開式循環(huán)水養(yǎng)殖平臺(tái)穩(wěn)性校核方法

彭必業(yè)，嚴(yán)俊，范為，聶容剛，謝慶墨，王勝通

(南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(湛江)，廣東 湛江 524000)

南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(湛江)(以下簡(jiǎn)稱“湛江灣實(shí)驗(yàn)室”)自主研發(fā)設(shè)計(jì)了一型游弋式大型養(yǎng)殖平臺(tái)，采用養(yǎng)殖工船的技術(shù)路線，具備自主游弋航行能力，能在我國(guó)海域?qū)ふ易罴堰m養(yǎng)海域，機(jī)動(dòng)規(guī)避臺(tái)風(fēng)、赤潮等惡劣天氣和災(zāi)害事件。該平臺(tái)采用開式循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，通過海水泵從舷側(cè)將外界新鮮海水抽入養(yǎng)殖艙內(nèi)，利用射流方式在養(yǎng)殖艙內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)，在養(yǎng)殖艙底部開孔利用重力作用使尾水自然流出艙外，完成一次“泵入流出”的養(yǎng)殖水體循環(huán)。這種養(yǎng)殖工船的設(shè)計(jì)借鑒錨固式養(yǎng)殖網(wǎng)箱充分利用外界環(huán)境海水資源的思路，又以工船的形式提升裝備機(jī)動(dòng)性，主動(dòng)規(guī)避各類養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)、尋找最佳養(yǎng)殖環(huán)境，充分利用大自然的凈化能力降低對(duì)單一海域的集中污染。

1 養(yǎng)殖工船簡(jiǎn)介

本文所介紹的養(yǎng)殖工船總長(zhǎng)約255.0 m，型寬45.0 m，型深22.3 m，最大養(yǎng)殖吃水16.5 m，機(jī)動(dòng)航行吃水14.0 m，最大養(yǎng)殖水體12萬(wàn) m3，入級(jí)CCS，可航行于國(guó)內(nèi)遠(yuǎn)海航區(qū)。該船艙壁甲板以下從首至尾依次分為首部、養(yǎng)殖和尾部3個(gè)功能區(qū)域，養(yǎng)殖區(qū)域縱向范圍約占總長(zhǎng)85%，集成了漁業(yè)養(yǎng)殖的主體功能。養(yǎng)殖區(qū)域采用雙殼、雙底設(shè)計(jì)，從首至尾依次設(shè)置了5個(gè)相互獨(dú)立的大型養(yǎng)殖水艙，每座艙內(nèi)通過縱橫2道網(wǎng)衣系統(tǒng)劃分為4個(gè)區(qū)域，每座水艙和每個(gè)區(qū)域的俯視形狀均趨近于正方形，有利于形成多層水平旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)，完成艙內(nèi)水體的全面循環(huán)交換，見圖1。

圖1 養(yǎng)殖工船內(nèi)部艙室劃分

2 穩(wěn)性計(jì)算難點(diǎn)

開式循環(huán)水養(yǎng)殖方式對(duì)該船帶來了兩個(gè)特點(diǎn)。

1)工船的全生命周期中，通常保持養(yǎng)殖水艙與外界海水保持聯(lián)通，艙內(nèi)液面與外界海水液面持平，隨吃水變化養(yǎng)殖艙內(nèi)海水量發(fā)生變化。

2)為形成良好的艙內(nèi)旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)，養(yǎng)殖艙底的尾水排出孔尺寸相對(duì)較小，工船舷側(cè)結(jié)構(gòu)和船底結(jié)構(gòu)的完整性好，當(dāng)工船發(fā)生搖蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)，養(yǎng)殖艙內(nèi)液面的晃蕩與外界海水波浪運(yùn)動(dòng)不同步，即大面積自由液面將會(huì)造成不利穩(wěn)性影響。

由此可見，這類工船的裝載與穩(wěn)性計(jì)算至少需要考慮兩個(gè)問題。

1)養(yǎng)殖艙是否應(yīng)該計(jì)入浮力。

2)養(yǎng)殖水艙自由液面對(duì)穩(wěn)性曲線的計(jì)算方式如何處理。

根據(jù)國(guó)際海事組織在海安會(huì)第85屆會(huì)議上通過的《2008年國(guó)際完整穩(wěn)性規(guī)則》A部分第3章第3.1.9條，可接受兩種修正復(fù)原力臂曲線的方法，分別是以上計(jì)入和不計(jì)浮力所描述的自由液面修正方法。針對(duì)以上問題，應(yīng)用NAPA軟件2021版本對(duì)該船進(jìn)行建模和計(jì)算，基于軟件現(xiàn)有的計(jì)算功能，研究和探索計(jì)入浮力與否及自由液面修正方式的不同組合對(duì)船舶穩(wěn)性的具體影響，提出較為合理可行的解決方案。

3 規(guī)范適用性

該平臺(tái)為船式海上漁業(yè)養(yǎng)殖設(shè)施[1]，在中華人民共和國(guó)海域航行，掛中國(guó)旗，首先要滿足中國(guó)海事局的相關(guān)法規(guī)要求，穩(wěn)性計(jì)算參照規(guī)范[2]國(guó)內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則第4篇“船舶安全”第2-1章“構(gòu)造——分艙與穩(wěn)性、機(jī)電設(shè)備”和第7章“完整穩(wěn)性”執(zhí)行。該船入級(jí)中國(guó)船級(jí)社，綜合研究文獻(xiàn)[1][3][4]后，穩(wěn)性計(jì)算還將參照《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》第2篇“船體”第9節(jié)“完整穩(wěn)性”和第10節(jié)“破損穩(wěn)性”執(zhí)行。

在完整穩(wěn)性方面，綜合文獻(xiàn)[2][3]相關(guān)章節(jié)，其對(duì)靜穩(wěn)性復(fù)原曲線特征值的要求一致，對(duì)受到風(fēng)浪聯(lián)合作用的動(dòng)穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)計(jì)算方面有區(qū)別，需要分別校核、同時(shí)滿足。

該平臺(tái)主要功能為漁業(yè)養(yǎng)殖，可以等效其所裝載貨品即為養(yǎng)殖海水，干舷的選取參照文獻(xiàn)[2]中A型干舷執(zhí)行。在破損穩(wěn)性方面，一是參照文獻(xiàn)[2]關(guān)于貨船的分艙與穩(wěn)性要求進(jìn)行計(jì)算，采用概率破損校核方法。二是參照文獻(xiàn)[3]關(guān)于A型干舷船舶的要求，具體映射至經(jīng)1988議定書修訂的1966年國(guó)際載重線公約(ICLL)第27條，采用確定性破損校核方法。同樣需要分別校核、同時(shí)滿足。

按照文獻(xiàn)[1]的要求，養(yǎng)殖工船需要區(qū)分航行工況和系泊養(yǎng)殖工況兩種典型工況，其完整穩(wěn)性和破損穩(wěn)性分別參考文獻(xiàn)[3]對(duì)鋼質(zhì)船舶和文獻(xiàn)[4]對(duì)移動(dòng)式平臺(tái)的不同規(guī)定，根據(jù)文獻(xiàn)[4]的具體校核計(jì)算不在本文贅述。

4 裝載與完整穩(wěn)性分析

該船設(shè)置了滿艙養(yǎng)殖、機(jī)動(dòng)航行、單艙清洗(共5種單艙排空清洗)3大類裝載工況(均包括出港和到港)，以及空船、進(jìn)塢等常規(guī)裝載，3大類裝載工況中滿載出港的船舶浮態(tài)和初穩(wěn)性參數(shù)見表1，首傾為正。

表1 典型裝載工況浮態(tài) m

4.1 計(jì)算設(shè)置

對(duì)本船5座養(yǎng)殖水艙分別采用計(jì)入浮力和不計(jì)浮力兩種模型開展計(jì)算分析，其中計(jì)入浮力的計(jì)算模型見圖1，不計(jì)浮力的模型見圖2。本文以夏季載重線吃水工況為例進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，即吃水16.5 m養(yǎng)殖，該工況也是國(guó)際載重線公約第27條所規(guī)定破損穩(wěn)性計(jì)算的初始工況。

圖2 不計(jì)入養(yǎng)殖艙浮力的三維總布置

對(duì)于計(jì)入浮力模型，為保證養(yǎng)殖艙與外界海水聯(lián)通且液面持平，在NAPA軟件中通過設(shè)置艙室通海命令OTS(OPEN TO SEA)調(diào)整艙室通海后的浮態(tài)，讀取通海艙的裝載量，關(guān)閉通海命令后對(duì)養(yǎng)殖艙加載相應(yīng)裝載量保證內(nèi)外液面的一致性。養(yǎng)殖艙根據(jù)實(shí)際液面高度和形態(tài)的取自由液面慣性矩以及考慮實(shí)際液體移動(dòng)所產(chǎn)生的傾覆力矩，可真實(shí)反映養(yǎng)殖艙內(nèi)液面對(duì)初穩(wěn)性高和大傾角復(fù)原力臂曲線的修正。養(yǎng)殖艙裝載參數(shù)見表2，具體浮態(tài)見圖3。

圖3 計(jì)入養(yǎng)殖艙浮力并進(jìn)行通海處理后的浮態(tài)

表2 滿艙養(yǎng)殖工況各養(yǎng)殖艙裝載及自由液面參數(shù)

4.2 計(jì)算結(jié)果

針對(duì)計(jì)入浮力和不計(jì)浮力兩種模型，且均考慮不同方式的養(yǎng)殖艙自由液面修正方法，兩種初穩(wěn)性數(shù)據(jù)見表3。

表3 初穩(wěn)性數(shù)據(jù)對(duì)比 m

5 破損穩(wěn)性分析

根據(jù)前文所述，該船破損穩(wěn)性需要分別采用確定法和概率法兩種方法計(jì)算，存在3個(gè)重要環(huán)節(jié)：計(jì)算模型、初始狀態(tài)、破損艙組。針對(duì)計(jì)入浮力和不計(jì)浮力的計(jì)算模型仍是圖1和圖2；區(qū)別于確定性和概率性兩種破損計(jì)算，其始狀態(tài)和破損艙組定義按照相關(guān)規(guī)范具體執(zhí)行。

5.1 確定性破損

取夏季載重線吃水為初始狀態(tài)。對(duì)于計(jì)入浮力，其初始工況需要考慮各養(yǎng)殖艙的實(shí)際裝載，當(dāng)某養(yǎng)殖水艙破損后，考慮破損艙內(nèi)液體完全流出后在浸入海水，其他非養(yǎng)殖水艙均認(rèn)為是空艙，吃水取為16.5 m、平浮，重心高根據(jù)實(shí)際工況并考慮自由液面的修正，艙室破損后將考慮養(yǎng)殖水艙內(nèi)液體橫傾移動(dòng)力矩對(duì)復(fù)原力臂曲線的修正，其定義見表4中的INI1。

表4 確定性破損初始工況定義

以第2號(hào)養(yǎng)殖水艙區(qū)域破損為案例，分別考慮計(jì)入浮力且單艙浸水(DAM1)、養(yǎng)殖艙計(jì)入浮力且多艙浸水(DAM2)、不計(jì)浮力(DAM3)的破損計(jì)算。

可見，CASE1與CASE2有著不明顯的差別，但CASE2可以更加準(zhǔn)確表達(dá)出養(yǎng)殖艙完全通海和自由液面對(duì)GZ曲線的影響。所以，該船確定性破損穩(wěn)性推薦采用計(jì)入浮力且多艙浸水的方法。

CASE3與其他2種組合的差異大，這是固定排水量法和可變排水量法兩種算法的差異造成。然而，CASE3提供了1種開展概率性破損穩(wěn)性計(jì)算的思路。

5.2 概率性破損

盡管5.1獲得了確定性破損穩(wěn)性計(jì)算最為真實(shí)的初始工況定義方法(表4中的INI1)。然而，參照文獻(xiàn)[2]相關(guān)規(guī)定，采用概率法計(jì)算本船破損穩(wěn)性，其初始工況僅能夠根據(jù)表4中的INI2進(jìn)行定義。由于概率方法認(rèn)為初始工況中所有艙為空，即本船的5個(gè)大型養(yǎng)殖水艙初始為空，破損后的浸水量相當(dāng)大，顯然是不能滿足衡準(zhǔn)要求的。所以，在概率法計(jì)算中采用不計(jì)養(yǎng)殖水艙浮力的方式是否可行，這是值得研究的問題，并對(duì)破損計(jì)算具有建設(shè)性意義。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]，破損后的殘存概率Si值計(jì)算公式為

6 結(jié)論

1)完整穩(wěn)性計(jì)算中，養(yǎng)殖艙推薦計(jì)入浮力計(jì)算并考慮該類艙的實(shí)際裝載和自由液面。

2)確定性破損穩(wěn)性計(jì)算中，養(yǎng)殖艙可以采用計(jì)入浮力的方法，在初始工況中需定義養(yǎng)殖艙的實(shí)際裝載量，并在破損工況定義中需將所有通海養(yǎng)殖艙定義為破損，如此可以兼顧養(yǎng)殖艙內(nèi)外液面始終持平和艙內(nèi)海水在實(shí)際傾斜下的移動(dòng)力矩對(duì)穩(wěn)性曲線的影響。