DNV·GL新规范对敞口多用途船总体设计的影响及减少上浪的措施

何新宇 杨 博 樊红元

（上海船舶研究设计院 上海201203）

引 言

近年来，能够适装超高工程设备且垂直运输的敞口（无舱盖）多用途船日渐流行，越来越多的船东提出多用途船需要具备这一功能。国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）目前仅针对敞口集装箱船有通函MSC/Circ.608/Rev.1《敞口集装箱船临时导则》（简称“临时导则”）［1］，对其他敞口船型（如敞口多用途船）无明确要求。英国劳氏船级社（Lloyd’s Register of Shipping，LR）对敞口船舶（不限定船型）可以授予无舱盖船级符号Hatch Covers Omitted in Hold （No（s）），要求参照“临时导则”，需要主管当局认可，并申请豁免载重线公约关于设置舱口盖的要求［2］。原德国劳氏船级社（Germanischer Lloyd，GL）对于敞口集装箱船和敞口多用途船可以授予无舱盖船级符号HATCHCOVERLESS，对于敞口多用途船，要求在与主管当局达成一致的前提下，参照临时导则并结合多用途船的特征融入GL的特殊要求［3］，但这些特殊要求未形成正式的规范。上海船舶研究设计院（简称上船院）于2015年3月为中国船舶（香港）航运租赁有限公司专门开发设计了13000载重吨敞口多用途船（图1），是国内设计和建造的首艘可敞口航行的多用途船，授予其GL规范的无舱盖船级符号HATCHCOVERLESS。

图113 000载重吨敞口多用途船

2019年7月，DNV·GL（Det Norske Veritas-Germanischer Lloyd）船级社更新了规范，对1个或多个货舱无舱盖的集装箱船，以及无舱盖或部分或全部敞开货舱盖航行的多用途船和普通干货船，要求强制性授予船级符号HATCHCOVERLESS，对敞口船舶给出了明确的规范条款，同时需要主管当局豁免有关载重线公约的相关要求［4］。因此，有必要基于13000载重吨敞口多用途船，对DNV·GL的新规范进行深入研究，得出其对敞口多用途船总体设计的影响并给出优化措施和建议，用以指导后续敞口多用途船的总体研发。

1 DNV·GL敞口多用途船新规范的变化

1.1 敞口耐波性模型试验的最不利谱峰周期建议值

DNV·GL新规范要求耐波性试验在长峰不规

则波中进行，采用的波谱为JONSWAP谱，模型试验水池应制造出在最不利波浪周期情况下有义波高为8.5 m的波浪，迎浪和首斜浪最不利谱峰周期的建议值为：

式中：U为船前进速度，m/s；μ为浪向角，（°）。

此外，也可基于切片理论，由模型试验水池直接计算船舶在不同浪向、不同船速、不同波浪周期下的运动情况，得出船与水面之间的最大相对运动所对应的波浪周期。陡波、破碎波和纵摇通常对货舱进水的影响最大，而对于长度小于170 m的船舶，纵摇相应的最不利谱峰周期不超过11 s，然而在11 s内产生有义波高8.5 m的波浪是不切实际的，德国汉堡水池（Hamburgische Schiffbau Versuchsanstalt，HSVA）的做法是对所有敞口船的最不利谱峰周期都选取11 s。

1.2 模型试验时的船舶纵倾

DNV·GL新规范要求模型试验时应配载至敞口航行的最大吃水且正浮，如营运纵倾明显不同于设计纵倾，则应包括附加的纵倾情况。如果模型试验时船舶正浮，则运营工况的纵倾可在±0.5 %船舶分舱长度（LS）范围以内；如果营运纵倾超过±0.5 %LS，正如国际海上人命安全公约（SOLAS）［5］对分舱与破损稳性的要求，在部分分舱吃水和最深分舱吃水装载工况所覆盖的营运纵倾范围内补充绘制若干条极限初稳性高（GM）曲线并确保纵倾间隔不超过1.0 %LS，这些附加的纵倾值需要增加到敞口耐波性模型试验中。根据具体运营情况增加附加纵倾的进水量测量，可以提高船舶实际运营的灵活性。

1.3 模型试验时的船舶GM

DNV·GL新规范要求模型试验时，船舶GM选取在横浪中［6］使横摇周期与谱峰周期发生共振所对应的GM值，在所有的浪向下进行货舱每小时的上浪进水量测量，每个工况的试验时间至少对应于实船时间1 h。如果这个共振对应的GM值超过船舶极限GM曲线的最大值时，可选取极限GM曲线的最大值。在全部浪向的上浪进水量测量结束后，对试验结果进行对比，得出结果较差的3个浪向；再取极限GM曲线的最小值在这3个浪向下进行重复测量。

DNV·GL认为GM值越小，船舶横摇周期越长，会导致货舱的进水量越大。因此，为了覆盖所有恶劣工况，需要附加测量3个浪向下的极限GM曲线最小值的工况。船舶甲板上浪的海水流动是高度非线性物理现象［7］，与之相关联的水位、流量等物理量很难精确估算［8］。马骋远等［9］研究了超大型集装箱船参数横摇全面校核与安全评估，提出降低重心高度以及尽量避免船舶横摇固有周期约为2倍遭遇周期等方法，以有效避免参数横摇的发生。对于稳性较高（即GM值较大）的船舶，其横摇周期往往较短，一般在10 s左右。当波浪频率约为5 s时，容易遭遇参数横摇，而这种频率下的波浪浪高一般都比较小，不至于使船舶诱发参数横摇现象。而对于稳性较低的船舶，横摇周期一般较长，在浪高较高的情况下，船舶容易在迎浪或随浪时产生参数横摇现象［10］。船舶发生参数横摇将导致货舱上浪进水量的增加，因此，附加测量极限GM曲线最小值的工况是必要的。

1.4 敞口货舱进水后的完整稳性

DNV·GL对敞口多用途船货舱进水后的完整稳性在新规范中给予了明确的规定，与MSC/Circ.608/Rev.1“临时导则”和原GL特殊要求相比差异明显（见表1）。

表1 敞口货舱进水后完整稳性的不同规范对比

DNV·GL新规范最大的变化是货舱进水高度仅为舱底以上2.0 m，远低于MSC/Circ.608和原GL的要求。由于耐波性模型试验要求任一敞口货舱每小时最大上浪进水量应不超过货舱敞口面积乘以400 mm/h，且舱底排水能力应不小于下述5项要求中之最大者：

（1）由综合模型试验确定的海上航行状态下最大的货舱每小时上浪进水量；

（2）100 mm/h的降雨量（不考虑所设置的防雨棚）；

（3）模型在横浪无动力状态下耐波性试验所测得的货舱每小时上浪进水量乘以安全系数2；

（4）最大敞口货舱内消防所需要水量的133%；

（5）相当于封闭货舱所需要的排量。

货舱进水由甲板上浪和降雨两部分组成，考虑最恶劣的横浪无动力状态，货舱最大进水率为400 mm/h×2 + 100 mm/h = 900 mm/h，舱底以上2.0 m的进水高度相当于2.2 h不开启舱底排水系统。由于新规范提高了货舱舱底排水系统（包括舱底管系）的冗余度，能够保证货舱舱底排水系统在任何状态下可用，因此DNV·GL新规范假定货舱进水高度2.0 m是合适的。

2 DNV·GL新规范对总体设计的影响

2.1 船体结构总纵强度

由于新规范要求的货舱进水高度大幅降低，敞口多用途船的船体结构总纵强度可以大幅下降。以13000载重吨敞口多用途船为例，分别按照原GL要求和DNV·GL新规范要求进行计算，不同工况下的总纵弯矩和剪力占许用值比例的对比结果见图2。

图213 000载重吨敞口多用途船总纵强度新旧规范计算结果对比

图2表明，按照DNV·GL新规范计算的敞口货舱进水工况的剪力较原GL规范降低了67.3 %，中垂弯矩降低了70.2 %，中拱弯矩增加了15.0 %。中垂弯矩对该船的船体结构质量影响最大，按照原GL规范计算的中垂弯矩为-69357 t·m，按照DNV·GL新规范计算的中垂弯矩为-20676 t·m，远小于有舱盖航行重货工况的中垂弯矩-66750.3 t·m，因此不再需要考虑敞口货舱进水工况对船舶总纵强度的影响而额外增加船体结构质量。另外，由于新规范要求的货舱进水高度大幅降低，进水后船舶吃水较原GL要求更小，承受外部水压力［11］也更小。综合考虑，按照DNV·GL新规范设计，船体结构质量可以减少约150 t。

2.2 货舱舱底排水系统及舷外排口

为确保足够的货舱排水能力，保障船舶安全，DNV·GL新规范对货舱舱底系统及舷外排口的冗余度要求有所提高。13000载重吨敞口多用途船按照原GL要求，规范计算的泵排量为860 m3/h，该船实际配置了3台舱底泵，其中1台为860 m3/h的货舱应急舱底泵，另外2台分别为600 m3/h的舱底压载泵和260 m3/h的舱底消防总用泵，这2台泵的组合排量满足860 m3/h要求。另外，这2套泵布置在不同舱室，能够保证即使1套泵失效后，另外1套仍正常运转。

按照DNV·GL新规范要求，不仅泵需要冗余，舱底管系也需要冗余且特殊强调为环形管系，管系上设置遥控阀。如果13000载重吨敞口多用途船按照新规范设计，需要用环形压载总管兼作舱底管系，每个货舱污水井设置2个舱底吸口，分别连接环形压载总管和舱底总管，每个吸口单独设阀。在敞口航行状态，所有压载总管和舱底支管上的遥控阀打开，可以实现压载管系兼作舱底管系的冗余；在港口装卸货状态，与压载总管连接的遥控阀关闭，压载系统可以进行打/排压载水的操作，未与压载管连接的舱底管系仍保留必要的舱底排水功能。新规范要求的管系冗余提高了船舶的安全性，但同时增加了一些建造成本。

如果设置货舱排水舷口，每个敞口货舱每舷排水舷口的数量、尺寸和位置应能使货舱单侧排出货舱积水，排出的积水量为最恶劣情况下货舱最大进水量的125%。排水舷口需设置防止意外进水的有效关闭装置，该装置能在干舷甲板上操作。如船舶营运于可能结冰的海域，该装置应使排水舷口在此条件下有效工作。由于新规范假定货舱进水至舱底以上2.0 m，假设货舱为立方体形状，排水舷口需要排出的水量为125%×2.0 m = 2.5 m，除非是极浅吃水的船舶，否则在满载水线以上设置排水舷口的意义不大。因此，按照DNV·GL新规范设计，可以节省排水舷口及其管系阀件，也可以不再考虑排水舷口的有效性评估试验。

3 减少上浪的措施

敞口船舶设计较小的干舷可以实现敞口航行吃水最大化，进而提高载货能力和营运经济性。敞口船舶的最小干舷由耐波性模型试验和稳性确定［12］，耐波性模型试验要求任一敞口货舱每小时最大上浪进水量应不超过货舱敞口面积乘以400 mm/h，稳性要求在敞口货舱进水后需要保证一定的生存能力。提高船舶完整稳性和破损稳性的方法很多，包括通过优化型线提高横稳心高度，优化舷侧边舱宽度、数量、二甲板高度以及双层底高度布置［13］，控制非水密开口高度、密性及管路布置等［14］。减少甲板上浪可以有效降低敞口货舱的进水量以满足规范要求。由于DNV·GL新规范的货舱进水高度降低至2.0 m，导致货舱进水后的稳性要求有所降低，因此有必要着重研究减少上浪的措施。

分析对比3型敞口多用途的耐波性模型试验结果，包括上船院设计的13000载重吨敞口多用途船、12500载重吨敞口多用途船（图3），以及荷兰CONOSHIP概念设计的5800载重吨敞口多用途船（下页图4）。3型敞口多用途船的特征对比见下页表2。

图312 500载重吨敞口多用途船

3型敞口多用途船的模型试验结果对比见下页图5，数据源自各船试验报告，试验均在HSVA（汉堡水池）进行。笔者曾撰文详细介绍了敞口耐波性试验的情况（包括模型的设计制作、海浪模拟情况、最不利谱峰周期等参数确定、以及进水量测量等内容）［3］，故此处不再赘述。

模型试验结果表明：

（1） 迎浪、首斜浪、横浪3个浪向下的敞口货舱进水相对较为严重；

（2） 5800载重吨敞口多用途船和13000载重吨敞口多用途船的上层建筑位于首部，能够有效阻挡上浪；

（3） 12500载重吨敞口多用途船的首部设置了足够宽度和高度的防浪罩，有效阻挡了部分上浪，使货舱进水量满足规范要求。

图45 800 载重吨敞口多用途船

表23型敞口多用途船的特征对比

图53型敞口多用途船耐波性模型试验结果对比

需要说明的是，5800载重吨敞口多用途船的上层建筑宽度小于船宽并且小于货舱舱口宽度，在首次试验的迎浪工况下，上浪从上层建筑侧面进入货舱，进水量达808 mm/h，是规范要求值的2倍。为了减少上浪，第2次试验时，在货舱首部垂直堆放了6块货舱盖。图5为第2次试验的理想结果。

因此，为了减少上浪，最有效的措施是将上层建筑布置在首部且上层建筑宽度达到船宽；如果上层建筑的宽度受其他因素影响不能达到船宽，可以在首部堆放足够高度的货舱盖或集装箱，用于阻挡上浪［15］；如果上层建筑位于尾部，需要在船首设置一定宽度和高度的防浪罩或挡浪板，以最大限度减少上浪。将货舱盖或集装箱堆放在首部，虽然可以有效阻挡上浪，但牺牲了一定的装货空间，限制了实际营运的灵活性。

4 结 语

本文基于13000载重吨敞口多用途船，对DNV·GL新规范进行了深入研究，包括新规范的变化以及对敞口多用途船总体设计的影响。新规范给出了敞口耐波性模型试验的最不利谱峰周期建议值，明确了如果营运纵倾明显不同于模型试验纵倾，则需要进行附加纵倾的敞口模型试验，增加了对极限GM曲线的最小GM值的上浪进水量重复测量要求，最大的变化是货舱进水高度仅为舱底以上2.0 m，远低于MSC/Circ.608和原GL的要求。

由于货舱进水高度的降低，船体总纵弯矩和剪力下降明显，可以进一步节省船体结构钢材。新规范提高了货舱舱底排水系统的冗余度，不仅舱底泵需要冗余，而且舱底管系也需要冗余且特殊强调为环形管系。另外，由于货舱进水高度的降低，不再需要设置货舱排水舷口。通过对3型敞口多用途的耐波性模型试验结果的对比，得出迎浪、首斜浪、横浪3个浪向下的敞口货舱进水相对比较严重，减少上浪的最有效措施是将上层建筑布置在首部且上层建筑宽度达到船宽，或在船首设置一定宽度和高度的防浪罩或挡浪板，从而有效阻挡上浪。

各船级社关于敞口多用途的规范或要求还在不断地完善，希望本文的研究可以为其他同类型船舶的设计提供借鉴和参考。鉴于甲板上浪属于高度非线性现象，很难用计算流体力学（CFD）精确模拟。目前，敞口耐波性模型试验仍是确定最小干舷的唯一方法，希望在不久的将来，随着CFD技术的发展，CFD模拟可作为确定最小干舷的替代方法并获得船级社的普遍认可。