第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)，未來新標(biāo)尺

本刊記者 胥苗苗

隨著第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)在未來幾年內(nèi)的強制實施，將對我國造船工業(yè)產(chǎn)生巨大的影響。

對所有海上船舶而言，完整穩(wěn)性是船舶安全性的重要基礎(chǔ)之一，是船舶設(shè)計建造的強制性法定要求，船舶設(shè)計，特別是新船型的開發(fā)與之密切不可分。作為強制性法定要求的船舶穩(wěn)性規(guī)范，對船舶安全航行至關(guān)重要。隨著第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)在未來幾年內(nèi)的強制實施，將對我國造船工業(yè)產(chǎn)生巨大的影響。

強制實施影響巨大

多年來，人們一直在堅持不懈地探索能夠保證船舶航行安全的完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)。盡管人們對復(fù)雜海況下船舶的運動了解的還不是很充分，但是仍然從大量的船舶操作和航行事故中總結(jié)很多經(jīng)驗和教訓(xùn)。正是基于這些經(jīng)驗教訓(xùn)和對船舶流體力學(xué)認識的不斷加深，國際海事組織（IMO）從上世紀(jì)中后期就一直致力于制定和修訂適用于所有船舶類型的完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)。近年來，隨著現(xiàn)代船舶設(shè)計技術(shù)和船舶流體性能研究的持續(xù)發(fā)展，經(jīng)IMO穩(wěn)性、載重線和漁船安全分委會（SLF）多年的工作，起草了《2008年完整穩(wěn)性規(guī)則》（2008 IS Code），即第一代完整穩(wěn)性規(guī)則，IMO于2008年12月4日通過并頒布了該項規(guī)則，其中的PART A已于2010年7月1日正式強制生效。

現(xiàn)行有效的《2008年完整穩(wěn)性規(guī)則》，主要由船舶靜力學(xué)理論以船舶在靜水中靜止時在橫風(fēng)、橫浪作用下的復(fù)原力臂曲線的參數(shù)來描述，并作為船舶穩(wěn)性的評估方法。該衡準(zhǔn)是根據(jù)20世紀(jì)中期收集的船舶營運統(tǒng)計資料和氣象衡準(zhǔn)制定的規(guī)定性規(guī)則，主要是基于經(jīng)驗背景，無法體現(xiàn)船舶類型及其操作和環(huán)境條件的多樣化，也無法體現(xiàn)現(xiàn)代船舶水動力學(xué)研究的新成果，最主要的是現(xiàn)行的完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)僅僅是船舶穩(wěn)性失效模式之一，對其它會導(dǎo)致發(fā)生船舶傾覆或人員傷害、貨物損害的穩(wěn)性失效模式?jīng)]有涉及。因此，目前基于經(jīng)驗背景的規(guī)定性規(guī)則不足以防止動態(tài)穩(wěn)性現(xiàn)象導(dǎo)致的船舶傾覆的發(fā)生。

進入二十一世紀(jì)以來，完整穩(wěn)性的其他失效模式，因其對船舶安全的風(fēng)險日益明顯，國際海事組織（IMO）已將制定第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)提上議事日程。這個穩(wěn)性規(guī)范由薄弱性衡準(zhǔn)和直接計算衡準(zhǔn)等組成，將包括船舶喪失動力時的癱船穩(wěn)性、與操縱性有關(guān)的橫甩以及復(fù)原力變化引起的參數(shù)橫搖等內(nèi)容。其中薄弱性衡準(zhǔn)分為兩個層次衡準(zhǔn)，首先船舶依據(jù)穩(wěn)性評價里的第一層次衡準(zhǔn)進行判定，不符合其要求的船舶，須依據(jù)第二層次衡準(zhǔn)進行判定。不符合薄弱性衡準(zhǔn)的船舶須進行直接計算衡準(zhǔn)的判定。

基于新的穩(wěn)性失效模式（純穩(wěn)性喪失、參數(shù)橫搖、騎浪/橫甩、癱船、過度加速度5種失效模式）建立的第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)，將改變以往依靠經(jīng)驗公式制定衡準(zhǔn)的方法，引入穩(wěn)性直接評估的概念，同時對新穎船舶、超尺度比船舶的穩(wěn)性提供個性化的穩(wěn)性評估，對現(xiàn)有完整穩(wěn)性（IS）衡準(zhǔn)將是一場全新的大變革。第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)將作為2008 IS 規(guī)則的補充和替代方法，同時也是為新設(shè)計建造船舶和現(xiàn)有營運船舶提供操作指南而將成為2008 IS 規(guī)則強制性要求的一部分，為船舶設(shè)計和營運操縱提供依據(jù)和指導(dǎo)，同時也對船舶設(shè)計提出了更高的要求。

第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)考慮了波浪中船舶實際航行時的傾覆現(xiàn)象和傾覆風(fēng)險，完全不同于目前正在執(zhí)行的基于靜水力和經(jīng)驗背景的2008完整穩(wěn)性規(guī)則。第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)的強制實施將對船舶工業(yè)屆帶來巨大影響，是目前迫切需要我國工業(yè)界積極參與和應(yīng)對的新海事法規(guī)之一。IMO于2019年2月的SDC 6次會議初步完成了薄弱性衡準(zhǔn)、穩(wěn)性直接評估和操作限制／指南的全部技術(shù)內(nèi)容的制定工作。并將于2021年初完成全部衡準(zhǔn)文本的正式起草，屆時將報送IMO海上安全委員會批準(zhǔn)發(fā)布。根據(jù)IMO計劃，第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)將首先作為非強制性要求推薦開展試用，在為期4 ～5年的試用期內(nèi)收集使用經(jīng)驗。完善后，最終作為強制性要求推廣。第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)考慮了船舶的一些特殊傾覆現(xiàn)象和風(fēng)險，補全了現(xiàn)有國際規(guī)則所沒有覆蓋到的事故模式，能夠有效提高船舶在惡劣海況下的動穩(wěn)性安全水平，對于提高船舶安全水平，降低人命安全風(fēng)險具有重大意義。第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)一旦強制執(zhí)行，船舶設(shè)計就必須對不滿足要求的新造船型進行改進或采取操作限制/操作指南的方式，滿足衡準(zhǔn)后該產(chǎn)品才能進入國際市場。

關(guān)鍵技術(shù)突破是難點

第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)已成為全球海事、造船和航運業(yè)重點關(guān)注亟待解決的問題，是關(guān)系船舶安全的重要一環(huán)。IMO已決定在未來幾年內(nèi)提出新造船舶的第二代完整穩(wěn)性規(guī)則，這一規(guī)則的提出，必將給我國船舶設(shè)計研究和造船業(yè)帶來新的挑戰(zhàn)。

是否具有對各種穩(wěn)性失效模式的理論和試驗研究能力，反映了一個國家是否具有當(dāng)代船舶，特別是新穎船舶的研究和設(shè)計的能力。因此，航運、造船界應(yīng)針對船舶市場全球化的性質(zhì)采取措施，建立相關(guān)的技術(shù)儲備，否則可能會使我國船舶設(shè)計、建造和航運業(yè)受制，喪失滿足第二代完整穩(wěn)性規(guī)則的船型開發(fā)而帶來的造船工業(yè)發(fā)展的大好時機。

在IMO第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)形成過程中，歐美等主要西方國家扮演主要角色，處于主導(dǎo)地位，掌握的技術(shù)也處于領(lǐng)先水平。中國船級社（CCS）專家表示，為了在穩(wěn)性衡準(zhǔn)制定過程中提供更多支持，維護國家利益以及我國造船工業(yè)和航運業(yè)的權(quán)益，我們必須對第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)的內(nèi)涵、預(yù)報技術(shù)和驗證技術(shù)進行廣泛而深入的研究，突破第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)中的核心技術(shù)，打破美國、日本等發(fā)達國家的壟斷，提出體現(xiàn)我國國家利益的提案和建議，為有效擴大我國在世界造船市場的份額提供重要的保障和支撐。

第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)將包括5種失效模式，每種失效模式包括3個層次的評估方法，是一個復(fù)雜的評估系統(tǒng)。其中不僅有簡單的評估公式，而且采用了先進的船舶水動力計算技術(shù)，其中一些復(fù)雜的計算方法目前我國還未完全掌握，尤其是沒有形成成熟可靠的評估技術(shù)和評估軟件。第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)一旦實施，如果我國缺乏預(yù)報評估手段，必將對我國船舶的設(shè)計制造帶來嚴重的不利影響。因此，突破第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)研究中的關(guān)鍵技術(shù)，建立第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)的系統(tǒng)評估手段和評估軟件是重中之重。只有這樣，在IMO強制實行第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)時，才能確保我國船舶設(shè)計和制造企業(yè)能夠順利實施新一代的完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)，使我國設(shè)計制造的船舶的穩(wěn)性標(biāo)準(zhǔn)與國際先進水平接軌。

第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)的關(guān)鍵內(nèi)容在于針對不同的穩(wěn)性失效模式，采用先進的船舶水動力技術(shù)，對船舶在風(fēng)浪中的穩(wěn)性進行更加精準(zhǔn)的計算和評估。因此，針對即將生效的IMO第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)，對純穩(wěn)性喪失、參數(shù)橫搖、騎浪/橫甩、癱船和過度加速度等5種失效模式進行跟蹤、分析和研究，重點解決參數(shù)橫搖、純穩(wěn)性喪失、癱船穩(wěn)性、騎浪/橫甩和過度加速度的薄弱性衡準(zhǔn)和純穩(wěn)性喪失直接評估技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)，建立和完善完整穩(wěn)性的模型測試技術(shù)、數(shù)值計算技術(shù)和評估驗證技術(shù)，開發(fā)完整穩(wěn)性主要失效模式的評估方法和純穩(wěn)性喪失直接評估軟件，提高我國完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)技術(shù)的研究水平，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的IMO第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)的評估軟件和相關(guān)的指導(dǎo)性文件，提出體現(xiàn)我國國家利益和符合我國船舶工業(yè)水平的第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)提案是有效提升我國船舶的設(shè)計水平和船舶穩(wěn)性評估驗證能力，提高我國新型船舶的研發(fā)能力的面臨的緊迫任務(wù)和難題。

CCS的主要貢獻

作為中國唯一從事船舶入級檢驗業(yè)務(wù)的專業(yè)機構(gòu)，中國船級社一直以來都積極參與國際海事組織、國際船級社協(xié)會工作，提交了大量涉及拆船、新造船設(shè)計指數(shù)、氮氧化物排放、救生、噪聲、消防和穩(wěn)性等方面的技術(shù)提案，最大限度地維護了國家及行業(yè)利益。

近幾年，國際海事組織提出研究第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)。中國船級社率先聯(lián)合國內(nèi)有關(guān)科研、院校，早期開始介入第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)的研究工作，同步跟蹤國際海事組織各成員國研究進展。并自2010年起開始參與國際海事組織制定第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)的通訊工作組工作。近8年里CCS共提交了24份提案，協(xié)助其他單位提交了23份提案，均得到IMO采納或考慮，繼2015年的SDC2會議上CCS對中國在第二代完整穩(wěn)性方面所作的工作進行了專題介紹后，CCS還開展了第二代完整穩(wěn)性5種失效模式的大量研究，包括開展大規(guī)模實船驗證計算，共計52艘實船，采用薄弱性衡準(zhǔn)的六個校核模塊，累積完成約700個實船裝載工況的校核分析。其中由中國和德國聯(lián)合主導(dǎo)的過度加速度衡準(zhǔn)方案與德國建議協(xié)調(diào)后作為最終方案納入IS CODE。

值得一提的是，CCS在過度加速度薄弱性橫準(zhǔn)制定方面做出了開創(chuàng)性研究。通過開展4艘樣船模型試驗和52艘實船數(shù)值模擬研究，深入研究了過度加速度模式的力學(xué)機理和主要影響因素。代表我國提出了完備的薄弱性Level 1和Level 2衡準(zhǔn)方案，涉及氣象條件、衡準(zhǔn)計算方法、轉(zhuǎn)動慣量估算公式、橫搖阻尼系數(shù)估算方法、Level 2衡準(zhǔn)加速度計算對于其他自由度影響修正系數(shù)處理方法和標(biāo)準(zhǔn)值。同時研究制定了針對穩(wěn)性直接評估數(shù)值方法的定量、定性要求。

IMO在制定該衡準(zhǔn)時，主要爭論焦點主要包括：Level 1衡準(zhǔn)橫搖角計算公式；Level 2衡準(zhǔn)橫搖運動方程的選?。籐evel 2衡準(zhǔn)是否考慮不規(guī)則波方向譜；衡準(zhǔn)環(huán)境條件的選取；Level 2衡準(zhǔn)敏感性指數(shù)的計算方式；橫搖轉(zhuǎn)動慣量估算方法及是否考慮附加慣量；橫搖阻尼系數(shù)的估算方法；Level 2衡準(zhǔn)加速度計算對于其他自由度影響修正系數(shù)處理方法；加速度標(biāo)準(zhǔn)值的選取以及穩(wěn)性直接評估數(shù)值模擬方法的自由度選取等問題。經(jīng)過大量樣船校核分析驗證，CCS代表我國與德國聯(lián)合制定的薄弱性Level 1和Level 2衡準(zhǔn)方案，被IMO正式采納作為五種失效模式之一的衡準(zhǔn)方案。IMO同時采納了CCS關(guān)于過度加速度穩(wěn)性直接評估方法運動自由度選取方面的建議。此外，CCS也對國內(nèi)大量實船開展了衡準(zhǔn)校核檢驗分析，充分檢驗了上述衡準(zhǔn)方法工程應(yīng)用可行性和合理性。

通過以上研究和工作，大大提高了國內(nèi)對第二代穩(wěn)性衡準(zhǔn)若干失效模式物理機理的認識，使我國全面參與了二代穩(wěn)性衡準(zhǔn)的制定決策過程。同時，通過相關(guān)提案的采納，進一步提高了我國的話語權(quán)和影響力，展示了我國在船舶水動力理論、數(shù)值計算和模型試驗方面的實力，也使第二代穩(wěn)性衡準(zhǔn)草案充分符合我國的利益訴求，為有效擴大我國在世界造船市場的份額提供重要的保障和支撐。