开式循环水养殖平台稳性校核方法

彭必业，严俊，范为，聂容刚，谢庆墨，王胜通

(南方海洋科学与工程广东省实验室(湛江)，广东 湛江 524000)

南方海洋科学与工程广东省实验室(湛江)(以下简称“湛江湾实验室”)自主研发设计了一型游弋式大型养殖平台，采用养殖工船的技术路线，具备自主游弋航行能力，能在我国海域寻找最佳适养海域，机动规避台风、赤潮等恶劣天气和灾害事件。该平台采用开式循环水养殖系统，通过海水泵从舷侧将外界新鲜海水抽入养殖舱内，利用射流方式在养殖舱内形成旋转流场，在养殖舱底部开孔利用重力作用使尾水自然流出舱外，完成一次“泵入流出”的养殖水体循环。这种养殖工船的设计借鉴锚固式养殖网箱充分利用外界环境海水资源的思路，又以工船的形式提升装备机动性，主动规避各类养殖风险、寻找最佳养殖环境，充分利用大自然的净化能力降低对单一海域的集中污染。

1 养殖工船简介

本文所介绍的养殖工船总长约255.0 m，型宽45.0 m，型深22.3 m，最大养殖吃水16.5 m，机动航行吃水14.0 m，最大养殖水体12万 m3，入级CCS，可航行于国内远海航区。该船舱壁甲板以下从首至尾依次分为首部、养殖和尾部3个功能区域，养殖区域纵向范围约占总长85%，集成了渔业养殖的主体功能。养殖区域采用双壳、双底设计，从首至尾依次设置了5个相互独立的大型养殖水舱，每座舱内通过纵横2道网衣系统划分为4个区域，每座水舱和每个区域的俯视形状均趋近于正方形，有利于形成多层水平旋转流场，完成舱内水体的全面循环交换，见图1。

图1 养殖工船内部舱室划分

2 稳性计算难点

开式循环水养殖方式对该船带来了两个特点。

1)工船的全生命周期中，通常保持养殖水舱与外界海水保持联通，舱内液面与外界海水液面持平，随吃水变化养殖舱内海水量发生变化。

2)为形成良好的舱内旋转流场，养殖舱底的尾水排出孔尺寸相对较小，工船舷侧结构和船底结构的完整性好，当工船发生摇荡运动时，养殖舱内液面的晃荡与外界海水波浪运动不同步，即大面积自由液面将会造成不利稳性影响。

由此可见，这类工船的装载与稳性计算至少需要考虑两个问题。

1)养殖舱是否应该计入浮力。

2)养殖水舱自由液面对稳性曲线的计算方式如何处理。

根据国际海事组织在海安会第85届会议上通过的《2008年国际完整稳性规则》A部分第3章第3.1.9条，可接受两种修正复原力臂曲线的方法，分别是以上计入和不计浮力所描述的自由液面修正方法。针对以上问题，应用NAPA软件2021版本对该船进行建模和计算，基于软件现有的计算功能，研究和探索计入浮力与否及自由液面修正方式的不同组合对船舶稳性的具体影响，提出较为合理可行的解决方案。

3 规范适用性

该平台为船式海上渔业养殖设施[1]，在中华人民共和国海域航行，挂中国旗，首先要满足中国海事局的相关法规要求，稳性计算参照规范[2]国内航行海船法定检验技术规则第4篇“船舶安全”第2-1章“构造——分舱与稳性、机电设备”和第7章“完整稳性”执行。该船入级中国船级社，综合研究文献[1][3][4]后，稳性计算还将参照《钢质海船入级规范》第2篇“船体”第9节“完整稳性”和第10节“破损稳性”执行。

在完整稳性方面，综合文献[2][3]相关章节，其对静稳性复原曲线特征值的要求一致，对受到风浪联合作用的动稳性衡准数计算方面有区别，需要分别校核、同时满足。

该平台主要功能为渔业养殖，可以等效其所装载货品即为养殖海水，干舷的选取参照文献[2]中A型干舷执行。在破损稳性方面，一是参照文献[2]关于货船的分舱与稳性要求进行计算，采用概率破损校核方法。二是参照文献[3]关于A型干舷船舶的要求，具体映射至经1988议定书修订的1966年国际载重线公约(ICLL)第27条，采用确定性破损校核方法。同样需要分别校核、同时满足。

按照文献[1]的要求，养殖工船需要区分航行工况和系泊养殖工况两种典型工况，其完整稳性和破损稳性分别参考文献[3]对钢质船舶和文献[4]对移动式平台的不同规定，根据文献[4]的具体校核计算不在本文赘述。

4 装载与完整稳性分析

该船设置了满舱养殖、机动航行、单舱清洗(共5种单舱排空清洗)3大类装载工况(均包括出港和到港)，以及空船、进坞等常规装载，3大类装载工况中满载出港的船舶浮态和初稳性参数见表1，首倾为正。

表1 典型装载工况浮态 m

4.1 计算设置

对本船5座养殖水舱分别采用计入浮力和不计浮力两种模型开展计算分析，其中计入浮力的计算模型见图1，不计浮力的模型见图2。本文以夏季载重线吃水工况为例进行对比计算，即吃水16.5 m养殖，该工况也是国际载重线公约第27条所规定破损稳性计算的初始工况。

图2 不计入养殖舱浮力的三维总布置

对于计入浮力模型，为保证养殖舱与外界海水联通且液面持平，在NAPA软件中通过设置舱室通海命令OTS(OPEN TO SEA)调整舱室通海后的浮态，读取通海舱的装载量，关闭通海命令后对养殖舱加载相应装载量保证内外液面的一致性。养殖舱根据实际液面高度和形态的取自由液面惯性矩以及考虑实际液体移动所产生的倾覆力矩，可真实反映养殖舱内液面对初稳性高和大倾角复原力臂曲线的修正。养殖舱装载参数见表2，具体浮态见图3。

图3 计入养殖舱浮力并进行通海处理后的浮态

表2 满舱养殖工况各养殖舱装载及自由液面参数

4.2 计算结果

针对计入浮力和不计浮力两种模型，且均考虑不同方式的养殖舱自由液面修正方法，两种初稳性数据见表3。

表3 初稳性数据对比 m

5 破损稳性分析

根据前文所述，该船破损稳性需要分别采用确定法和概率法两种方法计算，存在3个重要环节：计算模型、初始状态、破损舱组。针对计入浮力和不计浮力的计算模型仍是图1和图2；区别于确定性和概率性两种破损计算，其始状态和破损舱组定义按照相关规范具体执行。

5.1 确定性破损

取夏季载重线吃水为初始状态。对于计入浮力，其初始工况需要考虑各养殖舱的实际装载，当某养殖水舱破损后，考虑破损舱内液体完全流出后在浸入海水，其他非养殖水舱均认为是空舱，吃水取为16.5 m、平浮，重心高根据实际工况并考虑自由液面的修正，舱室破损后将考虑养殖水舱内液体横倾移动力矩对复原力臂曲线的修正，其定义见表4中的INI1。

表4 确定性破损初始工况定义

以第2号养殖水舱区域破损为案例，分别考虑计入浮力且单舱浸水(DAM1)、养殖舱计入浮力且多舱浸水(DAM2)、不计浮力(DAM3)的破损计算。

可见，CASE1与CASE2有着不明显的差别，但CASE2可以更加准确表达出养殖舱完全通海和自由液面对GZ曲线的影响。所以，该船确定性破损稳性推荐采用计入浮力且多舱浸水的方法。

CASE3与其他2种组合的差异大，这是固定排水量法和可变排水量法两种算法的差异造成。然而，CASE3提供了1种开展概率性破损稳性计算的思路。

5.2 概率性破损

尽管5.1获得了确定性破损稳性计算最为真实的初始工况定义方法(表4中的INI1)。然而，参照文献[2]相关规定，采用概率法计算本船破损稳性，其初始工况仅能够根据表4中的INI2进行定义。由于概率方法认为初始工况中所有舱为空，即本船的5个大型养殖水舱初始为空，破损后的浸水量相当大，显然是不能满足衡准要求的。所以，在概率法计算中采用不计养殖水舱浮力的方式是否可行，这是值得研究的问题，并对破损计算具有建设性意义。

根据文献[2]，破损后的残存概率Si值计算公式为

6 结论

1)完整稳性计算中，养殖舱推荐计入浮力计算并考虑该类舱的实际装载和自由液面。

2)确定性破损稳性计算中，养殖舱可以采用计入浮力的方法，在初始工况中需定义养殖舱的实际装载量，并在破损工况定义中需将所有通海养殖舱定义为破损，如此可以兼顾养殖舱内外液面始终持平和舱内海水在实际倾斜下的移动力矩对稳性曲线的影响。