極地破艙穩性及其在多用途船上的應用

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(南通中遠川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226001)

極地破艙穩性及其在多用途船上的應用

葛沛，劉燦波，馬宇斌，王楠

(南通中遠川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226001)

根據《極地水域船舶航行安全規則》第4章分艙與穩性，對中遠川崎船舶工程有限公司自主研發的2萬 t級極地多用途船進行極地破艙穩性的計算，探討IMO RES.A.1024(26)決議及該極地規則對極地航行船破艙穩性計算的影響。計算結果表明，該極地規則將影響船舶的總體布置和裝載工況。

多用途船；《極地水域船舶航行安全規則》；破艙穩性；PC code

隨著全球氣候變暖，極地北冰洋冰蓋的融化加速，北極航道的開通已成為可能。北極航道相對傳統的蘇伊士航線航程縮短，經濟效益顯著。極地運輸船舶的開發迎來重大的發展機遇。國際海事組織(IMO)制定了關于極地航行船舶的設計建造等方面的規則。

在2萬t級直艏多用途船的基礎上研發冰級為PC-6的極地多用途船。根據IMO RES.A.1024(26)決議和《極地水域船舶航行安全規則》以下簡稱《極地規則》，極地破艙穩性應當采用確定性方法進行計算[1]。

確定性破艙常用于干舷裕度較高的液貨船、B-60或B-100船舶。對于極地航行船舶，盡管破損是隨機的，各種可能的水密艙壁分隔情況在浸水之后對船舶殘存能力的貢獻也存在概率因素。但是極地航行船舶數量不多，極地海損事故統計數據少，難以進行極地破艙穩性概率衡準。《極地破艙穩性規則》仍是確定性計算方法。考慮依據實船設計計算，探討IMO RES.A.1024(26)決議和《極地規則》在破艙穩性方面的差異。

1 《極地規則》和IMO RES.A.1024(26)決議對比

與概率破艙穩性不同，極地確定性破艙規定了船體破損的范圍、位置以及破艙前后的狀態，確定一個或幾個最危險的破損艙或艙組，計算出破艙前后的浮態和穩性，按照規定的殘存條件衡準船舶是否滿足破艙穩性的要求。

與IMO.RES.A.1024(26)決議相比，《極地規則》關于船舶破艙穩性主要差別如下。

1)初始工況不同。IMO.RES.A.1024(26)決議中規定極地破艙穩性初始工況需要考慮所有極地實際營運工況。新生效的《極地規則》明確指出初始工況為按照《SOLAS II-1/7規范》概率破艙計算分艙指數的所有工況，即最深分艙吃水ds、輕載航行吃水dl、部分分艙吃水dp(SOLAS II-1/2.10,2.11及2.12中定義)對應的虛擬工況。

2)破損范圍不同。IMO RES.A.1024(26) 規范對縱向、橫向和垂向的破損范圍以及破損沿船寬或船長方向的位置，具體規定如下。

①冰區最大裝載水線的最大船寬向前，破損范圍為0.045L(L為最深冰區裝載水線長度)，否則為0.015L。

②橫向破損范圍為整個破損范圍內沿外板法向760 mm。

③垂向破損范圍取20%的冰區高位吃水或者縱向破損范圍長度中的小者。

④冰區破損的中心位于龍骨至1.2倍冰區高位吃水之間的任意一點。

⑤垂向破損的范圍可以假定位于龍骨與1.2倍的最大冰區吃水之間的任何垂向位置。

決議同時指出對于PC-6、7級別的極地船，如果不裝載會產生污染的危險貨物，破損范圍可以假定位于水密橫艙壁之間，除非橫艙壁的間距小于破損長度。

《極地規則》刪除了冰區破損的中心位于龍骨至1.2倍冰區高位吃水之間的任意一點的條款。同時免除了對于PC-6、7級別的極地船，如果不裝載會產生污染的有害貨物，并且橫艙壁間距大于破損長度時，破損范圍可以假定位于水密橫艙壁之間的條款。

2 2萬 t級極地多用途船簡介

垂線間長：179.5 m；

型寬：28 m；

設計吃水：9.2 m；

夏季吃水：10.5 m；

冰區高位吃水：10.73 m。

該船能夠通過新巴拿馬運河，滿足最新的各類海事規范、規則，包括NOxTier II排放標準，雙殼燃油艙保護等要求。配備單機可調螺距螺旋槳，全船連續甲板；艏部采用斜艏結構，居住區和橋樓位于艏部，居住區全封閉，兩翼延伸至舷側；機艙位于艉部，配備側推器。

3 極地確定性破艙計算

極地多用途船極地破艙穩性采用船舶設計軟件NAPA，主要計算過程見圖1。

圖1 極地確定性破艙穩性計算過程

1)初始工況定義。輕載航行吃水dl：取為實際裝載工況中壓載到港的吃水和縱傾值。

最深分艙吃水ds：取結構吃水，10.5 m。

部分分艙吃水，dp=dl+0.6(ds-dl)，實際取8.3 m。

根據裝載手冊中實際裝載工況，本船的縱傾范圍為-0.88～2.00 m，破損計算零縱傾狀態可以覆蓋的縱傾范圍為±0.5%Ls(Ls為分艙長度)即-0.88～0.88 m。增加了縱傾1.2 m的狀態，以包括所有實際裝載工況的縱傾值。2個計算縱傾狀態覆蓋的縱傾范圍達到了-0.88～2.08 m，覆蓋了實際裝載工況的縱傾范圍。見表1。

2)破艙工況。根據極地規則對破損范圍的規定，確定極地破損縱向范圍見表2。

3)極地破艙穩性計算結果分析。IMO RES.A.1024(26)決議和《極地規則》要求所有工況在冰區破損后的生存概率因子等于1。根據IMO RES.A.1024(26)決議計算破艙穩性，結果顯示生存概率因子均達到1，滿足規范要求。

表1 極地破艙初始工況

表2 極地破艙破損范圍

極地規則破艙穩性計算中，初始工況為按照SOLAS II-1/7規范概率破艙計算分艙指數的所有工況，即最深分艙吃水ds、輕載航行吃水dl、部分分艙吃水dp對應的虛擬工況。破損范圍與破損工況與按IMO Res.1024決議破艙穩性計算相同。最深分艙吃水縱傾1.2 m初始工況在機艙破損時下不能滿足規范要求。計算結果見表3。

表3 原設計方案破損計算結果

4)提高生存概率因子。極地規則破艙穩性不滿足(生存因子小于1)，體現在2點：考慮到下沉、橫傾和縱傾后的水線應低于可能發生繼續進水的任何開口的下緣；最大復原力臂僅0.11 m，未達到0.12 m以上。

對于第1點，在NAPA中查看被淹沒的開口，并適度加高，使最終穩定后的水線低于可能發生繼續進水的開口的下緣。對于第2點，船舶在一定排水量下產生小橫傾時，初穩性高越大，復原力臂也越大，即抵抗傾斜力矩的能力越強。在不修改型線的前提下，增加初穩性高值是提高復原力臂的首選方法。

計算發現最深分艙吃水對應的初穩性高值提高到1.44 m，可滿足規范要求；另外初始縱傾從1.2 m降低到0.9 m時，也可滿足規范要求。但注意到SOLAS規范中分艙與破艙穩性部分要求初始縱傾在考慮±0.5%Ls范圍后應包括所有營運縱傾。因此，如果降低計算中選取的初始縱傾值，則裝載手冊中的營運載況縱傾范圍將受到一定限制。考慮到目前營運裝載工況的初穩性高均大于1.44 m，因此設計中通過提高部分空氣管頭高度和初始工況初穩性高來滿足規范要求。

4 結論

極地破艙穩性的殘余性能關乎船舶在極地的安全及環境保護問題，因此，極地船舶的設計研發需要關注國際公約和標準的發展動態。《極地規則》于2017年1月1日生效，替代IMO. RES.A.1024 (26)決議。針對《極地規則》和IMO. RES.A.1024(26)的要求計算極地多用途船的破艙穩性，為滿足《極地規則》的要求，可以提高部分空氣管頭的高度、初始裝載工況的初穩性高，降低初始裝載工況的縱傾等。但提高初穩性高、降低縱傾均會影響船舶營運裝載，因此設計時需要平衡多種因素，必要時可以改變艙室劃分和型線。

[1] IMO.SOLAS綜合文本2009[S].北京：人民交通出版社,2009.

[2] IMO. Resolution MSC.385(94) INTERNATIONAL CODE FOR SHIPS OPERATING IN POLAR WATERS (POLAR CODE)[S]. IMO,2015.

[3] IMO. Resolution A.1024(26) Guidelines for Ships Operating in Polar Waters[S]. IMO,2009.

[4] Finnish Maritime Administration. Guidelines for the application of the Finish：Swedish Ice Class Rules.2008.

[5] NAPA O Y. NAPA online manuals[Z]. Damage Stability (DAM),2010.

[6] 張東江.北極航區分析及極區船舶總體性能研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2012.

Damage Stability of Polar Code and Its Application on Polar Type Multi-purpose Ship

GEPei,LIUCan-bo,MAYu-bin,WANGNan

(Nantong COSCO KHI Ship Engineering Co. Ltd., Nantong Jiangsu 226005, China)

Based on the latest regulation “International Code for Ships Operating in Polar Waters”(hereafter called “PC Code”), the damage stability of the 20,000 DWT polar type multi-purpose ship designed by Nantong COSCO KHI shipyard was calculated to research the difference of damage stability between IMO RES. A.1024 and Polar Code, and the influence of IMO RES. A.1024 and Polar Code upon damage stablity calculation for polar type ship. The results showed that Polar Code has higher impact on ship’s arrangement and cargo loading due to high requirements of damage stability.

muti-purpose ship; polar code; damage stability; PC code

U662.2

A

1671-7953(2017)06-0042-03

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.009

2016-12-29

2017-04-13

中遠集團資助項目(2013-1R-008)

葛沛(1986—)，男，碩士，工程師

研究方向：船舶總體設計