大型豪華郵輪多乘員救生艇設計與安全分析

陳智同，劉鵬鑫，朱雅婷，任才龍

(1.江蘇科技大學 海洋裝備研究院，江蘇 鎮江 212003；2. 江蘇省船舶設計研究所有限公司，江蘇 鎮江 212003；3.江蘇海藝船舶科技有限公司，江蘇 鎮江 212009；4.江蘇佼燕船舶設備有限公司，江蘇 江陰 214404)

0 引言

《國際海上人命安全公約》(SOLAS)規定救生設備是指船舶在遇險時，能使船上人員安全迅速撤離船舶并在水上維持生命的專用設備的總稱，是船舶法定安全設備。按照SOLAS的相關要求，郵輪的每舷側至少按照50%乘員數配備救生艇，按25%乘員數配備充氣救生筏。目前，《國際救生設備規則》(LSA)明確了“容納人數超過150人以上的救生艇不予認可”。國內最大的救生艇可容納150人，若按目前國內最大救生艇筏配置，將嚴重制約人員疏散撤離船體的效率。各國船級社也在研究適用于大型郵輪的超過150人以上的大型救生艇規范。歐美等國大型救生艇技術的研制先于規范，例如: 挪威烏姆哈丁集團開發了CTL57型270 人的救生艇兼交通艇；德國FASSMER集團開發了SEL15.75型444人救生艇。這些產品設計已獲得了相關船級社頒發的船用產品證書。新型設計也極大地推動了大型救生艇技術及國際公約的發展。

本文立足于我國大型救生艇市場的需求，以335人大型救生艇為研究對象，重點從該艇總體方案設計、結構設計、強度分析、穩性及浸水分析、舒適性評估方法研究、降落和釋放裝置的設計及強度校核方法[1]等方面展開研究。

1 335人大型救生艇方案設計

通過消化、吸收國外大型郵輪多乘員救生艇關鍵技術，針對單艇超過150人以上基數救生艇的外形、結構設計、層次、座位布置、空間布置、艇內公共實施的總體布置進行分析研究。

1.1 主要參數

大型救生艇主要參數如下：艇長12.45 m，寬度5.46 m，型深1.76 m，高度4.18 m，吊鉤間距11.8 m，乘員335人，航速>15 kn。

1.2 總布置方案

2 結構設計及總縱強度分析

在結構強度方面，335人大型救生艇參考中國船級社的《沿海小船入級與建造規范》并結合英國勞氏船級社(LR)相關標準進行設計。主要結構尺寸見表1。

本艇的結構加強，主要考慮吊鉤裝置區域、舷側易撞區、主機區域結構等。

按照重量逐項統計的方法進行空艇的重量估算，計算值為12 290 kg。該艇體的重量估算值與國際現有同類型艇重量基本相當，達到了國際同類產品水平，參數對比見表2。

圖1 大型救生艇總體設計

表1 主要結構尺寸設計

表2 與國際同類救生艇型參數對比

本艇參考《海船救生設備規范》(1974)第3.6.7要求的10倍安全系數及規范試驗要求的2倍載荷來評估本艇的總縱強度，艇中部的最大正應力及吊鉤剖面處的最大剪應力仍然有富裕。同時，按照德國勞氏船級社(GL)《船舶入級與建造規范》的第3部分第4節船體結構要求評估船體結構強度。經過評估，該艇結構滿足強度要求。

3 穩性及破艙穩性分析

基于NAPA軟件，建立三維浮力體的模型，進行靜水力計算及穩性性能分析，評估救生艇在50%乘員定額時，乘員從正常位置移至艇中心線一側時救生艇的穩定性，并且具有一個正的初穩性高值。在這種狀態下，舷墻附近有舷側開口的每艘救生艇的干舷應至少為救生艇長度的1.5%或100 mm，兩者取其大者。

救生艇浸水時進入水中的代表人體的重量可以略而不計。在浸水時未浸水中的代表人體的重量則應放置在正常的座位位置上。載況下完整穩性及破損穩性復原力臂曲線計算見圖2、圖3。進行完整穩性計算，得到初穩性高值為3.954 m，干舷為0.754 m；進行破損穩性計算時，初穩性高值為1.517 m。本艇的完整穩性及破損穩性均滿足公約的要求。

圖2 完整穩性復原力臂曲線圖

圖3 破損穩性復原力臂曲線圖

4 艙內舒適性設計

4.1 座位布置及撤離

本艇在國內生產的150人救生艇基礎上，開展大型多乘員救生艇的開發工作，評估救生艇的長度、寬度、層次、座位布置、空間布置、艇內公共實施的總體布置優化設計，達到節約郵輪甲板空間的目的。本艇設置2層座位的尺度為：座位寬度430 mm、高度350 mm。通過錯位設置，座位面板距離頂板最小1 480 mm。人站立的空間高度最小1 800 mm。

人員撤離通過2個門，每門寬度1 500 mm，可以滿足4路乘員同時登艇。艇內劃分4個區域，通過在座位上的不同顏色的標識來指引撤離路線，滿足10 min內全部乘客完成登艇的要求。

4.2 通風設計

因人員基數大，艇內空間有限，呼吸過程中人吸入的氣體成份及比例與空氣的相同，人呼出的氣體成份發生了變化，但氮氣仍占78%左右，氧氣下降至16%左右，二氧化碳上升至4%左右。人的每次呼吸空氣量約500 mL，按每分鐘呼吸16次計算，每小時呼出二氧化碳約19.2 L。

文獻[9-12]中研究的矩陣左半張量乘法是矩陣研究中新定義的矩陣乘法規則，它克服了普通矩陣乘法對矩陣行列的限制。具有比較強的應用價值的內容是在相應乘法中，關于前一普通矩陣的列和后面普通矩陣的行具有倍數或者因數的左半張量乘法的定義。本節要說明，這種乘法是多邊矩陣剖面廣義交叉乘法的特殊情況。

本艇內空氣體積為144 m3，二氧化碳初始含量為0.04%。假設沒有新風的情況下，密閉的空間隨著時間的推移的。其二氧化碳含量計算見表3。

表3 艇內二氧化碳(CO2)濃度值及占比率

參考IMO MSC.1/Circ.1212替代設計規范，艇內平均濃度低于9 865.5 mg/m3，計算得到新風量為1 377.6 m3/h，平均每人4.17 m3/h新風量[2]，以上設計應通過試驗驗證。

考慮該艇兼交通艇用途，設計航速大于15 kn，大大增加了暈船率，故通風設計參考GB/T 17729—1999《長途客車空氣質量要求》的標準，二氧化碳(CO2)日平均值小于0.20%。

按照3 946 mg/m3的二氧化碳濃度，需要新風量3 960 m3/h，平均每人12 m3/h新風量，以上設計應通過試驗驗證。

4.3 噪聲控制

艇的噪聲主要來源于主機的振動和噪聲。考慮到人員的舒適性，艙內噪聲控制在85 dB以內。結合之前的經驗，可以從以下幾個方面進行改善：

(1)主機的振動：安裝主機減振器，以減少主機的振動。

(2)安裝消聲器，以減少主機的排氣噪聲。

(3) 將主機機艙密閉，并貼有吸音棉，隔音降噪效果明顯。

5 釋放/回收裝置設計

本釋放/回收裝置主要由吊鉤系統、操作控制系統、靜水壓力釋放器組成，主要從安全操作和強度兩方面進行設計與評估。

根據IMO.MSC.(89)規范第4.4.7.6(.2)的要求，本系統包含吊鉤承載系統及操控系統，設計需從以下幾個方面考慮其安全性能：

(1) 在船舶橫傾20°、縱傾10°的最惡劣情況下，受到0到100%往復工作負荷時，首尾吊鉤能同步打開及復位鎖定。

(2) 吊鉤在完全鎖定情況下，所有操控系統失去功能，吊鉤可以承載救生艇的負荷，正常完成艇的降放/回收。

(3) 首尾任何一個吊鉤在未完全復位的情況下，所有的操控系統不能復位操作，吊鉤無法承載受力，從源頭消除船員的誤操作。

(4) 靜水壓力釋放器設置了連鎖保護裝置，可以避免在艇完全浮于水面前被誤操作打開。

6 結語

海上人命安全是船舶航行安全的重要組成部分，尤其針對國內大型豪華郵輪國產化裝備需求，從總體設計、結構優化、舒適性設計及試驗技術新方法等方面展開研究，重點考慮設備配備、強度、浮性、穩性和不沉性等安全要求。

本文對大型救生艇及收放系統的關鍵技術進行研究，掌握設計、制造及試驗的方法，研制出具有自主知識產權、環境適應性強、結構可靠性高的救生裝備，對提升我國救生裝備的國際市場競爭力具有十分重要的作用。