半潛船完整穩(wěn)性的初步研究

陳 偉 宗 智，2 林 哲 郝威巍

1大連理工大學 船舶工程學院，遼寧 大連116024 2工業(yè)裝備結構分析國家重點實驗室，遼寧 大連116024

半潛船完整穩(wěn)性的初步研究

陳 偉1宗 智1，2林 哲1郝威巍1

1大連理工大學 船舶工程學院，遼寧 大連116024 2工業(yè)裝備結構分析國家重點實驗室，遼寧 大連116024

和其它類型船相比，半潛船的工況更復雜，船舶型線和用途也很特殊，使得穩(wěn)性問題成為設計中一個重大的挑戰(zhàn)。但目前還沒有針對該類船舶的穩(wěn)性規(guī)范，對該類船型開展穩(wěn)性研究很有必要。通過1艘改裝半潛船的穩(wěn)性計算，發(fā)現(xiàn)航行狀態(tài)下半潛船穩(wěn)性特征與江船類似。而在下潛狀態(tài)下，穩(wěn)性隨吃水增加而有所好轉，在貨物甲板出入水時穩(wěn)性最差，此時可以采用縱傾來改善穩(wěn)性。同時建立了依據完整穩(wěn)性的船舶裝載能力的數(shù)學模型。

半潛船；完整穩(wěn)性；模型

1 引言

半潛船是一種新型海上大型構造物運輸?shù)奶胤N工程船舶。半潛船通常的工作過程是：首先使半潛船下潛到要求的吃水深度，將待裝載的貨物移至船舶主甲板上方后開始上浮，同時裝載的貨物被托起，待主甲板出水后將貨物固定好，運輸至目的地；卸貨時拆掉緊固構件，船舶再度下潛至要求的深度，將裝載的貨物移出。其主要用途是運送各種海上或陸上的大型物件，也可裝載滾裝貨物，鋪設海底管路和電纜等［1］。

由于當今世界各國對海洋石油開發(fā)力度的增強，以及通信業(yè)的迅猛發(fā)展而需要敷設大海底電纜和光纜，因此半潛船的需求正增加。處于保修期的海洋石油鉆井平臺，也需要用半潛船將其搬運到船廠保修。另外更換鉆井而需要移動海洋石油鉆井平臺時，經常用半潛船來搬運這些鉆井平臺。但據統(tǒng)計，有動力遠航能力的半潛船全世界僅有30艘，所以，目前船舶市場對新半潛船的需求量很大。

半潛船是屬高技術含量和高附加值的船舶，在世界上為數(shù)不多，國內國外能設計此類特種船舶的單位也不多。在國內對此開展研究的主要是廣船國際和上海船舶設計研究院［2－6］。在半潛船的設計過程中，穩(wěn)性問題是難點。從現(xiàn)行各大船級社的規(guī)范來看，業(yè)界對該問題還沒有定論。另外，由于半潛船載貨貨物形狀的不確定，給穩(wěn)性計算帶來了非常大的困難。因此有必要對半潛船開展深入、細致的研究。

本文結合一艘改裝半潛船，研究其完整穩(wěn)性特點。通過計算，旨在揭示半潛船的穩(wěn)性特點，探討半潛船穩(wěn)性加強的措施，為半潛船的穩(wěn)性設計提供更好的參考。本文的計算軟件采用Win Argos 8.2s［7］。它是BV開發(fā)的用于船舶穩(wěn)性和總縱強度計算的商用軟件。通過完成船舶型線、艙室等的建模后，可以依據不同的規(guī)范來校核船舶的穩(wěn)性。

2 實例半潛船特性

本文以1艘改裝半潛船（DEVELOPMENT WAY）為例，對半潛船的完整穩(wěn)性進行初步研究。該半潛船的總布置簡圖見圖1。該半潛船主要參數(shù)見表1。

表1 主要參數(shù)

圖1 半潛船總布置圖

從其總布置圖可見半潛船突出的特點就是將船中部分切掉一塊，形成凹形的側投影。這種“凹”形結構是形成半潛船穩(wěn)性特征的一個主要原因。從總體考慮，改裝半潛船與設計半潛船相比，差異在于上層建筑的位置剛好相反以及主尺度的差異。前者差異對于船本身的橫穩(wěn)性沒有本質影響。設計半潛船的主尺度的特點就是船寬較大，后者的差異可以通過在改裝半潛船兩舷側加裝水密浮箱來解決。對于本例，加裝浮箱后船寬變?yōu)?8 m，其主尺度符合設計半潛船的特征。研究改裝半潛船的穩(wěn)性，可以揭示半潛船穩(wěn)性的一般規(guī)律。

3 實例半潛船靜水力曲線分析

以本船為例，半潛船靜水力曲線如圖2所示。和普通船相比，半潛船的靜水力曲線上存在著非常明顯的間斷。對于本例，間斷發(fā)生在貨物甲板入水處。該吃水（12.71 m）以下和以上，靜水力曲線光滑過渡。但是在該吃水處，除了LCB（縱向浮心位置）以外，所有的靜水力參數(shù)在形式上均有所變化。影響半潛船浮態(tài)和穩(wěn)性的水線面漂心位置（LCF）、橫穩(wěn)心高（KMT）等發(fā)生突變。

對于本例改裝半潛船，空船重心偏向船中靠后部分，而且當吃水大于型深時，水線面面積主要集中在船尾。在貨物甲板入水后，船的漂心向后移動，使得空船重心所引起的尾傾力矩減小，相反大量的壓載水將產生很大首傾的力矩，這將導致船舶的浮態(tài)極易發(fā)生變化，在下潛階段極易出現(xiàn)埋首，而且漂心之前的少量壓載水就能引起較大的首傾。水線面面積驟減，而且面積主要集中在船尾，是導致漂心后移的主要原因，同時將導致橫穩(wěn)性高減小。半潛船在水下也會承受一定的貨物載荷，其重心在貨物甲板之上，對穩(wěn)性更加不利。此時半潛船的穩(wěn)性受到嚴峻的考驗，對下潛過程中的操縱控制提出了更嚴格的要求。

圖2 實例半潛船的靜水力曲線

4 半潛船的完整穩(wěn)性

4.1 航行時的穩(wěn)性

與普通運輸類船舶一樣，半潛船在航行階段的穩(wěn)性問題主要是大傾角穩(wěn)性。由于半潛船船型的特殊性，其穩(wěn)性又有自己的特點。

本文取航行階段幾個典型的工況來研究其穩(wěn)性特點。分別取滿載出港和壓載到港進行穩(wěn)性計算，計算中假設貨物均勻分布在甲板一定長度范圍內，所得穩(wěn)性曲線如圖3所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，航行時初穩(wěn)性高較大，穩(wěn)性消失角達到60°以上（不考慮進水角）。這主要是因為半潛船重心較低，船寬較大，干舷較小，其穩(wěn)性特點與江船相似，穩(wěn)性是足夠的，但在海上航行時會產生劇烈的搖擺，尤其是對于甲板裝載大型貨物的半潛船，需要引起更多的注意。同時，半潛船穩(wěn)性在貨物甲板入水后復原力臂變化平緩。穩(wěn)性曲線上存在2個反曲點，一個在貨物甲板邊緣入水角度處，另一個在最上層水密甲板邊緣入水角度處。對于滿載出港，吃水為9.84 m，第一個反曲點角度應為9.58°，第二個反曲點應在32.57°。對于壓載到港，吃水為7.5 m，第一個反曲點角度應為17°，第二個應在37.8°處?？梢姺€(wěn)性曲線很好地反映了這一點，只是由于曲線的變化平緩，第二個點并不突出。

圖3 航行時的穩(wěn)性曲線

4.2 下潛時的穩(wěn)性

半潛船下潛過程中，由于水線面的損失及穩(wěn)心高的突然變小，導致穩(wěn)性大幅減小。這個時候，半潛船的初穩(wěn)性高很小，船舶很容易發(fā)生傾斜，在裝卸貨物時，由于偶然因素很多，這一階段要特別注意半潛船和貨物的安全。半潛船通常要在良好的海況下進行半潛作業(yè)。因此，在半潛階段，僅考慮初穩(wěn)性。

半潛船在主甲板無貨下潛時，壓載水隨著吃水的變大而增加，導致船舶的重心緩慢升高，對穩(wěn)性產生不利的影響。而此時的水線面面積慣性矩在不斷增大，最終的結果是使初穩(wěn)性高不斷變大，穩(wěn)性有所好轉。半潛船無貨上升時呈現(xiàn)出相反的變化過程。

在主甲板有貨下潛時，隨著吃水的逐漸增大，半潛船所受的貨物載荷變小，壓載水也逐漸增加。由于貨物的重心在主甲板以上，而壓載艙一般在主甲板以下，因此，壓載水的增加能夠使整體的重心降低。加上水線面變化的有利因素，吃水增大時穩(wěn)性也有所好轉。半潛船載貨上升時呈現(xiàn)出相反的變化過程。

綜合上述討論，半潛時影響穩(wěn)性的主要因素有排水體積的變化，水線面面積慣性矩的變化及船舶整體重心的變化。前兩者的變化由半潛船船型的特點決定，結果是初穩(wěn)性高隨著吃水的增大而緩慢地增大。從穩(wěn)性要求的角度考慮，船舶整體的重心越低，初穩(wěn)性越好。因此，半潛船的空船重心較低，但在航行階段，過低的重心往往會削弱船的耐波性。這個問題可以通過改變壓載艙的布置，使其具有上下層的布局來解決。在航行階段，將壓載主要放在上層艙組內，就可以提高船舶的重心。

考察半潛船的潛水狀態(tài)，從貨物甲板入水后，船的穩(wěn)性有所好轉。從靜水力曲線圖上可以看到，入水后橫穩(wěn)性高逐漸增大。這主要歸結于船舶型線的外飄使得水線面的面積增大。而在入水點處，穩(wěn)性發(fā)生突變，此時的穩(wěn)性最差。根據初穩(wěn)性高定義：

其中，IT為水線面橫向慣性矩，▽為排水體積。若忽略自由液面修正，比較吃水為12.71－，12.71＋，12.8 m處的穩(wěn)性高如表2所示。

表2 不同吃水下的穩(wěn)心高

可見水線面面積突變是穩(wěn)性突變的主要原因，而隨著吃水增加，穩(wěn)性好轉是浮心、水線面面積和排水體積共同作用的結果。

新設計的半潛船也具有同樣的變化規(guī)律，這是由半潛船的船型特點所決定的。這就不難理解為何有的半潛拖輪在下潛時在船舷側放置浮箱來提供水線面面積。

4.3 極限重心高度曲線

隨著吃水的改變，半潛船的穩(wěn)性也是不斷變化的。為了評估半潛船的裝載能力，需要得到極限重心高度曲線。該曲線是根據穩(wěn)性規(guī)范計算得到的，但是目前業(yè)界還沒有一個完善的半潛船作業(yè)穩(wěn)性規(guī)范來指導。本文采用這樣的方法：在航行階段，按照普通的運輸船舶來校核穩(wěn)性，主要依據規(guī)范是IMO 749（18）；在作業(yè)狀態(tài)依據CCS半潛船的作業(yè)穩(wěn)性規(guī)范。

根據穩(wěn)性規(guī)范，可以將極限重心高度曲線分為4個區(qū)域。A區(qū)域，根據IMO規(guī)范得到航行階段的極限重心高度；B、C、D區(qū)域是根據CCS規(guī)范所規(guī)定的半潛作業(yè)不同階段的初穩(wěn)性要求計算得到的。

式中：zB為浮心高度，BM為浮心至穩(wěn)心的距離，為規(guī)范規(guī)定的最小初穩(wěn)性高，為自由液面對初穩(wěn)心高的修正值。

圖4 極限重心高度曲線

4.4 貨物對完整穩(wěn)性的貢獻

在半潛船托舉貨物出（入）水時，雖然貨物與船體可能沒有緊固連接，但還是有一個等效載荷作用在貨物甲板上，其值等于貨物重量減去對應吃水狀態(tài)下的排水量。這一過程中，貨物可能會對半潛船的穩(wěn)性有利，現(xiàn)存的半潛船的設計同樣說明了這點，如果不考慮貨物對穩(wěn)性的貢獻，穩(wěn)性可能出現(xiàn)負值［8-10］。

如果貨物與半潛船緊固連接，則可以將兩者視為一個整體。顯然，此時問題變?yōu)樵撀?lián)合體的穩(wěn)性問題。因此，不能把貨物簡單地作為一個載荷加到半潛船上，而應該考慮其對穩(wěn)性的貢獻，即在計算半潛船的穩(wěn)性時將貨物所能產生的復原力矩考慮進去。注意，是否考慮貨物對穩(wěn)性的貢獻對半潛船的浮態(tài)沒有影響。在一定傾斜角度下，作用在半潛船上的實際復原力矩為：

式中：MS為作用在半潛船上的復原力矩；ΔW，ΔS為貨物和半潛船的排水量；GM′，GM為不考慮相互影響時貨物和半潛船的初穩(wěn)性高；φ為傾斜角度；R為半潛船等效的初穩(wěn)性高。

在載貨下潛和上浮階段，貨物與主船體之間可能沒有緊固連接。這時，貨物對半潛船的穩(wěn)性影響比較復雜，接觸位置的不同對穩(wěn)性的貢獻有很大的差別。如果貨物僅分布在船的一舷，不利于半潛船的穩(wěn)性。為簡便計，考慮貨物與主甲板還沒有接觸時，如圖5所示的兩種分布情況。

圖5 貨物的分布方式

對于跨舯分布，半潛船發(fā)生傾斜并與貨物接觸時，貨物相當于擱淺，有一個力反作用于半潛船。反作用力對半潛船所產生的力矩與半潛船的復原力矩相疊加，阻止船舶進一步傾斜，對穩(wěn)性有利。對于單舷分布，如圖5所示，在沒有接觸時對穩(wěn)性沒有貢獻。當已經有一部分載荷分布在主甲板上時，如果半潛船發(fā)生貨物一側的橫傾，貨物將失去支撐而產生慣性響應，此時作用在半潛船上的力將使得船進一步傾斜，對穩(wěn)性不利。對于兩種分布情況下如何衡量貨物對穩(wěn)性的貢獻，還需要進一步的研究。

5 基于完整穩(wěn)性的半潛船運載能力評估

半潛船的極限重心高度曲線實際上就體現(xiàn)出了船的運載能力。對于改造的半潛船，預定的載重量往往受到穩(wěn)性的限制而不得不減小。為了更加直觀地了解所造半潛船的載重能力，便于營運時快速簡單判斷運載某貨物的可行性，有必要給出半潛船的裝載限制曲線。貨物的參數(shù)主要取重量W和重心高度H。

半潛船的壓載艙室一般都達到40個，設置這么多壓載艙室主要是為了便于浮態(tài)的調節(jié)和減小自由液面對穩(wěn)性的影響。在評估載重能力時，必須考慮自由液面的影響，在極限重心曲線中已經包括了自由液面的修正。

對于某一特定的貨物，如果其穩(wěn)性在甲板出（入）水時滿足要求，則在整個半潛過程中的穩(wěn)性肯定滿足要求。上述W與H有如下關系：

式中，Δ為貨物甲板出入（水）時的排水量；W，H為貨物的重量和重心高度；W1，h1為空船與可消耗品重量和重心高度；D為半潛船型深；min為極限重心高度曲線中查得的最小極限重心高度；a，b為與壓載水艙布置相關的參數(shù)，其中a與分布面積有關，b與壓載的垂向高度有關。

對于本船，各參數(shù)的取值為：Δ＝72 900 t，W1＝28 887 t，h1＝5.90 m，D＝12.71 m，min＝7.205 m，a＝9 184 t／m，b＝1.4 m，從而得到貨物的重量重心限制曲線。

圖6 改裝半潛船的貨物重量重心限制線

6 穩(wěn)性改進措施

半潛船通常用來運載昂貴的海洋結構物，貨物的運輸安全是工程人員最為關心的事。通過上面的分析，在貨物甲板出（入）水的時候穩(wěn)性最差，因此，需要采取一定的措施來保障安全。除了限制半潛作業(yè)海況外，我們可以在現(xiàn)有的條件基礎上來適當改善穩(wěn)性。

采用保持一定的縱傾進行半潛作業(yè)，尤其是在出（入）水的過程中，能使半潛船的穩(wěn)性有較大改善。利用本例模型，比較有無縱傾時的靜水力參數(shù)，計算結果如圖7所示。從圖中可以看到，在船舶出（入）水階段，縱傾能夠使橫穩(wěn)心高加大。

船舶維持一定的縱傾，可以減緩水線面面積的突變程度，最大程度地增大水線面面積，從而提高船舶穩(wěn)性。運營中的半潛船在出（入）水階段都要保持一定的縱傾，也正是基于這點考慮。

圖7 縱傾對半潛船橫穩(wěn)心高的影響

7 總結與展望

本文通過研究1艘改裝半潛船的完整穩(wěn)性，尤其是半潛作業(yè)時的穩(wěn)性問題，揭示了半潛船的穩(wěn)性特點，探討了半潛作業(yè)的最差穩(wěn)性和貨物對穩(wěn)性的貢獻問題，同時給出了一個簡單易行的評估半潛船運載能力的模型，得到以下結論：

1）半潛船航行階段穩(wěn)性曲線特點與船寬較大、干舷較小的江船類似，因此其動穩(wěn)性需要引起格外的重視，由船型決定了曲線上存在2個反曲點。

2）半潛船在下潛時穩(wěn)性變差，但隨著吃水的增大，初穩(wěn)性有所好轉。

3）半潛船的最差穩(wěn)性出現(xiàn)在貨物甲板出（入）水的時候，該處的穩(wěn)性特點可以作為半潛船運載能力評估的參考點。

4）在出（入）水階段，穩(wěn)性可以通過使船舶保持一定的縱傾來加以改善。

隨著市場需求的進一步擴大，半潛船將會成為運輸類船舶的常見類型。對于半潛船的設計，目前最為迫切的是制定一整套的半潛船規(guī)范，尤其是半潛船運載大型貨物時的穩(wěn)性問題。半潛船所運的貨物種類多、形狀復雜，在設計時很難將貨物的尺寸、形狀、大小、重量重心等因素確定下來。這無疑給穩(wěn)性計算帶來很大的不確定性和困難。所以，如何考慮和界定半潛船貨物，將成為未來半潛船穩(wěn)性研究的一個重點問題。一個可能的解決方案就是不再考慮具體的貨物，而是抽象地定義貨物的幾何要素，然后給出這些幾何要素的限定關系。

另外一個問題就是，半潛船的穩(wěn)性衡準。盡管有些船級社對此有規(guī)定，但是我們注意到半潛船在某些狀態(tài)下的穩(wěn)性很差，不能滿足目前的IMO所有的穩(wěn)性衡準，而且半潛船市場正在快速擴大，因此，開展半潛船的穩(wěn)性衡準研究非但必要，也相當緊迫。

［1］ 蔡睿眸.18000t半潛船的開發(fā)［J］.廣船科技，2001（4）：1－6.

［2］ 馮志根.半潛船船型特點及其發(fā)展前景［J］.上海造船，2006（1）：49-51.

［3］ 馮志根.大型半潛船發(fā)展前景［J］.船舶設計通訊，2001（1－2）：4-7.

［4］ 何雨嘉，何運鵬.半潛船設計的挑戰(zhàn)［J］.中國水運，2004（6）：23-24.

［5］ 柴佳春，賈傳熒.半潛船運輸鉆井平臺可行性的分析方法及應用［J］.中國航海，2002（4）：22-25.

［6］ 衛(wèi)其明.半潛船在大風浪中、防抗臺風中的注意事項［J］.航海技術，2002（4）：6-7.

［7］ Bureau Veritas.Win Argos User’s Guide［S］.1993，4.

［8］ CCS.鋼質海船入級規(guī)范［S］.2006.

［9］ 謝偉明，付紹洪.新一代半潛船裝載儀的開發(fā).中遠航運股份公司，2007.

［10］ 盛振邦，劉應中.船舶原理（下冊）［M］.上海：上海交通出版社，2004.

A Preliminary Study on Intact Stability of Semi－submersible Vessel

Chen Wei1Zong Zhi1，2Lin Zhe1Hao Wei－wei1
1 School of Naval Architecture，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China 2 State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment，Dalian 116024，China

Semi－submersible vessel has more complicated working conditions compared with other ships，with special lines plan and purpose，which makes the stability a big challenge for designers.In this paper，the intact stability of a conversion semi－submersible vessel was calculated to reveal the intact stability properties of this ship type.The character of the stability on the navigation condition is similar to the river ship.A stability catastrophe point exists as the draft of the vessel equal to the mould depth，also known as the intact stability poorest point，making it a potential threat to the safety of the vessel and cargo.The loading ability of the vessel was obtained by the mathematical model.

semi－submersible vessel；intact stability；mathematical model

U661.22

A

1673－3185（2009）03－13－05

2009-01-04

陳 偉（1985-），男，碩士研究生。研究方向：船舶與海洋結構物設計與制造。E-mail：challyvei＠yahoo.com.cn

宗 智（1964-），男，教授，博士生導師。研究方向：船舶與海洋工程。E-mail：zongzhi@dlut.edu.cn