關于操舵試驗推算方法的思考

金林武

（南通中遠海運川崎船舶工程有限公司 南通226005）

引 言

船舶舵機性能優(yōu)良、操作穩(wěn)定是決定船舶操縱安全的主要原因之一。 《國際海上人命安全公約》（SOLAS）對于船舶操舵裝置提出了最大航海吃水下的性能指標，并要求通過試驗進行驗證［1］。在船舶交付前往往不具備滿載試航條件，許多船型在試航時處于部分舵葉浸沒狀態(tài)，無法直接驗證，需要進行替代試驗間接評估其操舵性能。為此國際海事組織（IMO）以MSC.365（93）決議形式通過SOLAS修正案，給出了證實操舵裝置性能符合的變通辦法。隨后國際船級社聯(lián)合會（IACS）也出臺UI SC 246，就操舵試驗的替代方案做出統(tǒng)一解釋。

目前替代方案相關的應用研究較少，案例孤立，本文擬通過型船具體參數(shù)對船舶主操舵裝置進行評估驗證。如何在交船前通過試驗將船舶推算到最深航海吃水條件下、同時試驗結果滿足規(guī)范要求是本文研究重點。

1 SOLAS操舵試驗要求

SOLAS在其第二章“構造—結構、分艙與穩(wěn)性、機電設備”和第五章“航行安全”中都對操舵裝置提出了要求［1］，具體內容為：

主操舵裝置和舵桿應具有足夠強度，并能在經(jīng)過試驗證明的最大營運前進航速下操縱船舶；能在船舶最深航海吃水和以最大營運前進航速前進時將舵自一舷35°轉至另一舷35°，以及于相同條件下在不超過28 s內將舵自一舷35°轉至另一舷30°。

2014年5月22日，IMO對其中第II-1/29條進行了修訂：

如船舶在試航中無法處于最深航海吃水條件，可通過下列方法之一證明其符合性。

（1）試航船舶處于平浮且舵完全浸沒，同時以與主機最大連續(xù)轉速和最大設計螺距相應的速度前進。

（2）如試航中不能實現(xiàn)舵完全浸沒，應使用建議的試航裝載工況下浸沒的舵葉面積計算合適的前進速度。計算出的前進速度應使主操舵裝置上的受力和扭矩至少與船舶處于最深航海吃水并以與主機最大連續(xù)轉速和最大設計螺距相應的速度前進時所測得的值同等大小。

（3） 試航裝載工況下的舵力和扭矩已經(jīng)可靠預測并推斷至滿載工況。船速應與主機最大連續(xù)轉速和螺旋槳最大設計螺距相對應。

上述修正案從2016年1月1日開始生效實施。對于液貨船，諸如VLCC、化學品船等可以通過壓載使船舶在海試時舵完全浸沒，滿足上述（1）要求；對于某些干貨船，舵不能實現(xiàn)完全浸沒，只能通過上述（2）（3）方法進行驗證。

2 IACS有關操舵試驗方法統(tǒng)一解釋的介紹

對于操舵試驗結果，在實際過程中一般由船級社代表船旗國進行把控。為落實SOLAS要求，并且更便于應用在試航檢驗上， IACS早在2011年6月便提出了第一版UI SC246，其中關于舵不能完全浸沒情況，明確了可通過可靠的預知和推算來保證舵機的載荷和扭矩能力，但沒有詳細的方法。通過2011～2015年這段時間的研究實踐，終于在2015年 9月發(fā)布 UI SC246（ REV.1）［2］：

（1） 舵全浸沒（位于零航速水線）且船舶處于可接受的縱傾狀態(tài)。

（2）試航裝載工況下的舵桿扭矩已經(jīng)可靠地預測（基于系統(tǒng)壓力測量）并外推至最深航海吃水狀態(tài)，即采用以下的方法來預測最深航海吃水的等效力矩和舵機執(zhí)行機構壓力：

式中：α為推算因子；QF為最深航行吃水和最大營運航速狀態(tài)下的舵桿彎矩，t·m；QT為試航狀態(tài)下的舵桿彎矩，t·m；AF為舵葉轉動部分在最深航行狀態(tài)下浸沒部分的投影面積，m2；AT為舵葉轉動部分在試航狀態(tài)下浸沒部分的投影面積，m2；VF為合同中規(guī)定的船舶設計航速，kn，相應于最深航海吃水下的主機最大連續(xù)轉速；VT為試航狀態(tài)下的船舶實測航速（考慮水流），kn。

其中舵機執(zhí)行機構的壓力與舵桿扭矩之間存在線性關系，上式可以寫為：

式中： PF為估算的最深航海吃水狀態(tài)下操舵機構壓力，MPa；PT為實測的試航狀態(tài)下操舵機構壓力，MPa。

當采用了恒容定量泵，如果估算的最深航海吃水的執(zhí)行機構壓力小于舵機的額定最大工作壓力，則認為滿足規(guī)范要求。當采用了變流量泵，則應提供泵的數(shù)據(jù)和說明，預估最深航海吃水下的供給流速以便估算操舵時間，并與要求的時間相比較。

當舵葉浸沒部分AT大于0.95AF時，則不需要進行額外推算。

（3）另外，作為替代，設計方或建造方可以采用計算流體力學（CFD）或者試驗研究來預測滿足深航海吃水和服務航速狀態(tài)下的舵桿彎矩。這些計算或試驗研究應滿足船級社要求。

3 操舵試驗實船應用方法分析

基于上述規(guī)范內容，我們分別對SOLAS更改內容和IACS統(tǒng)一解釋進行分析，具體如下。

3.1 SOLAS更改內容分析

（1）對于第一種替代驗證方法，如果能滿足舵全浸沒，則可以通過船舶試驗進行實船驗證，而船東、船廠、船級社也因此有了依據(jù)且更容易實現(xiàn)。

（2）對于第二種替代驗證方法，如果舵不能完全浸沒，利用IACS推薦的推算因子，即公式（2），同時假定試驗時，主操舵裝置上的受力和扭矩與船舶處于最深航海吃水并以與主機最大連續(xù)轉速和最大設計螺距相應的速度前進時所測得的值相同（α=1），即可推算得到式（4）：

以61KBC船舵浸沒面積僅為舵全部面積的0.71倍為例（即AT/ AF= 0.71），可推算出試航速度VT應為VF的1.33倍。不過，顯然，這種驗證方法在實際操作中對于一般商船是無法實現(xiàn)的［3］。

（3）對于第三種替代驗證方法，方案強調“試航工況下舵的力和扭矩已經(jīng)可靠預測并推斷至滿載工況”。根據(jù)舵機工作原理，其液壓系統(tǒng)的壓力由轉舵所需扭矩決定，轉舵速度由液壓系統(tǒng)流量決定。因此推薦用舵機液壓系統(tǒng)的壓力進行推算。

3.2 IACS統(tǒng)一解釋分析

（1）SOLAS第一種替代驗證方法，對于舵全浸沒，IACS在該解釋中進一步強調為零速水線。

（2）可能意識到SOLAS第二種替代驗證方法幾乎無法展開的現(xiàn)實，在該解釋中IACS沒有提及，而是提出了另一種方法，本節(jié)第（4）點將作詳細解釋。

（3）對于SOLAS第三種替代驗證方法，IACS首先明確給出了推算因子值即公式（2），并基于實際，對照推算方法劃分了兩類情況：

① 對采用恒容量泵的舵機，結合公式（2）和（3），可得到：

直接用推算所得最深航海吃水時的舵機系統(tǒng)壓力PF與舵機系統(tǒng)最大工作壓力比較就可以判定操舵試驗結果，這種方法簡單明了、易于操作。

② 對采用變容量泵的舵機，IACS推薦利用泵的參數(shù)，推算舵機供油流量，進而推算操舵時間。

用推算時間和規(guī)范要求時間28 s進行比較，也方便直接判定操舵試驗結果。

另外，IACS同時還弱化了舵葉浸沒要求，即滿足95%的舵葉浸沒條件就無需再進行額外推算。

（4）除SOLAS解釋外，IACS追加提出了一種操舵試驗替代驗證方式，即船廠可以采用計算流體力學（CFD）或者試驗研究來進行判定，這些計算或試驗研究方法要得到船級社的認可，實際上是鼓勵船廠或研究機構完善舵的扭矩預估方法。目前已知且廣泛應用的舵扭矩評估方法有赤崎法和BJ法等，各船廠和研究機構在新船設計時會基于母型船和系列船實船數(shù)據(jù)進行推演。這種方法各方都保密且偏于保守，能保證舵機的選型勝任實船操舵需求和規(guī)范要求。該方法屬于基本設計階段的研究范疇，一般情況下不會送船級社認可。

4 應用IACS外推因子驗證操舵試驗實船結果

基于IACS推算方法，我們選取61KBC和209KBC散貨輪操舵試驗數(shù)據(jù)，并利用上述公式（5）， 得到結果如下頁表1所示。

上述表格對船舶實際航速作了簡化處理，推算出的最深航海吃水最大營運航速下的舵機推斷壓力PF低于舵機工作壓力，由此判定舵機扭矩滿足規(guī)范要求。試驗中主操舵試驗轉速為M.C.O.時主機轉速，航速為相應的記錄儀讀表值。如果舵機試驗在測速前實施，主操舵試驗轉速和航速值可以在主機磨合時獲得；如果舵機試驗在測速后實施，便可直接利用測速結果。

上述試驗也證明，對于特定船舶，IACS的推斷因子法簡單有效。通過數(shù)據(jù)分析，雖然上述兩型船試驗結果得到了驗證，但仍然存在不滿足規(guī)范要求的風險，如209KBC船號B舵機推斷工作壓力23.3 MPa，僅比舵機最大工作壓力低0.2 MPa。

推薦改善方法是：提高舵葉浸沒率（AT/AF），盡可能創(chuàng)造條件在試驗前多壓載［4］；盡量避免在大風浪天氣下實施操舵試驗，這樣可以減少水流對舵速的影響，降低舵機試驗壓力，從而避免結果失真。

表1 61KBC和209KBC散貨輪操舵試驗結果

5 其他操舵試驗推算方法介紹

由于SOLAS關于操舵試驗的修訂發(fā)生在2014年5月，IACS關于操舵試驗的解釋以及詳細推算因子發(fā)布節(jié)點在2015年9月。在實踐過程中（2011年6月～2015年9月），各船廠及相關單位一直在摸索適合實船試驗的推算方法。

IACS統(tǒng)一解釋UI246 REV.1的實施對象為2017年1月1日或以后簽訂建造合同的船舶，對于推算因子法的正式實施，還有一段時間。在目前過渡期內，我們簡單介紹幾種得到船級社認可的推算方法供參考。

5.1 理論扭矩推算方法（以61KBC為例）

理論扭矩推算方法，故名思義，利用設備扭矩與規(guī)范要求扭矩比較，得出結果：

（1）舵機能力，廠家給出的設備參數(shù)

QS.G.= 844 kN·m（即86 t·m，1 t·m = 9.8 kN·m）

（2）最大吃水和最大航速時所需要的舵桿扭矩以及海試吃水最大航速時所需舵桿扭矩

式中：舵力 ；

轉臂（A1×c1+ A2×c2）/10A。

某型61KBC舵參數(shù)見表2。

表2 某型61KBC舵參數(shù)

根據(jù)上述公式（6）和表2數(shù)據(jù)，得到：

（3）結論

通過上述理論計算，我們可以得出：QS.G.＞QSOLAS＞QTRIAL，即舵機提供的扭矩能力（QS.G）遠大于最大吃水/海試吃水條件下所需要的轉舵扭矩（QSOLAS），能滿足SOLAS對于舵機轉舵能力的要求。

QS.G.約為QSOLAS的1.49倍，即舵機選型時考慮了各舵承處摩擦力矩［5］及型船數(shù)據(jù)，舵機能力有49%余量。而QSOLAS約為QTRIAL的1.23倍，基本與IACS的1.25系數(shù)要求接近。

5.2 實際扭矩推算方法（以209KBC為例）

某209KBC海試時，船級社要求船廠協(xié)助向船旗國提供舵機能力相關計算并進行解釋，船廠按照上頁5.1節(jié)方法進行推算。船級社認為海試已經(jīng)結束，應推算舵機試驗時實際轉舵扭矩是否達到SOLAS要求的轉舵能力。具體推算過程如下：

（1）舵機最大輸出狀態(tài)

轉舵扭矩

工作壓力Pmax= 23.5 MPa 。

（2）海試狀態(tài)

舵機試驗時工作壓力PTRIAL= 13.3 MPa （取試驗過程中出現(xiàn)的最大值）；

舵機此時的實際扭矩QTRIAL= PTRIAL/ Pmax×QS.G.=13.3 / 23.5×288=163 t · m

（3）最大吃水狀態(tài)

SOLAS要求轉舵扭矩QSOLAS=200.2 t · m。

（4）結論

通過舵機實際壓力與最大工作壓力的對比，我們可以換算出舵機試驗時實際扭矩小于SOLAS要求的扭矩，同時舵機試驗的操舵時間也符合SOLAS 28 s要求。

從該系列船舵機試驗結果（參見表1）來看，絕大多數(shù)情況下舵機的實際工作壓力都沒有達到理論壓力值；造成這種情況的主要原因如下：

（1）舵桿理論扭矩經(jīng)由規(guī)范公式計算，該公式對應某一海況；在該海況下，海試時的舵機實際扭矩確實比理論扭矩小，因為海試時舵并未完全浸沒；而各船海試實際海況都不相同，對應的壓力不同；其中試航舵機系統(tǒng)壓力比較接近理論壓力的結果，可能試驗時海況比較惡劣；

（2）之前船廠對該壓力值關注不夠，試驗數(shù)據(jù)讀取比較粗略；對于舵機試驗，我們都只關心SOLAS規(guī)定的28 s性能要求，只要壓力值不超出正常范圍，基本都不去管它。

通過調查我們可以看出，由于海況的千差萬別，舵機實際扭矩并不是每次都能達到SOLAS所要求的扭矩，大部分情況是QTRIAL＜ QSOLAS； 推算到這一結果也沒有問題。只要將舵機能力QS.G.引入并一起加以比較就可以得出結論 ：QS.G.＞QSOLAS＞QTRIAL，即舵機提供的扭矩能力遠大于最大吃水/海試吃水條件下所需要的舵桿扭矩，能夠滿足SOLAS對于舵機轉舵能力的要求。

最終船級社認為船廠計算書證明SOLAS對舵機的要求已在海試過程中得到充分驗證；該計算書提交后不久就獲得了PANAMA的豁免聲明。

5.3 實際打舵時間推算方法（以209KBC為例）

我們還嘗試了另一種推算方法，即利用試航時打舵時間推算出滿載狀態(tài)的打舵時間，利用該時間和規(guī)范要求的28 s比較，進而得出結論，具體方法如下：

（1）舵機最大輸出狀態(tài)

轉舵扭矩QS.G.=288 t · m；

工作壓力Pmax= 23.5 MPa

（2）最大吃水和最大航速時所需要的舵桿扭矩以及海試吃水和最大航速時所需要的舵桿扭矩

根據(jù)上述公式（6）和某型209KBC舵參數(shù)（參見下頁表3），分別得到：

（3）根據(jù)舵機工廠試驗泵報告生成并記入圖1

某型209KBC舵機泵壓力流量分布參見圖1。

表3 某型209KBC舵參數(shù)

圖1中，端部的兩點由舵機廠家泵工廠試驗給出，反映壓力和流量關系；中間兩點分別表示試航狀態(tài)和滿載狀態(tài)；流量值由曲線根據(jù)實測壓力值生成。

表4是從圖1中導出的參數(shù)。

該船將舵自一舷35°轉至另一舷30°的海上試驗結果為24.6 s，根據(jù)流量與時間的線型關系，可以推導出滿載時的打舵時間約為24.8 s（24.6 s×197.17/195.66 = 24.8 s） ，低于規(guī)范要求的28 s。這種推導方法，主管機關也能接受。

表4 某型209KBC舵機參數(shù)

6 結 論

舵機能力在船舶基本設計選型時已進行了預估，同時留有一定的裕度。營運中的船完全具備最深航海吃水和最大前進速度條件對舵機能力進行實船檢測。對于無法處于最深航海吃水條件的船舶，通過對等效全速操舵試驗推算方法的實踐及思考，UI SC246給出的推算因子確實是對SOLAS的重要補充和有效探索。

本文推薦的其他方法合理且易操作，試驗結果符合規(guī)范要求，但在等效全速操舵的同時需要注意防范船舶傾覆的風險［6］。由于UI SC246的推算因子存在一定的局限，希望本文可以拋磚引玉，得到更多同行的反饋。

［1］ 國際海事組織. 國際海上人命安全公約·綜合文本［M］.北京： 人民交通出版社， 2009

［2］ IACS UI S246 Rev.1， Steering gear test with the vessel not at the deepest seagoing draught［S］. 2015.

［3］ 付雪峰. 船舶不同航行狀態(tài)下操舵時間的推算［J］ . 中國水運，2016 （7）：26-27.

［4］ 孫華偉. 對IACS UI SC246關于操舵試驗推算公式的應用探討［J］ .船舶設計通訊，2016（Z2）：12-15.

［5］ 中國船舶工業(yè)集團公司. 船舶實用設計手冊［舾裝分冊］［M］. 北京： 國防工業(yè)出版社， 2013.

［6］ 楊世知. 等效全速操舵試驗風險分析［J］ .中國造船2014（1）：121-127.