陳智同，劉鵬鑫，朱雅婷，任才龍

(1.江蘇科技大學(xué) 海洋裝備研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2. 江蘇省船舶設(shè)計研究所有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；3.江蘇海藝船舶科技有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212009；4.江蘇佼燕船舶設(shè)備有限公司，江蘇 江陰 214404)

0 引言

《國際海上人命安全公約》(SOLAS)規(guī)定救生設(shè)備是指船舶在遇險時，能使船上人員安全迅速撤離船舶并在水上維持生命的專用設(shè)備的總稱，是船舶法定安全設(shè)備。按照SOLAS的相關(guān)要求，郵輪的每舷側(cè)至少按照50%乘員數(shù)配備救生艇，按25%乘員數(shù)配備充氣救生筏。目前，《國際救生設(shè)備規(guī)則》(LSA)明確了“容納人數(shù)超過150人以上的救生艇不予認可”。國內(nèi)最大的救生艇可容納150人，若按目前國內(nèi)最大救生艇筏配置，將嚴重制約人員疏散撤離船體的效率。各國船級社也在研究適用于大型郵輪的超過150人以上的大型救生艇規(guī)范。歐美等國大型救生艇技術(shù)的研制先于規(guī)范，例如: 挪威烏姆哈丁集團開發(fā)了CTL57型270 人的救生艇兼交通艇；德國FASSMER集團開發(fā)了SEL15.75型444人救生艇。這些產(chǎn)品設(shè)計已獲得了相關(guān)船級社頒發(fā)的船用產(chǎn)品證書。新型設(shè)計也極大地推動了大型救生艇技術(shù)及國際公約的發(fā)展。

本文立足于我國大型救生艇市場的需求，以335人大型救生艇為研究對象，重點從該艇總體方案設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、強度分析、穩(wěn)性及浸水分析、舒適性評估方法研究、降落和釋放裝置的設(shè)計及強度校核方法[1]等方面展開研究。

1 335人大型救生艇方案設(shè)計

通過消化、吸收國外大型郵輪多乘員救生艇關(guān)鍵技術(shù)，針對單艇超過150人以上基數(shù)救生艇的外形、結(jié)構(gòu)設(shè)計、層次、座位布置、空間布置、艇內(nèi)公共實施的總體布置進行分析研究。

1.1 主要參數(shù)

大型救生艇主要參數(shù)如下：艇長12.45 m，寬度5.46 m，型深1.76 m，高度4.18 m，吊鉤間距11.8 m，乘員335人，航速>15 kn。

1.2 總布置方案

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計及總縱強度分析

在結(jié)構(gòu)強度方面，335人大型救生艇參考中國船級社的《沿海小船入級與建造規(guī)范》并結(jié)合英國勞氏船級社(LR)相關(guān)標準進行設(shè)計。主要結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

本艇的結(jié)構(gòu)加強，主要考慮吊鉤裝置區(qū)域、舷側(cè)易撞區(qū)、主機區(qū)域結(jié)構(gòu)等。

按照重量逐項統(tǒng)計的方法進行空艇的重量估算，計算值為12 290 kg。該艇體的重量估算值與國際現(xiàn)有同類型艇重量基本相當(dāng)，達到了國際同類產(chǎn)品水平，參數(shù)對比見表2。

圖1 大型救生艇總體設(shè)計

表1 主要結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計

表2 與國際同類救生艇型參數(shù)對比

本艇參考《海船救生設(shè)備規(guī)范》(1974)第3.6.7要求的10倍安全系數(shù)及規(guī)范試驗要求的2倍載荷來評估本艇的總縱強度，艇中部的最大正應(yīng)力及吊鉤剖面處的最大剪應(yīng)力仍然有富裕。同時，按照德國勞氏船級社(GL)《船舶入級與建造規(guī)范》的第3部分第4節(jié)船體結(jié)構(gòu)要求評估船體結(jié)構(gòu)強度。經(jīng)過評估，該艇結(jié)構(gòu)滿足強度要求。

3 穩(wěn)性及破艙穩(wěn)性分析

基于NAPA軟件，建立三維浮力體的模型，進行靜水力計算及穩(wěn)性性能分析，評估救生艇在50%乘員定額時，乘員從正常位置移至艇中心線一側(cè)時救生艇的穩(wěn)定性，并且具有一個正的初穩(wěn)性高值。在這種狀態(tài)下，舷墻附近有舷側(cè)開口的每艘救生艇的干舷應(yīng)至少為救生艇長度的1.5%或100 mm，兩者取其大者。

救生艇浸水時進入水中的代表人體的重量可以略而不計。在浸水時未浸水中的代表人體的重量則應(yīng)放置在正常的座位位置上。載況下完整穩(wěn)性及破損穩(wěn)性復(fù)原力臂曲線計算見圖2、圖3。進行完整穩(wěn)性計算，得到初穩(wěn)性高值為3.954 m，干舷為0.754 m；進行破損穩(wěn)性計算時，初穩(wěn)性高值為1.517 m。本艇的完整穩(wěn)性及破損穩(wěn)性均滿足公約的要求。

圖2 完整穩(wěn)性復(fù)原力臂曲線圖

圖3 破損穩(wěn)性復(fù)原力臂曲線圖

4 艙內(nèi)舒適性設(shè)計

4.1 座位布置及撤離

本艇在國內(nèi)生產(chǎn)的150人救生艇基礎(chǔ)上，開展大型多乘員救生艇的開發(fā)工作，評估救生艇的長度、寬度、層次、座位布置、空間布置、艇內(nèi)公共實施的總體布置優(yōu)化設(shè)計，達到節(jié)約郵輪甲板空間的目的。本艇設(shè)置2層座位的尺度為：座位寬度430 mm、高度350 mm。通過錯位設(shè)置，座位面板距離頂板最小1 480 mm。人站立的空間高度最小1 800 mm。

人員撤離通過2個門，每門寬度1 500 mm，可以滿足4路乘員同時登艇。艇內(nèi)劃分4個區(qū)域，通過在座位上的不同顏色的標識來指引撤離路線，滿足10 min內(nèi)全部乘客完成登艇的要求。

4.2 通風(fēng)設(shè)計

因人員基數(shù)大，艇內(nèi)空間有限，呼吸過程中人吸入的氣體成份及比例與空氣的相同，人呼出的氣體成份發(fā)生了變化，但氮氣仍占78%左右，氧氣下降至16%左右，二氧化碳上升至4%左右。人的每次呼吸空氣量約500 mL，按每分鐘呼吸16次計算，每小時呼出二氧化碳約19.2 L。

文獻[9-12]中研究的矩陣左半張量乘法是矩陣研究中新定義的矩陣乘法規(guī)則，它克服了普通矩陣乘法對矩陣行列的限制。具有比較強的應(yīng)用價值的內(nèi)容是在相應(yīng)乘法中，關(guān)于前一普通矩陣的列和后面普通矩陣的行具有倍數(shù)或者因數(shù)的左半張量乘法的定義。本節(jié)要說明，這種乘法是多邊矩陣剖面廣義交叉乘法的特殊情況。

本艇內(nèi)空氣體積為144 m3，二氧化碳初始含量為0.04%。假設(shè)沒有新風(fēng)的情況下，密閉的空間隨著時間的推移的。其二氧化碳含量計算見表3。

表3 艇內(nèi)二氧化碳(CO2)濃度值及占比率

參考IMO MSC.1/Circ.1212替代設(shè)計規(guī)范，艇內(nèi)平均濃度低于9 865.5 mg/m3，計算得到新風(fēng)量為1 377.6 m3/h，平均每人4.17 m3/h新風(fēng)量[2]，以上設(shè)計應(yīng)通過試驗驗證。

考慮該艇兼交通艇用途，設(shè)計航速大于15 kn，大大增加了暈船率，故通風(fēng)設(shè)計參考GB/T 17729—1999《長途客車空氣質(zhì)量要求》的標準，二氧化碳(CO2)日平均值小于0.20%。

按照3 946 mg/m3的二氧化碳濃度，需要新風(fēng)量3 960 m3/h，平均每人12 m3/h新風(fēng)量，以上設(shè)計應(yīng)通過試驗驗證。

4.3 噪聲控制

艇的噪聲主要來源于主機的振動和噪聲。考慮到人員的舒適性，艙內(nèi)噪聲控制在85 dB以內(nèi)。結(jié)合之前的經(jīng)驗，可以從以下幾個方面進行改善：

(1)主機的振動：安裝主機減振器，以減少主機的振動。

(2)安裝消聲器，以減少主機的排氣噪聲。

(3) 將主機機艙密閉，并貼有吸音棉，隔音降噪效果明顯。

5 釋放/回收裝置設(shè)計

本釋放/回收裝置主要由吊鉤系統(tǒng)、操作控制系統(tǒng)、靜水壓力釋放器組成，主要從安全操作和強度兩方面進行設(shè)計與評估。

根據(jù)IMO.MSC.(89)規(guī)范第4.4.7.6(.2)的要求，本系統(tǒng)包含吊鉤承載系統(tǒng)及操控系統(tǒng)，設(shè)計需從以下幾個方面考慮其安全性能：

(1) 在船舶橫傾20°、縱傾10°的最惡劣情況下，受到0到100%往復(fù)工作負荷時，首尾吊鉤能同步打開及復(fù)位鎖定。

(2) 吊鉤在完全鎖定情況下，所有操控系統(tǒng)失去功能，吊鉤可以承載救生艇的負荷，正常完成艇的降放/回收。

(3) 首尾任何一個吊鉤在未完全復(fù)位的情況下，所有的操控系統(tǒng)不能復(fù)位操作，吊鉤無法承載受力，從源頭消除船員的誤操作。

(4) 靜水壓力釋放器設(shè)置了連鎖保護裝置，可以避免在艇完全浮于水面前被誤操作打開。

6 結(jié)語

海上人命安全是船舶航行安全的重要組成部分，尤其針對國內(nèi)大型豪華郵輪國產(chǎn)化裝備需求，從總體設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、舒適性設(shè)計及試驗技術(shù)新方法等方面展開研究，重點考慮設(shè)備配備、強度、浮性、穩(wěn)性和不沉性等安全要求。

本文對大型救生艇及收放系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進行研究，掌握設(shè)計、制造及試驗的方法，研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)、環(huán)境適應(yīng)性強、結(jié)構(gòu)可靠性高的救生裝備，對提升我國救生裝備的國際市場競爭力具有十分重要的作用。