25 m沿海高速客船破損穩(wěn)性分析

章 泉 王 朝

（杭州現(xiàn)代船舶設(shè)計(jì)研究有限公司 杭州310053）

0 引 言

船舶分艙和破損穩(wěn)性，是指船舶在一艙或數(shù)艙破損進(jìn)水后仍能保持一定浮態(tài)和穩(wěn)性的能力。隨著國內(nèi)法規(guī)對高速客船分艙與穩(wěn)性要求的提高，在船舶技術(shù)設(shè)計(jì)初期階段，如何優(yōu)化高速客船的總布置設(shè)計(jì)和破損穩(wěn)性，找到對設(shè)計(jì)影響最小又能滿足規(guī)范要求的最佳方案，是設(shè)計(jì)過程中的重要環(huán)節(jié)。最新生效的《2020法規(guī)》對高速客船分艙與穩(wěn)性的相關(guān)要求比以往規(guī)范有較大調(diào)整，這對采用該規(guī)范的高速客船破損穩(wěn)性提出了更高要求。因此，結(jié)合新法規(guī)的要求，對高速客船破損穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析非常必要。

1 高速船破損穩(wěn)性的衡準(zhǔn)要求

1.1 船體破損范圍

船體破損分為舷側(cè)破損、首尾破損和船底破損。具體破損范圍劃分如下。

1.1.1 舷側(cè)破損范圍

舷側(cè)破損范圍的對比見表1。

表1 舷側(cè)破損范圍的對比

可見，新舊法規(guī)對舷側(cè)破損范圍均有較明確規(guī)定，但其破損范圍的影響因素不同：《2011法規(guī)》高速客船的破損范圍與船長和船寬有關(guān)，而《2020法規(guī)》高速客船的破損范圍界定與船舶設(shè)計(jì)吃水處排水體積有關(guān)。

1.1.2 首尾破損范圍

《2020法規(guī)》在《2011法規(guī)》的基礎(chǔ)上，新增 “首尾破損”。首破損范圍是指船的首端Abow區(qū)域內(nèi)的破損，其范圍自高速船水密外殼的最前端向后延伸，且不超過舷側(cè)破損的縱向范圍；尾破損的破損范圍指自船體水密外殼的最尾端向船首0.2▽區(qū)域內(nèi)的破損。

1.1.3 船底破損范圍對比

船底破損范圍的對比見表2。

表2 船底破損范圍的對比

可見，對于船底破損范圍《2020法規(guī)》和《2011法規(guī)》都有明確規(guī)定，但破損范圍的影響因素不同?！?020法規(guī)》的破損范圍較多考慮了高速船速度快的特點(diǎn)。由于高速船高速航行時一旦發(fā)生觸礁或擱淺，容易對船體造成較大范圍的破壞，故將船底破損范圍分為易耙損部位和不易耙損破損部位。易耙損部位的縱向范圍取值大，破損時船舶浮力大，穩(wěn)性不易滿足。此外，兩法規(guī)對高速客船的破損穩(wěn)性范圍均也有明確規(guī)定，但《2020法規(guī)》將破損范圍和破損部位劃分得更詳細(xì)。

《2020法規(guī)》高速船破損范圍和破損組合的解釋：

（1）“容易遭受耙損部位”是指設(shè)計(jì)水線尾端0.5范圍內(nèi)70%設(shè)計(jì)水線以下部分和設(shè)計(jì)水線首端點(diǎn)至船中70%設(shè)計(jì)水線處連線以下部分；“不易遭受耙損部位”是指設(shè)計(jì)水線下所有不屬于“容易遭受耙損部位”的部位。

（2）確定破損組合時，分3種情況考慮：舷側(cè)破損與首尾破損同時考慮；易遭受耙損部位的船底破損與首尾破損同時考慮；不易遭受耙損部位的船底破損與首尾破損同時考慮。

（3）如存在破損范圍小于（2）中任3種情況，會造成更嚴(yán)重的后果，則應(yīng)計(jì)算此種較小范圍的破損范圍。

1.2 破損后剩余穩(wěn)性衡準(zhǔn)

《2020法規(guī)》和《2011法規(guī)》對高速客船的穩(wěn)性衡準(zhǔn)要求大體相同，故不詳細(xì)解釋，但《2020法規(guī)》對船舶破損后最大剩余復(fù)原力臂的衡準(zhǔn)增大0.04 m，從一定程度上提高了船底破損時船舶的安全性要求。

2 實(shí)例分析

2.1 船舶的主要要素及布置

以25 m沿海高速船為例，船舶的主要尺度為：總長 25.9 m、水線長24.35 m、垂線間長23.7 m、型寬5.0 m、型深2.25 m、設(shè)計(jì)吃水1.2 m、排水體積60.7 m、乘員16人、船員4 人，總布置圖如圖1所示。

圖1 總布置圖

該船在主甲板以下位于FR4、FR16、FR46肋位共設(shè)3道水密艙壁。船尾至FR4肋位為舵機(jī)艙，F(xiàn)R4至FR16肋位為機(jī)艙，F(xiàn)R16至FR46為下沉式甲板室，艙室底部距基線1.35 m處設(shè)平臺甲板，平臺下在FR32、FR39處設(shè)2道水密艙壁，其中FR16至FR32肋位為NO.2底艙，內(nèi)設(shè)燃油艙（左/右）、浮力艙（左/右）、一個生活污水柜及一個淡水柜。FR32至FR 46肋位為NO.1底艙。FR46至首為首尖艙。在破損穩(wěn)性計(jì)算時，船員休息室、衛(wèi)生間、門廳和會議室統(tǒng)稱為生活區(qū)。

2.2 計(jì)算工況

① 滿載出港；② 滿載到港；③ 空載出港；④ 空載到港。

2.3 破損范圍

根據(jù)《2020法規(guī)》高速船假定破損范圍的要求， 25 m沿海高速船的破損范圍見下頁表3。

表3 破損范圍

2.4 計(jì)算分析

結(jié)合《2020法規(guī)》高速客船破損范圍的要求和總體布置綜合考慮，基于中國船級社Compass-Rules海船規(guī)范計(jì)算系統(tǒng)確定法破艙穩(wěn)性計(jì)算程序進(jìn)行設(shè)計(jì)階段初期高速客船的破損穩(wěn)性計(jì)算分析。以滿載出港工況為初始工況，即排水量為63.4 t，重心高度為1.686 m，重心縱向位置為舯后1.626 m。破損穩(wěn)性核算過程中發(fā)現(xiàn)機(jī)艙和舵機(jī)艙、機(jī)艙和生活區(qū)、NO.1底艙和NO.2底艙分別破損時，其破損穩(wěn)性不能滿足《2020法規(guī)》對高速客船破損穩(wěn)性的要求，其中NO.1底艙和NO.2底艙同時破損時，因破損后無平衡點(diǎn)而導(dǎo)致最終沉沒。未滿足的破損組合及其進(jìn)水量、破損浮態(tài)計(jì)算結(jié)果見下頁表4和表5。

表4 不滿足的破損組合及其進(jìn)水量

表5 破損浮態(tài)計(jì)算結(jié)果

綜合船舶的總體布置和破損進(jìn)水后剩余穩(wěn)性的結(jié)果分析，其破損穩(wěn)性不能滿足規(guī)范要求的主要原因有：

（1）舵機(jī)艙長度過小，其艙長小于縱向破損長度，此時需假定FR4艙壁不存在，核算舵機(jī)艙與機(jī)艙同時破損，此時破損長度相對較長，屬于較惡劣的工況。破損進(jìn)水后，進(jìn)水量過大，導(dǎo)致出現(xiàn)較大尾傾，加劇了最終平衡時破艙的惡劣程度。

（2）NO.1底艙和NO.2底艙艙長過長，兩艙同時破損時進(jìn)水量大，縱傾嚴(yán)重，喪失回復(fù)能力，導(dǎo)致船舶最終無平衡點(diǎn)而沉沒。

（3）破損水線至救生筏登乘位置的干舷為負(fù)值，不能滿足破損后剩余穩(wěn)性衡準(zhǔn)。由于舵機(jī)艙和機(jī)艙同時破損時，尾傾達(dá)2.444 m，破損后平衡水線淹沒限界線，救生艇登乘位置在水線下0.150 m。另外，除滿載出港的表列結(jié)果，滿載到港、空載出/到港工況中的所有不合格狀態(tài)都存在救生艇的最小距離無法滿足規(guī)范要求。

（4）破損后剩余穩(wěn)性的最大剩余復(fù)原力臂過小而不滿足規(guī)范要求。當(dāng)機(jī)艙、生活區(qū)和機(jī)艙、客艙區(qū)、NO.2底艙分別同時破損時，其最大剩余復(fù)原力臂均小于0.1 m。

（5）船艙破損時舵機(jī)艙和機(jī)艙、NO.1底艙和NO.2底艙同時破損時最危險(xiǎn)，損失浮力最大。

2.5 應(yīng)對方案

鑒于實(shí)例船型本身的特點(diǎn)，破損后船舶是對稱進(jìn)水，而且方案驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)破損穩(wěn)性不滿足的載況僅為采用單一變量的改進(jìn)方案時，其破損穩(wěn)性無法滿足規(guī)范要求。基于最小改動改善船舶破艙穩(wěn)性和艙室的劃分主要取決于穩(wěn)性與浮態(tài)，最終采取以下疊加方案。

2.5.1 降低重心高度，提高初始工況的值

此方案對于改善破損后剩余穩(wěn)性的最大剩余復(fù)原力臂過小的問題效果明顯，圖2和圖3分別為完整穩(wěn)性、破損穩(wěn)性在初始工況和降低重心后的復(fù)原力臂曲線對比圖。不過，由于客船有上層建筑及客艙布置的限制，其重心高可調(diào)整范圍有限，需對全船重心進(jìn)行初步預(yù)估后適當(dāng)取值，同時應(yīng)考慮船舶完工時的實(shí)際重心高的誤差。

圖2 靜穩(wěn)性曲線對比圖

圖3 破損后剩余復(fù)原力臂曲線對比圖

計(jì)算結(jié)果表明：在初始方案基礎(chǔ)上，保持排水量不變的前提下，僅在船艙底部增加固定壓載，降低船舶的重心高度，并不能解決舵機(jī)艙和機(jī)艙同時破損時，風(fēng)雨密點(diǎn)和救生筏登乘位置距破損水線的最小距離不滿足規(guī)范要求的問題；NO.1底艙與NO.2底艙破損后，船體因無法平衡船舶沉沒。其結(jié)果見下頁表6。

2.5.2 合理設(shè)置風(fēng)雨密點(diǎn)

從表6浮態(tài)計(jì)算結(jié)果分析，該方案將進(jìn)入機(jī)艙的兩個風(fēng)雨密小艙蓋改成水密小艙蓋，并將舵機(jī)艙的鵝頸式通風(fēng)筒出口距主甲板高度由430 mm增至800 mm，提高其出口距破損水線的距離，改善破艙穩(wěn)性，但風(fēng)雨密點(diǎn)的高度增加到一定程度后，改善效果有限。

表6 降低重心高后破損浮態(tài)計(jì)算結(jié)果

2.5.3 增加水密分隔

從下頁表7浮態(tài)計(jì)算結(jié)果分析，該方案考慮將NO.1底艙分成NO.1底艙和NO.2底艙，即在FR39處增加水密艙壁，分隔后的2個艙室艙長均大于縱向破損范圍，同時在首尖艙底部增加固定壓載和提高風(fēng)雨密點(diǎn)垂向高度的方法以提高破損穩(wěn)性。調(diào)整后的艙室布置見下頁圖4。

圖4 新總布置圖

表7 提高風(fēng)雨密點(diǎn)后破損浮態(tài)計(jì)算結(jié)果

從修改后的艙室布置可見， FR32至FR46底艙因增設(shè)FR39橫艙壁，舷側(cè)、船底破損組合也相應(yīng)發(fā)生了變化，即NO.1底艙、NO.2底艙和生活區(qū)、NO.2底艙和NO.3底艙、生活區(qū)和NO.2底艙、生活區(qū)和NO.3底艙同時破損。而由于FR25至FR32舷側(cè)自下而上設(shè)置了浮力艙1（左/右），所以不存在NO.1底艙、NO.2底艙和生活區(qū)同時破損的情況?？傊芊指艉?，單獨(dú)分開的艙室艙容變小，相鄰艙室破損后自由液面和進(jìn)水量也相應(yīng)減小，船舶破損后平衡水線縱傾值減小，其剩余穩(wěn)性明顯改善，詳見下頁表8和表9。

表8 增加水密分隔后破損組合及其進(jìn)水量

表9 增加水密分隔后破損浮態(tài)計(jì)算結(jié)果

2.5.4 增加浮力體

當(dāng)舵機(jī)艙和機(jī)艙同時破損后，為了使救生艇距破損水線的最小距離滿足規(guī)范要求，在不影響舵機(jī)正常工作的前提下，該方案自船尾至FR4兩舷距中1 920 mm增加1道縱壁，增設(shè)浮力艙2（左/右）采用低密度不吸水的封閉型發(fā)泡塑料填充提供浮力。由于浮力艙位置靠近尾端，其產(chǎn)生的力矩相對較大，當(dāng)舵機(jī)艙和機(jī)艙同時破損時，進(jìn)水量減少的同時，力矩也明顯減小，破損后船舶尾傾、浮態(tài)和穩(wěn)性明顯改善。采取以上措施后，其最終破損組合及其進(jìn)水量以及最終破損浮態(tài)計(jì)算結(jié)果見表10和表11。

表10 最終破損組合及其進(jìn)水量

表11 最終破損浮態(tài)計(jì)算結(jié)果

3 綜合分析

3.1 破損計(jì)算結(jié)果分析

經(jīng)25 m沿海高速船的實(shí)例破損穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果的對比發(fā)現(xiàn)：在對稱進(jìn)水的情況下，其最難滿足的破損穩(wěn)性指標(biāo)是破損水線至救生筏登乘位置的距離和剩余穩(wěn)性最大復(fù)原力臂的要求。方案驗(yàn)證過程中，破損穩(wěn)性若不滿足，可采用多種解決方案從不同的角度改善破損后船舶的剩余穩(wěn)性，而僅采用單一變量的改進(jìn)方案，則無法滿足規(guī)范要求。最終，本船采用了疊加方案來綜合改善其破損穩(wěn)性。

3.2 提升破損穩(wěn)性的方法

3.2.1 合理分艙，增加水密分隔

合理進(jìn)行艙室劃分，有助于增加整船的抗沉能力。在方案設(shè)計(jì)總體布置時，結(jié)合破損范圍合理分艙、將船艙隔小，使破損時進(jìn)水量減小、均衡進(jìn)水，這是一種常見的改善破艙穩(wěn)性的方法。然而，艙室的劃分主要取決于穩(wěn)性和浮態(tài)，因此需對不同的船加以研究，從而確定最優(yōu)分艙。

3.2.2 設(shè)置浮力體，增加儲備浮力

根據(jù)初步破損最終浮態(tài)確定浮力體的位置，減小破損艙室的艙容，降低其進(jìn)水量，從而提高船舶的儲備浮力。

3.2.3 降低重心高度，提高初穩(wěn)性高值

優(yōu)化裝載使重心降低，重量穩(wěn)性臂減小，其初始工況的靜穩(wěn)性臂增加，破損后剩余穩(wěn)性的最大剩余復(fù)原力臂增大。初步預(yù)估船舶的初始質(zhì)量和重心位置，合理調(diào)節(jié)載況，盡量避免出現(xiàn)較大的縱傾裝載工況。常用的措施有：在船底艙內(nèi)增加固定壓載以及艙室內(nèi)裝選用輕質(zhì)不燃材料等。

3.2.4 合理調(diào)整風(fēng)雨密點(diǎn)的位置

可根據(jù)破損最終平衡水線的位置，適當(dāng)提高風(fēng)雨密點(diǎn)的高度，以保證高于最終平衡水線，即盡量以往高、往內(nèi)、往中間的原則布置風(fēng)雨密點(diǎn)或改設(shè)為水密，是一種對設(shè)計(jì)影響較小的方案。在確定風(fēng)雨密點(diǎn)的位置時，為了保證預(yù)測結(jié)果盡可能準(zhǔn)確，按照安全原則來確定風(fēng)雨密點(diǎn)的位置：縱向位置取遠(yuǎn)離船舯處，橫向位置應(yīng)盡可能取舷側(cè)處，垂向位置則按滿足法定檢驗(yàn)規(guī)則的最低要求選取。

4 結(jié) 語

通過25 m沿海高速船不同工況的計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)：以上4種方法從一定程度上改善了船舶的破艙穩(wěn)性，船舶破損后的浮態(tài)很大程度上取決于船舶的初始狀態(tài)，而船舶破損后的浮態(tài)又決定了船舶的殘存能力。因此在進(jìn)行同類型的高速客船破艙穩(wěn)性計(jì)算時，應(yīng)針對船型本身的特點(diǎn)，分析不滿足規(guī)范要求的參數(shù)，從而針對性選擇是采用單一改進(jìn)方案，還是采用疊加改進(jìn)方案來改善其破艙穩(wěn)性。此外，還可通過減小液艙自由液面、優(yōu)化客艙空間位置等其他方法對同類型船舶進(jìn)行研究分析，并提出克服破損穩(wěn)性不足而采取的相應(yīng)技術(shù)措施，以保證船舶營運(yùn)時的航行安全。