單艙大開口重吊船破艙穩性研究

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(上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240)

國際經濟貿易中貨物的種類和形式趨于多樣化，在常規貨物種類例如雜貨、散貨、集裝箱，滾裝貨之外，大件貨物運輸越來越多，尤其是海洋工程裝備的發展，使得大量的海洋工程結構物需要運輸和吊裝，亟待設計建造可以用于運送大件貨物的船舶。目前，大部分此類船舶的設計由國外設計公司完成，國內設計部門鮮有涉足。2009年1月1日，《SOLAS 2009》強制實施[1]，新規則對破艙穩性要求提高。以一艘單艙大開口的重吊船為算例，探討單艙大開口船舶滿足破艙穩性的設計方案。

1 算例船概況

該船主尺度見表1。

表1 算例船船型要素表

該船突破以往重吊船設計單艙最大艙容的限制，達到單一貨艙載重量10 000 t，貨艙開口尺度為94.25 m×16.2 m，不但能運送海洋工程中的大件貨物，又可以兼作集裝箱船使用，能夠適應不斷變化的海運市場需求。

2 分艙指數計算規則

國際海上人命安全公約規定，當達到的分艙指數A大于等于要求的分艙指數R時，貨船滿足破艙穩性的要求。

2.1 要求的分艙指數R

貨船要求的分艙指數：

式中：Ls——分艙長度。

Ls越長，對貨船破艙穩性的要求就越高。

2.2 達到的分艙指數A

新規范要求貨船所能達到的分艙指數由三種水線下計算得到的分艙指數加權得到，即輕載營運吃水dl、部分分艙吃水dp和最深分艙吃水ds，分別對應分艙指數As、Ap、Al。

A=0.4As+0.4Ap+0.2Al

每一水線下的分艙指數生存概率是不為0的、對分艙指數有貢獻的破損工況的和：

A=∑pisi

式中：i——破損艙組編號；

pi——艙組破損浸水概率；

si——艙組破損浸水后的生存概率。

3 破艙穩性影響因素分析

3.1 概率破艙初穩性高的選取

圖1 初穩性高隨吃水變化圖

3.2 設置頂邊艙

除運輸大件貨物外，該船還作為常規集裝箱船使用，其設計汲取了優秀的集裝箱船設計理念。對于少貨艙集裝箱船，破艙穩性同樣是設計的限制因素。目前，集裝箱船設計中比較流行的一種布置是：將二層甲板作為干舷甲板，主甲板和二甲板之間的封閉邊殼作為通道[2]，通道內合理布置水密門作為縱向分割。圖2為設置頂邊艙前后的概率破艙穩性計算模型效果圖。

圖2 概率破艙穩性計算模型圖

這種設計對船舶破艙穩性和經濟性有著積極的影響。

1) 將二層甲板作為干舷甲板之后，有水密關閉裝置的頂邊艙就變成了有效上層建筑。在干舷計算中，有效上層建筑對夏季最小干舷的有利修正最為明顯。本船夏季最小干舷值的最終設計方案為Fmin=2 509.2 mm。其中，有效上層建筑對基本干舷的修正為-466.7 mm，修正前后，最小干舷值減小了將近20%，為貨物裝載和最深分艙載重線的劃定提供了更大的活性空間。

2) 具備水密關閉裝置的邊艙為船舶破損后提供了可觀的儲備浮力，這種改變的作用甚至是決定性的。用Napa軟件建模計算，在其他艙室相同布置的情況下，頂邊艙設置前后，達到的分艙指數A從0.511 94上升到了0.557 87，而本船要求的分艙指數R=0.547 65?？梢?，設置頂邊艙，很大程度地提高了分艙指數A值，使得該船滿足了SOLAS公約關于概率破艙穩性的要求。

3) 由于主貨艙的艙口蓋架放在頂邊艙頂端內側，頂邊艙的高度很大程度影響了主貨艙的容積，特別是對于裝載集裝箱的工況，還需要考慮與集裝箱高度的配合。肋位處集裝箱布置見圖3，如果不設置頂邊艙，增加型深后也只能布置4層標準箱，而設置頂邊艙之后，配合合理的雙層底高度，艙內可以布置5層集裝箱。可獲得可觀的經濟利益。

圖3 集裝箱布置

除對船舶穩性和貨物布置起到積極影響外，在結構上，頂邊艙還提高了大開口船舶的抗扭能力，該船設置高度為3.875 m的頂邊艙，并在頂邊艙內距尾垂線31.85～80.60 m的位置設水密分割。

3.3 邊艙寬度的選取

假設該船不設邊艙,所能達到的分艙指數A=0.238 74,遠遠不能滿足要求。整個貨艙長度部分缺少邊艙的保護,一旦破損,整個貨艙浸水,生存概率很低。設立邊艙之后，減小了主貨艙破損的概率，提高了主貨艙區域的破損生存概率。

隨著邊艙寬度的增加，邊艙破損浸水后的傾斜越大，沉船的危險性也會增加，邊艙浸水后的傾斜又成為主要的安全隱患，所以，分艙指數A的提高受到限制。

保持其余艙室不變,僅改變貨艙兩側邊艙寬度,單變量地研究邊艙寬度對于該船破艙穩性的影響。圖4為不同邊艙寬度所達到的分艙指數A。

圖4 分艙指數A隨邊艙寬度變化圖

可以看到，設立邊艙后，分艙指數A得到很大提升，邊艙半寬比在0.05～0.15之間，對分艙指數A的影響效果明顯，進一步增加邊艙寬度比至0.35，對分艙指數A的影響變得平緩，邊艙寬度繼續增大，分艙指數A會有進一步的提高，然而，過大的邊艙會影響主貨艙的容積。

3.4 邊艙縱向分割影響分析

從理論上分析，如果將原艙長為l0的邊艙縱向分割成長度分別為l1和l2的兩個艙，如圖5，則有：

l0=l1+l2

圖5 邊艙縱向分割示意圖

分艙之前的分艙指數為

A0=p0·s0

分艙之后的分艙指數為

A=(p0-p1-p2)·s0+p1·s1+p2·s2

通常情況下，s1≥s0，s2≥s0，p1>0，p2>0。分艙前后，分艙指數A的變化為

δA=A-A0=(p0-p1-p2)·s0+p1·s1+p2·s2-p0·s0=p1×(s1-s0)+p2(s2-s0)≥0

可見δA是單調增函數，然而當縱向分割增加到一定數量，使得生存概率s0=s1=s2=1，此時δA=0，進一步增加縱向艙壁不再對分艙指數A有貢獻。只有在艙長較長，其浸水后s0<1，分艙后的s1和s2大于s0的情況下，增加縱向分割才會有利[3]。

綜上，起初增加邊艙的縱向分割對分艙指數A是有利的，但有利程度隨邊艙數目的增加而減小，直到趨向于0。

對該單艙大開口重吊船的主貨艙長度范圍內的邊艙進行縱向分割，見圖6。然后計算分割后邊艙數量從3到11的過程中，分艙指數的變化趨勢見圖7。

圖6 邊艙縱向分割示意圖

圖7 邊艙縱向分割對分艙指數A的影

可以看到，邊艙分艙數從3增加到4時，分艙指數有很大的提高；從4增加到6，分艙數仍有可觀的提高，但增加幅度明顯減緩；從6增加到11時，分艙指數的增加十分微小。所以，最終將該船邊艙縱向分割為6部分，并根據裝載和船舶舾裝需要設置水平水密分割和局部分割。

3.5 雙層底高度影響分析

按照SOLAS規定，假定破損范圍向下延伸至基線，當雙層底與主貨艙同時不設縱向分割或者設置相同的縱向分割時，雙層底高度對生存概率沒有影響；當雙層底內設縱向艙壁，而主貨艙為平衡艙時，雙層底高度的升高會使生存概率略有減小。

分艙指數隨雙層底高度變化的趨勢見圖8。

圖8 分艙指數隨雙層底高度變化趨

隨著雙層底高度增加，分艙指數呈下降趨勢，然而影響程度很小，首尾兩點比較，A只減小了0.44%。說明對于這種單艙大開口船舶，僅從滿足概率破艙的要求來說，可以忽略雙層底高度的影響。然而雙層底的高度直接影響船舶的重心高度和壓載容積的大小。

SOLAS2009中對雙層底高度的要求為h≥760 mm(h=B/20)，且無必要大于2 000 mm。

綜合之前對頂邊艙高度的考慮，主貨艙區域設置2 m高的雙層底時，最頂層集裝箱箱頂距主貨艙艙口蓋0.3 m，剛好在艙內可設置5層標準集裝箱。

4 結論

1) 設置頂邊艙有利于修正最小干舷，獲得更大的裝載空間，并為大傾角穩性提供儲備浮力，在破艙出現大傾角橫傾后，獲得更大的生存概率;同時增加了艙內和甲板上集裝箱布置的數量，獲得更大的經濟利益。

2) 增加邊艙寬度對船舶破艙后的生存概率是有利的，但這種有利影響隨著浸水后的大傾角橫傾而削弱，因此，需綜合結構強度因素和艙容布置因素，合理選擇邊艙寬度。

4) 雙層底高度對分艙指數A的影響有限，其確定因素主要考慮裝載重心高度和貨艙容積。

5) 主貨艙長度范圍內邊艙縱向分割，在分割數較少時對分艙指數影響明顯，但隨著分割數的增加，分艙指數增加程度減緩，再繼續增加縱向分割數對破艙穩性無益。

[1] 中國船級社.SOLAS2009 分艙與破損穩性要求實施指南[M].北京：人民交通出版社，2009.

[2] 楊 軍.淺談集裝箱的破艙穩性[J].船舶設計通訊，2005(2):50-53.

[3] 胡鐵牛.貨船概率破艙穩性計算及對分艙的影響[J].上海交通大學學報,1997,31(11):26-29.