南極磷蝦捕撈加工船極限完整穩性研究

項立揚 王萬勇

（上海和創船舶工程有限公司 上海200126）

引 言

南極磷蝦是一種生活在南極洲水域的軟甲綱浮游動物，體長一般為40～60 mm，單體重約2 g，是地球上資源量最大的單種生物之一。南極磷蝦對南極生態系統的平衡具有極其重要作用，南極海洋生物資源養護委員會（CCAMLR）每年為每個捕撈區設定一個捕撈量上限，而根據CCAMLR的調查報告，近些年的實際年捕撈量遠小于限制值。［1-3］

中國從2009/2010漁季起開始向CCAMLR正式提出南極磷蝦入漁申請，每年約有3艘漁船在南極進行磷蝦捕撈工作［1］。這些漁船因船型老舊、加工和捕撈設備非南極磷蝦專用以及采用傳統拖網捕撈形式、船員經驗欠缺等因素導致捕撈效率不高，經濟效益較差。因此，設計和建造采用新型橫桿連續泵吸捕撈方式，并且裝備有先進的加工與制冷設備的專業南極磷蝦捕撈加工船，是國家發展高性能遠洋漁業船舶的戰略規劃。然而，先進的捕撈、加工以及制冷等專業設備的配置，導致該類船在船舶布置、空船質量以及船舶重心等方面與常規的拖網漁船存在較大差異，再加上國內對現代化大型拖網漁船的基礎研究和設計開發比較欠缺，因此這些差異給船舶穩性帶來全新的安全考驗。

本文旨在研究基于國際海事組織（IMO）《托雷莫里諾斯國際漁船安全公約》（以下簡稱“國際漁船公約”）、《2008國際完整穩性規則》（以下簡稱“2008 IS Code”）以及中華人民共和國漁業船舶檢驗局《漁業船舶法定檢驗規則-遠洋漁船2015》（以下簡稱“遠洋漁船法規2015”）等規范的要求，以“深藍”號南極磷蝦捕撈加工船的參數和圖紙為基礎，研究新型南極磷蝦捕撈加工船的極限完整穩性，探討極地環境下船舶設計工況與完整穩性特點。

1 南極磷蝦捕撈加工船完整穩性衡準

南極磷蝦捕撈加工船屬于大型遠洋拖網加工漁船，國際與國內規范針對該類船完整穩性的衡準分為一般穩性衡準與氣象衡準兩部分：一般穩性衡準指標是對初穩性高、復原力臂和復原力臂曲線下的面積的衡準；國際與國內規范的衡準條款沒有區別，但是衡準指標略有不同。表1對比了“國際漁船公約”、“2008 IS Code”和“遠洋漁船法規2015”要求的一般穩性的衡準條款與衡準指標［4-6］。

表1 一般穩性衡準對比

氣象衡準是用來評估船舶抵抗橫風和橫搖聯合作用的能力，“國際漁船公約”、“2008 IS Code”和“遠洋漁船法規2015”對氣象衡準的要求一致［4-6］，具體如下 ：

（1）氣象衡準1。船舶受到垂直于其中心線的一個定常風的作用，產生一個定常風傾斜力臂lw1。在定常風作用下，橫傾角φ0應不大于16°或甲板邊緣浸水角的80%，取其中較小者。

（2）氣象衡準2。假定在波浪作用下，船體由平衡角φ0向上風一側橫舷搖至φ1；然后又受到一個陣風風壓，產生陣風傾力臂lw2。在此情形下（參見下頁圖1），面積b與面積a的比值（b/a）大于1。

（3）風傾斜力臂lw1和lw2在所有橫傾角時均為定常值，lw1和lw2規范計算公式如下：

式中：P為計算風壓，取P=504 Pa；A為受風面積，m2；Z為風傾垂向力臂，取自水下側面積中心至受風面積A的中心。

圖1 氣象衡準復原力臂與風傾力臂曲線

2 南極磷蝦捕撈加工船設計工況

“國際漁船公約”、“2008 IS Code”和“遠洋漁船法規2015”對大型遠洋拖網加工漁船的設計工況要求相同，對出港捕魚、捕魚中、滿載返港、滿載到港以及空載到港等典型工況進行穩性校核［4-6］。南極磷蝦捕撈加工船作為大型拖網加工漁船，同樣需遵循上述典型設計工況的要求。此外，南極磷蝦捕撈加工船的設計工況還具有以下特點：

（1）由于作業區域位于南極水域，大部分時間內環境溫度低于零度，因此設計作業工況需要考慮結冰載荷對穩性的影響。

（2）由于采用傳統尾拖網捕撈或橫桿連續泵吸拖網捕撈方式，甲板可變載荷變化較大，因此需要分別校核。

（3）由于磷蝦加工設備的干重和濕重差別較大，因此作業工況需謹慎考慮這些設備的操作質量，并根據實際情況分別校核。

（4）南極水域遠離我國港口，為增加船舶有效工作時間，在漁獲滿艙前派遣冷藏運輸船至南極漁場轉運漁獲，通過南極磷蝦捕撈加工船上配備的甲板吊機進行海上轉運作業，甲板吊機單次轉運漁獲量為5～10 t。為保證船舶運營安全，海上生產與轉運工況需要納入穩性校核范疇。基于生產加工設備的濕重，在一個捕撈作業周期內，采用兩種捕撈作業形式，根據生產加工能力選取不同漁獲裝載量，作為典型的生產中間工況進行校核。漁獲滿載后停止捕撈和加工作業，進入海上轉運工況，典型的海上轉運工況考慮漁獲質量的轉移對穩性的影響。

3 “深藍”號船舶概況

“深藍”號南極磷蝦捕撈加工船按無限航區船舶的要求設計，滿足南極水域作業船的要求，同時也滿足DNV·GL船級社和中國漁檢的規范要求，冰區級別滿足DNV·GL規范 ICE-1A級別的要求。［3］

該船主要參數如下：

圖2 南極磷蝦捕撈加工船總圖

4 “深藍”號極限完整穩性分析

本文采用NAPA軟件，建立“深藍”號南極磷蝦捕撈加工船船體與艙室三維計算模型，完成典型工況設計，針對國際和國內規范穩性衡準條款，分別計算極限初穩性高曲線。圖3為“深藍”號南極磷蝦捕撈加工船穩性計算模型。

4.1 一般穩性衡準結果分析

根據表1總結的國際和國內規則要求的一般穩性衡準條款，計算對應的極限初穩性高度曲線，并得到如圖4所示結果，從而分析得出以下結論：

（1）在較淺運營吃水下，一般穩性衡準5是限制條款；較深運營吃水下，衡準4是限制條款。

（2）衡準1是對船舶初穩性的衡準，“遠洋漁船法規2015”對初穩性高的要求更高。根據圖4計算結果顯示，衡準1未起到限制作用。

（3）衡準4與衡準5都是對GZ曲線下的面積進行衡量。“遠洋漁船法規2015”對這兩條衡準指標的要求更高，在圖4顯示的極限初穩性高曲線也更高，提高了船舶在大傾角下的回復能力。

圖3 “深藍”號南極磷蝦捕撈加工船穩性計算模型

圖4 一般穩性衡準條款對應極限初穩性高度曲線

4.2 氣象衡準結果分析

“深藍”號南極磷蝦捕撈加工船的生活區、捕撈設備和加工設備均布置在干舷甲板以上，因此該船橫向受風面積較大，計算風傾力臂大。針對氣象衡準規則條款，分別計算極限初穩性高曲線，結果如下頁圖5所示，并分析得出以下結論：

圖5 氣象衡準與極限許用初穩性高曲線

（1）氣象衡準條款對應的極限初穩性高曲線均高于一般穩性衡準條款對應極限初穩性高度曲線，是該型船舶極限完整穩性限制條款；

（2）氣象衡準1是較淺運營吃水下的限制條款，氣象衡準2是較深運營吃水下的限制條款。

4.3 極限完整穩性分析

“深藍”號南極磷蝦捕撈加工船的目標漁場位于南極西風帶附近，年平均風級6～8級，極端情況甚至超過12級。根據研究［8］及上述規范衡準指標中要求的陣風風傾力臂計算風壓為756 Pa，對應氣象預報的最大風力10.9級。

為進一步研究南極磷蝦捕撈加工船在極地環境下的完整穩性，根據規范氣象衡準條款，將陣風風傾力臂計算風壓提高至1 005 Pa，對應風力12級，計算相應的極限初穩性高曲線計算結果如圖5所示。風傾力臂計算風壓提高后，該船極限初穩性高要求提高25%以上。

對“深藍”號南極磷蝦捕撈加工船完整穩性校核，所有設計工況經自由液面修正后的初穩性高都在極限初穩性高曲線以上；同時也高于基于12級颶風計算的極限初穩性高曲線。“深藍”號南極磷蝦捕撈加工船完整穩性滿足“國際漁船公約”、“2008 IS Code”和“遠洋漁船法規2015”規范衡準，同時滿足極地環境下穩性衡準。

4.4 總體設計和穩性衡準建議

對于極地作業的大型遠洋拖網加工漁船的總體設計和穩性衡準提出以下建議：

（1）“遠洋漁船法規2015”對遠洋漁船要求更高的初穩性和大傾角穩性性能，以提高船舶安全性。傳統遠洋漁船與大型遠洋捕撈加工漁船在船體線型和艙室布置上有較大的區別，僅關注船舶初穩性和大傾角穩性衡準指標顯然不夠全面。

（2）在極地作業的漁業船舶將承受更惡劣的環境載荷，極限完整穩性校核可考慮更高的風壓；同時，在艙室布置設計過程中也應考慮側投影面對船舶穩性的影響，合理減小側投影面積可以改善船舶穩性。例如：“深藍”號南極磷蝦捕撈加工船通過提高捕撈和加工設備自動化程度、縮減船員數量、優化生活樓布置、減少生活樓層數、優化甲板捕撈機械布置以及充分利用遮蔽效應等方式減小整船側投影面積。

（3）大型遠洋拖網加工漁船作業工況也不同于傳統漁船，工況的設計需特別考慮作業方式、作業中間狀態以及漁獲轉運工況，不能僅滿足于規范要求的典型工況的校核，務必關注船舶運營全周期的穩性性能，確保船舶安全。

5 結 語

開發適合我國遠洋漁業生產的高性能遠洋漁業船舶是國家制定的船舶工業發展戰略，南極磷蝦資源豐富，產業附加值高。本文以國內首艘南極磷蝦捕撈加工船“深藍”號為例，充分論證在各工況下的各種穩性衡準情況，并進行對比分析。

相關研究將推動現代化大型遠洋拖網加工漁船的總體設計與穩性分析。而“深藍”號也必將作為中國南極磷蝦捕撈加工船的行業標桿，推動南極磷蝦捕撈加工船甚至現代化大型遠洋拖網加工漁船船型的快速發展。