滾裝船橫貫浸水裝置的應用研究

郭冬雪　趙萌

摘 要：滾裝船重心較高，不對稱浸水對破艙穩性影響較大。在不改變原有分艙的基礎上為提高其穩性，多采用增加橫貫浸水裝置的方式，改善不對稱浸水對穩性的削弱。文章基于MSC362（92）的規范要求，結合項目經驗，討論了結構管計算公式的選取方法，提出一種橫貫浸水的簡化算法和判斷空氣管頭影響的方法，為橫貫浸水計算提供參考。

關鍵詞：貨滾船;客滾船;橫貫浸水;結構連通管;透氣管

中圖分類號：U662 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2022）03-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2022.03.016

橫貫浸水是指將船舶的一個未破損處浸水，以減少最終平衡狀態下的橫傾。為避免破損時不對稱浸水對穩性的削弱，常在左右對稱艙室間設置連通管，在一側發生破損時，能通過橫貫浸水減少平衡時的橫傾。如果橫貫浸水平衡時間小于60 s，則認為是瞬時浸水，這兩個艙可視為一個艙，無須進一步計算。如平衡時間大于60 s，則浸水中間階段的生存概率應在概率破艙中考慮[1]。為減少中間狀態對概率破艙穩性的削弱，一般盡可能將橫貫浸水過程控制在60 s內。文章結合筆者的項目經驗，在此討論橫貫浸水計算中的幾處關鍵點，以為后續計算提供參考。

1 應用概況

1.1 滾裝貨船

國內設計的貨船鮮有使用橫貫浸水裝置，但是在國外設計的船舶中，此裝置應用較多并集中在滾裝貨船上。滾裝貨船多布置多層全通貨艙甲板，以裝載汽車等可以借助輪子裝卸貨物。其具有較高的型深，露天甲板上裝載多層集裝箱或車輛，滿載后重心偏高，不對稱浸水對穩性的影響比普通貨船更大。

對比一型分艙長度229.75 m的滾裝貨船，典型剖面如圖1所示，要求分艙指數為0.67195，實際達到的分艙指數為0.59214。不改變其他設置，僅通過增加橫貫浸水裝置，該船最終達到的分艙指數為0.67291，其改善效果非常明顯。

基于已有的布置設計，破艙穩性略有不足，方案很多，大則可以修改分艙，但是影響較大;小則可以通過提高穩性高度（GM），但是會限制船東的運營操作。如果是因為不對稱浸水影響穩性，增加橫貫浸水連通裝置是一個行之有效的方案。

1.2 客滾船

因為客船破艙穩性要求更高，破損平衡后允許的最大橫傾角度明顯降低，對分艙指數影響較大，因此橫貫浸水裝置在客船上應用比較普遍，連通方式有兩種：管子和結構管道。結構管道連通的方式更為普遍，文章都是基于結構連通闡述的;在設計初期，左右邊艙多采用U形艙布置，如圖2所示。

這種布置可直接將左右邊艙認定為一個艙，無須額外計算橫貫浸水。但是，由于布置限制，U形艙底部往往還會設置其他艙室，如圖3所示。

這種布置將阻斷左右艙水的流通，因此，要考慮橫貫浸水計算。結構開孔布置時，在強度允許范圍內應盡量開大，使橫貫浸水的時間控制在60 s以內。但是，受空間等因素限制，有些艙室縱桁上開孔面積無法滿足60 s瞬時浸水的要求，這種布置也是可以接受的，只是在概率破艙計算中要考慮中間浸水階段的生存概率。

2 橫貫浸水連通面積的要求

目前，橫貫浸水計算主要依賴于NAPA軟件，計算耗時長。文章基于已有的破艙計算結果，根據橫貫浸水計算公式，歸納出簡化算法，可在設計初期短時間內判斷橫貫浸水的平衡時間，確定橫貫浸水裝置的參數。

2.1 橫貫浸水摩擦系數的選取

橫貫浸水裝置一般分為管子連通和結構管連通，因管子連通算法沒有爭議，文章在此主要闡述結構管連通的計算方法。

決議[2]中，結構管連通裝置有兩種摩擦系數計算公式，分別適用于帶有一個減輕孔的結構管（下文簡稱“單孔”，如圖4所示），以及帶有兩個/多個減輕孔的結構管（下文簡稱“雙孔”，如圖5所示），計算公式具體如下：

單孔公式：

k=0.6718×Li0.119（0<Li<12）

k=0.903（12≤Li）

雙孔公式：

k=1.7968×Li-0.026（0<Li<12）

k=1.684（12≤Li）

式中：

k：相鄰桁材間的摩擦系數。

Li：單個結構管的長度，單位：m。

假設船寬30 m，橫貫浸水結構管兩端與舷側距船中B/5的曲線上，即結構管總長度為18 m，縱桁等跨距布置，分別計算單孔和雙孔系列結構管的摩擦系數，結果如表1所示。由計算結果可知：若保持橫貫浸水時間一致，雙孔結構管的連通面積更大;橫貫浸水結構管中縱桁越多，摩擦系數越大，同浸水時間下的開孔面積越大;橫貫浸水結構管中縱桁越少，同浸水時間下單、雙孔的開孔面積比越小。

為使橫貫浸水時間少于60 s，縱桁上的開孔往往較大，常見的橫貫浸水開孔如圖6所示。在我廠某客滾船項目上，設計院起初認為此類開孔較大，且有橫框架結構，每道開孔可視為相互獨立，應采用單孔公式計算摩擦系數。但是，筆者經與船級社多輪討論后確認，這種布局應采用雙孔公式計算。

2.2 橫貫浸水平衡時間簡化算法

概率破艙計算工況較多，需要較多的計算資源。為避免由于局部開孔修改而耗時重復計算，文章根據計算公式提出一種保守的簡化算法，以提高計算效率。橫貫浸水平衡時間的計算公式如下：

式中：Tf：平衡時間（s）;

Wf：從開始到最終平衡的浸水量（m3）;

S：縱桁上橫貫浸水開孔面積（m2）;

F：速度折減因子;

g：重力加速度9.81 m/s2;

H0：橫貫浸水前的水壓頭（m）;

hf：橫貫浸水后的水壓頭（m）;

基于上述公式可看出，當結構設計確定時，S、F參數也隨之確定;g為常數;hf 取0 m時，結果最為保守。

由此看來，Wf和H0如何選取，成為本計算的關鍵點。對于Wf，筆者擬取概率破艙計算中最終平衡水線以下的體積為浸水體積，Wf為可能浸水的最大體積;H0取初始水線（DL，DP，DS）距橫貫浸水開孔的中心點，此值也為H0可能達到的最大值;Wf和H0的取值示意如圖7所示。采用以上簡化計算得到的平衡時間較為保守，可作為直接計算的替代方案，供讀者參考。

3 透氣管面積的要求

按照規范要求[2]，總透氣管橫截面積大于等于橫貫浸水橫截面積的10%時，在橫貫浸水計算中，空氣背壓對浸水的阻滯影響可以忽略。但由于不同的橫貫浸水裝置的摩擦系數是不一樣的，為達到相同的平衡時間，橫貫浸水裝置摩擦系數越大，開孔面積也越大。因此，僅通過透氣管的橫截面積與橫貫浸水裝置的開孔面積比例判定空氣背壓影響，明顯是不合理的。

對于可以判定為瞬時浸水的艙室，筆者認為該艙室透氣管的橫截面積應大于單孔計算的橫貫浸水裝置連通面積的10%。因為浸水量、壓頭及平衡時間一定，空氣管頭的流通效率相同，空氣管橫截面積滿足單孔結構管，必然滿足雙孔結構管。如果一艙設置多根透氣管，總橫截面積通過累加獲得。經討論，上述觀點得到船檢認可。

此外，DNV-GL指南[3]中還有另一種方法判斷是否需要考慮透氣管對浸水阻滯的影響，具體如下：

當∑Sair，j*Fair，j≥0.1*∑Swater，i*Fwater，i時，透氣管對浸水的阻滯不需要考慮。式中：

S：開孔面積，air和water分別對應空氣管頭和橫貫浸水裝置。

F：速度折減因子，air和water分別對應空氣管頭和橫貫浸水裝置。

i，j：浸水裝置和空氣管序號。

不同的空氣背壓影響判斷方法，將影響透氣管的選型和布置，直接影響到成本和布置的難度。筆者將通過以下算例，對比不同判斷方法對透氣管橫截面積的影響，供設計者參考。假設船寬30 m，雙層底高1.5 m，連通裝置長18 m，對于管子連通，采用DN1000管子并列布置的方式;對于結構孔連通，連通裝置內假設有5道等間距縱桁，透氣采用DN400的管子，空氣管長2.5 m，45°徑向彎頭2個，空氣管頭摩擦系數取默認值6。假設平衡時間相同，連通管上的開孔面積為1，不同連通裝置對應的透氣管橫截面積對比如表2所示。

由表2的計算結果可見，按橫截面積比選取透氣管橫截面積時，應盡可能降低連通裝置的摩擦系數，以減小連通開口面積。對于結構管，在空間允許的情況下，可通過減小最外側縱桁開孔面積，加大內側縱桁開孔面積，得到更小的摩擦系數。在連通裝置摩擦系數大于透氣管摩擦系數時，可向船檢建議按0.1F*S選取透氣管橫截面積，能減小透氣管橫截面積的要求。筆者在此提醒廣大設計師，在設計初期一定要與船檢溝通判斷方法，以免后期修改延誤工期、造成損失。

4 橫貫浸水裝置對滾裝船破艙穩性的影響

4.1 貨滾船

貨滾船通常要滿足SOLAS概率破艙和雙層底破損的要求，橫貫浸水裝置主要影響概率破艙的要求。通過改變船舶破損后的橫傾，能夠提高各破損工況的生存概率;設置橫貫浸水裝置，增加了船舶破損工況的中間階段，導致計算量大幅增加，但是有助于提高分艙指標，并且效果顯著。

4.2 客滾船

客滾船要滿足SOLAS的概率破艙，舷側破損，雙層底破損要求。此外，航行于波羅的海的客滾船，還要滿足斯德哥爾摩協議。同貨船一樣設置橫貫浸水裝置，可以改善破艙穩性要求。此外，因客船本身破艙衡準要求高，橫貫浸水裝置的設計更為必要。值得注意的是，計算斯德哥爾摩協議要求時，不需要考慮橫貫浸水中間階段，即計算時直接定義兩艙連通即可。斯德哥爾摩協議對于船舶橫傾更為敏感，若取消橫貫浸水裝置，此協議要求將很難滿足。

5 結語

文章針對滾裝船結合項目經驗，闡述了橫貫浸水裝置設置的必要性，討論了不同形式橫貫浸水結構管的摩擦系數計算公式，對橫貫浸水計算結果的影響，提出了一種橫貫浸水平衡時間的簡化計算方法，對比了兩種空氣管頭對橫貫浸水阻滯的判斷方法，希望能為讀者在結構橫貫開孔設計、橫貫浸水平衡時間計算及空氣管頭選型和布置等方面提供幫助。

參考文獻

[1] SOLAS，國際海上人命安全公約[S].國際海事組織（IMO）海上安全委員會，2009.

[2] Resolution MSC.362（92）.Revised Recommendation on a standard Method for Evaluating Cross-Flooding Arrangements[S].國際海事組織（IMO）海上安全委員會，2013.

[3] DNV GL.Draft of DNV GL recommended practice for application of IMO resolution MSC.362（92）[EB/OL].DNV GL規范，2019.