基于壓載水法的50 000 t半潛船傾斜試驗測量參數敏感性分析

左文安 田明琦

（中集船舶海洋工程設計研究院有限公司 上海201206）

基于壓載水法的50 000 t半潛船傾斜試驗測量參數敏感性分析

左文安 田明琦

（中集船舶海洋工程設計研究院有限公司 上海201206）

由于半潛船在主甲板完全沒入水面后，船體水線面面積急劇減小，導致GM值較小，而傾斜試驗讀數誤差會影響到空船重心高度，從而影響最終配載的GM值。文章以50 000 t半潛船為例，根據船舶靜力學原理，針對壓載水法傾斜試驗的測量參數水尺、測深及擺錘讀數開展敏感性分析。結果表明：擺錘讀數及手工測深讀數對傾斜試驗結果影響較大，而水尺讀數的影響較小；讀數誤差影響范圍可能超過最小的GM值，因此對半潛船來說，傾斜試驗的準確性極其重要。

半潛船；傾斜試驗；壓載水法；測量參數；敏感性分析

引 言

船舶初期設計所采用的空船質量和重心只是估算或計算的結果，船舶在建造過程中，結構構件及材料或設備位置、質量等變化，都可能造成質量和重心一定程度的偏差，因此，船舶在完工后需要進行傾斜試驗，以便確定其實際質量和重心的縱向位置和垂向位置。傾斜試驗關系到船舶的載重量指標是否滿足合同的約定要求，同時也影響到船舶的配載與穩性衡準要求［1］。

對于常規噸位船舶，一般采用鑄鐵塊、鋼錠或水泥塊等外形正規的重物作為傾斜試驗移動載荷。對于大噸位船舶，若采用固體重物作為傾斜試驗的移動載荷，此方法要求船廠配置大量固體壓塊及重吊，條件苛刻且經濟性較差。50 000 t半潛船的空船排水量約為30 000 t、初穩性高約為23 m，如果采用較規則形狀的固體重塊作為移動載荷來作傾斜試驗，對于船廠來說則非常困難。CB/T 3035-2005船舶傾斜試驗標準規定：在難以采用固體重塊的情況下，可使用壓載水作為試驗質量［2］。本船采用WBT07.3壓載艙（左/右）交換壓載水作為移動重量，該艙長25 600 mm、寬10 053 mm、液面面積達257.36 m2。由于壓載艙液面面積大，對于測深及相關參數的測量精度要求較高，同時本船在下潛過程中，主甲板完全沒入水面后，穩性急劇變化，穩性值較小，因此開展其敏感性分析非常有必要。

50 000 t半潛船主要技術參數為：

總 長 227.00 m

垂線間長 220.60 m

型 寬 43.00 m

型 深 13.50 m

設計吃水 10.00 m

半潛吃水 27.00 m

載重量 約50 000 t

推進器 3組×4 500 kW

服務航速（90%推進器功率） 約14.00 kn

續航力 18 000 n mile

床 位 55人

船 級 CCS

圖1 50 000 t半潛船

1 試驗方法

本船試驗采用移動壓載水的方法完成，壓載水采用壓載泵從一舷移到另一舷。WBT07.3壓載艙（左/右）作為移動質量壓載水艙，且對其自由液面慣性矩給予修正，參見圖2和下頁圖3。

圖2 壓載艙布置圖

試驗中使用兩套擺錘測量橫傾角，擺錘分別布置在FR0和FR224，擺長約為17 m。移動壓載水的質量由測深尺通過測深管測定，移動順序見表1。

圖3 壓載艙調載圖

表1 調載工況

應測數據包括：試驗時間、天氣、風力及海況，不足質量及位置，多余質量及位置，吃水標志處的吃水（包括前、中、后標志的兩側），海水溫度和海水密度，擺長，擺錘在標尺上的初始位置。每次讀取擺錘位移時，應測量WBT07.3壓載艙（左/右）的測深值，以確定每次的移動量。

每個載荷工況移動的壓載水重約200 t，WBT07.3壓載艙（左/右）水面深度增加或減小約778 mm，估算橫傾角度θ正切值及擺錘幅值a見表2。

表2 單次調載估算橫傾角及擺錘幅值

2 敏感性參數分析

船舶傾斜試驗是通過調整WBT07.3壓載艙（左/右）壓載水，使船舶產生較小的橫傾角，通過測量擺錘的讀數及壓載艙的測深，經過計算得到船舶相關穩性參數。

試驗初始浮態見表3。

表3 初始浮態

由于試驗過程船體發生橫傾，壓載艙自由液面將發生變化，自由液面對初穩性的修正公式為：

式中：GM0為初穩性高，m；GM1為自由液面修正后的初穩性高，m；ρ為調壓載艙水的密度，t/m3；IXX為壓載艙自由液面橫向慣性矩，m4；Δ為排水量，t。

由表4可知，單次調載橫傾角的變化對GM自由液面修正的影響較小，200 t壓載水調載導致GM變化僅為0.006 mm，因此橫傾角變化引起的調壓載艙自由液面對GM變化的影響可忽略不計。

表4 自由液面修正

由于KM與船體外殼型線有關，調載壓載水橫向移動的距離l為定值，影響重心高度的參數有：排水量Δ、調載壓載水質量及相應橫傾角θ。

2.1 排水量測量參數

在傾斜試驗過程中，環境條件要求風力一般不超過2級，特殊情況不超過3級。通常由于交船時間節點的限制，遇到完全風平浪靜的時候較少，因此水面上不可避免會存在波浪。通常采用玻璃管或微管連通器的方法進行消波以減小對船舶吃水讀數準確性的影響［3-4］。

在單次調載工況下，僅考慮吃水讀數引起誤差的影響。假設吃水讀數測量值與理論值差值為δT，理論排水量為Δ0，若讀數誤差引起的排水量為Δ1，水線面面積為S，則由吃水讀數誤差引起初重心高hKG變化值δKG為：

由式（2）可知，δKG與δT成正比，排水量理論值與測量值的乘積成反比。吃水讀數誤差引起δKG的變化結果見表5。若吃水讀數誤差為±10 mm，則引起最大的δKG變化為0.058 m。

2.2 傾角測量參數

傾斜角的測量采用 U型管、擺錘等方法。采用擺錘進行測量時（擺錘至少2個），擺錘應處于防風區域，并盡可能遠離。擺錘應置于水槽或油槽中，且在最大傾角時不應觸及槽壁。設擺錘長度為λ（量自擺錘掛點至刻度標尺間的垂直距離），λ應足夠長，至少為3 m。設擺動幅度為a，則傾角θ為：

表5 吃水讀數誤差分析

在單次調載工況下，僅考慮擺錘讀數引起誤差的影響。假設擺動幅度理論值為a0，相應的傾角θ0，實際的測量值為a1，相應的傾角為θ1，則由讀數誤差引起初穩性變化值δGM為：

由式（4）可知，δGM與擺錘讀數誤差值成正比，與理論值和測量值的乘積成反比。擺錘讀數誤差引起δGM變化結果見表6。若擺錘讀數誤差為±2 mm，則引起最大的δGM變化為-0.305 m。

表6 擺錘讀數誤差分析

2.3 手工測深參數

測深鋼卷尺又稱量油尺，主要部件是一條具有彈性的連續鋼制尺帶和一個規定的尺砣，尺帶的一面刻蝕或印制有m、cm、mm等刻度及相應數字。測深鋼卷尺與鋼卷尺最主要的區別是測深鋼卷尺多了一個尺砣，零刻度線就是尺砣的頂端，導致校正誤差比鋼卷尺多了一個步驟，實際使用時需要對其進行零值檢定［5-6］。調壓載艙的壓載水深度通過測深鋼卷尺進行測量（見圖4）。

圖4 測深鋼卷尺對壓載艙進行測深

在單次調載工況下，僅考慮測深讀數引起誤差的影響。假設理論調載壓載水質量為p0，相應的艙室的測深為h0；實際的調載壓載水質量為p1，相應艙室的測深為h1，則由讀數誤差引起的GM值變化值δGM為：

由式（5）可知，δGM與測深讀數誤差值成正比。測深讀數誤差引起δGM的變化結果見表7。假設測深讀數誤差為±10 mm，則引起最大的δGM變化為0.302 m。

2.4 傾角測量與手工測深聯合參數

讀數誤差往往同時包括擺錘讀數與手工測深的誤差，兩者聯合誤差引起的GM值變化值δGM為 ：

表7 手工測深讀數誤差分析

由式（6）可知，δGM與擺錘及測深讀數的理論值及測量值都有關，讀數誤差引起δGM的變化結果見表8。假設測深讀數誤差位±10 mm，擺錘讀數誤差為±2 mm，兩者聯合引起最大的δGM變化為0.612 m。δGM變化三維枝干圖見下頁圖5，擺錘及測深讀數反相時δGM的變化變大。

表8 擺錘與手工測深讀數誤差分析

續表8

圖5 δGM變化三維枝干圖

3 結 論

通過對50 000 t半潛船傾斜試驗水尺、擺錘和手工測深讀數誤差進行敏感性分析研究，得出以下結論：

（1）擺錘讀數及手工測深讀數是影響傾斜試驗結果準確性的關鍵因素，而水尺讀數的影響較小。

（2）本船考慮單一參數對傾斜試驗結果的影響時，擺錘讀數每1 mm誤差對GM值偏差約為0.15 m；手工測深讀數每5 mm誤差對GM值偏差約為0.151 m。

（3）本船考慮雙參數對傾斜試驗結果的影響時，擺錘讀數及手工測深讀數聯合誤差對GM值偏差可能變大。假設擺錘讀數誤差最大為±2 mm，手工測深讀數最大誤差為±10 mm，對GM值偏差可達0.612 m。

（4）半潛船在下潛過程中，主甲板完全淹沒水面后，GM值急劇降低。本船在主甲板沒入后最小GM值約為0.44 m。擺錘讀數及手工測深讀數聯合誤差對空船重心高度偏差可達0.612 m，若再考慮到部分艙室雖作為滿艙考慮而實際并非滿艙，存在自由液面修正的不確定情況，則在下潛過程中可能存在穩性喪失導致船舶傾覆的風險，因此傾斜試驗數據的準確性極為重要。

（5）減小傾斜試驗結果數據誤差的措施有：增大擺錘繩長；選擇自由液面面積較小的艙室作為調載壓載水艙；提高液艙測深精度；試驗人員多次測量擺幅等。

［1］ 中國船舶工業集團公司.船舶設計實用手冊（總體分冊）［M］. 北京：國防工業出版社，2014.

［2］ 中華人民共和國船舶行業標準，CB/T 3035-2005.船舶傾斜試驗［S］.國防科學技術工業委員會，2005.

［3］ 郭順福.特殊連同器實驗［J］.物理實驗，2005（5）：33-38.

［4］ 郭順福.一項駁船水尺計重技術原理［J］.造船技術，2003（6）：23-25.

［5］ 郭麗宏.探討與測深鋼卷尺檢定有關的“誤差” ［C］.中國油氣計量技術論壇文集，2010：462-465.

［6］ 中華人民共和國國家標準. GB13236-1991.石油用量油尺和鋼圍尺技術條件［S］.北京：中國標準出版社，1992.

Sensitivity analysis of measurement parameters in inclining experiment based on ballast water method for 50 000 t semi-submersible vessel

ZUO Wen-an TIAN Ming-qi
(CIMC Ocean Engineering Design & Research Institute Co., Ltd., Shanghai 201206,China)

The semi-submersible vessel has less initial stability, i.e. less value of GM, due to the sharp decrease of the hull waterline area when the main deck of the semi-submersible vessel has been totally submersed into the water. However, the reading errors in the inclining experiment affect the height of the center of the lightship gravity, eventually influencing the finally collocated value of GM. According to the ship statics principle, it performs the sensitivity analysis of the measurement parameters, draft mark, sounding and the pendulum reading in the inclining experiment based on the ballast water method for a 50 000 t semi-submersible vessel. The results show that the pendulum reading and manual sounding have greater impact on the inclining experiment than the draft mark. It also indicates that the incidence of the reading error may exceed the minimum value of GM.Therefore, the accuracy of the inclining experiment is extremely important to the semi-submersible vessel.

semi-submersible vessel; inclining experiment; ballast water method; measurement parameter;sensitivity analysis

U661.2+2

A

1001-9855（2017）06-0021-06

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.06.021

2017-04-27；

2017-05-12

左文安（1981-），男，碩士，高級工程師。研究方向：船舶與海洋工程設計與計算。田明琦（1980-），男，碩士，工程師。研究方向：船舶與海洋工程設計與計算。