大型集裝箱船環(huán)段起浮穩(wěn)性分析

王璐玭，柳衛(wèi)東，朱嵐劼，董澤祥

(江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司 江南研究院，上海 201913)

大型造船企業(yè)為了提高船塢的利用效率，通常采用串聯(lián)造船法，即在船塢首端建造第一艘船的同時(shí)，在船塢尾端建造第二艘船的尾部，待第一艘船下水起浮之后，將第二艘船舶尾部移位至船塢首端，繼續(xù)吊裝其他分段建造整艘船體。與此同時(shí)，建造第三艘船的尾部，依此類推[1-4]。

21 000 TEU集裝箱船是我國目前建成交付的最大集裝箱船，也是當(dāng)今世界最大級(jí)別的集裝箱船。21 000 TEU集裝箱船在江南3號(hào)船塢建造，該船塢長(zhǎng)為580 m，塢寬120 m。為盡可能提高船舶生產(chǎn)建造效率，在建造過程中，21 000 TEU集裝箱船在串聯(lián)造船的同時(shí)，橫向半串聯(lián)2個(gè)巨型環(huán)段。在整船起浮出塢后，可以使下批次船盡快完成合攏，提高搭載效率，縮短船塢周期。但環(huán)段起浮存在著結(jié)構(gòu)完整性差、水線面小、穩(wěn)性能力差、抗傾覆風(fēng)險(xiǎn)能力低等缺點(diǎn)，在評(píng)估環(huán)段起浮方案時(shí)，需要對(duì)浮態(tài)和穩(wěn)性進(jìn)行重點(diǎn)分析計(jì)算，保證起浮安全性。為解決以上難點(diǎn)，考慮采用NAPA軟件進(jìn)行分析計(jì)算，提供可行的起浮方案。

1 起浮環(huán)段概況

21 000 TEU集裝箱船總長(zhǎng)400 m、寬58.6 m、型深33.5 m、最大吃水16 m，設(shè)計(jì)航速22 kn，最大標(biāo)準(zhǔn)箱載箱量21 237 TEU，配備1 000個(gè)冷藏箱插座。船型具備技術(shù)先進(jìn)、性能優(yōu)良、節(jié)能環(huán)保、高度智能的特點(diǎn)。

21 000 TEU集裝箱船起浮環(huán)段為8-10 環(huán)段(FR233+134至FR290+383，以下稱為環(huán)段1)和11-13 環(huán)段(FR290+383至FR348-168，以下稱為環(huán)段2)，共計(jì)2個(gè)獨(dú)立的環(huán)段，見圖1、2。

圖1 環(huán)段1模型示意

圖2 環(huán)段2模型示意

環(huán)段1僅在FR257布置有水密艙壁，首尾均無水密分隔，水密完整性非常差，需要通過擋水板進(jìn)行分割，保證必要的浮力提供。

環(huán)段2前后結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，首部布置有燃油艙，重心偏差大，起浮需要重點(diǎn)調(diào)整浮態(tài)配載。

2 配載方法

2.1 針對(duì)環(huán)段1

由于環(huán)段僅在FR257布置有水密艙壁，整個(gè)環(huán)段無法形成提供浮力的封閉水密空間，依靠目前艙室分隔無法完成起浮。在進(jìn)行隔艙配載過程中，考慮2種隔艙方案。

1)方案一。在FR233+134和FR290+383處，將貨艙、底壓載艙、邊壓載艙、管弄通過封板進(jìn)行密封，形成完整的起浮浮體。

2)方案二。在首尾端僅在貨艙區(qū)和管弄采用封板密封，形成封閉浮體，對(duì)底壓載艙和邊壓載艙不進(jìn)行分隔，與外界直接連通。

對(duì)比2個(gè)起浮方案，從穩(wěn)性安全和抗傾覆性能方面，方案一具有更大優(yōu)勢(shì)，水線面更大，可提供浮力艙容更大，當(dāng)重量重心發(fā)生偏差時(shí)，更大的水線面可以提供更強(qiáng)的容錯(cuò)能力，減小起浮浮態(tài)的偏差。方案二僅在貨艙區(qū)提供起浮浮力，水線面小，對(duì)重量重心統(tǒng)計(jì)敏感，起浮風(fēng)險(xiǎn)性更大。

從現(xiàn)場(chǎng)施工便利性和縮短工期、節(jié)約成本的角度上比較，方案一施工量較大，封板使用量大，在配載中需要打水和排水的周期較長(zhǎng)。相比之下，方案二封板區(qū)域小，現(xiàn)場(chǎng)施工操作簡(jiǎn)單，可節(jié)約成本，提高效率。

經(jīng)過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工難度和船塢生產(chǎn)周期的分析，在保證起浮安全性的前提下，對(duì)環(huán)段一采用方案二作為起浮方案。

2.2 針對(duì)環(huán)段2

環(huán)段本身首尾分別布置有水密艙壁，可以提供船舶起浮浮力需求，因此，不需要額外增加起浮水密隔艙來增加起浮浮體和水線面。由于本環(huán)段首部為燃油深艙艙室，環(huán)段本身的重量重心分布不對(duì)稱，重量向首部集中。為保證起浮浮態(tài)的平穩(wěn)，需要在尾部進(jìn)行配載，增加重量分布，在滿足彎矩要求的情況下，調(diào)整浮態(tài)縱傾。為此，提出了以下2種配載方案。

1)方案一。對(duì)4號(hào)底壓載艙進(jìn)行滿艙打水，同時(shí)在301號(hào)肋位附近(具體位置根據(jù)最終多余不足重量調(diào)整)使用結(jié)構(gòu)分段作為固定壓載進(jìn)行配載調(diào)平。需要使用4個(gè)分段，共計(jì)1 010.8 t。壓載布置見圖3。

圖3 固定壓載布置方案

2)方案二。對(duì)4號(hào)底壓載艙進(jìn)行滿艙打水，同時(shí)在FR302處采用貨艙封板分隔，在FR293水密艙壁與封板之間形成臨時(shí)配載壓載艙室，并打水約750 t(具體壓載根據(jù)最終多余不足重量調(diào)整)。為減小自由液面，在隔艙中增加兩道距船中8 m的水密縱向艙壁，將隔艙分為3個(gè)區(qū)域。隔艙壓載水方案見圖4。

圖4 隔艙壓載水方案?jìng)?cè)視圖

對(duì)比2個(gè)起浮方案，從穩(wěn)性安全和抗傾覆性能方面，方案一具有更大優(yōu)勢(shì)，固定壓載重量重心擁有更強(qiáng)的可控性，也不存在方案二的自由液面影響問題，現(xiàn)場(chǎng)施工更加簡(jiǎn)單，不需要進(jìn)行封板焊接和打水、排水工作。但從環(huán)段貨艙結(jié)構(gòu)受力方面，生產(chǎn)部門更傾向于方案二，對(duì)結(jié)構(gòu)受力更均勻，對(duì)結(jié)構(gòu)變形影響更小。最終2次起浮分別采用方案一和方案二。

3 穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果

在對(duì)環(huán)段1和環(huán)段2的配載方案明確之后，則開始進(jìn)行軟件浮體建模和重量分布輸入工作，進(jìn)而進(jìn)行浮態(tài)與穩(wěn)性的計(jì)算分析[5-6]。

對(duì)于環(huán)段1和環(huán)段2，均存在部分艙室與外界連通進(jìn)水情況，在模型計(jì)算中，考慮采用以下2種分析方法。

1)方法一。根據(jù)船舶靜力學(xué)原理[7]，采用損失浮力法，在浮體建模過程中，將與外界連通的艙室排除在浮體建模范圍外，則在計(jì)算分析中，不考慮連通進(jìn)水艙室的浮力。如圖5所示，進(jìn)水艙室不包含在模型中。

圖5 損失浮力法模型視圖

2)方法二。根據(jù)船舶靜力學(xué)原理，采用增加重量法，在NAPA軟件中，采用OTS指令操作，將與外界連通的艙室包含在浮體建模范圍以內(nèi)，但在計(jì)算分析中，軟件會(huì)根據(jù)外界液面高度計(jì)算與外界連通艙室的進(jìn)水量和進(jìn)水液位，進(jìn)而計(jì)算艙室進(jìn)水增加的壓載重量，計(jì)算船舶浮態(tài)。如圖6所示，陰影區(qū)域艙室在模型中存在，但與外界連通，水位保持連貫性。

圖6 增加重量法模型視圖

2種計(jì)算方法在原理上一致，理論計(jì)算結(jié)果應(yīng)該相等[8]。在工程應(yīng)用中，方法一更加常見，操作更加簡(jiǎn)單，建模工作量也更小。但方法二艙室浮體模型與實(shí)際搭載方案更加一致，當(dāng)起浮方案艙室連通情況發(fā)生變更時(shí)，更改工作量更小，比較適合21 000 TEU集裝箱船項(xiàng)目這種多批次多方案多浮態(tài)要求的起浮配載需求。因此，起浮計(jì)算最終選用了方法二。

在NAPA軟件中對(duì)環(huán)段1和環(huán)段2進(jìn)行浮體建模、重量重心輸入和配載輸入，重量重心數(shù)據(jù)采用各設(shè)計(jì)專業(yè)的理論數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及生產(chǎn)運(yùn)行部的反饋數(shù)據(jù)。

環(huán)段1浮態(tài)計(jì)算結(jié)果見表1，完整穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 環(huán)段1浮態(tài)計(jì)算結(jié)果 m

表2 環(huán)段1完整穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果

環(huán)段2方案一浮態(tài)計(jì)算結(jié)果見表3，完整穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果見表4。

表3 環(huán)段2方案一浮態(tài)計(jì)算結(jié)果 m

表4 環(huán)段2方案一完整穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果

環(huán)段2方案二浮態(tài)計(jì)算結(jié)果見表5，完整穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果見表6。

表5 環(huán)段2方案二浮態(tài)計(jì)算結(jié)果 m

表6 環(huán)段2方案二完整穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果

對(duì)比以上計(jì)算結(jié)果，環(huán)段1起浮方案和環(huán)段2兩種方案均滿足穩(wěn)性要求。

4 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及預(yù)案

以環(huán)段1為例，穩(wěn)性衡準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 環(huán)段1重量重心偏差穩(wěn)性衡準(zhǔn)分析結(jié)果

對(duì)邊界艙室焊縫漏水的情況進(jìn)行評(píng)估，考慮當(dāng)臨時(shí)封板密性不滿足要求，艙室進(jìn)水時(shí)，產(chǎn)生的最大橫傾和最大縱傾，漏水后船舶浮態(tài)見圖7。

圖7 焊縫漏水浮態(tài)計(jì)算

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)那些進(jìn)水后會(huì)造成傾覆風(fēng)險(xiǎn)的艙室，在起浮前安排專人進(jìn)行探傷檢查，保證起浮的安全性。

考慮到起浮環(huán)段的重量重心統(tǒng)計(jì)過程中可能存在數(shù)據(jù)偏差，起浮后的浮態(tài)可能與理論計(jì)算結(jié)果存在縱傾和橫傾偏差。設(shè)計(jì)人員對(duì)環(huán)段起浮后浮態(tài)進(jìn)行模擬壓鐵調(diào)整，計(jì)算出將環(huán)段浮態(tài)調(diào)整到可接受范圍內(nèi)所需的壓鐵用量。在起浮作業(yè)前，將壓鐵準(zhǔn)備到位，隨時(shí)應(yīng)對(duì)可能的風(fēng)險(xiǎn)。壓鐵調(diào)整的船舶浮態(tài)見圖8。

圖8 壓鐵調(diào)整浮態(tài)計(jì)算

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)人員為環(huán)段1和環(huán)段2各準(zhǔn)備了100 t壓鐵。

5 實(shí)際起浮結(jié)果及誤差分析

實(shí)際起浮結(jié)果見表8。

表8 實(shí)際起浮結(jié)果與理論計(jì)算對(duì)比

對(duì)比環(huán)段起浮結(jié)果，環(huán)段2兩種方案無論采用分段壓載還是隔艙加水壓載方案，最終起浮吃水誤差都較小。但環(huán)段1縱傾誤差約1.3%，比環(huán)段2大一些。2個(gè)環(huán)段起浮都是安全可靠的，沒有造成大縱傾或大橫傾等危險(xiǎn)。

分析起浮數(shù)據(jù)可知，浮體起浮過程中，環(huán)段1浮態(tài)誤差更加難以控制。

環(huán)段1的特點(diǎn)都是小水線面，多艙室與外界連通，環(huán)段1的5號(hào)、6號(hào)邊壓載、底壓載及封板外貨艙區(qū)均與外界連通。

此類起浮方案的好處是可減少現(xiàn)場(chǎng)封艙和壓載打水的時(shí)間和工作量，但小水線面浮體對(duì)重量重心誤差非常敏感，數(shù)據(jù)誤差造成的初始橫傾縱傾會(huì)隨著艙室進(jìn)水變化而加劇。理論設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)的重心誤差難以避免。

6 結(jié)論

串聯(lián)造船法可以提高船舶建造效率，縮短船塢占用時(shí)間。通過NAPA軟件對(duì)環(huán)段起浮安全性進(jìn)行評(píng)估，可確認(rèn)環(huán)段部分封板起浮安全可行，減少現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間和物量損耗。計(jì)算方法和結(jié)果經(jīng)過實(shí)際起浮驗(yàn)證，證明可保證船舶環(huán)段起浮的安全性和可靠性。同時(shí)，實(shí)際出現(xiàn)的浮態(tài)誤差及誤差原因的分析可讓設(shè)計(jì)人員掌握環(huán)段起浮需要重點(diǎn)把控的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。計(jì)算分析為船舶建造提供了技術(shù)支撐，為后續(xù)大型箱船的生產(chǎn)建造提供了經(jīng)驗(yàn)積累，在后續(xù)船舶的環(huán)段劃分和起浮區(qū)域計(jì)劃時(shí)能夠更加安全合理。