客滚船的破舱稳性计算

徐 佳

（厦门船舶重工股份有限公司 厦门 361000）

0 引 言

根据国际海上人命安全公约（SOLAS 2009），破舱稳性计算的概率性方法已替代确定性被各界认可并被广泛使用，对于客滚船，其破舱稳性计算的要求比货船更多也更严格，基于破舱稳性计算的设计难度也比较大。

2017 年6 月，国际海事组织（IMO）海上安全委员会第98 届会议（MSC 98）通过了日本、中国、菲律宾和美国联合提出的新的客船分舱指数公式，对于2020 年1 月1 日以后建造的客船生效。该公式相对于SOLAS 2009 要求的分舱指数R在400~1 350 人之间线性增加0~13%，在1 350~6 000 人之间增加5%~13%。这意味着，在分舱布置上，新的客船面临着更严峻的挑战。

目前，全球客滚船船东主要集中在欧洲地区（尤其是北欧的挪威、瑞典以及丹麦等国家），大部分该船型由欧洲和日本船厂建造。我国近年来虽然交付的客滚船数量不多，但仍呈逐年递增之势。在设计上，高端客滚船几乎被欧洲垄断，我国威海、广州、厦门等地所建为数不多的高端客滚船，其设计也来自欧洲。对于该船型的破舱稳性计算，与欧洲主要设计公司相比，国内设计水平也在不断提高，但对A 级舱壁、横贯浸水、欧盟特定水域等规则的解读仍缺少经验。本文以1 艘欧洲航线的2 800客位豪华客滚船为计算实例，基于规范要求并结合NAPA 软件的使用，详细介绍了客滚船的破舱稳性计算过程（包括计算准备、初始计算工况的选定、计算结果以及特殊水域的要求），并从计算结果中讨论分析关键吃水处的稳性衡准裕度，旨在为该型船的总体设计人员提供借鉴。

1 计算准备

1.1 模 型

在合同设计阶段，稳性模型已经建立并随着CFD 分析以及模型试验的进展逐步得到优化。除了裸船体外，稳性模型应扣除不能提供浮力的部分（如海底阀箱、艏侧推和减摇鳍等），加入额外提供浮力的附体（如螺旋桨、尾鳍等）。内部舱室模型按照舱容图建立完整，赋予各舱室用途，按照法规设定破舱渗透率。以NAPA 软件为例，本船模型建立如图1 所示。

图1 2 800 客位客滚船破舱稳性计算模型

1.2 分 隔

为了得到更大的分舱指数A，客滚船的计算分隔应尽量精细。值得注意的是，客滚船某些舱壁或甲板附近的管路尺寸大、数量多，不能被视为舱壁或甲板的一部分。此时应增加一层分隔或加入一个间隙，如此当分隔处所破损时，附近管路未破损，规避了大部分管路的累进进水问题。本船干舷甲板下的管路布置密集，水平分隔向下调整 600 mm，相关穿舱管路（如疏排水管）的止回阀应处于此600 mm 范围内，如图2 所示。

图2 2 800 客位客滚船水平分隔间隙内的止回阀

1.3 舱室连接

一般货船，由于只需计算最终平衡阶段的残存概率，舱室之间的连接只需考虑非保护开孔连接的舱室和管路连接导致的累进进水舱室即可；而对于豪华客滚船，由于所有进水中间阶段的残存概率都要计算，其底部舱室的横贯浸水以及非水密A级舱壁都要额外加入到舱室连接中。

1.3.1 横贯浸水

使船舶某个未破损处所进水以减少平衡状态下的横倾，这种方法即为横贯浸水。常见的横贯浸水装置是带有1 个或多个人孔的一系列结构管，结构管连通左右舷两侧舱室，当一侧舱室破损进水后，另一侧同时进水来减少横倾，提高船舶的残存稳性。

应根据结构管开孔的截面面积和长度计算结构管的摩擦系数总和，再根据空气管的截面面积计算空气管压头损失带来的摩擦系数，求得最终的平衡时间。计算公式参考MSC.362（92）决议通过的《评价横贯浸水装置标准方法的修正建议案》，此处不再赘述。

每对舱单独计算平衡时间。若≤60 s，残存概率作为瞬时浸水状态计算，不考虑中间过程；若>60 s，则要计算中间阶段的残存概率；若平衡时间>600 s，残存概率使用600 s 后的最终平衡阶段的最小值。

值得注意的是：横贯浸水过程中，透气管开口若通向船内且低于破损横摇水线（风雨密水线），那么当一舷破损时，水会通过用于调整横倾的未破损的另一舷舱室透气管溢出，进而发生累进进水。而客滚船的透气管出口一般设在车辆甲板上，车辆甲板进水会大大降低残存概率，所以应避免发生这种累进进水的情况。本船将横贯浸水舱室距离舷侧较近的透气管通向舷外，同时将距离舷侧较远的透气管抬高到破损横摇水线以上，以避免车辆甲板进水。

1.3.2 A 级舱壁

与横贯浸水装置相同，非水密分隔的A 级防火舱壁和甲板会减慢舱室的平衡过程，破损范围内的A 级舱壁需要放在计算分隔中，实际的计算过程会考虑破损与未破损2 种情况。破损时计算中间进水过程的最小残存概率，并与未破损状态和最终平衡状态对比，所有状态下的最小残存概率即为当前破损工况下的残存概率。

横贯浸水和A 级舱壁的定义，以NAPA 软件为例，在舱室连接中，进水阶段STAGE 分别选择CROSS 和ACLASS，如图3 所示。

图3 横贯浸水与A 级舱壁的舱室连接

1.4 开 口

1.4.1 非保护开口

在非保护开口所连接的舱室未浸水情况下，若此开口在任何阶段被淹没，则残存概率等于0，该开口也是完整稳性校核中限制进水角的开口。对于客滚船，这类开口包括未设有透气头的透气管以及通向舷外、无风雨密盖的通风百叶窗等。

1.4.2 风雨密开口

在风雨密开口所连接的舱室未浸水的情况下，此开口在最终平衡阶段不能被淹没，但可以在中间阶段被淹没。对于客滚船，这类开口包括设有透气头的透气管、带有风雨密盖的通风百叶窗等。

1.4.3 横贯浸水开口

横贯浸水的开口，即为连通左右舷两舱室的开口，此开口可以选择横贯浸水装置的第1 个开口点，此开口也视为非保护开口。

1.4.4 累进进水开口

在生产设计阶段，大量的管路放样会产生舱室间的累进进水问题，这些导致累进进水的管子需要在软件中建模，将建模的管子与舱室连接，并确定累进进水的开口位置，此开口也视为非保护开口。

1.5 脱险通道

1.5.1 水平撤离通道

水平撤离通道将舱壁甲板以上和以下处所与所在甲板的垂向脱险通道相连，通常设置多条作为此通道的路线，其所连接的舱室未被浸没时，在最终的平衡阶段至少有1 条路线不能被浸没。本船设置了3 条水平撤离通道，均以曲线的形式建立，逃生口与垂直脱险通道相连，参见图4。

图4 水平撤离通道

1.5.2 垂直脱险通道

垂直脱险通道作为在舱壁甲板下未破损舱室的安全通道。在所在舱室未破损的情况下，垂直脱险通道的开口在任何浸水阶段都不能被浸没，见图5。

图5 垂直脱险通道

2 初始计算工况

计算选定3 个吃水，分别是轻载航行吃水、部分分舱吃水和最深分舱吃水。与货船不同的是，客滚船的轻载航行吃水除了包含消耗品的10%外，还要装载全部额定乘客和船员及其行李物品。

若完整稳性计算下的实际运营工况与计算纵倾相比，纵倾变化大于船舶分舱长度的0.5%，应该计算相同吃水下的不同纵倾，直至纵倾变化小于船舶分舱长度的0.5%。通常情况下，完整稳性工况应尽量通过调整配载以达到较小的纵倾，在破舱稳性计算中，增加纵倾计算会明显降低残存概率。本船的船舶分舱长度之0.5%为1.099 m，所有完整稳性计算的营运工况下，纵倾均未超过该值，所以对应计算吃水下的纵倾全部取0。

初始工况设定的3 个吃水下的初稳心高（）形成的包络线应低于所有完整稳性工况的实际初稳心高，本船的初始工况见表1。

表1 2 800 客位客滚船初始计算工况 m

3 计算与结果

3.1 分舱指数

3.1.1 要求的分舱指数

根据SOLAS 2009，客滚船要求的分舱指数按式（1）计算：

式中：L为船舶分舱长度，本船L=219.876 m；=+2，本船=5 100；为救生艇可供使用的人数，本船=900；为船舶在以外允许载运的人数，本船=2 100。

本船要求的分舱指数=0.822 66。

3.1.2 达到的分舱指数

达到的分舱指数计算公式与破损范围参考《国际海上人命安全条约》第7-2 条。

达到的分舱指数应大于要求的分舱指数，本船达到的分舱指数计算结果见表2。从表中可以看到，5 个区域破损仍为分舱指数提供了一定的贡献值对于设计成熟的客滚船，达到的分舱指数裕度很有限，所以客滚船的破损区域建议算到4~5 个区域。

表2 2 800 客位客滚船达到的分舱指数

对于客船，法规额外要求初始工况下的部分分舱指数≥0.9，一般在最深分舱吃水处的值最小，应额外关注。本船达到的部分分舱指数见表3。

表3 2 800 客位客滚船的部分分舱指数

由于本船建造日期在2020 年1 月1 日之前，所以不需满足SOLAS 2020 的要求。若本船按照SOLAS 2020 计算，指数计算值为0.875 5，值无法满足要求，需要额外的结构分舱，整船的总布置需要重新规划，基于母型船的船型布局不再适用。

3.2 客船稳性的特殊要求

3.2.1 艏部破损

载运400 人或以上的客船在3 个初始工况下，自艏垂线向后0.08 倍船长以内舱室的所有破损情况中，残存概率都应等于1。

本船在满足残存概率等于1 的上述所有工况中，所需最小初稳心高的最大值为2.46 m，出现在最深分舱吃水处，该吃水的初始工况初稳心高设定值为4.2 m，满足要求且裕度足够。

3.2.2 舷侧破损

载运36 人或以上的客船，在舷侧外板破损时，3 个初始工况下的部分分舱指数不应小于0.9。对于载运400 人及以上的客船，破损范围更广，需额外考虑多舱破损。舷侧破损范围参考《国际海上人命安全条约》第8 条。

本船满足上述要求的所有初始工况，所需最小初稳心高的最大值见下页表4。m

表4 2 800 客位客滚船的舷侧破损

3.3 底部破损

若双层底高度未按照船宽的1/20 延伸至船舶全宽区域内，假定的任何一处（包括位于破损范围内的任何相邻处所）的底部破损，在3 个初始工况下的残存概率都要等于1。破损范围参考《国际海上人命安全条约》第9 条，破损位置见图6（阴影部分为未设双层底的部分，方框表示假定的破损）。

图6 底部破损位置示意图

客滚船底部左右舷一般布置了高于双层底的用于横贯浸水的舱室，因此该区域未延伸至船舶全宽，需要计算底部破损，见图7。

图7 未设置双层底的舱室示意图

由表4 可见，最深分舱吃水处所需最小初稳心高4.03 m 比较接近初始工况的设定值，在设计初期应额外关注。

4 特殊水域要求

在SOLAS 2009 的概率性计算法替代《国际海上人命安全条约》1990 年版（SOLAS 90）和《斯德哥尔摩协定》的确定性计算法而强制生效前，一些研究机构发现SOLAS 2009 的概率性算法在某些方面无法达到SOLAS 90 确定性算法的安全程度，欧盟成员国以及欧洲海事安全局（EMSA）对客滚船放弃采用《斯德哥尔摩协定》标准表达了担忧。对于航行于欧洲的客滚船，欧盟决定仍使用2004 年11月17日生效的欧盟令2003/25/EC。该法令延伸了《斯德哥尔摩协定》的适用范围，不仅包括《斯德哥尔摩协定》的签署国，还包括所有航行于有义波高>1.5 m 的欧洲水域非签署国的客滚船。在破舱计算中，要假定车辆甲板积水,并根据SOLAS 90 的计算要求进行额外的舷侧破损计算。

舷侧破损的情况下，当车辆甲板没有被浸没时，甲板积水高度基准线为车辆甲板下沿；当车辆甲板被浸没时，甲板积水高度为破损水线的高度，见图8。

图8 甲板积水高度基准

甲板积水的假定高度与破损后干舷高度以及航行水域重现率不超过10%的最大有义波高有关：

当有义波高≥4 m 时：若干舷≤0.3 m，积水高度取0.5 m；若干舷≥2.0 m，积水高度取0 m；0.3~2.0 m 的干舷，积水高度按插值计算。

若有义波高≤1.5 m 时，积水高度取0；有义波高为1.5~4 m 时，按上述干舷计算后的积水高度再进行插值计算。

车辆甲板的渗透率在甲板积水计算中要求设定为0.9，初始工况的吃水和纵倾要覆盖所有营运工况，在破损范围内，两舱破损的残存概率要求等于1。基于此，得出各个吃水和纵倾下的最小的初稳心高要求值。

本船的初始工况吃水设定在轻载吃水6.2 m 与夏季载重线吃水7.15 m 之间，每隔0.2 m 吃水增加包含首倾、尾倾、平浮的3 个工况。计算结果显示，深吃水下的初稳心高要求值高于分舱指数计算的初稳心高要求值。所以，航行区域涉及欧洲水域的客滚船应特别注意在完整稳性计算中，深吃水工况下的初稳心高应满足此要求。

5 结 语

本文对客滚船的破舱稳性计算过程进行了简要分析与总结，希望在今后进行此类船型的破舱稳性计算中能为设计者提供一些借鉴。但需要指出的是，客滚船的破舱稳性计算无论在衡准要求还是计算难度和软件计算时间上，都远高于货船。随着法规不断更新以及计算方法的不断优化与改进，未来的客滚船会向着更安全、更严格的方向发展。设计人员应尽可能掌握新信息，保持不断学习的心态，以应对新环境带来的挑战。