12 200 TEU集裝箱船破艙穩(wěn)性研究

孟健勇

(金海智造股份有限公司，上海 200122)

0 引 言

近年來，隨著國際海事組織(International Maritime Organization，IMO)對船舶節(jié)能減排的要求日趨嚴格，新規(guī)則陸續(xù)生效，達到一定使用年限的老舊船舶逐步被淘汰。在跨洋航線上，伴隨著新巴拿馬運河的開通和投入運營，新巴拿馬型集裝箱船得到了市場的青睞。為降低運營成本、提高經(jīng)濟效益，近年來集裝箱船日益朝著大型化方向發(fā)展，隨之對船舶破艙穩(wěn)性提出了更高的要求，尤其是船舶破損之后引發(fā)的燃油泄漏和艙室進水等事故，給船員、船舶資產(chǎn)、船上貨物和海洋環(huán)境帶來了嚴重的威脅。為保證船舶破損之后仍具有一定的生存能力，對破艙穩(wěn)性計算進行研究具有重要意義，其中船舶邊艙的寬度、分艙長度和全船開口的布置等是關(guān)鍵因素，直接影響著船舶的裝箱量。

本文以金海智造股份有限公司研發(fā)的12 200 TEU集裝箱船為例，對其破艙穩(wěn)性進行研究。該船的垂線間長為313.13 m, 型寬為48.20 m，型深為27.20 m，設計吃水為13.00 m，結(jié)構(gòu)吃水為16.00 m，采用B型干舷。根據(jù)《國際海上人命安全公約》(International Convention for Safety of Life at Sea，SOLAS)的要求，破艙穩(wěn)性應采用概率法計算。該船的概率性破艙穩(wěn)性采用芬蘭的NAPA軟件計算，在設計初期能取得較高的工作效率，計算結(jié)果獲得了船級社的認可。同時，該軟件輸出的圖和表內(nèi)容豐富，在對計算結(jié)果進行分析時，有助于找出對分艙不利的因素，繼而對船舶分艙和浸水位置的開口進行優(yōu)化。

當前，已有學者對SOLAS破艙穩(wěn)性規(guī)則和一些船型的破艙穩(wěn)性進行研究。例如：文獻[3]對SOLAS規(guī)范中有關(guān)破艙穩(wěn)性的定義和公式進行了剖析；文獻[4]對Minicape型散貨船的破艙穩(wěn)性進行了研究；文獻[5]基于概率破艙對2 500 TEU集裝箱船的優(yōu)化分艙進行了研究。然而，對于超大型集裝箱船來說，還是有一定的局限性，未對穩(wěn)心高度值的選取方法進行深入探究，未對計算結(jié)果的分析和優(yōu)化措施進行詳細描述。

本文以上述12 200 TEU集裝箱船為例，對采用NAPA軟件計算、分析船舶破艙穩(wěn)性的過程進行詳細描述，重點探討選取和運用NAPA生成圖、表的方法，在此基礎上對破損工況進行分析。同時，列舉計算過程中遇到的部分問題并提出對應的解決辦法，以增大船舶分艙指數(shù)的值。

1 概率性破艙穩(wěn)性計算衡準要求

概率性破艙研究主要是研究船舶受到?jīng)_撞之后的破損情況，計算船舶破損之后保持不沉沒、不傾覆能力的殘存概率值。根據(jù)SOLAS 第Ⅱ-1章 B-1部分的要求，基于輕載航行吃水、部分分艙吃水、最深分艙吃水等3種吃水，采用對應的最小對各艙或艙組進行破損計算，累計船舶破損之后對殘存能力有貢獻的分艙指數(shù)的值，匯總求取達到的分艙指數(shù)的值，要求大于分艙指數(shù)，且部分分艙指數(shù)不小于0.5。

概率性破艙穩(wěn)性計算允許部分艙或艙組破損浸水之后，船舶的生存能力低于衡準要求。

1.1 分艙指數(shù)R

對于船長大于100 m的船舶，有

(1)

式(1)中：為船舶處于最深分艙吃水時，在1層或數(shù)層限定垂向進水范圍內(nèi)的甲板處或其以下部分的最大投影型長。從式(1)中可看出，貨船的值與有關(guān)，越大，值越大。是衡量船舶在破損情況下的安全性的指標，當達到的分艙指數(shù)>時，即表示船舶滿足規(guī)范對破損的要求，船舶具有相應的安全程度。

1.2 達到的分艙指數(shù)A

基于、和等3組吃水，通過計算得到對應的分艙指數(shù)、和，加權(quán)求和得到達到的分艙指數(shù)為

=04+04+02

(2)

每部分的分艙指數(shù)(、和)等于破損之后對殘存能力有貢獻的破損艙或艙組可能浸水的概率與浸水之后的生存概率的乘積的總和，即

=∑

(3)

式(3)中：為考慮的每個艙或艙組；為考慮艙或艙組可能浸水的概率，不考慮任何水平分隔；為考慮艙或艙組浸水之后的生存概率，包括任何水平分隔的影響。

的計算公式為

(4)

1.3 初始工況

初始工況由3種工況組成，對應的吃水分別為輕載航行吃水、部分分艙吃水和最深分艙吃水。在進行破艙穩(wěn)性計算時，先基于這3種工況，依次對全船的艙室或艙室組合進行破艙穩(wěn)性計算，得出3種工況的部分分艙指數(shù)、和，再進行加權(quán)求和，得到達到的分艙指數(shù)。

在上述3種工況中，各區(qū)域破損之后的浸水概率值是完全一致的，但生存概率是完全不同的。因為這3種工況對應不同的吃水。

1.4 破損范圍

沿船長方向以單一分區(qū)為單位，最大橫向破損深度應不大于/2(為船寬)，最大垂向破損范圍為最深分艙吃水位置以上12.5 m。

2 概率性破艙穩(wěn)性計算

2.1 NAPA計算分析過程

采用NAPA軟件對集裝箱船進行概率性破艙穩(wěn)性計算，計算和分析過程見圖1。

圖1 NAPA 概率性破艙穩(wěn)性計算和分析過程

2.2 NAPA模型

在進行破艙穩(wěn)性計算之前，應準備好計算模型，模型的分艙信息須完整，并命名為DMAHULL。

2.3 破損分區(qū)劃分

對于破損分區(qū)劃分，應先在NAPA軟件內(nèi)填寫分區(qū)表Subdivision table，軟件會根據(jù)填寫的分區(qū)表生成艙室限界面表CLIMT table，在此基礎上自動生成單一區(qū)域或多區(qū)域連續(xù)破損的工況組。

分區(qū)表是整個計算的基礎，在填寫分區(qū)表時，應遵循NAPA的規(guī)則，填寫有效的縱向、橫向和垂向限界面數(shù)值。若填寫的數(shù)據(jù)不完整，會導致生成的破損工況組覆蓋不全面或數(shù)據(jù)報錯，破艙穩(wěn)性計算結(jié)果不準確。12 200 TEU集裝箱船分區(qū)劃分圖見圖2。

a) 縱剖面

2.4 全船開口信息

全船開口信息應包含所有的風雨密開口和未保護開口，本文所述船舶共有564個這樣的開口，數(shù)據(jù)量大，錄入的信息不容有誤。全船每個開口的信息都有可能改變船舶破損之后的平衡浮態(tài)，對值和值造成影響。

2.5 艙室聯(lián)通信息

艙室聯(lián)通信息除了包含艙室與艙室之間的聯(lián)通信息以外，還包含全船的管路和閥件的布置帶來的聯(lián)通信息。本文所述船舶No.1底邊壓載水艙控制的閥件布置在管弄處，從吸口到閥件穿越3個艙室。當相鄰艙的No.2底邊壓載水艙(右)破損時，No.1 底邊壓載水艙會連帶浸水，見圖3。

圖3 管系和閥件系統(tǒng)圖

2.6 初始工況和縱傾值

初始工況對應的吃水分別為、和，其中：對應夏季載重線吃水，即結(jié)構(gòu)吃水16.0 m；取完整穩(wěn)性計算書中的輕壓載到港吃水7.789 m；根據(jù)規(guī)范計算，=+0.6×(-)=12.716 m。

在完整穩(wěn)性計算書中，所有裝箱工況下的縱傾值都沒有超過0.5%。 因此，采用零縱傾計算和工況下的破艙穩(wěn)性，采用完整穩(wěn)性計算書中輕壓載到港的縱傾值計算工況下的破艙穩(wěn)性，本文所述船舶的初始工況基本參數(shù)見表1。

表1 目標船初始工況基本參數(shù)

2.7 hGM值選取

對于超大型集裝箱船，在滿足破艙穩(wěn)性要求的前提下：若最小變小，則重心高度相對增大，甲板上集裝箱的裝箱量增加；若最小變大，則達到的分艙指數(shù)值變大，甲板上集裝箱的裝箱量減少。最小與裝箱量需達到平衡。

對于的選取，SOLAS要求取、和等3組吃水下的最小要求。對于本文所述船舶，先根據(jù)完整穩(wěn)性計算書繪制各典型工況下的的散點圖和GM包絡線，見圖4。初選、和等3組吃水與GM(見表4)包絡線的相交值計算，得到。若>，則滿足規(guī)范的要求，在調(diào)整完整穩(wěn)性計算書、編制壓載水交換程序時，相應工況的均應在該包絡線的上方；若<，則應調(diào)整破艙穩(wěn)性計算，或按滿足破艙穩(wěn)性衡準要求的或、和等3組吃水修改完整穩(wěn)性的部分工況或全部工況。

圖4 最小hGM包絡線

初選的滿足衡準要求之后，嘗試以GM包絡線為基礎，調(diào)整3組吃水對應的最小，同時將其代入計算流程中進行比較。將不同的代入計算流程中，會得到不同的值，見表2。在選取時，既要平衡與甲板上集裝箱裝箱量之間的矛盾，又要結(jié)合裝載工況給予船舶一定的安全裕度。

表2 不同hGM和對應的A值、R值

2.8 結(jié)果評估

2.8.1 達到的分艙指數(shù)

根據(jù)SOLAS的要求，對、和按4∶4∶2的比例加權(quán)求和，且三者均不小于0.5，詳細的計算結(jié)果見表3。

表3 達到的分艙指數(shù)A

2.8.2 SFAC DIAGRAM

NAPA軟件有2個模塊對分析破艙穩(wěn)性計算結(jié)果有指導作用，分別是生存概率圖SFAC DIAGRAM和破損之后損失掉的生存概率圖P1S DIAGRAM。SFAC DIAGRAM用顏色表達單個分區(qū)或多個分區(qū)破損之后的生存概率。根據(jù)SFAC DIAGRAM可生成不同吃水下左舷和右舷破損的生存概率圖。圖5為最深分艙吃水下左舷和右舷分別破損之后的生存概率圖，能直觀地看出左舷和右舷的生存概率，較快地做出對比，縮小分析范圍。

圖5 最深分艙吃水ds下左舷和右舷分別破損之后的生存概率圖

2.8.3 P1S DIAGRAM

·是船舶破損之后的生存概率，(1-)是船舶破損之后損失掉的生存概率值，圖6為P1S DIAGRAM，其中不同的符號表示單個分區(qū)和多個分區(qū)破損之后損失掉的概率值，可很容易看到哪些區(qū)域在破損之后值的損失比較大。

圖6 P1S DIAGRAM

從圖6中能找出船舶破損之后生存概率值損失較大的區(qū)域，但該區(qū)域破損的詳細信息需結(jié)合SFC DIAGRAM 和對應破損工況的計算結(jié)果獲取。

2.8.4 SFAC DIAGRAM和P1S DIAGRAM的應用

從圖6中能很容易看出Z06、Z07、Z08和Z09等4個分區(qū)，單區(qū)破損時損失的生存概率值較高。結(jié)合圖5可知，這4個分區(qū)左舷與右舷的生存概率圖標不一致，左舷破損之后的生存概率值低于右舷。改善左舷4個分區(qū)破損之后的狀態(tài)，有利于增大的值。

基于此，先對比兩舷艙室布置的差異，再對比該區(qū)域進水點的布置情況，最后查看詳細的計算書。這4個分區(qū)同處貨艙區(qū)域，兩舷的艙室是對稱布置的，在不考慮左舷和右舷破損之后的進水點的情況下，計算結(jié)果應是一致的。因此，左舷與右舷破損之后的進水點可能存在明顯的區(qū)別。

為進一步驗證上述結(jié)論，還需參照詳細的計算書。表4為 Z06、Z07、Z08和Z09等4個分區(qū)破損之后最終的浮態(tài)信息匯總，Z06、Z07和Z08左舷破損之后，進水點為H30，且H30在水下。查閱破損控制圖，H30布置在艉部系泊甲板上，該開口是進入舵機艙的風雨密小艙蓋。Z06、Z07和Z08等3個分區(qū)均在左舷破損之后，舵機艙因H30繼續(xù)進水，船舶最終的平衡狀態(tài)不滿足規(guī)范的要求。

表4 Z06、Z07、Z08和Z09等4個分區(qū)破損之后最終的浮態(tài)信息匯總

對比浸沒深度和橫傾角，將H30從左舷距中17.845 m調(diào)整到左舷距中5.845 m，Z06、Z07和 Z08等3個分區(qū)左舷破損的狀態(tài)將得到改善。將新的H30開口信息代入NAPA軟件中，計算得到的值增大。表5為H30開口調(diào)整前后的值對比。

表5 H30開口調(diào)整前后的A值對比

3 增大A值的方法

通過對破艙穩(wěn)性計算結(jié)果進行分析，可從以下幾個方面增大值。

3.1 找出最易進水的開口

艉部系泊甲板(見圖7)是全船最低的甲板。從表4中可看出，當Z01～Z09分區(qū)左舷單艙破損時，艉部系泊甲板的一部分在水下，這里布置的小艙蓋、空氣管等是全船最易浸水的開口。鑒于此，艉部系泊甲板上小艙蓋、空氣管和溢流管等盡量靠近甲板中心線布置，小艙蓋需優(yōu)先選擇水密的小艙蓋。空氣管和溢流管應布置在船首方向，在不影響集裝箱吊裝的前提下，使其高度最大化。

圖7 艉部系泊甲板示意圖

3.2 加密破損分區(qū)和擴大多分區(qū)連續(xù)破損計算

概率性破艙計算是指累計有效的值。在沿船長方向的分艙范圍內(nèi)，合理加密破損分區(qū)，會使計算的破損工況增多。隨著破損工況數(shù)量的增加，有效的值會得到累計，這部分數(shù)值會為增大值做貢獻。此外，可擴大計算的連續(xù)破損區(qū)域，從計算連續(xù)3個和4個分區(qū)破損擴大到計算連續(xù)5個分區(qū)破損，同樣能增大部分有效的值。

3.3 機艙與軸隧艙隔離

本文所述船舶的軸隧艙與機艙是聯(lián)通的(見圖8)，機艙或軸隧艙任一位置浸水，都會擴大浸水范圍。從圖5中可看出，無論是單個區(qū)域破損，還是多個區(qū)域連續(xù)破損，其值都是無效的，不能為增大值做貢獻。從圖6中可看出，當軸隧艙破損時，該區(qū)域的值的損失比較大，若能將機艙與軸隧艙有效隔離，會改善該區(qū)域破損之后的浸水狀況，增大值。

圖8 軸隧艙和機艙示意圖

4 結(jié) 語

1) 超大型集裝箱船為增大分艙指數(shù)的值，可從3個方面入手，即甲板上開口的位置、初始工況下的選取和船舶艙室長度的合理劃分；

2) 本文詳細描述了采用NAPA軟件進行概率性破艙穩(wěn)性計算的流程和計算結(jié)果評估方法，可供船舶設計人員使用NAPA軟件時參考；

3) 本文所述12 200 TEU集裝箱船已交付使用，針對計算該船的破艙穩(wěn)性過程中遇到的問題提出的解決方法可供同類型船舶的設計建造參考。