SOLAS 2020 破艙穩(wěn)性要求對郵輪船型開發(fā)的影響研究

顧雅娟

中國船級社 上海規(guī)范研究所，上海 200135

0 引 言

近年來，客船觸礁傾覆和進(jìn)水沉沒等事故屢屢發(fā)生，導(dǎo)致大量人員傷亡，造成巨額經(jīng)濟(jì)損失。因此，亟待提高客船的安全性。國際海事組織（IMO）海上安全委員會（MSC）第98 屆大會于2017 年6 月召開，會上通過了SOLAS 2020 修正案，提出了新的客船破艙穩(wěn)性要求，并于2020年正式生效[1-3]。SOLAS 2020 適用于客船、客滾船、豪華郵輪和船上人員超過60 人的特種用途船舶，大幅提高了上述類型船舶的破艙穩(wěn)性要求，同時修訂了客滾船的生存概率si的計算公式。如果以新要求的分艙指數(shù)R 來衡量營運(yùn)中客船的破艙穩(wěn)性，基本無法滿足要求，船型優(yōu)化升級勢在必行。

自IMO 提出增強(qiáng)上述各類型船舶進(jìn)水后的破艙穩(wěn)性及生存能力的議題以來，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究[4-8]。其中，有文獻(xiàn)論述了豪華郵輪法規(guī)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，提出了新的破艙穩(wěn)性評估方法以及影響其破損穩(wěn)性的因素，這為開展SOLAS 2020 破艙穩(wěn)性要求對我國開發(fā)同類型船舶的影響研究提供了良好基礎(chǔ)。但是，現(xiàn)有研究卻鮮有以郵輪實(shí)船為對象，原因是國外對郵輪相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了封鎖，而國內(nèi)在此方面的研究尚處于起步階段，因此前人研究成果對于郵輪船型開發(fā)的指導(dǎo)意義有限。

本文擬通過對SOLAS 2020 破艙穩(wěn)性要求進(jìn)行解析，統(tǒng)計分析分艙指數(shù)水平的現(xiàn)狀，探索滿足最新分艙指數(shù)要求的船型升級方案，并分別對這些方案的效果以及對船型變化的影響程度進(jìn)行分析，以應(yīng)對SOLAS 2020 破艙穩(wěn)性新要求對我國船舶工業(yè)帶來的沖擊。最后，將以某營運(yùn)豪華郵輪為例，開展船型優(yōu)化升級，使其滿足SOLAS 2020 的破艙穩(wěn)性要求。

1 SOLAS 2020 的破艙穩(wěn)性要求解析

1.1 SOLAS 2020 對分艙指數(shù)R 的要求

與SOLAS 2009 相比，SOLAS 2020 對分艙指數(shù)R 的計算公式做了修訂，具體如表1 所示。SOLAS 2020 的R 計算公式中N 的取值為船上總?cè)藬?shù)，而SOLAS 2009 中的N=N1+2N2，其中N1為配備的救生艇可容納人數(shù)，N2為N1以外船上允許載運(yùn)的人數(shù)，N1和N2包括了高級船員和普通船員。

由表1 可以看出，SOLAS 2009 中分艙指數(shù)R 由分艙長度Ls，船上總?cè)藬?shù)N和配備的救生艇可容納人數(shù)N1確定，對于N 相同的不同船型，若Ls和N1不同，則要求的R也不一樣；而SOLAS 2020 中R 只與N 有關(guān)，人數(shù)越多，R 越大。

表1 郵輪分艙指數(shù)R 計算公式比較Table 1 Comparison of calculation formula for subdivision index R of cruise ships

1.2 SOLAS 2020 對生存概率si 的計算要求

對于si的計算，SOLAS 2009 中規(guī)定無需區(qū)分滾裝處所還是非滾裝處所，而SOLAS 2020 中則要求加以區(qū)分，并對含滾裝處所的破損組合進(jìn)水之后的生存概率si計算公式做了部分修訂，其他規(guī)定未變。

對于生存概率，si=min{sintermediate,i, sfinal,i, smom,i}，其中sintermediate,i為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。由實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，對si起決定性作用的是sfinal,i，而smom,i的計算結(jié)果通常為1。因此，可以將對si的研究簡化為對sfinal,i的研究。

SOLAS 2009 中生存概率sfinal,i的計算公式[2]為

式中：GZmax為最大正復(fù)原力臂，G Zmax≤0.12 m；Range為正復(fù)原力臂范圍，Range≤16°；k 為無量綱系數(shù)，k 的取值公式為

綜上所述，對于破損進(jìn)水情況，SOLAS 2020既提高了對分艙指數(shù)R 的要求，又修訂了生存概率si的計算公式，對于船舶破艙穩(wěn)性的要求也更高。

2 郵輪達(dá)到的分艙指數(shù)水平現(xiàn)狀

由表1 可知，由于SOLAS 2009 和SOLAS 2020中分艙指數(shù)R 的決定性參數(shù)不同，無法直接采用公式進(jìn)行定性和定量比較。

本文基于Clarksons 船型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行研究。采用91 艘郵輪作為樣本，尺度如下：總噸位GT=3 200～228 081，分艙長度Ls=81.2～362.12 m，船上總?cè)藬?shù)N=100～8 880。按照SOLAS 2009 要求計算分艙指數(shù)R 時，對N1分別按照救生艇1∶1 配備和滿足最小配備要求進(jìn)行計算，得到Rmin和Rmax，與按照SOLAS 2020 計算得到的R 進(jìn)行比較，計算得到2 個不同要求下郵輪的R 與N 的關(guān)系圖，如圖1 所示。

圖1 要求的分艙指數(shù)R 與船上總?cè)藬?shù)N 的關(guān)系曲線Fig. 1 Curves of required subdivision index R with respect to total number of persons onboard N

從圖1 可以看出：

1） 在N 相同的情況下，SOLAS 2020 要求的分艙指數(shù)R 比SOLAS 2009 有顯著提高；

2） 對于不同的N，R 值的提升幅度ΔR 不同，且差異非常大，具體如圖2 所示。

圖2 要求的分艙指數(shù)R 的增幅與船上總?cè)藬?shù)N 的關(guān)系曲線Fig. 2 Curves of increasing percentage of required subdivision index R with respect to total number of persons onboard N

由圖2 可見：

1）對于所有樣本郵輪，與SOLAS 2009 相比，SOLAS 2020 要求的分艙指數(shù)R 的提升幅度較大，平均增幅可達(dá)6.9%～8.7%；

2）對于船上總?cè)藬?shù)N 在900～4 000 之間的樣本郵輪，SOLAS 2020 新要求對R 的影響非常顯著，R 的增幅超過10%；

3） 當(dāng)樣本郵輪N≈1 500 時，要求的分艙指數(shù)R 的增幅達(dá)到峰值，約13.5%～15%。

通過以上分析，可以得出，要求的分艙指數(shù)R 基本能代表實(shí)船達(dá)到的分艙指數(shù)A 水平。理由如下：

1） 以上分析是基于要求的分艙指數(shù)R 展開的，似乎不能代表實(shí)船達(dá)到的分艙指數(shù)A 水平。但是，在郵輪設(shè)計初期，通常先設(shè)定一個有一定安全裕度的初穩(wěn)性高度值GM，在此基礎(chǔ)上計算A。該GM 值應(yīng)能滿足所有裝載工況下的完整穩(wěn)性要求并考慮足夠的余量，以應(yīng)對實(shí)船建造中空船重量和重心高度發(fā)生偏差的情況。往往通過幾輪計算，不斷調(diào)整GM 值使A 逐步逼近R，最終滿足要求，因此郵輪設(shè)計中A 不會有太大的余量。

2） 舒適性是郵輪設(shè)計中考慮的另一個重要方面。其中，橫搖周期主要由GM 值決定，對于同一艘郵輪，GM 值越大，橫搖加速度越大，橫搖周期越短，乘員就會不舒服，甚至?xí)灤?/p>

3） 與貨船建造過程不同，郵輪建造過程中對于空船重量和重心高度的控制近乎苛刻，幾乎不允許出現(xiàn)正公差，出現(xiàn)負(fù)公差的允許范圍也很小，因此R 基本就代表A。

4） 以上是宏觀角度的分析結(jié)果。由于掌握的郵輪資料（特別是重量、重心方面的資料）非常有限，通過對僅有的兩型郵輪開展了A 指數(shù)的計算，得到了相似的結(jié)論。因此，以上對R 的分析結(jié)果基本可以代表郵輪破損進(jìn)水后可達(dá)到的分艙指數(shù)A 水平。

通過上述分析還可以得出另一個重要結(jié)論，即SOLAS 2020 對于郵輪船型的開發(fā)帶來的影響非常大，無法通過簡單的船型優(yōu)化滿足分艙指數(shù)要求。因此，必須開展深入研究，綜合平衡修改方案引起的其他設(shè)計修正量、造價等因素，最終選擇設(shè)計修正量和造價綜合水平最佳的方案。

3 滿足破艙穩(wěn)性新要求的郵輪建議方案

在以往的郵輪設(shè)計中，如需滿足SOLAS 2020破艙穩(wěn)性要求，可直接減少船上總?cè)藬?shù)N，使通過新公式計算得到的R 小于原設(shè)計方案中的A，因此，只需修改郵輪原設(shè)計方案中的船員艙室和乘客艙室。

本文將在保證N 不變的前提下，研究如何更有效、更便捷地滿足SOLAS 2020 對破艙穩(wěn)性的要求。優(yōu)化思路是，基于破艙穩(wěn)性計算公式，結(jié)合原設(shè)計方案破艙穩(wěn)性計算報告中的詳細(xì)信息，有針對性地提高破損概率pi或者生存概率si。按照由易到難、修改量由小到大的優(yōu)化原則。通常可采用的方法包括：提高風(fēng)雨密開口高度、提高初始工況GM 值、 設(shè)置橫貫進(jìn)水裝置連通同類型艙的兩舷、 增加水密分割、 改變船型主尺度等。最終優(yōu)化結(jié)果需要結(jié)合郵輪原設(shè)計方案來確定具體采取何種方案或者方案組合。

按照改動量最小的原則，首先分析原破艙穩(wěn)性計算報告，找出因風(fēng)雨密開口高度不夠造成累進(jìn)進(jìn)水而被浸沒的情況（即生存概率si值為零），適當(dāng)提高所涉及的風(fēng)雨密開口高度；此外，考慮提高GM 值的可能性，因?yàn)榇烁膭訉υO(shè)計方案幾乎不會產(chǎn)生影響。其次，若上述2 種對原設(shè)計方案影響很小的措施不能滿足新要求，可進(jìn)一步考慮增加水密分艙的數(shù)量，以及增加型深、船寬、船長等對原設(shè)計方案改動較大的方案或者方案組合。最后，通過適當(dāng)考慮初期投資和營運(yùn)成本，選擇綜合效果最優(yōu)的船型升級方案。

經(jīng)過大量計算和分析，得到6 種方案（包括提高風(fēng)雨密開口高度和初始工況 GM 值、增加水密分艙數(shù)量、型深、船寬和船長）的有效性及其對原設(shè)計修正量的總體情況。

1） 提高風(fēng)雨密開口高度。

提高風(fēng)雨密開口高度可以使郵輪在破損后的任何階段，在計及下沉、橫傾和縱傾之后，針對原設(shè)計方案在發(fā)生累進(jìn)進(jìn)水時外部風(fēng)雨密開口不被淹沒的裕度有一定程度的增加。但如果原設(shè)計方案中風(fēng)雨密開口高度已足夠高，該方案的效果將很有限。

提高風(fēng)雨密開口高度對原設(shè)計方案的主要影響是增加了有關(guān)風(fēng)雨密開口相連通的水密艙室結(jié)構(gòu)的設(shè)計壓力，對原設(shè)計方案的修改量極小。

2） 提高初始工況GM 值。

從計算角度看，可通過提高初始工況GM值來改善破艙穩(wěn)性。如果原設(shè)計的穩(wěn)性有較大富余，提高GM 值的貢獻(xiàn)效果就比較直接、有效。但通常而言，郵輪穩(wěn)性富余的情況比較少見。

從優(yōu)化配載的角度看，在線型和主尺度確定的前提下，GM 值也是確定的，進(jìn)一步提高GM 值意味著通過優(yōu)化配載來降低全船重心高度。但對于郵輪而言，即使在滿載工況下，載重量也只占排水量的15% 左右。郵輪GM 值的提高對降低載重量部分的重心高提出了極高要求，表2 所示為相關(guān)實(shí)例。

可通過減少重心較高的貨物重量、攜帶更多的壓載水等措施來降低載重量部分的重心高度。但由表2 可見，這些措施無疑都是杯水車薪，而且還會造成有效載重量減少。

表2 提高郵輪GM 值對降低載重量重心的要求Table 2 Requirements for lowering center of gravity of deadweight as improving GM of cruise ship

3） 增加水密分艙數(shù)量。

增加水密分艙數(shù)量可以將水密分艙區(qū)域縮小。當(dāng)該區(qū)域艙室發(fā)生破損導(dǎo)致進(jìn)水時可減少進(jìn)水量，提高破損后的生存概率。增加水密分艙數(shù)量的影響表現(xiàn)在2 個方面：1）空船重量會增加，載重量會減少；2）導(dǎo)致相關(guān)管系、閥件、穿艙件等數(shù)量增加，增加建造成本。總之，增加水密分艙數(shù)量對提高郵輪破艙穩(wěn)性的效果非常明顯，并且對原設(shè)計方案的修改量也不大。

4） 提高型深。

在吃水不變的前提下，提高型深意味著干舷和儲備浮力增加，這可以有效提高生存概率，而實(shí)際計算結(jié)果也驗(yàn)證了此結(jié)論。提高型深相較于增加水密分艙數(shù)量的方案而言，對原設(shè)計方案的修改量略大；此外，提高型深還會導(dǎo)致空船重心升高，空船重量和總噸位也隨之增加，導(dǎo)致船舶經(jīng)濟(jì)性有所下降，且對于本身干舷較大的郵輪船型而言，增加型深可能達(dá)不到理想的效果。

5） 增加船寬。

增加船寬時，通過提高郵輪的橫穩(wěn)性高KMT來增加GM 值，改善郵輪的破艙穩(wěn)性性能。船寬增加后，一方面會導(dǎo)致空船重量增加，載重量減少；另一方面會增加郵輪阻力，快速性變差，需要增加推進(jìn)功率來保持航速，或者降低設(shè)計航速。此方案直接改變了船舶的主尺度，對于郵輪的原設(shè)計方案改變很大。

6） 增加船長。

增加船長，同時也增加了水密分艙的數(shù)量，使得在破損工況下艙室進(jìn)水量占排水量的比例下降，從而減小了橫傾角和提高了生存概率，使破艙穩(wěn)性性能得到有效改善。此方案直接導(dǎo)致空船重量和總噸位增加，直接改變郵輪的主尺度，同時也提高了船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，相比原設(shè)計方案，其改動量很大。然而，在前幾個方案見效甚微的情況下，增加船長的措施在改善郵輪破艙穩(wěn)性方面的效果最顯著。

為了更加直觀地比較各種方案的效果及其設(shè)計修改量帶來的影響，本文將上述修改方案的實(shí)施效果和影響船型開發(fā)的程度進(jìn)行了匯總，結(jié)果如表3 所示。

表3 不同方案的效果和對船型開發(fā)的影響Table 3 Effect of different schemes and their influence on hull form development

4 應(yīng)用實(shí)例分析

以船上總?cè)藬?shù)N=1 468 人的中型郵輪為例，其主要參數(shù)如表4 所示。

表4 目標(biāo)郵輪主要參數(shù)Table 4 Main parameters of target cruise ship

原設(shè)計方案達(dá)到的分艙指數(shù)A=0.750 5，按照SOLAS 2020 新要求，若N 保持不變，要求的分艙指數(shù)R=0.850 2，達(dá)到的分艙指數(shù)A 需要提高約0.1，難度非常大。為此，開展船型優(yōu)化，進(jìn)一步驗(yàn)證各方案的實(shí)施效果。

1） 提高風(fēng)雨密開口高度。

通過對目標(biāo)郵輪原設(shè)計方案636 個破損組合的計算結(jié)果進(jìn)行分析，該郵輪的風(fēng)雨密開口高度設(shè)置比較合理，進(jìn)水點(diǎn)與最終平衡水線的高度足夠，提高風(fēng)雨密開口高度的意義不大。

圖3 原設(shè)計方案舷側(cè)和雙層底分艙示意圖Fig. 3 Schematic diagram for side and double bottom subdivision of original design

2） 提高GM 值。

由于用于破艙穩(wěn)性計算的初始滿載工況、部分裝載工況和輕載工況的GM 值形成的包絡(luò)線與裝載手冊中的典型工況下的GM 值相比，幾乎沒有提高的空間。同時，為了避免面臨因?qū)嵈ㄔ鞎r可能出現(xiàn)的空船重量和重心位置控制不到位而導(dǎo)致完工破艙穩(wěn)性不能滿足要求，進(jìn)而被迫減少船上總?cè)藬?shù)N 的尷尬局面，最終放棄了GM 值提高所帶來的A 值增加的收益。

3） 增加水密分艙數(shù)量。

考慮在原設(shè)計方案的舷側(cè)和雙層底處具備增加水密艙壁條件的處所進(jìn)行加密。

本船設(shè)置的壓載水艙很少，只在雙層底處增加3 道水密艙壁，分別重新分割淡水艙、重油艙和船用柴油艙。原設(shè)計方案和修改設(shè)計方案分別如圖3 和圖4 所示。

重新計算破艙穩(wěn)性，結(jié)果達(dá)到的分艙指數(shù)A提高了0.017 25。

4） 提高型深。

上述3 個方案優(yōu)化結(jié)果表明，其對本船A 值的提高效果非常有限，后續(xù)必須對船舶主尺度進(jìn)行調(diào)整。

首先將型深增加0.5 m（即主甲板高度修改為10.4 m），主甲板以上甲板高度相應(yīng)提高。重新計算破艙穩(wěn)性，結(jié)果達(dá)到的分艙指數(shù)A 又提高了0.027 26。

圖4 增加水密艙壁方案示意圖Fig. 4 Schematic diagram of adding watertight subdivision

5） 增加船寬。

將船寬增加0.6 m（即船寬修改為29.4 m），分艙甲板以下的縱艙壁距船舯的距離基本保持不變，重新計算破艙穩(wěn)性，結(jié)果達(dá)到的分艙指數(shù)A提高了0.022 59。

6） 增加船長。

在實(shí)施了方案1）～5）后，達(dá)到的分艙指數(shù)A仍不能滿足SOLAS 2020 對本船要求的分艙指數(shù)R。因此考慮在船舯區(qū)域沿長度方向增加6.8 m，船上總?cè)藬?shù)N 保持不變，對分艙甲板以下增加的部分額外分艙，重新計算破艙穩(wěn)性，結(jié)果達(dá)到的分艙指數(shù)A 又提高了0.041 18，最終A=0.858 7，滿足SOLAS 2020 要求。

至此，目標(biāo)船型的破艙穩(wěn)性升級方案的整體思路已基本形成。代價是設(shè)計方案的大量修改和空船重量的增加，初步估算空船重量將增加約8%，同時目標(biāo)船總噸位也將增加約3 200。

5 結(jié) 論

本文通過研究，得到以下結(jié)論：

1） 現(xiàn)有郵輪船型很難滿足SOLAS 2020 對客船破艙穩(wěn)性的要求，尤其是對于船上總?cè)藬?shù)N 為1 500 人左右的郵輪，對其要求的分艙指數(shù)增幅達(dá)到了13.5%～15%；

2） 船上總?cè)藬?shù)N=900～4 000 人的郵輪是我國郵輪建造行業(yè)的研發(fā)重點(diǎn)，也是滿足SOLAS 2020破艙穩(wěn)性要求難度最大的尺度區(qū)間。

3） 采用對原設(shè)計方案影響較小的船型升級方案，幾乎不能滿足SOLAS 2020 新要求，必須組合應(yīng)用各種技術(shù)措施。

4） 本文述及的船型優(yōu)化方案對改善破艙穩(wěn)性的貢獻(xiàn)可以疊加，但一些船東和船廠為了控制設(shè)計修改量，也可能僅采用增加船長這一項(xiàng)技術(shù)方案，來滿足SOLAS 2020 的新要求。

5） SOLAS 2020 的新要求會導(dǎo)致設(shè)計周期和建造成本大幅增加，必須充分認(rèn)識其對船型設(shè)計的影響，才能避免因認(rèn)識不足導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失。