起重鋪管船的破損穩(wěn)性

鄭鵬翔

（上海佳豪船舶工程設(shè)計(jì)股份有限公司 上海 201612）

0 引 言

起重鋪管船是一種較為熱門的海洋工程服務(wù)類船舶，船上一般都配有眾多的施工人員，屬于特種用途船的一種（特殊用途船定義為不小于500 GT、載有12名以上特殊人員的船舶），其破損穩(wěn)性需滿足《特種用途船舶安全規(guī)則 2008》（以下簡(jiǎn)稱SPS 2008）［1］的要求。 本文以一艘具有 3 800 t起重能力的起重鋪管船為例，簡(jiǎn)要說明了起重鋪管船破損穩(wěn)性的整個(gè)計(jì)算過程和需要注意的地方，以及如何改善總體布置來滿足破損穩(wěn)性的要求。

1 船舶概況

本船是一艘具有3 800 t起重能力的大型鋪管船，該船主要參數(shù)如下：

總長(zhǎng)/m 196.90

垂線間長(zhǎng)/m 191.69

型寬/m 43.40

主甲板型深/m 19.60

干舷甲板型深/m 12.60

設(shè)計(jì)吃水/m 7.50

定員/人 350

2 SPS 2008分艙和破損穩(wěn)性對(duì)分艙指數(shù)的要求

SPS 2008引用國(guó)際海上人命安全公約，2009（簡(jiǎn)稱 SOLAS 2009）［2］對(duì)客船的概率破損穩(wěn)性計(jì)算方法，按定員的數(shù)量進(jìn)行分檔，對(duì)要求的分艙指數(shù)進(jìn)行不同程度的折減，如60人以下取0.8R，240人

式中：N=N1+2N2；

N1為救生艇可使用的人數(shù)；

N2為船舶在N1以外允許載運(yùn)的人數(shù)（包括船員）。

我們應(yīng)該注意的是，SPS 2008第2.4條規(guī)定（適用于2.2.2或2.2.3定義的特種用途船），即240人以下，除2.5規(guī)定外，應(yīng)將其視為貨船且將特殊人員視為船員，而適用SOLAS第Ⅱ-1章B-2、B-3和B-4部分的規(guī)定，不必適用SOLAS第Ⅱ-1章 第8條和第8-1條且不適用SOLAS第Ⅱ-1/14條和第Ⅱ-1/18條。這里所說的“將其視為貨船且將特殊人員視為船員”并不是針對(duì)破損穩(wěn)性計(jì)算的。當(dāng)然本船N＞240人，滿足2.3條就可以（將其視為客船且將特殊人員視為乘客而適用SOLAS第Ⅱ-1/8條和第Ⅱ-1/8-1條，以及SOLAS第Ⅱ-1、B-2、B-3和B-4部分的要求。但是不適用SOLAS第Ⅱ-1/14條和第Ⅱ-1/18條）。

本船：N=N1+2N2=350，N1=350、N2=0， 所以要求的分艙指數(shù)不能折減，按式（1）計(jì)算得到R=0.693 15（本船定員為350人，救生艇可容納人數(shù)為360）。以上R不折減，60～240人按人數(shù)在0.8R～R之間線性插值。

客船要求的分艙指數(shù)R的計(jì)算公式如下所示：

3 達(dá)到的分艙指數(shù)A的計(jì)算

達(dá)到的分艙指數(shù)A的計(jì)算式為：

式中：As、Ap、Al分別是最深分艙吃水（ds）、部分分艙吃水（dp）、輕載航行吃水（dl）下達(dá)到的分艙指數(shù)（As、Ap、Al均需大于0.9R），每個(gè)部分指數(shù)均為所考慮的全部破損情況所起作用的總和，所用公式如下：

式中：i為所考慮的每一個(gè)艙或艙組；

pi為所考慮的艙或艙組可能進(jìn)水的概率；

si為所考慮的艙或艙組進(jìn)水后生存概率。

我們現(xiàn)在著重考慮的是生存概率si，其計(jì)算公式如下：

式中：sintermediate，i是在最終平衡階段之前所有進(jìn)水中間階段的生存概率；

sfinal，i是進(jìn)水最終平衡階段的生存概率；

smom，i是經(jīng)受住橫傾力矩的生存概率。

破損穩(wěn)性計(jì)算中如要求設(shè)有橫貫進(jìn)水裝置，則需滿足平衡時(shí)間不得超過 10 min。本船在 2、6、7、8、9、10號(hào)邊壓載水艙都設(shè)有橫貫進(jìn)水裝置，壓載艙分艙如圖1所示。

圖1 橫貫進(jìn)水裝置及分艙布置示意圖

本船艙室分隔比較復(fù)雜，圖1只顯示了雙層底以下部分的分艙。具體的橫貫進(jìn)水計(jì)算我們可以參照海事安全委員會(huì)第83屆會(huì)議第245號(hào)決議（簡(jiǎn)稱MSC.245（83））中對(duì)橫貫進(jìn)水量和時(shí)間的詳細(xì)計(jì)算方法。

由于本船的壓載艙艙容比較大，而連接的管道直徑相對(duì)比較小，最終計(jì)算結(jié)果表明，本船每個(gè)設(shè)置橫貫進(jìn)水裝置艙室的進(jìn)水平衡時(shí)間都超過10 min，所以根據(jù)MSC.281（85）對(duì)“SOLASⅡ-1章 分艙和破損穩(wěn)性規(guī)則的解釋”中“7-2.2 橫貫進(jìn)水的解釋”［3］，我們可以取假設(shè)10 min平衡時(shí)的sfinal，i和最終平衡時(shí)的sfinal，i小者。當(dāng)然如果船舶破損穩(wěn)性富裕度較大，也可以不考慮橫貫進(jìn)水，按偏危險(xiǎn)的狀態(tài)來校核即可。

其實(shí)對(duì)一般的艙室分隔來說，sfinal，i會(huì)比 sintermediate，i更加危險(xiǎn)，這從他們各自的公式就可以看出來。所以在我們的計(jì)算過程中要更加注意sfinal，i，若檢查發(fā)現(xiàn)實(shí)際分艙指數(shù)不夠，則檢查sfinal，i往往能較快發(fā)現(xiàn)和改善實(shí)際的分艙指數(shù)。

smom，i往往也決定一艘船的分艙指數(shù)大小，特別是在對(duì)于單純的客船，smom，i的影響則更加明顯，我們從smom，i的公式上就可以理解這一點(diǎn)：

式中：GZmax、Mheel和排水量均需要按照具體破損的分艙吃水（ds，dp，dl）來取，對(duì)于吃水 dl有：

Msurvuvalcraft是因船舶一舷滿載，釋放所有救生艇筏而造成的最大假定橫傾力矩。

Msurvuvalcraft=1 14.5 t·m

以上列出了本船的各個(gè)力矩的大小，我們從中可以看出船上人員引起的力矩，以及救生艇筏降落引起的力矩小于風(fēng)力引起的力矩。所以對(duì)于一般鋪管船，人員相對(duì)于同尺度的客船來說要少得多，風(fēng)力引起的力矩是我們需要重點(diǎn)關(guān)注的。

對(duì)于設(shè)有橫貫進(jìn)水裝置的船舶，smom，i計(jì)算公式中的GZmax也可以在橫貫進(jìn)水平衡后和進(jìn)水10 min時(shí)候取小者，這和前面所述帶橫貫進(jìn)水裝置的sfinal，i計(jì)算情況相同。

在破艙損穩(wěn)性計(jì)算過程中，我們平常關(guān)注的都是空氣管、風(fēng)雨密門窗等一些風(fēng)雨密點(diǎn)和一些非保護(hù)性開口的選取，而對(duì)于垂向逃生艙口、艙壁甲板上的操作位置（一些水密門、平衡裝置、保持水密艙壁完整性的管路閥或通風(fēng)管道閥）和水平撤離通道，我們卻很容易忽視。按照SOLASⅡ-1章第7-2/5.2和5.3節(jié)的說明，這些部位在破損水線以下時(shí)，si取為0。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意將這些操作位置放到水線以上。

本船分艙指數(shù)的計(jì)算結(jié)果如下所示。不計(jì)橫貫進(jìn)水的結(jié)果見表1［4］，計(jì)及橫貫進(jìn)水的結(jié)果見表2。

表1 不計(jì)橫貫進(jìn)水的結(jié)果

表2 計(jì)及橫貫進(jìn)水的結(jié)果

Required subdivision index R=0.693 15

Attained subdivision index A=0.702 46

表1、表2中：

INIT為初始工況；

T為吃水；

TR為縱傾值；

GM為初穩(wěn)性高；

WCOEF為比重系數(shù)；

AI為對(duì)應(yīng)吃水達(dá)到的分艙指數(shù)；

0.9R為0.9倍的要求分艙指數(shù)；

A為達(dá)到的分艙指數(shù)。

通過兩個(gè)表格我們可以看出，計(jì)及橫貫進(jìn)水之后，A值增加了0.012 97。從數(shù)值上看對(duì)A值的增加也不是特別明顯，這是因?yàn)楸敬臋M貫進(jìn)水裝置管路直徑相比艙容還是比較小，以致在橫貫進(jìn)水10 min的時(shí)候才通過了少量水，而且本船也只是在其中的6對(duì)壓載艙設(shè)置了橫貫進(jìn)水裝置。事實(shí)上，本船設(shè)置橫貫進(jìn)水裝置的最終目的并不是為了提高實(shí)際的分艙指數(shù)A，而是為了減小由于舷側(cè)破損和底部破損引起的橫傾角，使之滿足橫傾角不大于7°的要求，另一個(gè)目的是為了起重機(jī)全回轉(zhuǎn)作業(yè)調(diào)撥水的需要。

計(jì)及橫貫進(jìn)水的結(jié)果如下：

Attained subdivision index A=0.715 43

4 SOLASⅡ-1章B-2部分 第9條（底部破損）

本條計(jì)算主要考慮底部破損情況，其初始的破損工況需選取營(yíng)運(yùn)工況中的危險(xiǎn)工況，按照第7-2條計(jì)算的si要不小于1。按照規(guī)范定義的破損范圍計(jì)算破損后的si，一般貨船只考慮sfinal，i的計(jì)算就可以了，本船按照客船破損來校核的話，還需考慮smom，i和sintermediate，i的影響。根據(jù)si的計(jì)算公式（我們主要參考sfinal，i），可以設(shè)定以下幾個(gè)衡準(zhǔn)來考核該破損情況的si是否達(dá)到1：

（1） 橫傾角要＜7°；

（2） GZmax要＞0.12 m；

（3） 正復(fù)原力臂范圍要＞16°；

（4） GZmax要大于 0.04+Mheel/排水量（smom，i＞1 的要求，按最危險(xiǎn)情況考慮，可選取最輕分艙載重線時(shí)的排水量來計(jì)算，得：0.04+1 546.9/5 2621.7=0.07 m）；

以上幾個(gè)衡準(zhǔn)其實(shí)只是針對(duì)sfinal，i·smom，i的要求而定，而沒有考慮sintermediate，i的影響，中間破損情況一般都是在有累進(jìn)進(jìn)水的情況下才需要考慮，所以本船的si在沒有橫貫進(jìn)水的時(shí)候只要滿足sfinal，i·smom，i的要求就可以了。在有橫貫進(jìn)水的破損情況下，我們需考慮在橫貫進(jìn)水之前滿足sintermediate，i的要求，橫貫進(jìn)水10 min后和平衡后的sfinal，i·smom，i。

本船的底部破損區(qū)域，見圖2。陰影部分表示本船的雙層底部分，其余部分是沒有設(shè)置雙層底的地方，這些區(qū)域是我們需要考慮破損的區(qū)域。方框表示破損的橫向和縱向范圍。

圖2 底部破損區(qū)域示意圖

前面我們已經(jīng)說明了本船設(shè)置橫貫進(jìn)水裝置的目的之一是減小底部破損的橫傾角，我們現(xiàn)在選取其中一個(gè)比較危險(xiǎn)的破損情況：破損艙室：WT_08_PS_WB.P WT_09_PS_WB.P

DB_08_PS_WB.P DB_09_PS_WB.P pipe_p橫貫進(jìn)水艙室：WT_08_SB_WB.SWT_09_SB_WB.S

由表3我們可以看出，假如不設(shè)置橫貫進(jìn)水裝置，破損后的橫傾角會(huì)超過7°，使si不能達(dá)到1。當(dāng)然從破損情況考慮，我們也可以調(diào)整艙壁間距來減小進(jìn)水量，使橫傾角減??；或者把壓載艙分成上下兩部分。不過就本船來說，由于起重作業(yè)工況本身就有設(shè)置橫貫裝置的需要，通過橫貫進(jìn)水裝置來減小橫傾角應(yīng)該是最佳選擇。

表3 各破損階段破損情況

5 SOLASⅡ-1章 第8條（舷側(cè)破損）

本條計(jì)算需注意的是Ls需要根據(jù)第2條定義來選取，而人員則不需要按照第6條所定義的N來選取。其中3個(gè)分艙吃水的si＞0.9，跟底部破損一樣，我們需要考慮sintermediate，i，sfinal，i·smom，i的要求。對(duì)于一般的分艙來說，除了累進(jìn)進(jìn)水的情況外，一般都不 需 考 慮 sintermediate，i， 就 算 考 慮 此 時(shí) 的 sintermediate，i， 從sintermediate，i本身的計(jì)算公式上我們就可以發(fā)現(xiàn)，相同破損階段下，sintermediate，i比 sfinal，i富裕度更高。

本船定員為350人，把他們?nèi)?dāng)成乘客來考慮，根據(jù)本條3.3，我們只需考慮水密橫艙壁之間的破損。除非相鄰兩水密橫艙壁間距小于假定的破損長(zhǎng)度，否則僅需將這兩個(gè)艙壁中的一個(gè)視為有效。

具體破損區(qū)域見圖3。

圖3 舷側(cè)破損區(qū)域示意圖

圖3陰影部分為舷側(cè)破損的范圍，方框長(zhǎng)度表示本船的破損長(zhǎng)度，寬度表示舷內(nèi)穿透值。當(dāng)然我們可以在程序中直接輸出對(duì)應(yīng)的破損情況si是多少，不過這樣我們就比較難發(fā)現(xiàn)引起si不夠是什么原因，所以我們最好還是參照本文第4節(jié)中所述的方式把具體的破損情況按設(shè)定的衡準(zhǔn)來考核。由于本船的舷側(cè)破損只發(fā)生在水密橫艙壁之間，進(jìn)水量比底部破損小得多，且si＞0.9比底部破損要求低，故舷側(cè)破損還是比較富裕的。

6 結(jié) 論

按照上述分析，起重鋪管船的破損穩(wěn)性計(jì)算過程中我們需要注意以下幾個(gè)方面：

（1）在分艙指數(shù)的計(jì)算中我們不要忽視受風(fēng)面積、垂向逃生艙口、艙壁甲板上的操作位置和水平撤離通道對(duì)破損穩(wěn)性的影響。若船舶分艙指數(shù)比較富裕，我們可以不考慮橫貫進(jìn)水的影響，以免加大計(jì)算工作量，特別是分艙比較復(fù)雜的時(shí)候。就該船而言，考慮橫貫進(jìn)水影響比不考慮橫貫進(jìn)水影響的分艙指數(shù)的計(jì)算時(shí)間要多出3倍左右。

（2）底部破損的時(shí)候往往會(huì)在橫傾角方面出現(xiàn)危險(xiǎn)，所以在想辦法提高此類船舶破損穩(wěn)性的時(shí)候，減小橫傾角是改善破損穩(wěn)性的一種重要手段。比如設(shè)置橫貫進(jìn)水裝置、改變艙室分隔、連通艙室，當(dāng)然這也可能會(huì)減小GZmax和正復(fù)原力臂范圍，所以需要仔細(xì)權(quán)衡得失。

（3）盡量控制人員不超過400人，當(dāng)人員大于400人的時(shí)候，舷側(cè)破損需在舷側(cè)外板任何一處考慮破損范圍，對(duì)分艙要求會(huì)有很大的提高。

（4）破損后的橫傾角大小在鋪管船破損穩(wěn)性計(jì)算中有著舉足輕重的作用。合理設(shè)置橫貫進(jìn)水裝置是提高破損穩(wěn)性的一種重要手段，特別是大型的起重鋪管船上，增大橫貫進(jìn)水管子直徑能有效提高破損穩(wěn)性，這比增加艙壁來提高破損穩(wěn)性具有更大的優(yōu)越性（增加艙壁會(huì)增加較多空船重量）。

起重鋪管船在目前的市場(chǎng)比較活躍，國(guó)內(nèi)很多船舶單位都在設(shè)計(jì)和建造，還有很多難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)需要克服。本文僅對(duì)這類船破損穩(wěn)性計(jì)算時(shí)需要考慮的方面予以闡述，希望能對(duì)讀者有一些幫助和啟發(fā)。

［1］海事安全委員會(huì).MSC.266（84）決議.特種用途船安全規(guī)則 2008［S］.London：IMO，2008.

［2］國(guó)際海事組織.國(guó)際海上人命安全公約，綜合文本2009［S］.北京：人民交通出版社，2010.

［3］海事安全委員會(huì).MSC.281（85）決議.對(duì)SOLASⅡ-1章分艙和破損穩(wěn)性規(guī)則的解釋說明［S］.London：IMO 2008.

［4］NAPA.Napa manuals［S］.Helsinki，F(xiàn)inland：NAPA，2010.