不同工况下养殖工船纯稳性分析

2024-02-26穆璟宝

船舶标准化工程师 2024年1期

穆璟宝

（大连职业技术学院，辽宁大连 116035）

0 引言

可移动深远洋养殖工船作为一种机动灵活、多功能的深远海养殖装备，对于弥补我国高品质水产品缺口，促进我国水产养殖产业可持续发展与转型升级，助力突破深远洋生物利用环境和资源限制的挑战都具有重要意义[1]。近年来，对养殖工船总体规范和稳性安全的相关研究取得了一些进展[2-4]。自2008年以来，国际海事组织（International Maritime Organization, IMO）开始制定能在极端海况的条件下保证船舶安全性的第二代船舶稳性衡准。目前，针对纯稳性丧失、参数横摇和瘫船等衡准的计算评估方法已在IMO船舶设计与建造分委员会（Ship Design and Construction Sub-Committee, SDC）会议上得到广泛认可。近年来，我国针对IMO新一代稳性衡准已开展较为广泛的研究[5-6]，但针对可移动深远海养殖工船稳性衡准计算评估方法的相关研究鲜有报道。

本文对深远海可移动养殖工船的工况进行分析，基于IMO制订的第二代完整稳性衡准中纯稳性丧失的计算方法，对养殖工船在波浪中的稳性安全薄弱性进行分析，研究成果可为我国养殖工船稳性标准化工作提供一些参考。

1 第二代完整稳性纯稳性丧失薄弱性衡准及计1 算方法

新一代完整稳性的评估方法主要需要考虑船舶在极端海况下的动稳性，目前SDC会议上主要对纯稳性丧失、瘫船、参数横摇、骑浪/横甩和过度加速度等5种失效情况下船舶稳性薄弱性衡准的评价达成共识。

纯稳性丧失是一种由于船舶水下部分与波浪的相对位置不同导致船舶的复原力臂逐渐减小，最终造成船舶倾覆的失效形式。目前对纯稳性丧失的计算评估衡准主要是通过2层薄弱性衡准进行确定，第一层薄弱衡准的要求相较于第二层衡准更高，若2层薄弱衡准均无法通过，则需要进行稳性直接评估。

1.1 纯稳性丧失第一层薄弱性衡准

当考虑了自由液面修正后的最小初稳性高度GMmin小于纯稳性丧失第一层衡准值RPLA时，认为船舶在此工况下无法满足完整稳性中纯稳性丧失第一层衡准。第一层衡准值RPLA取0.05 m。

在计算GMmin时，需要考虑参数η的大小，其表达式为

式中：D为型深；d为吃水；V为船舶的排水体积；Aw为船舶的水线面面积。

若η＞1，GMmin可根据第一代完整稳性中简化的静水中公式进行计算；若η＜1，计算GMmin时需要分别考虑当波峰位于船舶质心位置、沿艏向距质心0.1L、0.2L、0.3L、0.4L、0.5L位置，沿艉向距质心0.1L、0.2L、0.3L、0.4L，共10个位置时的装载情况[7]，其中，L为船舶长度。

1.2 纯稳性丧失第二层薄弱性衡准

若船舶不能满足第一层纯稳性丧失薄弱性衡准，可采用安全裕度较低的第二层薄弱性衡准进行计算，进而获得保守性更低的纯稳性丧失预测结果。当船舶在某航速下计算得到的纯稳性丧失失效概率CRmax小于衡准值RPL0时，可认为在该工况下，船舶满足纯稳性丧失第二层薄弱性衡准，其中RPL0=0.06。纯稳性丧失失效概率CRmax表示在特定工况下船舶发生纯稳性失稳的最大可接受出事概率，其计算公式为

式中：CR1为基于稳定横倾角，考虑特定稳性参数加权平均值的失效概率；CR2为基于稳性消失角，考虑特定稳性参数加权平均值的失效概率。

式（3）和式（4）中：Wi为波浪的权重因子，可从北大西洋海浪谱中获得；C1i和C2i为系数，取值规则见式（5）和式（6）。

式（5）和式（6）中：φv为经过自由液面修正后的稳性消失角；RPL1为纯稳性丧失第二层薄弱性衡准下的安全衡准值，即船舶可保证稳性安全的最大横倾角，取30°；φs为稳性横倾角；φloll为最大的负稳性横倾角；RPL2a为客船稳性横倾角，RPL2a=15°；RPL2b为非客船稳性横倾角，RPL2b=25°。

2 养殖工船工况分析

不同于普通货船，深远海养殖工船是一种既能完成养殖任务，也能进行繁育、加工、鱼货冷藏运输等多项任务的多功能新船型。根据张光发等[8]建立的经济论证模型，为获得较好的经济性，养殖工船应主要用来养殖高体鰤、珍珠龙胆石斑鱼等具有较高附加值的鱼类。为满足养殖鱼类对水域环境和温度的要求，深远海养殖工船每年9月～12月从我国北方海域向更温暖的南部水域进行迁移。在到达预定水域后，养殖工船会在既定地点锚泊，进行定位养殖，并在次年4月份向北方水域返航。在不同水域间进行转移能更好地完成繁育养殖任务。养殖工船需要躲避台风，并需要为避免长时间定点养殖带来的水质恶化问题进行短距离游戈等任务，因此，养殖工船应配备相应的推进系统。根据崔铭超等[9]对养殖工船快速性的优化结果，当设计船速为10 kn时，船舶的经济性和快速性都有较好的保证，在船舶航行时要保证稳定安全，符合相关规范的要求。

当养殖工船执行养殖、繁育任务时，其工况与液货船装载大量液货的工况类似，也需要考虑自由液面的影响[10]。除养殖、繁育工况外，养殖工船还需要考虑鱼货加工和储藏运输等工况。因此养殖工船的稳性安全评估需要考虑鱼货滑动的影响[2]。

相较于普通船舶，养殖工船不仅要考虑迁徙航行、鱼货加工、压载出港、满载出港、压载到港和满载到港等常规工况，还需要充分考虑海上养殖、繁育、加工等特殊工况。中国船级社（China Classification Society, CCS）建议在稳性校核时将养殖工船的工况分为2种[3]：1）航行工况，即在预定水域航行时的工况；2）养殖工况，即在一定范围水域内定位，进行养殖任务，较长时间处于漂浮状态下的工况。

为完成海上养殖任务，养殖工船通常会在主甲板下方靠近舯部的位置设置若干个养殖鱼舱用于鱼类养殖。在艏部和底部设置压载舱以保证船舶的稳性，养殖工船的工况与油船装载液货的工况有较多相似之处，故其可参照双壳体油船进行工况分析。

在CCS建议的2种工况的基础上进行细分，将养殖工船的工况分为压载出港、压载到港、作业1出港、作业1到港、作业2出港、作业2到港等6种工况，具体见表1。

表1 养殖工船工况

3 养殖工船纯稳性丧失安全性分析

3.1 样船选取及工况划分

深远海养殖工船可分为旧船改装型和专业化设计型这2种类型。相较于普通货船，养殖工船的船型种类较多。对于功能、养殖对象不同的养殖工船，其养殖作业的水域、船舶的主尺度均大不相同，本文选取5种代表性船型进行分析计算。

本文基于第二代稳性衡准，对5种代表船型在不同工况下的稳定性和安全性进行计算和评估。养殖工船样船的主尺度及计算工况见表2。

表2 养殖工船样船的主尺度及计算工况

3.2 样船纯稳性丧失结果

基于第二代完整稳性纯稳性丧失薄弱性衡准进行计算，样船工况与纯稳性丧失衡准的关系见表3。

表3中的阴影部分表示该船型在该工况下未满足纯稳性丧失的安全要求，7 000吨级散货船均通过了第一层和第二层稳性衡准，说明其不容易发生纯稳性丧失。在评估船舶第一层薄弱衡准GMmin时，150吨级冷藏船的作业1出港、作业1到港这2种工况，3 000吨级驳船、5万吨级油船、10吨级油船的所有6种工况均未通过第一层衡准。除5万吨级油船的满载出港、满载到港、作业2出港、作业2到港等4种工况外，其他船型均通过了第二层薄弱衡准，说明纯稳性丧失的第一层和第二层衡准是存在不协调性的，即有的船舶能通过第一层薄弱衡准但不一定能通过第二层衡准，同样的通过第二层稳性衡准的船舶也不一定能通过第一层衡准。

样船工况与纯稳性丧失第一层、第二层衡准的关系见图1。除5万吨级油船的作业1出港、作业1到港这2种工况外，其他4艘样船均符合当第一层衡准中的最小初稳性高度GMmin越小，第二层衡准中的失效概率CRmax就越大的规律，说明这4艘样船的纯稳性丧失的第一层、第二层衡准具有良好的协调性。当第二层衡准中的失效概率CRmax较大时，对应的GMmin较小，说明此时船舶应对纯稳性丧失的安全性较差，发生纯稳性丧失的概率也较高，此时船舶的工况是最容易出现纯稳性丧失。然而，对于5万吨级油船的作业1出港、作业1到港这2种工况，当第一层纯稳性丧失衡准中的最小初稳性高度GMmin达到最低时，其第二层纯稳性丧失衡准中的失效概率CRmax并非最低，即在第一层纯稳性丧失中最危险的工况，在第二层衡准中却不是发生失效概率最大的工况。这表明对于某些船型，其第一层、第二层薄弱衡准规律可能是不同的，对于此类分析计算结果不一致的情况，需要开展进一步的研究与分析。

图1 样船工况与纯稳性丧失第一层、第二层衡准的关系

4 不同工况下对养殖工船纯稳性丧失安全性的影响分析

样船工况与第一层衡准中GMmin和第二层衡准中CRmax的关系分别见图2和图3。由图2和图3可知，所选取的4艘样船在所有工况下其纯稳性丧失的第一层衡准中的最小初稳性高GMmin、第二层衡准中的失效概率CRmax的计算结果具有较好的协调性，即所选取的样船在工作1出港、工作1到港的这两种工况的第一层衡准中的最小初稳性高GMmin明显要小于其他工况，而这两种工况的第二层衡准中的失效概率CRmax要明显高于其他工况，能充分说明这2种工况下纯稳性失稳第一层、第二层衡准都是最为危险的。因此，养殖工船在进行养殖、繁育、加工任务时最容易发生纯稳性丧失，在设计、改装养殖工船时应对该工况下可能发生的危险给予高度关注，采取相应的措施，提高船舶的安全性。