提高了该船货物装载的灵活性，达到了破损稳性最优设计的目标。