孟健勇

(金海智造股份有限公司，上海 200122)

0 引 言

近年來(lái)，隨著國(guó)際海事組織(International Maritime Organization，IMO)對(duì)船舶節(jié)能減排的要求日趨嚴(yán)格，新規(guī)則陸續(xù)生效，達(dá)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(yùn)河的開(kāi)通和投入運(yùn)營(yíng)，新巴拿馬型集裝箱船得到了市場(chǎng)的青睞。為降低運(yùn)營(yíng)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益，近年來(lái)集裝箱船日益朝著大型化方向發(fā)展，隨之對(duì)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(jìn)水等事故，給船員、船舶資產(chǎn)、船上貨物和海洋環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)重的威脅。為保證船舶破損之后仍具有一定的生存能力，對(duì)破艙穩(wěn)性計(jì)算進(jìn)行研究具有重要意義，其中船舶邊艙的寬度、分艙長(zhǎng)度和全船開(kāi)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(duì)其破艙穩(wěn)性進(jìn)行研究。該船的垂線間長(zhǎng)為313.13 m, 型寬為48.20 m，型深為27.20 m，設(shè)計(jì)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(guó)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(yīng)采用概率法計(jì)算。該船的概率性破艙穩(wěn)性采用芬蘭的NAPA軟件計(jì)算，在設(shè)計(jì)初期能取得較高的工作效率，計(jì)算結(jié)果獲得了船級(jí)社的認(rèn)可。同時(shí)，該軟件輸出的圖和表內(nèi)容豐富，在對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析時(shí)，有助于找出對(duì)分艙不利的因素，繼而對(duì)船舶分艙和浸水位置的開(kāi)口進(jìn)行優(yōu)化。

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

本文以上述12 200 TEU集裝箱船為例，對(duì)采用NAPA軟件計(jì)算、分析船舶破艙穩(wěn)性的過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)描述，重點(diǎn)探討選取和運(yùn)用NAPA生成圖、表的方法，在此基礎(chǔ)上對(duì)破損工況進(jìn)行分析。同時(shí)，列舉計(jì)算過(guò)程中遇到的部分問(wèn)題并提出對(duì)應(yīng)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(jì)算衡準(zhǔn)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(jì)算船舶破損之后保持不沉沒(méi)、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(duì)應(yīng)的最小對(duì)各艙或艙組進(jìn)行破損計(jì)算，累計(jì)船舶破損之后對(duì)殘存能力有貢獻(xiàn)的分艙指數(shù)的值，匯總求取達(dá)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(jì)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(zhǔn)要求。

1.1 分艙指數(shù)R

對(duì)于船長(zhǎng)大于100 m的船舶，有

(1)

式(1)中：為船舶處于最深分艙吃水時(shí)，在1層或數(shù)層限定垂向進(jìn)水范圍內(nèi)的甲板處或其以下部分的最大投影型長(zhǎng)。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(biāo)，當(dāng)達(dá)到的分艙指數(shù)>時(shí)，即表示船舶滿足規(guī)范對(duì)破損的要求，船舶具有相應(yīng)的安全程度。

1.2 達(dá)到的分艙指數(shù)A

基于、和等3組吃水，通過(guò)計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的分艙指數(shù)、和，加權(quán)求和得到達(dá)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(duì)殘存能力有貢獻(xiàn)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(gè)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(jì)算公式為

(4)

1.3 初始工況

初始工況由3種工況組成，對(duì)應(yīng)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(jìn)行破艙穩(wěn)性計(jì)算時(shí)，先基于這3種工況，依次對(duì)全船的艙室或艙室組合進(jìn)行破艙穩(wěn)性計(jì)算，得出3種工況的部分分艙指數(shù)、和，再進(jìn)行加權(quán)求和，得到達(dá)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?yàn)檫@3種工況對(duì)應(yīng)不同的吃水。

1.4 破損范圍

沿船長(zhǎng)方向以單一分區(qū)為單位，最大橫向破損深度應(yīng)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(jì)算

2.1 NAPA計(jì)算分析過(guò)程

采用NAPA軟件對(duì)集裝箱船進(jìn)行概率性破艙穩(wěn)性計(jì)算，計(jì)算和分析過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 NAPA 概率性破艙穩(wěn)性計(jì)算和分析過(guò)程

2.2 NAPA模型

在進(jìn)行破艙穩(wěn)性計(jì)算之前，應(yīng)準(zhǔn)備好計(jì)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(duì)于破損分區(qū)劃分，應(yīng)先在NAPA軟件內(nèi)填寫(xiě)分區(qū)表Subdivision table，軟件會(huì)根據(jù)填寫(xiě)的分區(qū)表生成艙室限界面表CLIMT table，在此基礎(chǔ)上自動(dòng)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(gè)計(jì)算的基礎(chǔ)，在填寫(xiě)分區(qū)表時(shí)，應(yīng)遵循NAPA的規(guī)則，填寫(xiě)有效的縱向、橫向和垂向限界面數(shù)值。若填寫(xiě)的數(shù)據(jù)不完整，會(huì)導(dǎo)致生成的破損工況組覆蓋不全面或數(shù)據(jù)報(bào)錯(cuò)，破艙穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確。12 200 TEU集裝箱船分區(qū)劃分圖見(jiàn)圖2。

a) 縱剖面

2.4 全船開(kāi)口信息

全船開(kāi)口信息應(yīng)包含所有的風(fēng)雨密開(kāi)口和未保護(hù)開(kāi)口，本文所述船舶共有564個(gè)這樣的開(kāi)口，數(shù)據(jù)量大，錄入的信息不容有誤。全船每個(gè)開(kāi)口的信息都有可能改變船舶破損之后的平衡浮態(tài)，對(duì)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(lái)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(gè)艙室。當(dāng)相鄰艙的No.2底邊壓載水艙(右)破損時(shí)，No.1 底邊壓載水艙會(huì)連帶浸水，見(jiàn)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(duì)應(yīng)的吃水分別為、和，其中：對(duì)應(yīng)夏季載重線吃水，即結(jié)構(gòu)吃水16.0 m；取完整穩(wěn)性計(jì)算書(shū)中的輕壓載到港吃水7.789 m；根據(jù)規(guī)范計(jì)算，=+0.6×(-)=12.716 m。

在完整穩(wěn)性計(jì)算書(shū)中，所有裝箱工況下的縱傾值都沒(méi)有超過(guò)0.5%。 因此，采用零縱傾計(jì)算和工況下的破艙穩(wěn)性，采用完整穩(wěn)性計(jì)算書(shū)中輕壓載到港的縱傾值計(jì)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(jiàn)表1。

表1 目標(biāo)船初始工況基本參數(shù)

2.7 hGM值選取

對(duì)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(duì)增大，甲板上集裝箱的裝箱量增加；若最小變大，則達(dá)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(dá)到平衡。

對(duì)于的選取，SOLAS要求取、和等3組吃水下的最小要求。對(duì)于本文所述船舶，先根據(jù)完整穩(wěn)性計(jì)算書(shū)繪制各典型工況下的的散點(diǎn)圖和GM包絡(luò)線，見(jiàn)圖4。初選、和等3組吃水與GM(見(jiàn)表4)包絡(luò)線的相交值計(jì)算，得到。若>，則滿足規(guī)范的要求，在調(diào)整完整穩(wěn)性計(jì)算書(shū)、編制壓載水交換程序時(shí)，相應(yīng)工況的均應(yīng)在該包絡(luò)線的上方；若<，則應(yīng)調(diào)整破艙穩(wěn)性計(jì)算，或按滿足破艙穩(wěn)性衡準(zhǔn)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(luò)線

初選的滿足衡準(zhǔn)要求之后，嘗試以GM包絡(luò)線為基礎(chǔ)，調(diào)整3組吃水對(duì)應(yīng)的最小，同時(shí)將其代入計(jì)算流程中進(jìn)行比較。將不同的代入計(jì)算流程中，會(huì)得到不同的值，見(jiàn)表2。在選取時(shí)，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(duì)應(yīng)的A值、R值

2.8 結(jié)果評(píng)估

2.8.1 達(dá)到的分艙指數(shù)

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

表3 達(dá)到的分艙指數(shù)A

2.8.2 SFAC DIAGRAM

NAPA軟件有2個(gè)模塊對(duì)分析破艙穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果有指導(dǎo)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(dá)單個(gè)分區(qū)或多個(gè)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(duì)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(hào)表示單個(gè)分區(qū)和多個(gè)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(xì)信息需結(jié)合SFC DIAGRAM 和對(duì)應(yīng)破損工況的計(jì)算結(jié)果獲取。

2.8.4 SFAC DIAGRAM和P1S DIAGRAM的應(yīng)用

從圖6中能很容易看出Z06、Z07、Z08和Z09等4個(gè)分區(qū)，單區(qū)破損時(shí)損失的生存概率值較高。結(jié)合圖5可知，這4個(gè)分區(qū)左舷與右舷的生存概率圖標(biāo)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(gè)分區(qū)破損之后的狀態(tài)，有利于增大的值。

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

為進(jìn)一步驗(yàn)證上述結(jié)論，還需參照詳細(xì)的計(jì)算書(shū)。表4為 Z06、Z07、Z08和Z09等4個(gè)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(jìn)水點(diǎn)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(kāi)口是進(jìn)入舵機(jī)艙的風(fēng)雨密小艙蓋。Z06、Z07和Z08等3個(gè)分區(qū)均在左舷破損之后，舵機(jī)艙因H30繼續(xù)進(jìn)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(gè)分區(qū)破損之后最終的浮態(tài)信息匯總

對(duì)比浸沒(méi)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(gè)分區(qū)左舷破損的狀態(tài)將得到改善。將新的H30開(kāi)口信息代入NAPA軟件中，計(jì)算得到的值增大。表5為H30開(kāi)口調(diào)整前后的值對(duì)比。

表5 H30開(kāi)口調(diào)整前后的A值對(duì)比

3 增大A值的方法

通過(guò)對(duì)破艙穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，可從以下幾個(gè)方面增大值。

3.1 找出最易進(jìn)水的開(kāi)口

艉部系泊甲板(見(jiàn)圖7)是全船最低的甲板。從表4中可看出，當(dāng)Z01～Z09分區(qū)左舷單艙破損時(shí)，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(kāi)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?？諝夤芎鸵缌鞴軕?yīng)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(kuò)大多分區(qū)連續(xù)破損計(jì)算

概率性破艙計(jì)算是指累計(jì)有效的值。在沿船長(zhǎng)方向的分艙范圍內(nèi)，合理加密破損分區(qū)，會(huì)使計(jì)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(huì)得到累計(jì)，這部分?jǐn)?shù)值會(huì)為增大值做貢獻(xiàn)。此外，可擴(kuò)大計(jì)算的連續(xù)破損區(qū)域，從計(jì)算連續(xù)3個(gè)和4個(gè)分區(qū)破損擴(kuò)大到計(jì)算連續(xù)5個(gè)分區(qū)破損，同樣能增大部分有效的值。

3.3 機(jī)艙與軸隧艙隔離

本文所述船舶的軸隧艙與機(jī)艙是聯(lián)通的(見(jiàn)圖8)，機(jī)艙或軸隧艙任一位置浸水，都會(huì)擴(kuò)大浸水范圍。從圖5中可看出，無(wú)論是單個(gè)區(qū)域破損，還是多個(gè)區(qū)域連續(xù)破損，其值都是無(wú)效的，不能為增大值做貢獻(xiàn)。從圖6中可看出，當(dāng)軸隧艙破損時(shí)，該區(qū)域的值的損失比較大，若能將機(jī)艙與軸隧艙有效隔離，會(huì)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(jī)艙示意圖

4 結(jié) 語(yǔ)

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

2) 本文詳細(xì)描述了采用NAPA軟件進(jìn)行概率性破艙穩(wěn)性計(jì)算的流程和計(jì)算結(jié)果評(píng)估方法，可供船舶設(shè)計(jì)人員使用NAPA軟件時(shí)參考；

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