滾裝船橫貫浸水裝置的應(yīng)用研究

郭冬雪　趙萌

摘 要：滾裝船重心較高，不對(duì)稱浸水對(duì)破艙穩(wěn)性影響較大。在不改變?cè)蟹峙摰幕A(chǔ)上為提高其穩(wěn)性，多采用增加橫貫浸水裝置的方式，改善不對(duì)稱浸水對(duì)穩(wěn)性的削弱。文章基于MSC362（92）的規(guī)范要求，結(jié)合項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，討論了結(jié)構(gòu)管計(jì)算公式的選取方法，提出一種橫貫浸水的簡(jiǎn)化算法和判斷空氣管頭影響的方法，為橫貫浸水計(jì)算提供參考。

關(guān)鍵詞：貨滾船;客滾船;橫貫浸水;結(jié)構(gòu)連通管;透氣管

中圖分類號(hào)：U662 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2022）03-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2022.03.016

橫貫浸水是指將船舶的一個(gè)未破損處浸水，以減少最終平衡狀態(tài)下的橫傾。為避免破損時(shí)不對(duì)稱浸水對(duì)穩(wěn)性的削弱，常在左右對(duì)稱艙室間設(shè)置連通管，在一側(cè)發(fā)生破損時(shí)，能通過(guò)橫貫浸水減少平衡時(shí)的橫傾。如果橫貫浸水平衡時(shí)間小于60 s，則認(rèn)為是瞬時(shí)浸水，這兩個(gè)艙可視為一個(gè)艙，無(wú)須進(jìn)一步計(jì)算。如平衡時(shí)間大于60 s，則浸水中間階段的生存概率應(yīng)在概率破艙中考慮[1]。為減少中間狀態(tài)對(duì)概率破艙穩(wěn)性的削弱，一般盡可能將橫貫浸水過(guò)程控制在60 s內(nèi)。文章結(jié)合筆者的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，在此討論橫貫浸水計(jì)算中的幾處關(guān)鍵點(diǎn)，以為后續(xù)計(jì)算提供參考。

1 應(yīng)用概況

1.1 滾裝貨船

國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)的貨船鮮有使用橫貫浸水裝置，但是在國(guó)外設(shè)計(jì)的船舶中，此裝置應(yīng)用較多并集中在滾裝貨船上。滾裝貨船多布置多層全通貨艙甲板，以裝載汽車等可以借助輪子裝卸貨物。其具有較高的型深，露天甲板上裝載多層集裝箱或車輛，滿載后重心偏高，不對(duì)稱浸水對(duì)穩(wěn)性的影響比普通貨船更大。

對(duì)比一型分艙長(zhǎng)度229.75 m的滾裝貨船，典型剖面如圖1所示，要求分艙指數(shù)為0.67195，實(shí)際達(dá)到的分艙指數(shù)為0.59214。不改變其他設(shè)置，僅通過(guò)增加橫貫浸水裝置，該船最終達(dá)到的分艙指數(shù)為0.67291，其改善效果非常明顯。

基于已有的布置設(shè)計(jì)，破艙穩(wěn)性略有不足，方案很多，大則可以修改分艙，但是影響較大;小則可以通過(guò)提高穩(wěn)性高度（GM），但是會(huì)限制船東的運(yùn)營(yíng)操作。如果是因?yàn)椴粚?duì)稱浸水影響穩(wěn)性，增加橫貫浸水連通裝置是一個(gè)行之有效的方案。

1.2 客滾船

因?yàn)榭痛婆摲€(wěn)性要求更高，破損平衡后允許的最大橫傾角度明顯降低，對(duì)分艙指數(shù)影響較大，因此橫貫浸水裝置在客船上應(yīng)用比較普遍，連通方式有兩種：管子和結(jié)構(gòu)管道。結(jié)構(gòu)管道連通的方式更為普遍，文章都是基于結(jié)構(gòu)連通闡述的;在設(shè)計(jì)初期，左右邊艙多采用U形艙布置，如圖2所示。

這種布置可直接將左右邊艙認(rèn)定為一個(gè)艙，無(wú)須額外計(jì)算橫貫浸水。但是，由于布置限制，U形艙底部往往還會(huì)設(shè)置其他艙室，如圖3所示。

這種布置將阻斷左右艙水的流通，因此，要考慮橫貫浸水計(jì)算。結(jié)構(gòu)開(kāi)孔布置時(shí)，在強(qiáng)度允許范圍內(nèi)應(yīng)盡量開(kāi)大，使橫貫浸水的時(shí)間控制在60 s以內(nèi)。但是，受空間等因素限制，有些艙室縱桁上開(kāi)孔面積無(wú)法滿足60 s瞬時(shí)浸水的要求，這種布置也是可以接受的，只是在概率破艙計(jì)算中要考慮中間浸水階段的生存概率。

2 橫貫浸水連通面積的要求

目前，橫貫浸水計(jì)算主要依賴于NAPA軟件，計(jì)算耗時(shí)長(zhǎng)。文章基于已有的破艙計(jì)算結(jié)果，根據(jù)橫貫浸水計(jì)算公式，歸納出簡(jiǎn)化算法，可在設(shè)計(jì)初期短時(shí)間內(nèi)判斷橫貫浸水的平衡時(shí)間，確定橫貫浸水裝置的參數(shù)。

2.1 橫貫浸水摩擦系數(shù)的選取

橫貫浸水裝置一般分為管子連通和結(jié)構(gòu)管連通，因管子連通算法沒(méi)有爭(zhēng)議，文章在此主要闡述結(jié)構(gòu)管連通的計(jì)算方法。

決議[2]中，結(jié)構(gòu)管連通裝置有兩種摩擦系數(shù)計(jì)算公式，分別適用于帶有一個(gè)減輕孔的結(jié)構(gòu)管（下文簡(jiǎn)稱“單孔”，如圖4所示），以及帶有兩個(gè)/多個(gè)減輕孔的結(jié)構(gòu)管（下文簡(jiǎn)稱“雙孔”，如圖5所示），計(jì)算公式具體如下：

單孔公式：

k=0.6718×Li0.119（0<Li<12）

k=0.903（12≤Li）

雙孔公式：

k=1.7968×Li-0.026（0<Li<12）

k=1.684（12≤Li）

式中：

k：相鄰桁材間的摩擦系數(shù)。

Li：?jiǎn)蝹€(gè)結(jié)構(gòu)管的長(zhǎng)度，單位：m。

假設(shè)船寬30 m，橫貫浸水結(jié)構(gòu)管兩端與舷側(cè)距船中B/5的曲線上，即結(jié)構(gòu)管總長(zhǎng)度為18 m，縱桁等跨距布置，分別計(jì)算單孔和雙孔系列結(jié)構(gòu)管的摩擦系數(shù)，結(jié)果如表1所示。由計(jì)算結(jié)果可知：若保持橫貫浸水時(shí)間一致，雙孔結(jié)構(gòu)管的連通面積更大;橫貫浸水結(jié)構(gòu)管中縱桁越多，摩擦系數(shù)越大，同浸水時(shí)間下的開(kāi)孔面積越大;橫貫浸水結(jié)構(gòu)管中縱桁越少，同浸水時(shí)間下單、雙孔的開(kāi)孔面積比越小。

為使橫貫浸水時(shí)間少于60 s，縱桁上的開(kāi)孔往往較大，常見(jiàn)的橫貫浸水開(kāi)孔如圖6所示。在我廠某客滾船項(xiàng)目上，設(shè)計(jì)院起初認(rèn)為此類開(kāi)孔較大，且有橫框架結(jié)構(gòu)，每道開(kāi)孔可視為相互獨(dú)立，應(yīng)采用單孔公式計(jì)算摩擦系數(shù)。但是，筆者經(jīng)與船級(jí)社多輪討論后確認(rèn)，這種布局應(yīng)采用雙孔公式計(jì)算。

2.2 橫貫浸水平衡時(shí)間簡(jiǎn)化算法

概率破艙計(jì)算工況較多，需要較多的計(jì)算資源。為避免由于局部開(kāi)孔修改而耗時(shí)重復(fù)計(jì)算，文章根據(jù)計(jì)算公式提出一種保守的簡(jiǎn)化算法，以提高計(jì)算效率。橫貫浸水平衡時(shí)間的計(jì)算公式如下：

式中：Tf：平衡時(shí)間（s）;

Wf：從開(kāi)始到最終平衡的浸水量（m3）;

S：縱桁上橫貫浸水開(kāi)孔面積（m2）;

F：速度折減因子;

g：重力加速度9.81 m/s2;

H0：橫貫浸水前的水壓頭（m）;

hf：橫貫浸水后的水壓頭（m）;

基于上述公式可看出，當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定時(shí)，S、F參數(shù)也隨之確定;g為常數(shù);hf 取0 m時(shí)，結(jié)果最為保守。

由此看來(lái)，Wf和H0如何選取，成為本計(jì)算的關(guān)鍵點(diǎn)。對(duì)于Wf，筆者擬取概率破艙計(jì)算中最終平衡水線以下的體積為浸水體積，Wf為可能浸水的最大體積;H0取初始水線（DL，DP，DS）距橫貫浸水開(kāi)孔的中心點(diǎn)，此值也為H0可能達(dá)到的最大值;Wf和H0的取值示意如圖7所示。采用以上簡(jiǎn)化計(jì)算得到的平衡時(shí)間較為保守，可作為直接計(jì)算的替代方案，供讀者參考。

3 透氣管面積的要求

按照規(guī)范要求[2]，總透氣管橫截面積大于等于橫貫浸水橫截面積的10%時(shí)，在橫貫浸水計(jì)算中，空氣背壓對(duì)浸水的阻滯影響可以忽略。但由于不同的橫貫浸水裝置的摩擦系數(shù)是不一樣的，為達(dá)到相同的平衡時(shí)間，橫貫浸水裝置摩擦系數(shù)越大，開(kāi)孔面積也越大。因此，僅通過(guò)透氣管的橫截面積與橫貫浸水裝置的開(kāi)孔面積比例判定空氣背壓影響，明顯是不合理的。

對(duì)于可以判定為瞬時(shí)浸水的艙室，筆者認(rèn)為該艙室透氣管的橫截面積應(yīng)大于單孔計(jì)算的橫貫浸水裝置連通面積的10%。因?yàn)榻俊侯^及平衡時(shí)間一定，空氣管頭的流通效率相同，空氣管橫截面積滿足單孔結(jié)構(gòu)管，必然滿足雙孔結(jié)構(gòu)管。如果一艙設(shè)置多根透氣管，總橫截面積通過(guò)累加獲得。經(jīng)討論，上述觀點(diǎn)得到船檢認(rèn)可。

此外，DNV-GL指南[3]中還有另一種方法判斷是否需要考慮透氣管對(duì)浸水阻滯的影響，具體如下：

當(dāng)∑Sair，j*Fair，j≥0.1*∑Swater，i*Fwater，i時(shí)，透氣管對(duì)浸水的阻滯不需要考慮。式中：

S：開(kāi)孔面積，air和water分別對(duì)應(yīng)空氣管頭和橫貫浸水裝置。

F：速度折減因子，air和water分別對(duì)應(yīng)空氣管頭和橫貫浸水裝置。

i，j：浸水裝置和空氣管序號(hào)。

不同的空氣背壓影響判斷方法，將影響透氣管的選型和布置，直接影響到成本和布置的難度。筆者將通過(guò)以下算例，對(duì)比不同判斷方法對(duì)透氣管橫截面積的影響，供設(shè)計(jì)者參考。假設(shè)船寬30 m，雙層底高1.5 m，連通裝置長(zhǎng)18 m，對(duì)于管子連通，采用DN1000管子并列布置的方式;對(duì)于結(jié)構(gòu)孔連通，連通裝置內(nèi)假設(shè)有5道等間距縱桁，透氣采用DN400的管子，空氣管長(zhǎng)2.5 m，45°徑向彎頭2個(gè)，空氣管頭摩擦系數(shù)取默認(rèn)值6。假設(shè)平衡時(shí)間相同，連通管上的開(kāi)孔面積為1，不同連通裝置對(duì)應(yīng)的透氣管橫截面積對(duì)比如表2所示。

由表2的計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，按橫截面積比選取透氣管橫截面積時(shí)，應(yīng)盡可能降低連通裝置的摩擦系數(shù)，以減小連通開(kāi)口面積。對(duì)于結(jié)構(gòu)管，在空間允許的情況下，可通過(guò)減小最外側(cè)縱桁開(kāi)孔面積，加大內(nèi)側(cè)縱桁開(kāi)孔面積，得到更小的摩擦系數(shù)。在連通裝置摩擦系數(shù)大于透氣管摩擦系數(shù)時(shí)，可向船檢建議按0.1F*S選取透氣管橫截面積，能減小透氣管橫截面積的要求。筆者在此提醒廣大設(shè)計(jì)師，在設(shè)計(jì)初期一定要與船檢溝通判斷方法，以免后期修改延誤工期、造成損失。

4 橫貫浸水裝置對(duì)滾裝船破艙穩(wěn)性的影響

4.1 貨滾船

貨滾船通常要滿足SOLAS概率破艙和雙層底破損的要求，橫貫浸水裝置主要影響概率破艙的要求。通過(guò)改變船舶破損后的橫傾，能夠提高各破損工況的生存概率;設(shè)置橫貫浸水裝置，增加了船舶破損工況的中間階段，導(dǎo)致計(jì)算量大幅增加，但是有助于提高分艙指標(biāo)，并且效果顯著。

4.2 客滾船

客滾船要滿足SOLAS的概率破艙，舷側(cè)破損，雙層底破損要求。此外，航行于波羅的海的客滾船，還要滿足斯德哥爾摩協(xié)議。同貨船一樣設(shè)置橫貫浸水裝置，可以改善破艙穩(wěn)性要求。此外，因客船本身破艙衡準(zhǔn)要求高，橫貫浸水裝置的設(shè)計(jì)更為必要。值得注意的是，計(jì)算斯德哥爾摩協(xié)議要求時(shí)，不需要考慮橫貫浸水中間階段，即計(jì)算時(shí)直接定義兩艙連通即可。斯德哥爾摩協(xié)議對(duì)于船舶橫傾更為敏感，若取消橫貫浸水裝置，此協(xié)議要求將很難滿足。

5 結(jié)語(yǔ)

文章針對(duì)滾裝船結(jié)合項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，闡述了橫貫浸水裝置設(shè)置的必要性，討論了不同形式橫貫浸水結(jié)構(gòu)管的摩擦系數(shù)計(jì)算公式，對(duì)橫貫浸水計(jì)算結(jié)果的影響，提出了一種橫貫浸水平衡時(shí)間的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，對(duì)比了兩種空氣管頭對(duì)橫貫浸水阻滯的判斷方法，希望能為讀者在結(jié)構(gòu)橫貫開(kāi)孔設(shè)計(jì)、橫貫浸水平衡時(shí)間計(jì)算及空氣管頭選型和布置等方面提供幫助。

參考文獻(xiàn)

[1] SOLAS，國(guó)際海上人命安全公約[S].國(guó)際海事組織（IMO）海上安全委員會(huì)，2009.

[2] Resolution MSC.362（92）.Revised Recommendation on a standard Method for Evaluating Cross-Flooding Arrangements[S].國(guó)際海事組織（IMO）海上安全委員會(huì)，2013.

[3] DNV GL.Draft of DNV GL recommended practice for application of IMO resolution MSC.362（92）[EB/OL].DNV GL規(guī)范，2019.