淺談半潛船的下潛穩(wěn)性和標(biāo)準(zhǔn)制定

劉旭+袁海平+林慰

摘 要：半潛船與其它船型相比，裝載工況比較復(fù)雜。由于其貨種的特殊性，使得穩(wěn)性問題成為設(shè)計中的一個重大挑戰(zhàn)。目前國際海事組織（IMO）和國際船級社協(xié)會（IACS）對該種船型都沒有統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范。本文結(jié)合實船下潛操作經(jīng)驗，利用GHS軟件對半潛船的下潛穩(wěn)性作簡要分析，并得出了初步的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：半潛船；穩(wěn)性；標(biāo)準(zhǔn)

中圖分類號：U661.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract： Compared with other vessels， the loading condition of semi-submersible vessels are extremely complex. Due to the unexpected cargo， the issue of stability is very critical in the design phase. So far IMO and IACS have no uniform standard on it. In this paper， based on practical experience in submerging operation， the stability in submerging condition is analyzed with the software GHS and the preliminary conclusion has been concluded.

Key Words： Semi-submersible vessel； Stability； Standard

1 前言

半潛船起源于上世紀(jì)70年代末，主要用于承運超大型貨物、整體構(gòu)件、大型工業(yè)模塊（如海洋石油鉆井平臺）、潛艇、游艇、軍艦等，這些貨物的重量、體積等都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出重吊船的承載能力。通常半潛船的型深小、甲板面積大、B/D較大，因而具有獨特的船型特點[1]。

半潛船下潛是其作業(yè)的一個重要環(huán)節(jié)，穩(wěn)性是考量半潛船能否成功下潛或上浮的一個重要指標(biāo)。不同于其它船舶，半潛船主體含有大量壓載水艙，在作業(yè)過程中可能會形成大量的自由液面，而自由液面對船舶穩(wěn)性有著重大影響，因此有必要對半潛船的穩(wěn)性開展深入細(xì)致的研究。

半潛船模型及相關(guān)參數(shù)

本文以50 000 DWT半潛船“祥云口”號為例，基于GHS軟件對半潛船的空船和載貨兩種狀態(tài)的下潛穩(wěn)性進(jìn)行初步分析。

半潛船的三維模型如圖1，船舶的主要尺度如表1。

2 空船下潛與上浮過程穩(wěn)性分析

半潛船裝貨前的空船下潛和卸貨前的空船起浮，是該型船舶最基本的兩種狀態(tài)。半潛船船寬較大，在甲板淹沒之前，半潛船的初穩(wěn)性和普通油輪類似，即在吃水增加時，橫穩(wěn)心高KM值總體上呈下降趨勢，而當(dāng)達(dá)到一定吃水后，KM值又會有小幅回升。在甲板開始淹沒后，半潛船的初穩(wěn)性會出現(xiàn)驟變。

為了全面分析各項指標(biāo)對半潛船下潛穩(wěn)性的影響，下面按平吃水、首傾和尾傾[2]三種下潛狀態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)分析。

橫穩(wěn)心高可表示為：

式中：KB——浮心垂向位置；

IX——水線面面積相對于縱向中心線的橫向慣性矩；

——排水體積。

2.1 首傾狀態(tài)穩(wěn)性分析

通常情況下，半潛船在下潛作業(yè)時會有些首傾或者尾傾，這樣在下潛的過程中能保證足夠的穩(wěn)性，相對平吃水來說更容易作業(yè)。圖2～圖5分別表示半潛船在平吃水和不同首傾吃水差時隨吃水變化的、IX、KB、KG和GM曲線。

根據(jù)橫穩(wěn)心計算公式和上面的曲線圖，在半潛船首傾下潛時，至甲板開始淹沒之前，隨著吃水的增加，、IX、KB都逐漸變大；但是隨著甲板開始淹沒，和KB的增加速率顯著變小，IX值則急劇的降低，KG緩緩上升。橫向比較不同首傾吃水差的過程，會發(fā)現(xiàn)隨著首傾吃水差的增加，、KB和KG都沒有明顯變化，而IX和GM值在甲板開始淹沒后的驟變則會慢慢緩解。

2.2 尾傾狀態(tài)穩(wěn)性分析

圖7～圖11分別表示半潛船在平吃水和不同尾傾吃水差下隨吃水變化的、IX、、KB、KG和GM曲線。

從圖表7～圖11可以看出，尾傾下潛時與首傾下潛比較相似。甲板入水前，隨著船舶吃水增加，且線性增長的速率很大，而IX的增大速率并不明顯，GM值繼續(xù)緩慢降低；甲板入水后，和K的增加速率顯著變小，IX值則急劇的降低，GM值繼續(xù)降低；在不同尾傾角度下潛的情況下，尾傾吃水差越小，GM值下降的速率越快。

綜上所述，當(dāng)主甲板剛好入水時，若其上沒有裝載浮力貨，水線面將瞬時損失嚴(yán)重，KB和變化不大，而IX急劇變小，從而導(dǎo)致KM 迅速變小，船舶穩(wěn)性大幅減小。隨后，由于浮箱和上層建筑對水線面面積的貢獻(xiàn)較小，KB、及IX均趨于常數(shù)，穩(wěn)性趨于最低值，一直到下潛至最大吃水。

同時，通過比較分析平吃水、首傾和尾傾下潛的、IX、KB、KG和GM變化情況，可以看出當(dāng)主甲板在入水之前和完全入水之后，GM值的變化趨勢基本一致。但是，在主甲板入水階段，通過縱傾可以緩解GM值的下降速率，并且首傾穩(wěn)性要好于尾傾穩(wěn)性。

3 裝載有浮力貨物狀態(tài)起浮與下潛穩(wěn)性分析

半潛船裝卸有浮力的貨物時，雖然貨物的重心遠(yuǎn)高于半潛船的KG，對起浮穩(wěn)性是不利的，但是貨物的水線面面積對起浮初穩(wěn)性是有利的，因此貨物對穩(wěn)性的影響較為復(fù)雜。下面以一座10 633 t自升式鉆井平臺為典型貨物，左右對稱配載在主甲板中部（如圖12所示），在載貨狀態(tài)下對半潛船下潛初穩(wěn)性進(jìn)行分析。

相對與空船狀態(tài)下的穩(wěn)性，因為貨物本身將產(chǎn)生浮力的原因，因此在載貨狀態(tài)下的穩(wěn)性與空船有較大的不同。與空船狀態(tài)類似，分析幾個主要影響穩(wěn)性好壞的參數(shù)就可知道在作業(yè)過程中船舶是否安全。

圖13～圖16分別表示半潛船載貨狀態(tài)下隨不同階段吃水變化的、IX、KG和GM曲線。空船狀態(tài)分析了不同首尾吃水差下的參數(shù)變化，載貨狀態(tài)對比分析同一吃水差下首傾和尾傾狀態(tài)的變化。

從圖13～圖16我們可以看到，隨著吃水的增加，由于貨物的原因，的增長速率沒有明顯變化，IX、KG和GM值在甲板和貨物淹沒階段不再趨于線性變化，而是在波動中下降。同時，比較載貨狀態(tài)下首傾和尾傾下潛的情況可以得到，首傾總體上比尾傾穩(wěn)性更好，下潛更安全。

4 半潛船下潛穩(wěn)性標(biāo)準(zhǔn)

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(dǎo)致穩(wěn)性陡然大幅變差。船舶初穩(wěn)性差，船舶很容易發(fā)生傾斜，但半潛船通常要在良好的海況下進(jìn)行作業(yè)，因此可僅考慮初穩(wěn)性。

目前CCS對半潛船的半潛作業(yè)穩(wěn)性[3]有了詳細(xì)的規(guī)定，具體內(nèi)容如下：

（1）半潛船滿載甲板貨物準(zhǔn)備下潛時，經(jīng)自由液面修正后的初穩(wěn)性高度應(yīng)不小于1 m；

（2）半潛船滿載甲板貨物在舉升甲板入水或出水過程中，其穩(wěn)性應(yīng)滿足下列衡準(zhǔn)之一：

① 在基本無浪的平靜水域，蒲氏風(fēng)級不超過3級時，經(jīng)自由液面修正后的初穩(wěn)性高度不小于0.05 m；或蒲氏風(fēng)級不超過5級時，經(jīng)自由液面修正后的初穩(wěn)性高度不小于1 m；

② 在蒲氏風(fēng)級不超過6級、有義波高不超過0.5 m時，或在蒲氏風(fēng)級不超過4級，有義波高不超過1 m的水域，經(jīng)自由液面修正后的初穩(wěn)性高度不小于0.15 m。

（3）半潛船下潛至最大吃水時，經(jīng)自由液面修正后的初穩(wěn)性高度不小于0.5 m；

（4）半潛船甲板上無承載物在下潛或上浮的任何階段，經(jīng)自由液面修正后的初穩(wěn)性高度不小于0.15 m；

除了IMO和船級社對半潛船的穩(wěn)性有相關(guān)規(guī)定，在航運業(yè)內(nèi)還有一家名為DNV GL Noble Denton的技術(shù)支持和服務(wù)公司，專門為半潛船、重吊船提供重大件的貨運技術(shù)方案，也制定了一系列的指導(dǎo)規(guī)范，在業(yè)界廣為接受，非常具有權(quán)威性。該指南要求在任何時候，船舶初穩(wěn)性不能低于0.15 m[4]。

5 結(jié)論

本文通過比較分析半潛船在下潛工況下的、IX、KB、KG和GM的變化趨勢，得出以下初步結(jié)論：

（1）在半潛船的主甲板淹沒之前，穩(wěn)性的變化趨勢與普通船型基本一致；

（2）在半潛船的主甲板開始淹沒之后，KM值急劇下降，如果在下潛的過程中KG控制不好，或者具有較多的自由液面，極易出現(xiàn)負(fù)初穩(wěn)性而造成險情；

（3）平吃水下潛會造成GM值從甲板入水前的12.2 m徒降到甲板入水后的0.4 m，但是通過縱傾下潛會有效緩解穩(wěn)性陡降的趨勢，極大提高下潛作業(yè)的安全性；

（4）對于三面開敞的半潛船，首傾下潛的穩(wěn)性要好于尾傾下潛，主要是由于船首線型的外飄導(dǎo)致IX加速增大的結(jié)果；

（5）經(jīng)過對比CCS和DNV GL Noble Denton關(guān)于半潛船下潛穩(wěn)性的標(biāo)準(zhǔn)，得出GM值大于0.15 m是下潛穩(wěn)性衡準(zhǔn)的一個重要指標(biāo)；

（6）半潛船帶貨下潛穩(wěn)性變化較為復(fù)雜，與具體的貨物重量、類型和配載位置有關(guān)，還需進(jìn)一步的研究；

（7）通過分析半潛船下潛穩(wěn)性以及標(biāo)準(zhǔn)，可以發(fā)現(xiàn)下潛穩(wěn)性變化多樣，不同的操作會導(dǎo)致下潛過程中不同的穩(wěn)性變化趨勢，情節(jié)嚴(yán)重還會導(dǎo)致下潛過程中出現(xiàn)險情和事故，這必須引起壓排水操作員的足夠重視。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃蓓蓓，于 洋. 半潛船發(fā)展歷史與展望[J]. 中國水運 2010，10（1）.

[2] 莫瑞芳. 1.5萬噸半潛船耐波性和浮態(tài)穩(wěn)性研究[D].上海交通大學(xué)， 2011.

[3] 中國船級社，鋼質(zhì)海船入級規(guī)范（第2分冊）[S].2012.

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