25 m沿海高速客船破損穩性分析

章 泉 王 朝

（杭州現代船舶設計研究有限公司 杭州310053）

0 引 言

船舶分艙和破損穩性，是指船舶在一艙或數艙破損進水后仍能保持一定浮態和穩性的能力。隨著國內法規對高速客船分艙與穩性要求的提高，在船舶技術設計初期階段，如何優化高速客船的總布置設計和破損穩性，找到對設計影響最小又能滿足規范要求的最佳方案，是設計過程中的重要環節。最新生效的《2020法規》對高速客船分艙與穩性的相關要求比以往規范有較大調整，這對采用該規范的高速客船破損穩性提出了更高要求。因此，結合新法規的要求，對高速客船破損穩性計算結果進行分析非常必要。

1 高速船破損穩性的衡準要求

1.1 船體破損范圍

船體破損分為舷側破損、首尾破損和船底破損。具體破損范圍劃分如下。

1.1.1 舷側破損范圍

舷側破損范圍的對比見表1。

表1 舷側破損范圍的對比

可見，新舊法規對舷側破損范圍均有較明確規定，但其破損范圍的影響因素不同：《2011法規》高速客船的破損范圍與船長和船寬有關，而《2020法規》高速客船的破損范圍界定與船舶設計吃水處排水體積有關。

1.1.2 首尾破損范圍

《2020法規》在《2011法規》的基礎上，新增 “首尾破損”。首破損范圍是指船的首端Abow區域內的破損，其范圍自高速船水密外殼的最前端向后延伸，且不超過舷側破損的縱向范圍；尾破損的破損范圍指自船體水密外殼的最尾端向船首0.2▽區域內的破損。

1.1.3 船底破損范圍對比

船底破損范圍的對比見表2。

表2 船底破損范圍的對比

可見，對于船底破損范圍《2020法規》和《2011法規》都有明確規定，但破損范圍的影響因素不同。《2020法規》的破損范圍較多考慮了高速船速度快的特點。由于高速船高速航行時一旦發生觸礁或擱淺，容易對船體造成較大范圍的破壞，故將船底破損范圍分為易耙損部位和不易耙損破損部位。易耙損部位的縱向范圍取值大，破損時船舶浮力大，穩性不易滿足。此外，兩法規對高速客船的破損穩性范圍均也有明確規定，但《2020法規》將破損范圍和破損部位劃分得更詳細。

《2020法規》高速船破損范圍和破損組合的解釋：

（1）“容易遭受耙損部位”是指設計水線尾端0.5范圍內70%設計水線以下部分和設計水線首端點至船中70%設計水線處連線以下部分；“不易遭受耙損部位”是指設計水線下所有不屬于“容易遭受耙損部位”的部位。

（2）確定破損組合時，分3種情況考慮：舷側破損與首尾破損同時考慮；易遭受耙損部位的船底破損與首尾破損同時考慮；不易遭受耙損部位的船底破損與首尾破損同時考慮。

（3）如存在破損范圍小于（2）中任3種情況，會造成更嚴重的后果，則應計算此種較小范圍的破損范圍。

1.2 破損后剩余穩性衡準

《2020法規》和《2011法規》對高速客船的穩性衡準要求大體相同，故不詳細解釋，但《2020法規》對船舶破損后最大剩余復原力臂的衡準增大0.04 m，從一定程度上提高了船底破損時船舶的安全性要求。

2 實例分析

2.1 船舶的主要要素及布置

以25 m沿海高速船為例，船舶的主要尺度為：總長 25.9 m、水線長24.35 m、垂線間長23.7 m、型寬5.0 m、型深2.25 m、設計吃水1.2 m、排水體積60.7 m、乘員16人、船員4 人，總布置圖如圖1所示。

圖1 總布置圖

該船在主甲板以下位于FR4、FR16、FR46肋位共設3道水密艙壁。船尾至FR4肋位為舵機艙，FR4至FR16肋位為機艙，FR16至FR46為下沉式甲板室，艙室底部距基線1.35 m處設平臺甲板，平臺下在FR32、FR39處設2道水密艙壁，其中FR16至FR32肋位為NO.2底艙，內設燃油艙（左/右）、浮力艙（左/右）、一個生活污水柜及一個淡水柜。FR32至FR 46肋位為NO.1底艙。FR46至首為首尖艙。在破損穩性計算時，船員休息室、衛生間、門廳和會議室統稱為生活區。

2.2 計算工況

① 滿載出港；② 滿載到港；③ 空載出港；④ 空載到港。

2.3 破損范圍

根據《2020法規》高速船假定破損范圍的要求， 25 m沿海高速船的破損范圍見下頁表3。

表3 破損范圍

2.4 計算分析

結合《2020法規》高速客船破損范圍的要求和總體布置綜合考慮，基于中國船級社Compass-Rules海船規范計算系統確定法破艙穩性計算程序進行設計階段初期高速客船的破損穩性計算分析。以滿載出港工況為初始工況，即排水量為63.4 t，重心高度為1.686 m，重心縱向位置為舯后1.626 m。破損穩性核算過程中發現機艙和舵機艙、機艙和生活區、NO.1底艙和NO.2底艙分別破損時，其破損穩性不能滿足《2020法規》對高速客船破損穩性的要求，其中NO.1底艙和NO.2底艙同時破損時，因破損后無平衡點而導致最終沉沒。未滿足的破損組合及其進水量、破損浮態計算結果見下頁表4和表5。

表4 不滿足的破損組合及其進水量

表5 破損浮態計算結果

綜合船舶的總體布置和破損進水后剩余穩性的結果分析，其破損穩性不能滿足規范要求的主要原因有：

（1）舵機艙長度過小，其艙長小于縱向破損長度，此時需假定FR4艙壁不存在，核算舵機艙與機艙同時破損，此時破損長度相對較長，屬于較惡劣的工況。破損進水后，進水量過大，導致出現較大尾傾，加劇了最終平衡時破艙的惡劣程度。

（2）NO.1底艙和NO.2底艙艙長過長，兩艙同時破損時進水量大，縱傾嚴重，喪失回復能力，導致船舶最終無平衡點而沉沒。

（3）破損水線至救生筏登乘位置的干舷為負值，不能滿足破損后剩余穩性衡準。由于舵機艙和機艙同時破損時，尾傾達2.444 m，破損后平衡水線淹沒限界線，救生艇登乘位置在水線下0.150 m。另外，除滿載出港的表列結果，滿載到港、空載出/到港工況中的所有不合格狀態都存在救生艇的最小距離無法滿足規范要求。

（4）破損后剩余穩性的最大剩余復原力臂過小而不滿足規范要求。當機艙、生活區和機艙、客艙區、NO.2底艙分別同時破損時，其最大剩余復原力臂均小于0.1 m。

（5）船艙破損時舵機艙和機艙、NO.1底艙和NO.2底艙同時破損時最危險，損失浮力最大。

2.5 應對方案

鑒于實例船型本身的特點，破損后船舶是對稱進水，而且方案驗證發現破損穩性不滿足的載況僅為采用單一變量的改進方案時，其破損穩性無法滿足規范要求。基于最小改動改善船舶破艙穩性和艙室的劃分主要取決于穩性與浮態，最終采取以下疊加方案。

2.5.1 降低重心高度，提高初始工況的值

此方案對于改善破損后剩余穩性的最大剩余復原力臂過小的問題效果明顯，圖2和圖3分別為完整穩性、破損穩性在初始工況和降低重心后的復原力臂曲線對比圖。不過，由于客船有上層建筑及客艙布置的限制，其重心高可調整范圍有限，需對全船重心進行初步預估后適當取值，同時應考慮船舶完工時的實際重心高的誤差。

圖2 靜穩性曲線對比圖

圖3 破損后剩余復原力臂曲線對比圖

計算結果表明：在初始方案基礎上，保持排水量不變的前提下，僅在船艙底部增加固定壓載，降低船舶的重心高度，并不能解決舵機艙和機艙同時破損時，風雨密點和救生筏登乘位置距破損水線的最小距離不滿足規范要求的問題；NO.1底艙與NO.2底艙破損后，船體因無法平衡船舶沉沒。其結果見下頁表6。

2.5.2 合理設置風雨密點

從表6浮態計算結果分析，該方案將進入機艙的兩個風雨密小艙蓋改成水密小艙蓋，并將舵機艙的鵝頸式通風筒出口距主甲板高度由430 mm增至800 mm，提高其出口距破損水線的距離，改善破艙穩性，但風雨密點的高度增加到一定程度后，改善效果有限。

表6 降低重心高后破損浮態計算結果

2.5.3 增加水密分隔

從下頁表7浮態計算結果分析，該方案考慮將NO.1底艙分成NO.1底艙和NO.2底艙，即在FR39處增加水密艙壁，分隔后的2個艙室艙長均大于縱向破損范圍，同時在首尖艙底部增加固定壓載和提高風雨密點垂向高度的方法以提高破損穩性。調整后的艙室布置見下頁圖4。

圖4 新總布置圖

表7 提高風雨密點后破損浮態計算結果

從修改后的艙室布置可見， FR32至FR46底艙因增設FR39橫艙壁，舷側、船底破損組合也相應發生了變化，即NO.1底艙、NO.2底艙和生活區、NO.2底艙和NO.3底艙、生活區和NO.2底艙、生活區和NO.3底艙同時破損。而由于FR25至FR32舷側自下而上設置了浮力艙1（左/右），所以不存在NO.1底艙、NO.2底艙和生活區同時破損的情況。總之，水密分隔后，單獨分開的艙室艙容變小，相鄰艙室破損后自由液面和進水量也相應減小，船舶破損后平衡水線縱傾值減小，其剩余穩性明顯改善，詳見下頁表8和表9。

表8 增加水密分隔后破損組合及其進水量

表9 增加水密分隔后破損浮態計算結果

2.5.4 增加浮力體

當舵機艙和機艙同時破損后，為了使救生艇距破損水線的最小距離滿足規范要求，在不影響舵機正常工作的前提下，該方案自船尾至FR4兩舷距中1 920 mm增加1道縱壁，增設浮力艙2（左/右）采用低密度不吸水的封閉型發泡塑料填充提供浮力。由于浮力艙位置靠近尾端，其產生的力矩相對較大，當舵機艙和機艙同時破損時，進水量減少的同時，力矩也明顯減小，破損后船舶尾傾、浮態和穩性明顯改善。采取以上措施后，其最終破損組合及其進水量以及最終破損浮態計算結果見表10和表11。

表10 最終破損組合及其進水量

表11 最終破損浮態計算結果

3 綜合分析

3.1 破損計算結果分析

經25 m沿海高速船的實例破損穩性計算結果的對比發現：在對稱進水的情況下，其最難滿足的破損穩性指標是破損水線至救生筏登乘位置的距離和剩余穩性最大復原力臂的要求。方案驗證過程中，破損穩性若不滿足，可采用多種解決方案從不同的角度改善破損后船舶的剩余穩性，而僅采用單一變量的改進方案，則無法滿足規范要求。最終，本船采用了疊加方案來綜合改善其破損穩性。

3.2 提升破損穩性的方法

3.2.1 合理分艙，增加水密分隔

合理進行艙室劃分，有助于增加整船的抗沉能力。在方案設計總體布置時，結合破損范圍合理分艙、將船艙隔小，使破損時進水量減小、均衡進水，這是一種常見的改善破艙穩性的方法。然而，艙室的劃分主要取決于穩性和浮態，因此需對不同的船加以研究，從而確定最優分艙。

3.2.2 設置浮力體，增加儲備浮力

根據初步破損最終浮態確定浮力體的位置，減小破損艙室的艙容，降低其進水量，從而提高船舶的儲備浮力。

3.2.3 降低重心高度，提高初穩性高值

優化裝載使重心降低，重量穩性臂減小，其初始工況的靜穩性臂增加，破損后剩余穩性的最大剩余復原力臂增大。初步預估船舶的初始質量和重心位置，合理調節載況，盡量避免出現較大的縱傾裝載工況。常用的措施有：在船底艙內增加固定壓載以及艙室內裝選用輕質不燃材料等。

3.2.4 合理調整風雨密點的位置

可根據破損最終平衡水線的位置，適當提高風雨密點的高度，以保證高于最終平衡水線，即盡量以往高、往內、往中間的原則布置風雨密點或改設為水密，是一種對設計影響較小的方案。在確定風雨密點的位置時，為了保證預測結果盡可能準確，按照安全原則來確定風雨密點的位置：縱向位置取遠離船舯處，橫向位置應盡可能取舷側處，垂向位置則按滿足法定檢驗規則的最低要求選取。

4 結 語

通過25 m沿海高速船不同工況的計算分析發現：以上4種方法從一定程度上改善了船舶的破艙穩性，船舶破損后的浮態很大程度上取決于船舶的初始狀態，而船舶破損后的浮態又決定了船舶的殘存能力。因此在進行同類型的高速客船破艙穩性計算時，應針對船型本身的特點，分析不滿足規范要求的參數，從而針對性選擇是采用單一改進方案，還是采用疊加改進方案來改善其破艙穩性。此外，還可通過減小液艙自由液面、優化客艙空間位置等其他方法對同類型船舶進行研究分析，并提出克服破損穩性不足而采取的相應技術措施，以保證船舶營運時的航行安全。