12 500 載重噸重吊多用途船破損穩(wěn)性研究

樊紅元 楊 博 向 淼 趙耀中

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院 上海201203）

12 500 載重噸重吊多用途船破損穩(wěn)性研究

樊紅元 楊 博 向 淼 趙耀中

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院 上海201203）

在保證大開(kāi)口貨艙功能需求的前提下，研究12 500載重噸重吊多用途船的破損穩(wěn)性，使其滿足分艙指數(shù)要求。對(duì)貨艙數(shù)量、邊艙數(shù)量、邊艙寬度、水密二甲板分隔高度、雙層底高度、壓載水艙型式等各因素進(jìn)行定性分析，獲得各因素對(duì)該船破損穩(wěn)性的影響趨勢(shì)，指導(dǎo)該船的破損穩(wěn)性設(shè)計(jì)。同時(shí)也評(píng)估了機(jī)艙區(qū)域船底破損，使其滿足公約的要求。最終得出同時(shí)兼顧船舶功能和破損安全的設(shè)計(jì)，對(duì)類似的萬(wàn)噸級(jí)重吊多用途船的開(kāi)發(fā)具有借鑒意義。

多用途船；大開(kāi)口貨艙；重吊；概率破損穩(wěn)性；底部破損

引 言

12 500載重噸重吊多用途船是上海船舶研究設(shè)計(jì)院為德國(guó)船東（Briese、Krey、Zeaborn、Nordic）開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的新一代綠色環(huán)保型多用途船。該船主要特點(diǎn)：全船僅設(shè)兩個(gè)貨艙，其中大貨艙長(zhǎng)度為76.5 m，內(nèi)底載荷大，均布載荷18 t/m2，三個(gè)指定區(qū)域的載荷25 t/m2。左舷配兩臺(tái)250 t重型甲板起重機(jī)，可聯(lián)吊500 t貨物。貨艙上方裝貨區(qū)域平整，無(wú)任何突出物，長(zhǎng)度為107 m。貨艙和甲板上方可以載運(yùn)大件、重件、超長(zhǎng)件等貨物，如核電站設(shè)備、游艇、海洋平臺(tái)模塊、采礦機(jī)械和化工設(shè)備等。

該船第二貨艙長(zhǎng)度為76.5 m，超過(guò)船體總長(zhǎng)50%。貨艙開(kāi)口寬度為17.6 m，占船體型寬77%，屬于大開(kāi)口超大貨艙［1］。一旦破損進(jìn)水，進(jìn)水量非常大，難以維持足夠的剩余穩(wěn)性，生存概率接近于零［2］，加之壓載管系和燃油管系的布置相對(duì)復(fù)雜，對(duì)SOLAS 2009 概率破損穩(wěn)性［3-4］提出很高的要求。另外，從船東實(shí)際使用的角度出發(fā)，破損穩(wěn)性的極限初穩(wěn)性高（GM）［5］越小，裝載甲板貨物越靈活，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力越強(qiáng)。因此，必須認(rèn)真研究該船的破損穩(wěn)性，以滿足規(guī)范要求和船東需求。

1 船型概況

12 500載重噸多用途船是一艘單機(jī)、單槳、低速柴油機(jī)推進(jìn)的重吊多用途船。適合全球航行，用于裝運(yùn)谷物、煤、鹽、水泥和礦石等散裝貨物，以及集裝箱、鋼卷、木材、新聞紙、雜貨和大型工程件，并適合裝載危險(xiǎn)品（IMO 第1-9類）。此船自動(dòng)化程度先進(jìn)，完全滿足最新規(guī)范和規(guī)則要求，包括EEDI、壓載水處理、香港公約、排放控制區(qū)域使用超低硫燃油、集裝箱綁扎、美國(guó)環(huán)保署（EPA）等要求。

該船主要技術(shù)參數(shù)如下：

（1）船體總長(zhǎng) 147.00 m、型寬 22.80 m、型深11.55 m、設(shè)計(jì)吃水7.50 m、結(jié)構(gòu)吃水8.10 m、載重量（結(jié)構(gòu)吃水）12 500 t。

（2）貨艙容積 17 612 m3，集裝箱容量842標(biāo)準(zhǔn)箱（其中：甲板上522標(biāo)準(zhǔn)箱，貨艙內(nèi)320標(biāo)準(zhǔn)箱）。

（3）主機(jī)型號(hào)：MAN 5G45ME-C9.5 Tier II。合同最大功率4 800 kW×94 r/min，持續(xù)服務(wù)功率4 080 kW×89 r/min。

（4）服務(wù)航速 15.0 kn。

2 計(jì)算模型

破損穩(wěn)性使用NAPA軟件建模和計(jì)算，水密分艙見(jiàn)圖1。

圖1 水密分艙圖

破損穩(wěn)性按照SOLAS 2009對(duì)貨艙要求的概率方法進(jìn)行計(jì)算。分艙長(zhǎng)度146.84 m，要求的分艙指數(shù)（簡(jiǎn)稱“R”）為0.571 68。計(jì)算初始條件［6］如表1所示。

表1 計(jì)算初始條件　m

3 影響破損穩(wěn)性的因素分析

3.1 橫穩(wěn)心高（KM）

較大的KM可以使船舶在發(fā)生破損進(jìn)水后仍然具有一定的GM，以保證船舶不發(fā)生傾覆或減少不對(duì)稱進(jìn)水帶來(lái)的較大橫傾，提高破損后的生存概率。根據(jù)裝載和航速等需求確定船舶主尺度和方形系數(shù)后，型線設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，既要考慮快速性，還要兼顧穩(wěn)性，尤其是KM值。然而，增加KM值就需要增大水線面面積，這顯然與降低船體阻力相矛盾，因此需要綜合考慮。

該船在盡可能減少影響快速性的前提下，最深分艙吃水的KM值設(shè)計(jì)為10.06 m，在一定程度上改善了破損穩(wěn)性。然而在確定主尺度和方形系數(shù)后，能增加的KM有限，且需通過(guò)優(yōu)化分艙［7］來(lái)改善破損穩(wěn)性。

3.2 貨艙數(shù)量

從萬(wàn)噸級(jí)多用途船的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，船東更傾向于大型且貨艙數(shù)量少的船。前期曾試圖設(shè)計(jì)為單貨艙，但經(jīng)過(guò)計(jì)算，單貨艙達(dá)到的分艙指數(shù)（簡(jiǎn)稱“A”）［8］減少很多，無(wú)法滿足要求；因而最終采用一大一小兩個(gè)貨艙的方案，小貨艙的長(zhǎng)度為一個(gè)40 ft（1 ft = 0.304 8 m）尺集裝箱長(zhǎng)度。兩種方案的分艙指數(shù)見(jiàn)表2。

表2 貨艙數(shù)量對(duì)A值的影響

3.3 邊艙的數(shù)量

將貨艙舷側(cè)邊艙等距劃分為4～9個(gè)，分別計(jì)算不同數(shù)量邊艙的分艙指數(shù)A，如圖2所示。

圖2 不同數(shù)量的邊艙對(duì)A值的影響

圖2表明：邊艙數(shù)量從5對(duì)增至7對(duì)，A值明顯增加；從7對(duì)增至9對(duì)，A值略有增加。該船設(shè)計(jì)成7對(duì)邊艙顯然是合適的。

3.4 邊艙寬度

分別計(jì)算邊艙寬度從2.0 m至3.0 m的分艙指數(shù)，如圖3所示。

圖3 邊艙寬度的變化對(duì)A值的影響

圖3表明，邊艙寬度從3.0 m減至2.45 m，A值略有增加；當(dāng)越過(guò)2.45 m闕值后，邊艙寬度減小，A明顯減小。通過(guò)對(duì)破損計(jì)算詳細(xì)工況分析后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)邊艙寬度在3.0 ～ 2.45 m時(shí)，邊艙進(jìn)水對(duì)分艙指數(shù)的貢獻(xiàn)占主導(dǎo)。邊艙寬度越小，邊艙的不對(duì)稱進(jìn)水量越小，對(duì)分艙指數(shù)有利。當(dāng)邊艙寬度為2.45 ～ 2.0 m時(shí)，貨艙進(jìn)水對(duì)分艙指數(shù)的貢獻(xiàn)占主導(dǎo)，變成寬度越小，貨艙進(jìn)水量越大，生存概率越低。邊艙寬度設(shè)計(jì)為2.45 m時(shí)，對(duì)破損穩(wěn)性有利，但兼顧考慮舷側(cè)重型起重機(jī)基座的布置空間，邊艙寬度最終設(shè)計(jì)為2.6 m。

3.5 水密二甲板分隔高度

水密二甲板在概率破損穩(wěn)性計(jì)算中視為水平分隔。根據(jù)概率破損穩(wěn)性的破損概率計(jì)算方法，當(dāng)水平分隔低于任一初始條件吃水，應(yīng)計(jì)入較小范圍破損導(dǎo)致的較大危險(xiǎn)，對(duì)達(dá)到的分艙指數(shù)不產(chǎn)生有利影響；當(dāng)水平分隔高于任一初始條件吃水，可以計(jì)入較小范圍的破損對(duì)分艙指數(shù)的貢獻(xiàn)。據(jù)此，將水密二甲板分隔設(shè)計(jì)在最深分艙吃水上方，對(duì)分艙指數(shù)有利。

分別計(jì)算了該船水密二甲板分隔高度為7.9 ～9.1 m時(shí)的破損穩(wěn)性，達(dá)到的分艙指數(shù)曲線如圖4所示。

圖4 水密二甲板分隔高度對(duì)A值的影響

圖4中的曲線表明：當(dāng)水密二甲板分隔低于最深分艙吃水8.1 m，分艙指數(shù)較小；高于8.1 m，則分艙指數(shù)較大。這與上述理論推導(dǎo)的結(jié)論一致，但曲線中最大分艙指數(shù)與最小分艙指數(shù)相差無(wú)幾（僅為0.004），而對(duì)于大開(kāi)口貨艙的破損穩(wěn)性，水平分隔對(duì)分艙指數(shù)的影響很小。為了保證足夠的舷側(cè)空艙高度以方便管系、電纜布置以及人員交通，最終將水密二甲板高度設(shè)計(jì)為8.45 m，略高于最深分艙吃水。

3.6 雙層底高度

分別計(jì)算了該船雙層底高度為1.5 ～ 2.2 m時(shí)的分艙指數(shù)，如圖5所示。

圖5 雙層底高度對(duì)A值的影響

圖5表明，分艙指數(shù)隨著雙層底高度增加而減小，即增加雙層底高度對(duì)破損穩(wěn)性不利。分析原因在于雙層底壓載艙左右對(duì)稱布置，雙層底高度增加后，底艙不對(duì)稱使進(jìn)水量增大，影響進(jìn)水后的生存概率。

按照規(guī)范對(duì)常規(guī)雙層底的要求，其高度不得小于船寬的1/20。對(duì)于該船，此高度至少要達(dá)到1.14 m，同時(shí)考慮管弄、壓載管系和防橫傾管系的布置，最終雙層底高度設(shè)計(jì)為1.9 m。

3.7 提高破損穩(wěn)性的其他措施

（1）貨艙區(qū)域空氣管靠近艙口圍布置，首尾區(qū)域空氣管也盡量靠船中布置，并提出了具體高度要求。

（2）優(yōu)化貨艙通道和風(fēng)道的布置，降低其引起貨艙累進(jìn)進(jìn)水［9］的概率，增大生存概率。

（3）根據(jù)規(guī)范要求，壓載管、燃油管等截面積若超過(guò)710 mm2，需要考慮累進(jìn)進(jìn)水，但直接鄰接于艙壁或甲板上的管路和閥距離艙壁或甲板的距離與艙壁或甲板的扶強(qiáng)結(jié)構(gòu)尺寸若為同一量級(jí)，則可視為艙壁或甲板的一部分。該船管系放樣按照以上要求進(jìn)行，可不考慮累進(jìn)進(jìn)水。

4 底部破損計(jì)算

（1）該船為常規(guī)雙層底，高度大于船寬的1/20（1.14 m）；壓載管系為總管式，總管和閥布置在管弄內(nèi)，連接總管與舷側(cè)壓載水艙的支管高于基線1.14 m，不需要計(jì)算雙層底的底部破損。

（2）為提高螺旋槳的推進(jìn)效率，避免螺旋槳過(guò)大的脈動(dòng)壓力以控制有害振動(dòng)，主機(jī)軸線高度不可太高，再加上主機(jī)對(duì)滑油泵高度的要求，主機(jī)滑油循環(huán)艙底部距基線小于500 mm，根據(jù)船級(jí)社要求計(jì)算該區(qū)域的底部破損，計(jì)算結(jié)果滿足要求。

5 概率破損穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果

結(jié)合典型裝載工況的縱傾，按照《海上人命安全公約（SOLAS 2009）》要求，分別計(jì)算0 m縱傾和-1.1 m縱傾［10］兩組初始條件，在最深分艙吃水、部分吃水和輕載營(yíng)運(yùn)吃水對(duì)應(yīng)的極限GM值分別為2.0 m、0.9 m和0.95 m。各初始條件下，左右舷達(dá)到的分艙指數(shù)的平均值滿足規(guī)范要求，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 破損穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果

6 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)該船破損穩(wěn)性的深入研究，綜合考慮各方面影響因素，最終完成良好的破損穩(wěn)性設(shè)計(jì)：如為避免過(guò)大的極限初穩(wěn)性高以及提高裝貨的靈活性，采用一大一小兩個(gè)貨艙并設(shè)八對(duì)邊艙；為兼顧舷側(cè)重型甲板起重機(jī)基座布置而設(shè)計(jì)必要寬度的邊艙；水密二甲板適當(dāng)高于最深分艙吃水；優(yōu)化設(shè)計(jì)減少累進(jìn)進(jìn)水等。事實(shí)證明，這些設(shè)計(jì)對(duì)于萬(wàn)噸級(jí)大開(kāi)口重吊多用途船的破損穩(wěn)性設(shè)計(jì)是合適的。

［1］柳楊，楊啟.單艙大開(kāi)口重吊船破艙穩(wěn)性研究［J］.船海工程，2010（4）：1-4.

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［9］周旭，莫中華.2.8萬(wàn)噸多用途船破艙穩(wěn)性計(jì)算研究［J］.江蘇船舶，2014（4）：10-12.

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On damage stability of 12 500 dwt heavy lift multi-purpose vessel

FAN Hong-yuan YANG Bo XIANG Miao ZHAO Yao-zhong
（Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute，Shanghai 200032，China）

The damage stability of a 12 500 dwt heavy lift multi-purpose vessel is studied to meet the requirement of the subdivision index with the functional assurance for the large hatch cargo hold.The qualitative analyses of the various factors，such as cargo hold quantity，side tank quantity，side tank width，the height of the watertight tween deck，double bottom height and ballast tank type are performed to obtain their influence on the damage stability to guide the design of the ship.The damage to the bottom of the engine room is also assessed to meet the requirements of the convention.Finally，the produced excellent ship design with the consideration of both the ship function and the damage safety can be refered for the development of similar 10 000 dwt class heavy lift multipurpose vessels.

multi-purpose vessel； large hatch cargo hold； heavy lift； probabilistic damage stability； bottom damage

U661.2+2

A

1001-9855（2016）05-0017-05

2016-06-06；

2016-06-29

樊紅元（1983-），男，碩士，工程師，研究方向：船舶總體設(shè)計(jì)與研發(fā)。楊 博（1981-），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：船舶總體設(shè)計(jì)與研發(fā)。向 淼（1979-），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：船舶總體設(shè)計(jì)與研發(fā)。趙耀中（1981-），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：船舶總體設(shè)計(jì)與研發(fā)。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2016.05.017