客滚船破舱稳性的技术挑战与设计方法

俞 剑，巴雅尔图，付翯翯，陈 登，吉春正

(招商局邮轮研究院(上海)有限公司，上海 200137)

0 引言

破舱稳性对客滚船水密舱室的划分有着决定性的作用。2009年海上安全委员会(简称“海安会”)修正案决议MSC.216(82)强制生效并修订了《国际海上人命安全公约》(SOLAS 2009)。该决议将确定性的客船SOLAS 90标准与干货船基于概率方法的SOLAS 92标准协调为统一的概率破损稳性要求，放宽了之前确定性算法对双壳和分舱长度的要求。2017年SOLAS依据海安会修正案决议MSC.429(98)，再次大幅提高了客滚船的分舱指数，并于2020年1月1号强制生效，简称SOLAS 2020，这对客滚船的设计带来了更大的技术挑战[1]。

欧盟水域运营的客滚船还需要满足斯德哥尔摩协议(Stockholm Agreement，SA)。SA的要求是基于SOLAS 90的标准，仍为确定性破损，其目的是避免事故船舶因货舱上浪积水导致的更严重的海难，对设计方案的限制较大。

本文以某挂英国旗的客滚船为研究对象，针对SOLAS 2020和SA对客滚船设计的技术挑战一一作了分析，并根据其设计特点提出了应对方案。

1 SOLAS破舱稳性要求及应对方法

1.1 SOLAS确定性破舱计算要求和关注点

(1)SOLAS在II-1中对客船的确定性破舱稳性有以下明确要求：

①条款第8.1条要求：载客人数在400人以上的客船需要满足在自艏垂线起艏部0.008Ls(Ls为船长)区域破损后生存系数S等于1；

②条款第8.2条要求：载客人数在36人以上的客船需要在舷侧船宽B/10破损假定的情况下生存系数S不小于0.9；

③条款第9条要求：客滚船底部破损时生存系数S等于1。

(2)需要考虑底部破损情况。因为底部破损的尺度较大，宽度也较宽，进水的舱组较多，因此在分舱设计时需尽量去减少任一可能破损情况下的不对称进水。另外，特别要注意布置在舷侧的横倾舱、机舱及其相邻区域的破损。

1.2 SOLAS 2020概率性破舱计算要求

SOLAS 2020对客船要求的分舱指数R的计算方法见表1。

表1 SOLAS II-1第6条中规定的分舱指数

实际达到的分舱指数A需按下式加权获得：

A=0.4As+0.4Ap+0.2Al

式中：As为满载吃水时实际达到的分舱指数；Ap为中间吃水时实际达到的分舱指数；Al为轻载吃水时实际达到的分舱指数。

每个吃水下的计算指数均为所考虑的全部破损情况所起作用的总和，所用公式如下：

A=ΣPiSi

式中：i为所考察的每一破损组合；Pi为所考虑的每一组合破损的浸水概率，不考虑任何水平分隔，因数P只与纵向限界线的位置和横向水密布置有关，与垂向破损高度无关；Si为所考虑的舱或舱组进水后的生存概率，因数S与破损后的剩余稳性相关。

SOLAS 2020在定义Sfinal的计算方法时，明确将涉及客滚船货舱破损情况下的复原力臂GZ值由0.12 m提升到0.20 m，将正向复原力臂区间Rrang由16°提升至20°，提高了客滚船残存能力。

1.3 SOLAS 2020对客滚船稳性设计的影响

(1)SOLAS 2020相比于SOLAS 2009,对载客数在1 000人至3 400人区间内的客船影响最大，分舱指数提高了约10%。

(2)SOLAS 2020对客滚船的甲板积水问题作了补充，提高了对客滚船残存能力的要求，同时降低了货舱破损情况下的生存因数S。

(3)干舷甲板下的底货舱，因SOLAS 2020的生效，船东不得不放弃大的底货舱，但为了利用好这些区域和满足环保的要求，部分船东要求将原先的底货舱用于存放天然气罐，体积上仍很大。

(4)部分船东要求底部增设便于维修的长管弄，造成横贯进水管弄连通面积受限。

(5)艉部超宽滚装跳板的设计，限制了储备浮箱的布置空间。

1.4 应对方法

针对以上技术挑战，新的客滚船设计需要大幅提升分舱指数A，总体思路是减少破损后的吃水和横倾，也就是减少破损后的进水量和不对称进水。

(1)适当调整破损后进水量较大的舱室布置，如机舱和类似底货舱的舱室需重点考虑。客滚船为了满足安全返港(Safe Return to Port，SRTP)，需要2个机舱互为备用。机舱的布置总体分为前后布置和左右布置，主要利弊见表2。建议优先采用前后布置，机舱的布置应相互交错，并尽量减小单一机舱破损后的横倾角。

表2 机舱布置利弊对比

关于底货舱，因SOLAS 2020的要求，载客数在1 000人至3 400人区间内的客滚船，已无法再设有大的底部车辆舱，因为需要更多的横向水密分隔(减少进水量)来达到要求的指数，这样的情况下建议取消纵向水密分隔，以避免多舱组破损时横贯进水计算对A的影响。对于存放天然气罐的处所，B/5舱壁仍要保留，长度建议尽量减少，最大化利用空间去布置天然气罐，减少该舱室破损后的进水量。

对于不对称布置且舱容较大的舱室，除横倾舱外，其他油水等舱室应尽量靠近船中心线布置，以减少不对称进水产生的横倾角，同时在舷侧小范围破损时，还可以达到减少进水量的目的。

(2)在干舷甲板上艏艉两侧增加浮箱[2]，这些浮箱会占用部分的车道，需要事先取得船东同意。浮箱也是非常有效的方法，通常布置在货舱的4个角上。因为任一破损工况下，当货舱进水时，水会集聚在其中一个角上，增加浮箱能减少货舱甲板的积水并增加浮力。对于超宽艉门的设计，可最大化利用艉门两侧的空间来布置浮箱。

(3)优化横贯进水，增大横贯进水联通管，避免多个包括横贯进水装置的舱组连续布置。对于初稳性高较小的客船，如按海安会MSC.362(92)决议中要求的在计算压头时需假定单侧瞬时进水，此时船舶会直接倾覆。如果无法优化，可将60 s时流过单个横贯进水装置的流量直接定义到多舱组破损工况里，来替代海安会决议中计算压头的假定。此方法虽然计算量会增大，但避免了过度设计。

(4)如果经过上面调整，仍与要求的指数有较大的差距，此时应考虑减少空船重量，降低重心高度，提高初稳性高，用于改装破损后剩余稳性，以提高生存因数。减重以优化结构和上层建筑部分重量为主[2]。

(5)增加干舷，或适当增加船宽，但需考虑对快速性的影响。

(6)如计算指数和要求指数差异不多，可以考虑结合生存因数S和P(1-S)分布图，快速找出对分舱指数A影响较大的区域，看有无优化的可能。也可以将生存因数接近于0，且横倾角小于3°，GZ大于0.1 m的所有破损工况列出来，查看导致Rrang降低的原因，并可通过调整假定开口的位置来获取少量的指数贡献[3]。

优化SOLAS概率性破舱计算无法通过定量的统计数据来归纳总结，因为不同的设计方案差异大，如主尺度、运营工况、载客人数、载重量等。实际设计工作中需要结合实际的计算结果和与要求的差值，来选择最有效的修改方案。

2 斯德哥尔摩协议破舱稳性要求及应对方法

2.1 背景

对于客滚船，当其封闭的滚装甲板的积水向一侧或一端集聚时会增大船舶的纵横倾，考虑在舷侧碰撞破损后因甲板积水(Water on Deck，WOD)对船舶的残存稳性的影响就是该协议的根本目的。

海安会153号通函曾确认在所有有记录的船舶海难事故中，99%都发生在等效浪高在4 m左右的海况下，因此这被公认为最严重的船舶设计海况。而SOLAS的假定则是等同于在等效浪高在1.5 m左右的海况下幸存，相当于只覆盖了89%的碰撞事故。所以，提出等效浪高在1.5～4.0 m海况下船舶破舱稳性需要有额外的指导要求来考虑甲板积水的影响。斯德哥尔摩协议在SOLAS 90基础上增加了相关修订。虽然SOLAS 2020在概率性指数计算中提升了客滚船货舱破损后的剩余稳性要求，但仍无法完全覆盖斯德哥尔摩协议中涉及的所有的确定性破损情况。

2.2 甲板积水高度的计算

甲板积水高度计算原理见图1。图中：Hs为等效浪高，Fr为船舶剩余干舷，Hw为甲板积水高度。等效浪高Hs应依据运营区域的海况来定，1.5 m≤Hs≤4.0 m。

图1 甲板积水高度计算示意图[4]

甲板积水高度Hw计算方法如下：

注意剩余干舷的计算与破损纵向位置有关，需要在计算时明确定义破损的纵向范围。

2.3 破损假定及分舱注意事项

斯德哥尔摩协议中规定的破损假定见表3。从表3可以看出，斯德哥尔摩协议的破损长度较长，分舱长度应大于该破损长度，尽量避免3个舱组同时破损的情况。破损深度为B/5、进水量大的舱组需要增加B/5舱壁来减小进水量。垂向范围没有限定，需要注意因为水平分隔面导致的不称进水，特别是机舱及其相邻区域。

表3 斯德哥尔摩协议中规定的破损假定

2.4 对客滚船破舱稳性设计的影响及应对方法

从斯德哥尔摩协议的假定和要求看，减少甲板积水是满足SA的关键，需要保证足够的剩余干舷。而考虑到对重心高度的影响，通常客滚船干舷甲板高度只是为了满足主机吊高或底货舱净高，余量非常有限，因此在分舱布置时需要严格控制好破损后进水量并尽量减少不对称进水，以及减小破损后的船舶纵倾和横倾。其应对方法如下：

(1)减少进水量，分舱长度应避免出现3个舱组同时破损的情况。

(2)减少船舶运营时的艉倾。考虑到客滚船艉部排水量小，又受限于艉门的设计无法在干舷甲板增加太多的储备浮箱，减少艉倾可以增加艉部干舷。

(3)减少不对称进水是关键。B/5外部的舱室尽量左右对称并联通，其他不能联通的舱室要限制舱容，具体限额视实际项目而定。例如：横倾水舱舱容较大时可考虑增加一对，单独的舱室间隔布置，尽量避免同一破损长度内计入多个不对称舱室。

(4)重点考虑因重力泄放、溢流、空气、通风管带来的二次累积进水，管路布置需和轮机专业人员充分沟通并落实到设计中，以免存在理解偏差导致返工。要充分利用好最深破损平衡水线包络面在舯中心线位置的低点，将部分空气和通风管布置在包络面之上，以避免因管道破损导致舱室进水。

(5)B/5舱壁的设计应尽量布置在B/5之内，包括凹入的水密门、消防栓箱和需求保护的管路。SA中明文规定了B/5线之外计入破损；如果有局部舱壁凸入B/5外，需要挂旗国当局的认可，如无法避免，则需在早期提交挂旗国当局认可。

(6)结合实际项目，因客滚船艉部排水量较小，当艉部机舱破损时，势必会造成艉倾，这时即便是少量不对称进水，横倾和艉倾叠加也会造成比较糟糕的情况。对于前后布置的机舱，因设备本身对空间的需求，单个机舱很难做到船舶左右两侧进水量平衡，这时可以考虑在艉部增加储备浮箱。

(7)如果上述的方法仍不能解决问题，则需要考虑采取减重、降低重心、提高干舷等措施。

3 结论

综上所述，提高客滚船稳性有2个重要思路：一是“补”稳性，可通过优化分舱布置，核心在于减少舱室的进水量及不对称布置，以及减少二次累积进水；二是“加”稳性，可通过减重以提高干舷、降重心以提升初稳性高、增大船宽以提升横稳性高。 结合客滚船破舱稳性的特点其应对方法总结如下：

(1)客滚船有贯通全船的货舱甲板，装卸效率高，但破损后甲板上浪积水容易向一侧积聚，导致横倾甚至倾覆。应对方案：设计时需尽量减小大进水量破损工况时的不对称进水，可增大剩余干舷，从而减少甲板上浪积水；当上浪积水无法减少时，可在货舱4个角落处设置储备浮力舱室，以减少上浪积水产生的横倾和纵倾力矩。

(2)SOLAS 2020对客滚船的分舱指数A的要求大幅提高。应对方案：设计时应尽量减少各舱室的进水量及其产生的不对称进水力矩。

(3)客滚船受风面积大，重心高。应对方案：设计时应合理减小甲板层高，上建部分采用轻质材料，以降低船舶重心或提升干舷；可适当增加舭龙骨和艉鳍的面积以平衡受风面积。