基于SOLAS 2020 概率破艙穩(wěn)性要求的中型郵輪優(yōu)化措施研究

王曉強(qiáng)，李鵬

1 海軍裝備部駐武漢地區(qū)第二軍事代表室，湖北 武漢 430064

2 中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064

0 引 言

當(dāng)船舶航行時(shí)，一旦遭遇觸礁、碰撞等事故，可能會(huì)導(dǎo)致破損進(jìn)水，進(jìn)而使船舶產(chǎn)生較大的縱、橫傾，甚至?xí)?dǎo)致船舶穩(wěn)性不足，存在傾覆的風(fēng)險(xiǎn)。例如，韓國“世越號(hào)”客輪因碰撞引發(fā)浸水，最終導(dǎo)致船舶沉沒，不僅造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還直接導(dǎo)致296 人遇難，對(duì)船東、運(yùn)營商等產(chǎn)生了極其惡劣的影響。船舶破艙穩(wěn)性是船舶安全性的重要指標(biāo)之一，特別是對(duì)于郵輪這種載客量大的船舶，破艙穩(wěn)性關(guān)系到數(shù)以千計(jì)人員的安全，在設(shè)計(jì)過程中需予以重點(diǎn)考慮。

船舶破艙穩(wěn)性研究一般采用2 種方法：確定性破艙穩(wěn)性分析方法和概率性破艙穩(wěn)性分析方法。從SOLAS 2009 起強(qiáng)制要求進(jìn)行概率破艙穩(wěn)性校核。

胡鐵牛[1]根據(jù)SOLAS 1990 年修正案的規(guī)定，研究了破艙穩(wěn)性在概率計(jì)算中需注意的問題，對(duì)影響達(dá)到的分艙指數(shù)A 的主要因素和改進(jìn)措施進(jìn)行了分析。黃武剛[2]應(yīng)用FORAN 軟件對(duì)某科考船進(jìn)行了概率破艙計(jì)算，分析了FORAN 軟件在破艙穩(wěn)性計(jì)算中的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。蘆樹平等[3]采用Maxsurf 軟件搭建數(shù)值模型，開展了概率破艙計(jì)算，并對(duì)不合理的艙室劃分進(jìn)行了細(xì)化處理，以提高船舶抗沉性。Lauridsen 等[4]研究了達(dá)到的分艙指數(shù)A 對(duì)基本設(shè)計(jì)參數(shù)的敏感性，重點(diǎn)分析了主甲板高度和機(jī)艙長度對(duì)A 的影響，提出了達(dá)到的分艙指數(shù)A 小于要求的分艙指數(shù)R 時(shí)可采取的改進(jìn)措施。周曉明等[5]以某工程駁船為對(duì)象，進(jìn)行了大量的分艙設(shè)計(jì)，并進(jìn)行概率破艙計(jì)算，提出了改進(jìn)分艙指數(shù)A 的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。郝威巍等[6]對(duì)半潛船的分艙設(shè)計(jì)和破艙穩(wěn)性進(jìn)行了分析，通過計(jì)算研究艙室的垂向水平分隔、初始裝載狀態(tài)、邊艙幾何形狀等對(duì)A 的影響，得到了相關(guān)要素間的關(guān)系曲線圖和設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則。孫國君[7]應(yīng)用COMPASS軟件開展了基于概率破艙穩(wěn)性的散貨船優(yōu)化分艙研究，歸納了艙室長度、邊艙寬度、雙層底高度及縱傾等因素對(duì)破艙穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果的影響。Simopoulos 等[8]對(duì)RoPax 船開展了概率破艙穩(wěn)性的敏感性分析，系統(tǒng)分析了橫艙壁、縱艙壁、邊艙、主甲板和雙層底以及吃水、重心和縱傾對(duì)A 的影響。Dankowski 等[9]提出了采用蒙特卡羅模擬破艙分布進(jìn)行概率破艙穩(wěn)性分析的方法，并對(duì)比了SOLAS 2009 和SOLAS 1990 在安全指數(shù)方面的差異。胡曉倩等[10]分析了SOLAS 2009 和SOLAS 2004 在概率破艙穩(wěn)性方面存在的差異，并對(duì)11 500 t的MiniCAPE 型散貨船進(jìn)行了概率破艙穩(wěn)性計(jì)算。

由于SOLAS 2020 對(duì)客船分艙指數(shù)R 的要求大幅提升，從而對(duì)客船設(shè)計(jì)提出了更高要求，故需要對(duì)影響所要達(dá)到的分艙指數(shù)A 的分艙布置或其他技術(shù)措施開展研究。本文將以1 250 人載客量的某中型郵輪為研究對(duì)象，應(yīng)用Maxsurf 軟件進(jìn)行概率破艙穩(wěn)性計(jì)算，分析影響所要達(dá)到的分艙指數(shù)A 的設(shè)計(jì)因素，并提出改進(jìn)措施，使其滿足SOLAS 2020分艙指數(shù)要求。

1 SOLAS 2020 與SOLAS 2009 對(duì)比

1.1 SOLAS 2009 和SOLAS 2020 中 要 求的分艙指數(shù)R 對(duì)比

根 據(jù)IMO MSC 421（98）[11]的 要 求，SOLAS 2020 將大幅提升客船的安全等級(jí)，采用新公式對(duì)客船要求的分艙指數(shù)R 進(jìn)行計(jì)算，R 值將得到顯著提高。要求的分艙指數(shù)R 在SOLAS 2020 與SOLAS 2009（救生艇可供使用的人數(shù)占總?cè)藬?shù)的75%）中的要求對(duì)比如圖1 所示，圖中LS為分艙長度，N 為船上總?cè)藬?shù)。

圖1 分艙指數(shù)R 對(duì)比Fig. 1 Comparison between the required R for SOLAS 2009 and SOLAS 2020

在SOLAS 2009[12]中，R 與LS和N 有關(guān)，即

式中：N=N1+2N2，其中，N1為救生艇可供使用的人數(shù)，N2為船舶在N1以外允許載運(yùn)的人數(shù)（包括高級(jí)船員和普通船員）。

然而，在SOLAS 2020[11]中，對(duì)于客船要求的分艙指數(shù)R 只與船上總?cè)藬?shù)N 相關(guān)，且N 的含義發(fā)生變化，其表示的是船上總?cè)藬?shù)。根據(jù)N 的取值范圍，將分艙指數(shù)R 的求解劃分為如下式所示的4 個(gè)等級(jí)。

1.2 某中型郵輪要求的分艙指數(shù)R 對(duì)比

中型郵輪主要參數(shù)如表1 所示。其中，分艙長度LS為220 m，可承載乘客1 250 人、船員500 人，因此船上總?cè)藬?shù)為1 750 人；船上搭載救生艇12艘，可供1 540 人使用。本文按照SOLAS 2009和SOLAS 2020 的要求，分別對(duì)分艙指數(shù)R 進(jìn)行了計(jì)算。

由上可知，計(jì)算得到的SOLAS 2020 要求的分艙指數(shù)R 相比于SOLAS 2009 增加了約13.6%。

表1 郵輪主要參數(shù)Table 1 Main parameters of cruise ship

2 中型郵輪初始分艙方案

中型郵輪05 甲板以下沿縱向的初始分艙布置如下：03 甲板以下分隔為15 個(gè)水密艙段（編號(hào)Z1～Z15），03 甲 板 至05 甲 板 分 隔 為5 個(gè) 水 密 艙段，如圖2 所示；03 甲板至05 甲板的典型分區(qū)如圖3 所示；底艙的液艙分布如圖4 所示。

3 概率破艙分析

3.1 初始方案分析

3.1.1 初始狀態(tài)

采用Maxsurf 軟件進(jìn)行船體曲面建模，并構(gòu)建液艙模型，如圖5 所示。

針對(duì)初始方案，確定輕載航行吃水dl（相應(yīng)于船舶預(yù)計(jì)最輕載重量下的航行吃水，客船應(yīng)足額計(jì)入船上乘客和船員）、部分分艙吃水dp、最深分艙吃水ds（船舶夏季載重線吃水）情況下的相關(guān)參數(shù)，如表2 所示，表中GM 為初穩(wěn)性高度值。dp=dl+ds-dl）×60%。在計(jì)算達(dá)到的分艙指數(shù)A 時(shí)，dp和ds應(yīng)采用水平縱傾，dl應(yīng)采用實(shí)際縱傾。

圖2 全船分艙圖Fig. 2 Subdivisions of the cruise ship

圖3 04 甲板功能分區(qū)圖Fig. 3 Functional zoning plan of deck 04

圖4 底艙的液艙分布圖Fig. 4 Tank distribution of double bottom

圖5 三維船體及液艙效果圖Fig. 5 3D hull and tanks

表2 計(jì)算工況Table 2 Computational conditions

3.1.2 達(dá)到的分艙指數(shù)A

達(dá)到的分艙指數(shù)A 由輕載航行吃水dl、部分分艙吃水dp、最深分艙吃水ds計(jì)算的對(duì)應(yīng)部分的分艙指數(shù)As，Ap和Al加權(quán)求得，而每個(gè)部分的分艙指數(shù)，均為所考慮的全部破損情況作用的總和，計(jì)算公式為

式中：pi為艙組的破損進(jìn)水概率；si為艙組破損進(jìn)水后的生存概率；vi為水平分隔以上處所不進(jìn)水概率的縮減因數(shù)。

在所有初始裝載工況下，各種破損情況的si均按下式計(jì)算。

式中：sintermediate,i為客船在最終平衡階段之前所有進(jìn)水中間階段的生存概率；sfinal,i為進(jìn)水最終平衡階段的生存概率；smom,i為經(jīng)受住橫傾力矩的生存概率。

采用Maxsurf 軟件對(duì)輕載航行吃水dl、部分分艙吃水dp、最深分艙吃水ds下的各種破損組合進(jìn)行計(jì)算，由1 個(gè)艙段破損（例如Z1 表示Z1 艙段破損）開始至連續(xù)3 個(gè)艙段破損（例如Z1, 3 表示從Z1 開始的連續(xù)3 個(gè)艙段破損）結(jié)束。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表3 所示。輕載航行吃水dl下兩艙破損進(jìn)水的結(jié)果如表4 所示，表中H 為破損艙段垂向浸水范圍，H1 為浸水至03 甲板，Hx 為浸水至05 甲板。

表3 初始方案統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 Statistics results of initial scheme

表4 初始方案dl 下兩艙破損計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation results of two damaged cabins under initial scheme dl

由表3可知，初始方案達(dá)到的分艙指數(shù)A=0.745 6，不滿足SOLAS 2009 中R≥0.754 2 的要求；而As=0.762 5，Ap=0.741 6，Al=0.719 7，均大于0.9R。

對(duì)于SOLAS 2020，由于R要求更高，達(dá)到0.856 4，0.9R=0.770 8，使得初始方案達(dá)到的分艙指數(shù)A 和部分分艙指數(shù)As，Ap，Al都難以滿足要求。

3.2 影響因素分析

通過表4 所列數(shù)據(jù)，結(jié)合全船分艙及液艙設(shè)置的情況分析如下：

1） Z3, 2 : Hx，Z6, 2 : Hx，Z10, 2 : Hx 的si都為0，這是由于03 甲板至05 甲板被劃分為5 個(gè)大的水密艙段，因此在Z3～Z4，Z6～Z7，Z10～Z11 組合的破損工況下，均存在2 個(gè)大的水密艙段破損進(jìn)水情況，導(dǎo)致平衡橫傾角增加并超過15°，從而使得si為0。03 甲板至05 甲板的破損區(qū)域分別如圖6～圖8 所示。

圖6 Z3 , 2 : Hx 時(shí)03 甲板至05 甲板破損的水密區(qū)Fig. 6 Damaged watertight area from deck 03 to deck 05 at working condition Z3, 2 : Hx

圖7 Z6, 2 : Hx 時(shí)03 甲板至05 甲板破損的水密區(qū)Fig. 7 Damaged watertight area from deck 03 to deck 05 at working condition Z6, 2 : Hx

圖8 Z10, 2 : Hx 時(shí)03 甲板至05 甲板破損的水密區(qū)Fig. 8 Damaged watertight area from deck 03 to deck 05 at working condition Z10, 2 : Hx

2） Z2, 2 : H1，Z5, 2 : H1，Z6, 2 : H1，Z7, 2 : H1 的si較小，而Z3, 2 : H1，Z8, 2 : H1 的si也未達(dá)到1，這是由于Z3，Z6 和Z7 艙段沿中線面對(duì)稱設(shè)置了多個(gè)大型液艙，Z2，Z8 和Z9 艙段也沿中線面對(duì)稱設(shè)置了1～2 對(duì)大型液艙，如圖9 所示。因此在Z2～Z3，Z5～Z6，Z6～Z7，Z7～Z8 組合的破損工況下產(chǎn)生了明顯的左、右舷非對(duì)稱進(jìn)水情況，導(dǎo)致平衡橫傾角較大，使得si較?。辉赯3～Z4 和Z8～Z9 組合的破損工況下也出現(xiàn)了一定程度的左、右舷非對(duì)稱進(jìn)水情況，導(dǎo)致平衡橫傾角大于5°，使得si《1。

4 破艙穩(wěn)性優(yōu)化

根據(jù)上述分析，并參考文獻(xiàn)[1]中對(duì)影響達(dá)到的分艙指數(shù)A 的主要因素及提高達(dá)到的分艙指數(shù)A 的主要方向和措施，提出從沿縱向加密分艙、設(shè)置橫貫進(jìn)水裝置、降低重心高這3 個(gè)方面開展中型郵輪的破艙穩(wěn)性優(yōu)化設(shè)計(jì)，并形成3 種優(yōu)化方案，如表5 所示。

4.1 方案1 優(yōu)化效果分析

方案1 是在03 甲板至05 甲板之間進(jìn)行水密分艙加密，使其與03 甲板以下的分艙保持一致，如圖10 所示。沿縱向分艙加密后，破損進(jìn)水時(shí)的高位進(jìn)水區(qū)域?qū)p小。特別是對(duì)于初始方案中03 甲板至05 甲板的5 個(gè)大水密艙段的分隔處，初始方案中發(fā)生兩艙破損時(shí)出現(xiàn)2 個(gè)大的水密艙段進(jìn)水，而加密方案在發(fā)生兩艙破損時(shí)僅在對(duì)應(yīng)艙段有2 個(gè)小區(qū)域進(jìn)水，從而有效減小平衡橫傾角，提高Zm, n : Hx（m=1, 2,···,15；n=2, 3）的si，最終使分艙指數(shù)A 得到提升。表6 給出了沿縱向加密分艙后的方案1 計(jì)算結(jié)果，表7 給出了輕載航行吃水 dl下兩艙破損時(shí)兩種方案進(jìn)水時(shí)的結(jié)果對(duì)比。

圖9 Z2～Z9 對(duì)稱設(shè)置的大型液艙Fig. 9 Large liquid tank with symmetrical arrangement of Z2～Z9

表5 破艙穩(wěn)性優(yōu)化方案Table 5 Optimization schemes of damaged stability

由表6 可知，在03 甲板至05 甲板之間進(jìn)行水密分艙加密對(duì)達(dá)到的分艙指數(shù)A 的影響較明顯。方案1 的A=0.810 1，雖然相比初始方案提高8.7%，且滿足了SOLAS 2009 的相關(guān)要求，但仍未達(dá)到SOLAS 2020 規(guī)定的R=0.856 4 的要求，而As=0.835 8和Ap=0.805 7，均大于SOLAS 2020 中的0.9R=0.770 8，Al=0.767 3，仍小于0.9R。

由表7 可知，方案1 有效改善了Z3, 2 : Hx 和Z10, 2 : Hx 的si，也使Z5, 2 : Hx，Z7, 2 : Hx，Z8, 2 : Hx的si得到一定程度的改善。

圖10 縱向加密分艙圖Fig. 10 Diagram of denser longitudinal subdivisions

4.2 方案2 優(yōu)化效果分析

鑒于在03 甲板至05 甲板之間進(jìn)行水密分艙加密后仍未達(dá)到SOLAS 2020 對(duì)分艙指數(shù)R 的要求，提出了方案2，即進(jìn)一步采用設(shè)置橫貫進(jìn)水裝置的方式，對(duì)同一艙段內(nèi)左、右舷對(duì)稱布置的同類型液艙實(shí)現(xiàn)左、右舷液艙的連通，從而減小平衡橫傾角，提升si。

由表7 可知：Z3，Z6，Z7 和Z8 區(qū)域內(nèi)的艙室進(jìn)水對(duì)平衡橫傾角影響較大，導(dǎo)致si偏小，而且在采用方案1 之后si仍偏小，故仍有較大的提升空間。因此，在方案2 中，首先對(duì)底艙Z3，Z6，Z7 和Z8 區(qū)域內(nèi)的左、右舷對(duì)稱的淡水艙、壓載水艙共5 對(duì)液艙設(shè)置橫貫進(jìn)水裝置，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表8 所示。

由表8 第3 列數(shù)值可知：在對(duì)底艙內(nèi)Z3，Z6，Z7 和Z8 區(qū)域內(nèi)左、右舷對(duì)稱的淡水艙、壓載水艙設(shè)置橫貫進(jìn)水裝置后，對(duì)達(dá)到的分艙指數(shù)A 的影響較明顯，方案2 的A 為0.856 5，相比方案1 進(jìn)一步提升了5.7%，滿足了SOLAS 2020 中R=0.856 4的要求；As=0.877 7，Ap=0.853 1，Al=0.821，均大于SOLAS 2020 中0.9R=0.770 8。因此，在方案1 的基礎(chǔ)上，采取設(shè)置橫貫進(jìn)水裝置的措施，得到可以滿足SOLAS 2020 中關(guān)于客船的概率破艙穩(wěn)性要求的方案2。

表6 方案1 統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 6 Statistics results of scheme 1

表7 初始方案和方案1 計(jì)算結(jié)果對(duì)比Table 7 Comparisons of calculating results between initial scheme and scheme 1

考慮到方案2 的A 與SOLAS 2020 中的R 要求相等，為了留有一定的穩(wěn)性裕度，進(jìn)一步將01 甲板內(nèi)Z3，Z6 和Z7 區(qū)域內(nèi)的左、右舷對(duì)稱的燃油艙設(shè)置橫貫進(jìn)水裝置，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表8第4 列數(shù)值所示?？梢?，01 甲板內(nèi)的燃油艙設(shè)置橫貫進(jìn)水裝置后，達(dá)到的分艙指數(shù)A 又提升了4.1%，此時(shí)船舶的概率破艙穩(wěn)性已達(dá)到了較優(yōu)狀態(tài)。

表8 方案2 統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 8 Statistics results of scheme 2

采用設(shè)置橫貫進(jìn)水裝置的方式相當(dāng)于將初始方案的一舷進(jìn)水轉(zhuǎn)換為左、右舷對(duì)稱進(jìn)水，如此可以有效減小平衡橫傾角。此外，也可采取設(shè)置邊艙的方式，在左、右舷設(shè)置邊艙、中線面處設(shè)置大型液艙，以改善左、右舷的非對(duì)稱進(jìn)水狀態(tài)。兩者的工作原理一致。

4.3 方案3 優(yōu)化效果分析

雖然上述兩種優(yōu)化方案通過采取沿縱向加密分艙及設(shè)置橫貫進(jìn)水裝置的方式達(dá)到了SOLAS 2020 中對(duì)于分艙指數(shù)R 的要求，但是沿縱向加密分艙會(huì)使03 甲板至05 甲板的結(jié)構(gòu)重量增加（例如因主橫艙壁水密處理及其上艙門采用水密艙門替換等造成），以及導(dǎo)致由于需要水密艙保持常閉狀態(tài)而使用不便等。鑒于此，提出方案3，即在設(shè)置橫貫進(jìn)水裝置的基礎(chǔ)上，采用降低重心高的方法以改善破艙穩(wěn)性。

經(jīng)過分析，中型郵輪在僅設(shè)置橫貫進(jìn)水裝置后達(dá)到的分艙指數(shù)A=0.840 9，為了滿足分艙指數(shù)R 的要求，針對(duì)重心高降低幅度ΔZG為0.1～0.5 m進(jìn)行了核算，結(jié)果如圖11 所示。由于初始方案設(shè)計(jì)時(shí)考慮到穩(wěn)性要求較高，對(duì)應(yīng)的初始GM 相對(duì)較大，重心高降幅對(duì)GM 的影響較小，因此降低重心高對(duì)A 的影響也不十分明顯。當(dāng)重心高降低0.5 m時(shí)達(dá)到的分艙指數(shù)A=0.859 8，僅提升了2.2%；當(dāng)重心高降低約0.4 m 時(shí)，方案3 達(dá)到的分艙指數(shù)A=R，滿足SOLAS 2020 中客船的概率破艙穩(wěn)性要求。

圖11 降低重心高對(duì)達(dá)到的分艙指數(shù)A 的影響Fig. 11 The influence of height reduction of center of gravity on attained subdivision index A

5 結(jié) 論

本文對(duì)比分析了SOLAS 2020 和SOLAS 2009中所要求的分艙指數(shù) R，發(fā)現(xiàn)后者相比前者對(duì)客船的概率破艙分艙指數(shù)R 的要求有大幅的提升。以載客量為1 250 人的中型郵輪為例，其要求的分艙指數(shù)R 由0.754 2 提升至0.856 4，提高了約13.6%。

為了滿足SOLAS 2020 中對(duì)客船的概率破艙分艙指數(shù)R 的要求，針對(duì)載客量為1 250 人的某中型郵輪進(jìn)行了概率破艙穩(wěn)性計(jì)算及分析，并采用沿縱向加密分艙、設(shè)置橫貫進(jìn)水裝置以及降低重心高這3 種措施來提升達(dá)到的分艙指數(shù)A，得到了如下結(jié)論：

1） 通過對(duì)03 甲板至05 甲板的水密分艙進(jìn)行加密，由初始方案的5 個(gè)大水密艙段加密至15 個(gè)水密艙段，可減小高位破損工況時(shí)的進(jìn)水區(qū)域，降低了平衡橫傾角，提升了Zm, n : Hx（m=1, 2,···,15；n=2, 3）的si，使達(dá)到的分艙指數(shù)A 由0.745 6 提高至0.810 1，與初始方案相比增加了8.7%，改善效果較好。

2） 通過分析艙組破損進(jìn)水后的生存概率si可知，Z3，Z6，Z7 和Z8 區(qū)域內(nèi)的艙室進(jìn)水會(huì)引起較大的橫傾，因此在底艙和01 甲板內(nèi)相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的左、右舷對(duì)稱布置的同類型液艙設(shè)置橫貫進(jìn)水裝置，相當(dāng)于將初始方案的一舷進(jìn)水轉(zhuǎn)換為左、右舷對(duì)稱進(jìn)水，從而可有效降低平衡橫傾角，使達(dá)到的分艙指數(shù)A 由0.810 1 進(jìn)一步提高至0.892，與縱向加密分艙方案相比增加了10.1%，改善效果顯著。

3） 另外，對(duì)于設(shè)置橫貫進(jìn)水裝置與降低重心高的組合改善措施，在僅設(shè)置橫貫進(jìn)水裝置的基礎(chǔ)上針對(duì)重心高降低0.1～0.5 m 進(jìn)行核算，由于初始方案的初始GM 較大，重心高降幅對(duì)GM 的影響較小，相應(yīng)的降低重心高對(duì)A 的影響也不十分明顯。若初始方案的初始GM 較小或重心高降幅較大，則降低重心高也會(huì)對(duì)A 產(chǎn)生比較大的影響。

4） 由于高位艙室沿縱向加密分艙有可能帶來結(jié)構(gòu)重量增加、常閉水密艙門使用不便等問題，而降低重心高在實(shí)際設(shè)計(jì)中的調(diào)整空間較小，因此建議優(yōu)先考慮設(shè)置橫貫進(jìn)水裝置的改進(jìn)措施，并結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)情況適當(dāng)采取縱向加密分艙與降低重心高的組合措施，同時(shí)還可以考慮調(diào)整船寬、布置邊艙、艙室細(xì)分等改善概率破艙穩(wěn)性的措施。