破損船舶的應(yīng)急響應(yīng)方法研究

喬繼潘，　夏　雪，　金允龍，　姜金輝

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200135)

破損船舶的應(yīng)急響應(yīng)方法研究

喬繼潘，夏雪，金允龍，姜金輝

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200135)

摘要:船舶破損進(jìn)水后的浮態(tài)與穩(wěn)性發(fā)生變化，船舶在波浪中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及船體梁載荷也將隨之改變，通過采取應(yīng)急響應(yīng)措施，可以有效改善其航行狀況。以某一典型破損工況為例，計(jì)算了船舶破損后的浮態(tài)、穩(wěn)性、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及載荷，并與破損前進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果顯示：船舶破損后，橫傾變大，橫搖運(yùn)動(dòng)明顯增加，扭矩與水平剪力增幅較大，水平彎矩與垂向剪力也有所增加。針對(duì)船舶的破損工況，提出了5種應(yīng)急響應(yīng)方案，對(duì)比這5種方案下的船舶狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)在左舷底邊1號(hào)～5號(hào)壓載艙各加入95%的壓載水方案最優(yōu)。

關(guān)鍵詞:破損船舶；運(yùn)動(dòng)響應(yīng)；船體梁載荷；浮態(tài)及穩(wěn)性；應(yīng)急響應(yīng)

0引言

船舶在海上航行時(shí)，若發(fā)生碰撞、擱淺、炮彈擊中等意外事故，會(huì)造成船體結(jié)構(gòu)破損。船舶破損后，船舶的浮態(tài)與穩(wěn)性會(huì)發(fā)生變化，吃水、橫縱傾增大，船舶在波浪中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及載荷也將隨之改變。船舶應(yīng)急響應(yīng)服務(wù)[1](Emergency Response Service)就是對(duì)于已預(yù)先簽訂ERS協(xié)議，且已建立與穩(wěn)性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有關(guān)的應(yīng)急響應(yīng)數(shù)據(jù)庫的船舶，一旦處于緊急狀態(tài)，岸上的應(yīng)急響應(yīng)服務(wù)機(jī)構(gòu)會(huì)迅速集結(jié)，啟動(dòng)船舶應(yīng)急響應(yīng)數(shù)據(jù)庫，按要求提供包括破損穩(wěn)性、破損強(qiáng)度、溢油等在內(nèi)的計(jì)算分析，為協(xié)助船舶脫離危險(xiǎn)提供技術(shù)支持，為船長/船東進(jìn)行最終決策提供參考意見。

應(yīng)急響應(yīng)服務(wù)主要涉及船舶穩(wěn)性和船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度兩方面的內(nèi)容?；贜apa軟件計(jì)算某散貨船破損前后的浮態(tài)和穩(wěn)性，在此基礎(chǔ)上，使用Hydrostar軟件對(duì)船舶在波浪中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及載荷進(jìn)行分析，并比較其變化規(guī)律。同時(shí)，對(duì)破損工況提出幾種應(yīng)急響應(yīng)方案，通過比較各方案下船舶的航行狀態(tài)，選出最佳方案。

1艙室進(jìn)水后的船舶浮態(tài)及穩(wěn)性計(jì)算

第一類破損艙室是指艙的頂部位于水線以下，船體破損后海水灌滿整個(gè)艙室，但艙頂未破損，艙內(nèi)沒有自由液面。若進(jìn)水量不超過船舶排水量的10%～15%，采用增加重量法計(jì)算第一類艙室破損進(jìn)水后的船舶的浮態(tài)和穩(wěn)性比較方便，誤差較小。

船舶進(jìn)水后，其平均吃水的增量

δd=wv/wAw=v/Aw

(1)

新的橫穩(wěn)性高

(2)

新的縱穩(wěn)性高

(3)

橫傾角正切

(4)

縱傾角正切

(5)

船舶最后的首尾吃水

(6)

2船舶在波浪中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及載荷計(jì)算

采用三維勢(shì)流理論[3-5]求解船舶在波浪中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及受載問題，計(jì)算過程中采用理想不可壓縮流體做無旋運(yùn)動(dòng)的假定，并假設(shè)振幅與波長(或水深)相比為小量，引入“高頻低速”的假定處理有航速問題。

根據(jù)剛體動(dòng)力學(xué)原理，船舶在波浪中穩(wěn)定狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)方程為

(7)

式(7)中：{η(t)}={η}eiωt=(η1η2η3η4η5η6)Teiωt，ηj(j=1,2,…,6)為復(fù)數(shù)振幅，分別指縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖和艏搖；ω為遭遇頻率。{F(t)}為外力列向量(不包括重力與浮力)，{F(t)}={FS(t)}+{FD(t)}，其中，{FS(t)}為流體靜力載荷，來源于船舶運(yùn)動(dòng)所引起的靜水壓力變化部分和重力矩的貢獻(xiàn)；{FD(t)}為流體動(dòng)力載荷，依賴于波浪與船舶的運(yùn)動(dòng)。

[M]為剛體質(zhì)量矩陣

(8)

式(8)中：Sx≡Mxc，Sy≡Myc，Sz≡Mzc分別為剛體質(zhì)量關(guān)于坐標(biāo)平面的靜矩；(xc,yc,zc)為船舶重心；Ix，Iy，Iz分別為剛體質(zhì)量關(guān)于坐標(biāo)軸的慣性矩；Ixy，Ixz，Iyz分別為剛體質(zhì)量關(guān)于坐標(biāo)平面的慣性積。

3實(shí)船算例

以某散貨船為例進(jìn)行計(jì)算。該船垂線間長L為183.8 m，型寬B為32.26 m，型深D為18 m。船舶采用隔艙裝載方式，固體貨物密度為3.0 t/m3，破損前吃水12.886 m，重心高度距基線6.882 m，無橫傾，尾傾0.009°；右舷5個(gè)底邊壓載艙破損后，海水灌滿整個(gè)破損艙室，吃水增大到13.513 m，右傾4.7°，首傾0.217°。船體模型及破損艙室見圖1。

圖1　船體模型及破損艙室示意圖

首先采用Napa軟件計(jì)算艙室破損前后船舶的靜水載荷，主要包括靜水剪力和靜水彎矩；然后使用Hydrostar軟件進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算，主要包括0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°、330°共12個(gè)浪向角在頻率為0.1～2 Hz范圍內(nèi)船舶的六自由度運(yùn)動(dòng)及波浪載荷，計(jì)算過程中不考慮縱傾的影響。

靜水載荷是船舶重量分布與所受浮力存在差異而產(chǎn)生的，船艙破損進(jìn)水后，船舶的質(zhì)量分布與所受浮力發(fā)生改變，靜水剪力與靜水彎矩的變化分別如圖2、圖3。

圖2　靜水剪力沿船長方向的變化

從圖2、圖3可以看出：破損前后靜水剪力基本無變化，靜水彎矩沿船長方向分布趨勢(shì)相同，而破損后的中拱彎矩比破損前小，中垂彎矩較破損前大；在0.727L處，中拱彎矩取得最大值，破損后比破損前小12.73%；在0.543L處，中垂彎矩取得最大值，破損后比破損前大31.10%。

此次計(jì)算考慮的是第一類艙室，不考慮自由液面對(duì)穩(wěn)性的影響，同時(shí)忽略液艙晃蕩[6-7]對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)及波浪載荷的作用。在浪向角為90°、波幅為1 m的規(guī)則波浪運(yùn)動(dòng)條件下，船舯(x=0.5L處)剖面所受波浪載荷見圖4～圖9。

圖4　破損前后的扭矩Mx

圖5　破損前后的垂向彎矩My

圖6　破損前后的水平彎矩Mz

圖7　破損前后的軸力Fx

圖8　破損前后的水平剪力Fy

圖9　破損前后的垂向剪力Fz

比較Hydrostar軟件計(jì)算出來的波浪載荷可以發(fā)現(xiàn)：船舶破損后，扭矩、水平彎矩和水平剪力隨波浪頻率的變化趨勢(shì)保持不變，垂向彎矩、軸力和垂向剪力出現(xiàn)了2個(gè)峰值；縱向載荷峰值向低頻移動(dòng)，其余載荷峰值對(duì)應(yīng)的波浪頻率在破損前后無變化；軸力減小9.09%，垂向彎矩?zé)o變化，扭矩增大51.66%，水平彎矩增大10.05%，水平剪力增大40.43%，垂向剪力增大17.10%。由于扭矩增幅明顯，在破損后的強(qiáng)度校核計(jì)算中不能再忽略扭矩的作用。

船舶在浪向角為90°、波幅為1 m的規(guī)則波浪運(yùn)動(dòng)條件下的六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)見圖10～圖15。

圖10　破損前后的縱蕩Surge

圖11　破損前后的橫蕩Sway

圖12　破損前后的垂蕩Heave

圖13　破損前后的橫搖Roll

圖14　破損前后的縱搖Pitch

圖15　破損前后的艏搖Yaw

根據(jù)三維勢(shì)流理論計(jì)算出船舶的六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，可以發(fā)現(xiàn)：破損后各運(yùn)動(dòng)幅值隨波浪頻率的變化趨勢(shì)與破損前基本一致；縱蕩峰值向高頻移動(dòng)，其余運(yùn)動(dòng)峰值對(duì)應(yīng)的波浪頻率在破損前后均無變化；破損后，橫蕩與垂蕩基本無變化，橫搖增大了37.60%，這可能是船艙進(jìn)水導(dǎo)致船舶吃水增加、橫傾角變大引起的。

4應(yīng)急響應(yīng)方案

針對(duì)以上破損工況，共提出了5種應(yīng)急響應(yīng)方案，分別為：

(1) 左舷3號(hào)底邊壓載艙加入95%壓載水；

(2) 左舷3、4號(hào)底邊壓載艙各加入95%壓載水；

(3) 左舷3號(hào)～5號(hào)底邊壓載艙各加入95%壓載水；

(4) 左舷2號(hào)～5號(hào)底邊壓載艙各加入95%壓載水；

(5) 左舷1號(hào)～5號(hào)底邊壓載艙各加入95%壓載水。

使用Napa軟件對(duì)這5種方案中船舶的浮態(tài)與穩(wěn)性進(jìn)行計(jì)算，并與破損前后進(jìn)行比較，詳細(xì)結(jié)果見表1。

表1　破損前后及各應(yīng)急方案下的船舶浮態(tài)與穩(wěn)性

使用Napa軟件計(jì)算這5種方案下及進(jìn)水前后的船舶的靜水載荷，詳細(xì)結(jié)果見表2。

表2　破損前后及各應(yīng)急方案下的船舶靜水載荷

利用Hydrostar軟件計(jì)算這5種方案下及進(jìn)水前后的船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及波浪載荷。在浪向角為90°、波幅為1 m的規(guī)則波浪運(yùn)動(dòng)條件下，船舯(x=0.5L處)剖面所受波浪載荷峰值見表3。

表3　破損前后及各應(yīng)急方案下的船舶波浪載荷

船舶在浪向角為90°、波幅為1 m的規(guī)則波浪運(yùn)動(dòng)條件下的六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)峰值見表4。

表4　破損前后及各應(yīng)急方案下的船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

通過比較表1～表4船舶破損前后及各方案下的浮態(tài)、穩(wěn)性、載荷及運(yùn)動(dòng)響應(yīng)可以發(fā)現(xiàn)，采用方案(5)最優(yōu)：

1)方案(5)橫傾角度減幅最明顯，橫穩(wěn)性高最大。

2)方案(5)的中垂彎矩與正剪力最小，中拱彎矩僅次于方案(4)，負(fù)剪力僅次于方案(3)。

3)方案(5)的扭矩、水平彎矩、水平剪力最小。

4)方案(5)的橫搖峰值減幅最大，較破損后減小了27.16%。

5)方案(5)產(chǎn)生的縱傾、吃水最大，但仍在安全范圍之內(nèi)；垂向彎矩、軸力、垂向剪力也最大，但同靜水載荷相比，這些波浪力對(duì)船舶剩余強(qiáng)度的影響相對(duì)較??；縱蕩峰值不超過0.1 m，橫蕩峰值無變化，縱搖峰值不超過1°，艏搖峰值不超過0.1°，在各方案的比較中可以不考慮這些運(yùn)動(dòng)的影響。

方案(5)的垂蕩最大，但其對(duì)船舶航行安全的影響要遠(yuǎn)小于橫搖運(yùn)動(dòng)。

5結(jié)語

通過對(duì)破損船舶的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及載荷進(jìn)行計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)：與破損前相比，船舶橫搖運(yùn)動(dòng)明顯增加，橫蕩與垂蕩基本無變化；破損后，船舶靜水彎矩較破損前有所增大，扭矩增幅明顯，垂向載荷也相對(duì)增大，這對(duì)于破損船舶的剩余強(qiáng)度極為不利，嚴(yán)重影響船舶航行的安全性。

采取在左舷底邊壓載艙打入壓載水的應(yīng)急措施可以有效改善船舶的航行環(huán)境，減小船舶的橫傾角度，增大船舶的穩(wěn)性，減弱船舶的橫搖運(yùn)動(dòng)，降低船舶受到的載荷。對(duì)比5種應(yīng)急方案下船舶的浮態(tài)、穩(wěn)性、載荷及運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在左舷底邊1號(hào)～5號(hào)壓載艙各加入95%的壓載水的方案最優(yōu)。

此處僅對(duì)散貨船某一特定破損工況下的應(yīng)急響應(yīng)方案進(jìn)行了初步研究，而船舶破損工況復(fù)雜、種類較多，且船舶破損情況不同所對(duì)應(yīng)的應(yīng)急措施也不盡相同，采取救助措施后的船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仍需作進(jìn)一步校核，不同船型多種破艙類型的應(yīng)急響應(yīng)服務(wù)仍需作深入的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡尊德，王鈺，陸雯雯，等.船舶應(yīng)急響應(yīng)服務(wù)(ERS)[J].航海技術(shù)，2007(6)：2-4.

[2]盛振邦.船舶靜力學(xué)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1995.

[3]戴仰山，沈進(jìn)威，宋競(jìng)正.船舶波浪載荷[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[4]劉岳元，馮鐵城，劉應(yīng)中.水動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1990.

[5]Newman，J.N.The Drift Force and Moment on Ships in Waves[J].Journal of Ship Research，1967，4(1)：51-60.

[6]王曉強(qiáng)，李陳峰，任慧龍.破損艦船運(yùn)動(dòng)與波浪載荷預(yù)報(bào)方法[J].中國艦船研究，2012，7(4)：30-35.

[7]黃衍順，汪娟娟，王珊珊.破艙進(jìn)水對(duì)船舶橫搖運(yùn)動(dòng)的影響[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，45(7)：577-584.

交通運(yùn)輸部海事局調(diào)整下放13項(xiàng)海事執(zhí)法事權(quán)

日前，交通運(yùn)輸部海事局印發(fā)了《直屬海事系統(tǒng)行政執(zhí)法事權(quán)層級(jí)調(diào)整方案》，調(diào)整下放13項(xiàng)海事執(zhí)法事權(quán)，并明確了各級(jí)海事機(jī)構(gòu)在每一項(xiàng)海事執(zhí)法事項(xiàng)中的具體權(quán)責(zé)，明晰層級(jí)事權(quán)，理清權(quán)責(zé)邊界，海事行政審批事權(quán)將主要由分支海事局和基層海事處負(fù)責(zé)實(shí)施。預(yù)計(jì)2015年6月30日前，各項(xiàng)調(diào)整下放事項(xiàng)將全部落實(shí)到位。

經(jīng)過調(diào)整，審批事權(quán)由部海事局下放至直屬海事局和分支海事局的有：外國船員證書承認(rèn)簽證、跨省實(shí)施的大型設(shè)施移動(dòng)式平臺(tái)超限物體水上拖帶等3項(xiàng)。

直屬海事局審批事權(quán)下放至分支海事局的有：通航水域岸線安全使用和水上水下活動(dòng)許可、打撈或者拆除沿海水域內(nèi)沉船沉物審批、航行通警告發(fā)布、一類內(nèi)河船舶船員適任證書核發(fā)、船舶油污損害民事責(zé)任保險(xiǎn)或其他財(cái)務(wù)保證證書簽發(fā)、船舶所有人經(jīng)營人或者管理人防治船舶污染海洋環(huán)境應(yīng)急預(yù)案審批、危險(xiǎn)化學(xué)品水路運(yùn)輸人員資格認(rèn)可、跨市實(shí)施的大型設(shè)施移動(dòng)式平臺(tái)超限物體水上拖帶等8項(xiàng)，直屬海事局將不再承擔(dān)具體審批工作。船舶安全證書、文書將全部由基層海事處直接核發(fā)。

據(jù)悉，交通運(yùn)輸部直屬海事系統(tǒng)實(shí)施分級(jí)管理，其中部海事局負(fù)責(zé)宏觀管理，直屬海事局負(fù)責(zé)綜合管理，而分布在基層一線的分支海事局和基層海事處承擔(dān)著業(yè)務(wù)管理和現(xiàn)場(chǎng)管理。通過行政執(zhí)法事權(quán)調(diào)整，將進(jìn)一步減少審批層次，縮短審批時(shí)間，促進(jìn)完善規(guī)范統(tǒng)一、分工合理、運(yùn)轉(zhuǎn)高效、便民利民的海事監(jiān)管模式。

收稿日期：2014-11-18

基金項(xiàng)目：船體破損生存能力動(dòng)態(tài)分析及控制方法研究(2013329742320)

作者簡介：喬繼潘(1990—)，男，安徽阜陽人，研究生，主要從事船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造。

文章編號(hào)：1674-5949(2015)01-001-06

中圖分類號(hào)：U661.3；U698

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Study on the Emergency Response Measures of Damaged Ship

QiaoJipan，XiaXue，JinYunlong，JiangJinhui

(Shanghai Ship & Shipping Research Institute, State Key Laboratory of Navigation and

Safety Technology, Shanghai 200135，China)

Abstract:When damaged compartment is flooded, the floating condition and stability of ship, therefore, the motion response and the loads of ship hull girder in wave will change. The emergency response measures can improve the sailing conditions of damaged ship effectively. Taking a typical damaged condition as example, floating condition, stability, motion response and load of post-damaged condition of a ship are calculated, and compared with its pre-damaged condition. The results show that the heeling angle, amplitude of rolling increase significantly, the wave torque, vertical shear, horizontal shear and bending moment are bigger than before. The effects of five emergency plans are investigated respectively. While the five plans all give good results, some plans gave better results. In the investigated case, to fill NO.1&2&3&4&5 bottom ballast tank at port side to ninety-five percent performs the best.

Key words:damaged ship； motion response； loads of ship hull girder； floating condition and stability； emergency response