何新宇，楊 博，陳曉敏

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

13000DWT敞口多用途船耐波性試驗(yàn)研究

何新宇，楊 博，陳曉敏

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

對(duì)國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)建造的首艘無(wú)限航區(qū)13000DWT敞口多用途船進(jìn)行敞口耐波性模型試驗(yàn)研究，包括模型參數(shù)確定、貨艙上浪進(jìn)水量測(cè)量、排水舷口有效性評(píng)估及模型試驗(yàn)結(jié)果分析，用以確定最小干舷；同時(shí)，對(duì)其后續(xù)設(shè)計(jì)提出改進(jìn)建議。研究結(jié)果表明：設(shè)計(jì)一定高度的艙口圍可減少大量的上浪進(jìn)水；排水舷口的數(shù)量、尺寸和位置無(wú)法通過(guò)理論公式計(jì)算并確定，采用模型試驗(yàn)的方法比較有效。該研究可為同類(lèi)型船舶的設(shè)計(jì)提供參考。

無(wú)艙蓋；多用途船；模型試驗(yàn)；耐波性；上浪；排水舷口

0 引 言

在全球航運(yùn)市場(chǎng)中，重吊多用途船一直是航運(yùn)公司較為關(guān)注的船型。隨著貨物逐步朝重型化、大型化及不拆解裝運(yùn)方向發(fā)展，擁有超長(zhǎng)箱型貨艙、超大甲板載貨面積及超強(qiáng)起重能力的多用途船具有一定的市場(chǎng)空間。同時(shí)，隨著一些船東提出在垂直狀態(tài)下運(yùn)輸超高工程貨物的需求，敞口（無(wú)艙蓋）多用途船的概念隨之產(chǎn)生。

2015年3月，上海船舶研究設(shè)計(jì)院專(zhuān)門(mén)為中國(guó)船舶（香港）航運(yùn)租賃有限公司開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了13 000 DWT敞口多用途船。該船集合了上述多用途船的所有特征，是國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)建造的首艘可敞口航行的多用途船。該船總長(zhǎng)150.0m，寬25.6m，載重量約13000t，服務(wù)航速約15.3kn，入級(jí)挪威-德國(guó)勞氏船級(jí)社（DNV-GL），可裝運(yùn)集裝箱、干散貨、谷物、木材、鋼卷、超長(zhǎng)超大超高工程設(shè)備及危險(xiǎn)品等；全船設(shè)有2個(gè)貨艙，其中大貨艙長(zhǎng)達(dá)105m，貨艙上方艙蓋及載貨平臺(tái)形成長(zhǎng)達(dá)125m的露天平整載貨區(qū)域；上層建筑和駕駛室位于艏部；左舷配2臺(tái)450t重型甲板起重機(jī)，聯(lián)吊能力為900t；申請(qǐng)德國(guó)勞氏船級(jí)社（GL）船級(jí)符號(hào)HATCHCOVERLESS（無(wú)艙蓋）。

國(guó)際海事組織（International Maritime Organization，IMO）對(duì)敞口船的規(guī)定僅有針對(duì)集裝箱船的《敞口集裝箱船臨時(shí)導(dǎo)則》（簡(jiǎn)稱(chēng)《臨時(shí)導(dǎo)則》）[1]，對(duì)多用途船尚無(wú)明確要求。原GL在敞口多用途船檢驗(yàn)方面有許多成功案例，具體做法是在與掛旗國(guó)當(dāng)局達(dá)成一致的前提下，參照《臨時(shí)導(dǎo)則》并結(jié)合多用途船的特征融入原GL的特殊要求。

《臨時(shí)導(dǎo)則》要求最小干舷應(yīng)由耐波性特性、穩(wěn)性（包括完整穩(wěn)性和破損穩(wěn)性）和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度確定[2]，取其中的最大者，且耐波性特性應(yīng)通過(guò)模型試驗(yàn)得出。因此，對(duì)該船的耐波性模型試驗(yàn)進(jìn)行深入研究，包括模型參數(shù)的確定和貨艙上浪進(jìn)水量的測(cè)量。此外，為減少大貨艙上浪進(jìn)水量，降低貨艙內(nèi)底承受的水壓，保證貨艙進(jìn)水后船舶的穩(wěn)性[3]，分別在干舷甲板以下的左右舷設(shè)置貨艙排水舷口，并對(duì)其有效性進(jìn)行評(píng)估。

2015年11月12日，在德國(guó)漢堡船模水池（HSVA）進(jìn)行敞口耐波性試驗(yàn)，并由DNV-GL驗(yàn)船師現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)證。該模型試驗(yàn)在長(zhǎng)峰不規(guī)則波中進(jìn)行，選用JONSWAP波譜，最不利波浪周期（HSVA理論計(jì)算值為11s）對(duì)應(yīng)的有義波高為8.5m。

1 敞口耐波性試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)的確定

試驗(yàn)采用自航無(wú)拘束模型，配置有螺旋槳和舵，并充分模擬實(shí)船，包含上甲板、艙口圍、載貨平臺(tái)、克令吊基座、煙囪、舷墻、上層建筑、防浪罩及舭龍骨等；實(shí)船上的各種間隙及開(kāi)孔（如艙口圍與載貨平臺(tái)間隙、防浪罩上的觀察和系泊孔及貨艙排水舷口等）均按一定比例縮放在模型上。

試驗(yàn)前，需估算船舶在敞口狀態(tài)下的最大吃水、營(yíng)運(yùn)縱傾范圍、營(yíng)運(yùn)最小初穩(wěn)性高（GM）、最大持續(xù)航速、最小船舶操縱航速、排水舷口的直徑、排水舷口的數(shù)量及排水舷口的位置等。試驗(yàn)過(guò)程中，第2貨艙完全開(kāi)敞，無(wú)貨艙艙蓋及集裝箱遮蔽。水池模型見(jiàn)圖1。

圖1 水池模型

1.1 敞口狀態(tài)下的最大吃水

選取船舶營(yíng)運(yùn)中最?lèi)毫拥墓r（即GM最小的工況）作為基本工況，對(duì)于重吊多用途船，一般取重大件運(yùn)輸工況，此時(shí)堆放的超高貨物突出于貨艙艙口，重心較高。向船舶配載壓載水及消耗液體，使其裝載至敞口最大吃水，正浮。假定敞口貨艙進(jìn)水至排水舷口下緣，貨艙滲透率取0.9，水的密度取1.025t/m3，進(jìn)水的重心高度取進(jìn)水區(qū)域的形心高度，貨艙內(nèi)的自由液面按實(shí)際情況計(jì)算。進(jìn)水穩(wěn)性應(yīng)滿足《國(guó)際海上人命安全公約》（SOLAS公約）[4]及其修正案關(guān)于概率破艙計(jì)算方法的生存概率S=1。此外，進(jìn)一步考核貨艙進(jìn)水的中間狀態(tài)（如20%，50%及75%貨艙容積），進(jìn)水穩(wěn)性是否全部滿足S=1[5]。初步確定該船在敞口狀態(tài)下的最大吃水為6.6m，并將6.3m作為備選吃水。

1.2 營(yíng)運(yùn)縱傾范圍

按照《2008年國(guó)際完整穩(wěn)性規(guī)則》[6]計(jì)算敞口營(yíng)運(yùn)工況的完整穩(wěn)性。在確定進(jìn)水角時(shí)，敞口貨艙艙口是未保護(hù)開(kāi)口，貨艙排水舷口能有效控制關(guān)閉且不作為進(jìn)水點(diǎn)。按照SOLAS公約的要求計(jì)算破艙穩(wěn)性，根據(jù)DNV-GL的要求，貨艙滲透率在輕載、部分分艙吃水及最深分艙吃水狀態(tài)下分別取0.95，0.9和0.9。通過(guò)調(diào)整貨艙艙蓋和活動(dòng)二甲板的堆放位置，該船可保證載貨營(yíng)運(yùn)工況下的縱傾在±0.5%LS范圍內(nèi)。模型試驗(yàn)僅考慮平浮狀態(tài)，無(wú)附加縱傾。

1.3 營(yíng)運(yùn)最小GM

不同于常規(guī)船舶，在求取敞口船的許用GM曲線時(shí)，不僅要計(jì)算完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性，還需通過(guò)敞口模型試驗(yàn)確定最大吃水對(duì)應(yīng)的最小GM。對(duì)于裝載超高貨物的船舶，在滿足穩(wěn)性的前提下，GM越小對(duì)船東的裝載限制越少。經(jīng)計(jì)算，“1.1”節(jié)中基本工況下的GM=1.7m，HSVA估算與最不利波浪周期共振的GM=3.87m，此時(shí)該船在橫搖狀態(tài)下敞口貨艙上浪進(jìn)水量最大。但是，GM=3.87m明顯不符合實(shí)際營(yíng)運(yùn)情況，重心過(guò)低，通過(guò)與DNV-GL溝通，最終確定貨艙上浪進(jìn)水量試驗(yàn)的GM取2.75m，排水舷口有效性評(píng)估試驗(yàn)的GM取1.7m。

1.4 最大持續(xù)航速及最小船舶操縱航速

最大持續(xù)航速是指在規(guī)則波中航行時(shí)受波浪增阻影響導(dǎo)致失速的最大服務(wù)航速，自愿降速不予考慮。最小船舶操縱航速是指維持航向控制且符合船舶操縱特性的最小航速。根據(jù)模型阻力和自航試驗(yàn)結(jié)果，該船最大持續(xù)航速為16.5kn，最小船舶操縱航速為5kn。

1.5 貨艙排水舷口直徑、數(shù)量及位置

排水舷口的垂向位置越低越好（但要在貨艙進(jìn)水后的水線上方）[7]，縱向位置越靠近貨艙端壁越好。在綜合考慮船舶的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和總體布置之后，確定在FR11和FR146附近左右兩舷各設(shè)置1個(gè)排水舷口，其最低點(diǎn)距離基線10.95m。由于貨艙上浪進(jìn)水和舷口排水都是動(dòng)態(tài)的，與瞬間上浪進(jìn)水量、同時(shí)排水的舷口數(shù)及船舶的運(yùn)動(dòng)[8]等多種因素有關(guān)，排水過(guò)程復(fù)雜多樣，排水舷口的直徑無(wú)法通過(guò)公式估算，結(jié)合HSVA的經(jīng)驗(yàn)及其建議，準(zhǔn)備600mm，910mm和1160mm等3個(gè)排水舷口直徑進(jìn)行模型試驗(yàn)評(píng)估。

2 敞口耐波性試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 敞口貨艙每小時(shí)上浪進(jìn)水量測(cè)量

進(jìn)行隨浪（0°/360°）、艉斜浪（45°/315°）、橫浪（90°/270°）、艏斜浪（135°/225°）和迎浪（180°）等5種浪向的模型試驗(yàn)，試驗(yàn)航速分別為迎浪和艏斜浪中的最大持續(xù)航速、艉斜浪和隨浪中的最小操縱航速及橫浪中的零速（船舶無(wú)動(dòng)力狀態(tài)）。每種工況的試驗(yàn)時(shí)間至少對(duì)應(yīng)于實(shí)船航行時(shí)間1h。受水池尺度的限制，艏斜浪模型試驗(yàn)和艉斜浪模型試驗(yàn)采用Z形迎浪前進(jìn)及Z形隨浪前進(jìn)的方式。每種浪向反復(fù)測(cè)試數(shù)次，以達(dá)到試驗(yàn)規(guī)定的時(shí)間。試驗(yàn)程序見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)程序

船模在試驗(yàn)過(guò)程中處于自航、非約束狀態(tài)（見(jiàn)圖2）。在每個(gè)航次結(jié)束之后，均將艙內(nèi)的上浪進(jìn)水全部抽出并測(cè)量其體積[9]，以消除積水對(duì)慣性矩、GM和排水量的影響，同時(shí)記錄船舶運(yùn)動(dòng)、航速、相對(duì)運(yùn)動(dòng)和舵角等數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)前除了準(zhǔn)備6.6m的吃水以外，還準(zhǔn)備6.3m的備用吃水，若6.6m吃水試驗(yàn)的結(jié)果不滿足要求，可及時(shí)調(diào)整至6.3m吃水，以確保試驗(yàn)順利進(jìn)行。根據(jù)HSVA初步估算，貨艙在最大持續(xù)航速Z形迎浪前進(jìn)和零速橫浪2種工況下的上浪進(jìn)水量最大，因此先進(jìn)行6.6m吃水時(shí)的上述2種最?lèi)毫庸r的試驗(yàn)，試驗(yàn)測(cè)得值遠(yuǎn)小于《臨時(shí)導(dǎo)則》限定的開(kāi)敞貨艙每小時(shí)最大上浪進(jìn)水量不超過(guò)敞口開(kāi)敞面積乘以400mm/h的要求值；隨后，在6.6m吃水時(shí)進(jìn)行剩余工況的試驗(yàn)，結(jié)果與HSVA估算的相同，進(jìn)水量小于之前的2種惡劣工況。

圖2 模型試驗(yàn)

2.2 貨艙排水舷口有效性評(píng)估

DNV-GL認(rèn)為進(jìn)行該項(xiàng)試驗(yàn)主要是為了考核穩(wěn)性，GM須對(duì)應(yīng)于船舶營(yíng)運(yùn)中可能出現(xiàn)的最?lèi)毫庸r，取1.7m。初始吃水與貨艙上浪進(jìn)水測(cè)量試驗(yàn)一致，取6.6m。試驗(yàn)開(kāi)始前，假定貨艙滲透率為0.9（DNV-GL要求），向貨艙內(nèi)注水至排水舷口下緣，使船模處于靜平衡狀態(tài)。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，利用水池造波機(jī)制造波浪，船模處于橫浪零速狀態(tài)，觀察上浪進(jìn)水能否從貨艙排水舷口有效排出，以確保船模不發(fā)生傾覆（見(jiàn)圖3）。該船的貨艙采用非對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，左右舷都要進(jìn)行該項(xiàng)評(píng)估。

試驗(yàn)過(guò)程中，船模用吊鉤和軟繩保護(hù)（軟繩處于松弛狀態(tài)），以防止船模傾覆后難以打撈。該試驗(yàn)預(yù)先準(zhǔn)備600mm，910mm和1160mm等3種直徑的排水舷口，首先進(jìn)行910mm直徑的排水舷口試驗(yàn)，效果良好；隨后進(jìn)行600mm直徑的排水舷口試驗(yàn)，其有效性也滿足要求，由此，1160mm直徑的排水舷口試驗(yàn)就省略了。

圖3 貨艙排水舷口試驗(yàn)照片

2.3 貨艙排水舷口的模型等效處理

該船貨艙排水舷口的位置較低，為確保穩(wěn)性不使排水舷口作為計(jì)算進(jìn)水角的進(jìn)水開(kāi)口，需安裝截止止回閥以防止艙外海水進(jìn)入貨艙，即貨艙內(nèi)的水可通過(guò)排水舷口流出，但不能流入。為模擬該單向開(kāi)啟的排水舷口，在船模上安裝鉸鏈?zhǔn)綋跗ㄒ?jiàn)圖4）。

此外，開(kāi)啟止回閥需有一定的壓力，貨艙內(nèi)的水位只有高于止回閥約1m才能將止回閥打開(kāi)。為模擬該水壓，在與DNV-GL現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)證人員統(tǒng)一意見(jiàn)之后，創(chuàng)造性地采用等效彎管（見(jiàn)圖5）。該等效彎管既可增加貨艙模型內(nèi)流進(jìn)排水舷口的水位高度，又不會(huì)影響水流出排水舷口的速度，但在進(jìn)行貨艙上浪進(jìn)水的穩(wěn)性計(jì)算及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算時(shí)需考慮增加該1m的進(jìn)水量。

圖4 排水舷口擋片

圖5 等效彎管

3 敞口耐波性試驗(yàn)結(jié)果分析

《臨時(shí)導(dǎo)則》要求模型試驗(yàn)測(cè)得的開(kāi)敞貨艙每小時(shí)最大上浪進(jìn)水量不應(yīng)超過(guò)開(kāi)敞艙口面積乘以400mm/h。按照該船開(kāi)敞艙口尺度計(jì)算，每小時(shí)上浪進(jìn)水量應(yīng)≤843.6m3/h（見(jiàn)表2）。貨艙上浪進(jìn)水量測(cè)量試驗(yàn)（6.6m吃水）結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 每小時(shí)上浪進(jìn)水極限

表3 貨艙上浪進(jìn)水測(cè)量試驗(yàn)（6.6m吃水）結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可知：

1) 艏斜浪和橫浪工況下的上浪進(jìn)水量相對(duì)最大，但遠(yuǎn)小于《臨時(shí)導(dǎo)則》要求的843.6m3/h。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，大部分進(jìn)水來(lái)自于載貨平臺(tái)與艙口圍之間的間隙及載貨平臺(tái)上方，干舷甲板上的通道被淹沒(méi)，少部分進(jìn)水從防浪罩的系泊和觀察孔流進(jìn)貨艙，可見(jiàn)把艙口圍設(shè)計(jì)得高且內(nèi)縮能避免大量進(jìn)水。

2) 迎浪工況下的上浪進(jìn)水量居中，僅有少量進(jìn)水從防浪罩的系泊和觀察孔流進(jìn)貨艙，這得益于艏部外飄的線型及前置上層建筑。

3) 對(duì)于艉斜浪和隨浪工況，貨艙基本無(wú)上浪進(jìn)水，波浪僅偶爾出現(xiàn)在干舷甲板高度處，但經(jīng)常出現(xiàn)螺旋槳飛車(chē)現(xiàn)象。

該試驗(yàn)僅考核船舶正浮狀態(tài)，沒(méi)有考慮帶附加縱傾的情況，因此該船所有載貨工況下的縱傾需控制在±0.5%Ls范圍內(nèi)，對(duì)船船的實(shí)際營(yíng)運(yùn)有一定的限制。對(duì)于后續(xù)同類(lèi)船的設(shè)計(jì)，建議根據(jù)具體情況增加對(duì)附加縱傾的測(cè)量，提高船舶實(shí)際營(yíng)運(yùn)的靈活性。

在進(jìn)行貨艙排水舷口有效性評(píng)估試驗(yàn)時(shí)，首先使用直徑為910mm的排水舷口，上浪進(jìn)水能有效排出，結(jié)果良好；隨后改為600mm直徑的排水舷口，也可滿足要求。最終的設(shè)計(jì)采用左右舷前后各設(shè)置1個(gè)直徑為600mm的排水舷口。對(duì)于后續(xù)設(shè)計(jì)，建議嘗試直徑更小的排水舷口進(jìn)行試驗(yàn)，以減小安裝在實(shí)船上的排水舷口管系的直徑和閥件的尺寸，進(jìn)而節(jié)省成本、降低施工難度。此外，該船大貨艙的艉部下方為機(jī)艙，左舷邊艙因布置重型起重機(jī)而比右舷邊艙寬，導(dǎo)致貨艙形心偏向右前。當(dāng)向貨艙注水至排水舷口最低點(diǎn)（最低的等效彎管上口）時(shí)，船舶有初始艏傾和右傾，艉部機(jī)艙平臺(tái)上方的貨艙面幾乎無(wú)水。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察，大部分貨艙上浪進(jìn)水從艏部右舷的排水舷口排出。后續(xù)船可根據(jù)實(shí)船構(gòu)造，結(jié)合模型試驗(yàn)更合理地設(shè)計(jì)排水舷口的尺寸、數(shù)量和位置，并不一定采用同等尺寸或?qū)ΨQ(chēng)布置方式。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)13000DWT敞口多用途船的耐波性模型試驗(yàn)進(jìn)行了深入研究，并通過(guò)試驗(yàn)確定了該船的最小干舷（敞口狀態(tài)下船舶最大吃水）及貨艙排水舷口的設(shè)計(jì)。該船是國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)建造的首艘無(wú)限航區(qū)敞口多用途船，可供參考的資料很少，在對(duì)其進(jìn)行耐波性模型試驗(yàn)前準(zhǔn)備了多項(xiàng)預(yù)案，包括2個(gè)敞口最大吃水、3個(gè)排水舷口直徑等，以確保試驗(yàn)順利進(jìn)行。模型參數(shù)的確定對(duì)試驗(yàn)結(jié)果起著關(guān)鍵性作用，需在精確計(jì)算并與HSVA和DNV-GL共同協(xié)商之后確定。研究結(jié)果表明：設(shè)計(jì)一定高度的艙口圍可減少大量的上浪進(jìn)水；排水舷口的數(shù)量、尺寸和位置無(wú)法通過(guò)理論公式計(jì)算并確定，采用模型試驗(yàn)的方法比較有效。該研究可為其他同類(lèi)型船舶的設(shè)計(jì)提供參考。

[1] IMO. 敞口集裝箱船臨時(shí)導(dǎo)則：MSC/Circ.608/Rev.1[S]. 1994.

[2] 王琦，胡可一. 無(wú)艙蓋集裝箱船的設(shè)計(jì)進(jìn)展[J]. 造船技術(shù)，1999 (5): 11-17.

[3] 裘泳銘，張濱，陸偉東. 無(wú)艙蓋集裝箱船（HCS）完整穩(wěn)性的計(jì)算研究[J]. 船舶工程，1998 (5): 5-7.

[4] IMO. 國(guó)際海上人命安全公約[S]. 1974.

[5] 朱永峨. 有限航區(qū)敞口集裝箱船的載重線核定與總體設(shè)計(jì)[J]. 上海造船，2006 (2): 46-48.

[6] IMO. 國(guó)際完整穩(wěn)性規(guī)則：MSC.267 (85)[S]. 2008.

[7] 于剛. 淺談無(wú)艙蓋集裝箱船[J]. 船舶設(shè)計(jì)通訊，2002 (S2): 32-36.

[8] 朱仁傳，藤公男. 無(wú)艙蓋船舶甲板上浪的研究[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2003, 37(8): 1164-1167.

[9] 郜煥秋，謝楠. 無(wú)艙蓋集裝箱船及其安全性研究[J]. 船舶力學(xué)，1999, 3(2): 70-76.

Research on the Seakeeping Model Test of a 13000dwt Open-Top Multi-Purpose Vessel

HE Xin-yu，YANG Bo，CHEN Xiao-min

(Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute, Shanghai 201203, China)

This paper studies the seakeeping model test for the first 13000dwt hatchcoverless multi-purpose vessel designed and constructed by a Chinese institute for the unlimited navigation areas. The seakeeping model test is to determine the minimum freeboard, which includes the determination of model parameters, green water measurement in cargo tanks, assessment on the effectiveness of freeing ports and the analysis of the model test results, along with the suggestions for the improvement of subsequent designs. The result shows that the hatch coaming of certain height can significantly reduce green water onboard and the theoretical formulae cannot determine quantity, dimensions and positions of freeing ports, instead it is more effective to rely on the model test. This study provides references for the design of same ship types.

hatchcoverless; multi-purpose vessel; model test; seakeeping; green water; freeing port

U661.73；U674.138

A

2095-4069 (2017) 05-0023-05

10.14056/j.cnki.naoe.2017.05.004

2016-05-10

何新宇，女，工程師，1984年生。2007年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)船舶與海洋工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事船舶總體設(shè)計(jì)工作。