開式循環水養殖平臺穩性校核方法

彭必業，嚴俊，范為，聶容剛，謝慶墨，王勝通

(南方海洋科學與工程廣東省實驗室(湛江)，廣東 湛江 524000)

南方海洋科學與工程廣東省實驗室(湛江)(以下簡稱“湛江灣實驗室”)自主研發設計了一型游弋式大型養殖平臺，采用養殖工船的技術路線，具備自主游弋航行能力，能在我國海域尋找最佳適養海域，機動規避臺風、赤潮等惡劣天氣和災害事件。該平臺采用開式循環水養殖系統，通過海水泵從舷側將外界新鮮海水抽入養殖艙內，利用射流方式在養殖艙內形成旋轉流場，在養殖艙底部開孔利用重力作用使尾水自然流出艙外，完成一次“泵入流出”的養殖水體循環。這種養殖工船的設計借鑒錨固式養殖網箱充分利用外界環境海水資源的思路，又以工船的形式提升裝備機動性，主動規避各類養殖風險、尋找最佳養殖環境，充分利用大自然的凈化能力降低對單一海域的集中污染。

1 養殖工船簡介

本文所介紹的養殖工船總長約255.0 m，型寬45.0 m，型深22.3 m，最大養殖吃水16.5 m，機動航行吃水14.0 m，最大養殖水體12萬 m3，入級CCS，可航行于國內遠海航區。該船艙壁甲板以下從首至尾依次分為首部、養殖和尾部3個功能區域，養殖區域縱向范圍約占總長85%，集成了漁業養殖的主體功能。養殖區域采用雙殼、雙底設計，從首至尾依次設置了5個相互獨立的大型養殖水艙，每座艙內通過縱橫2道網衣系統劃分為4個區域，每座水艙和每個區域的俯視形狀均趨近于正方形，有利于形成多層水平旋轉流場，完成艙內水體的全面循環交換，見圖1。

圖1 養殖工船內部艙室劃分

2 穩性計算難點

開式循環水養殖方式對該船帶來了兩個特點。

1)工船的全生命周期中，通常保持養殖水艙與外界海水保持聯通，艙內液面與外界海水液面持平，隨吃水變化養殖艙內海水量發生變化。

2)為形成良好的艙內旋轉流場，養殖艙底的尾水排出孔尺寸相對較小，工船舷側結構和船底結構的完整性好，當工船發生搖蕩運動時，養殖艙內液面的晃蕩與外界海水波浪運動不同步，即大面積自由液面將會造成不利穩性影響。

由此可見，這類工船的裝載與穩性計算至少需要考慮兩個問題。

1)養殖艙是否應該計入浮力。

2)養殖水艙自由液面對穩性曲線的計算方式如何處理。

根據國際海事組織在海安會第85屆會議上通過的《2008年國際完整穩性規則》A部分第3章第3.1.9條，可接受兩種修正復原力臂曲線的方法，分別是以上計入和不計浮力所描述的自由液面修正方法。針對以上問題，應用NAPA軟件2021版本對該船進行建模和計算，基于軟件現有的計算功能，研究和探索計入浮力與否及自由液面修正方式的不同組合對船舶穩性的具體影響，提出較為合理可行的解決方案。

3 規范適用性

該平臺為船式海上漁業養殖設施[1]，在中華人民共和國海域航行，掛中國旗，首先要滿足中國海事局的相關法規要求，穩性計算參照規范[2]國內航行海船法定檢驗技術規則第4篇“船舶安全”第2-1章“構造——分艙與穩性、機電設備”和第7章“完整穩性”執行。該船入級中國船級社，綜合研究文獻[1][3][4]后，穩性計算還將參照《鋼質海船入級規范》第2篇“船體”第9節“完整穩性”和第10節“破損穩性”執行。

在完整穩性方面，綜合文獻[2][3]相關章節，其對靜穩性復原曲線特征值的要求一致，對受到風浪聯合作用的動穩性衡準數計算方面有區別，需要分別校核、同時滿足。

該平臺主要功能為漁業養殖，可以等效其所裝載貨品即為養殖海水，干舷的選取參照文獻[2]中A型干舷執行。在破損穩性方面，一是參照文獻[2]關于貨船的分艙與穩性要求進行計算，采用概率破損校核方法。二是參照文獻[3]關于A型干舷船舶的要求，具體映射至經1988議定書修訂的1966年國際載重線公約(ICLL)第27條，采用確定性破損校核方法。同樣需要分別校核、同時滿足。

按照文獻[1]的要求，養殖工船需要區分航行工況和系泊養殖工況兩種典型工況，其完整穩性和破損穩性分別參考文獻[3]對鋼質船舶和文獻[4]對移動式平臺的不同規定，根據文獻[4]的具體校核計算不在本文贅述。

4 裝載與完整穩性分析

該船設置了滿艙養殖、機動航行、單艙清洗(共5種單艙排空清洗)3大類裝載工況(均包括出港和到港)，以及空船、進塢等常規裝載，3大類裝載工況中滿載出港的船舶浮態和初穩性參數見表1，首傾為正。

表1 典型裝載工況浮態 m

4.1 計算設置

對本船5座養殖水艙分別采用計入浮力和不計浮力兩種模型開展計算分析，其中計入浮力的計算模型見圖1，不計浮力的模型見圖2。本文以夏季載重線吃水工況為例進行對比計算，即吃水16.5 m養殖，該工況也是國際載重線公約第27條所規定破損穩性計算的初始工況。

圖2 不計入養殖艙浮力的三維總布置

對于計入浮力模型，為保證養殖艙與外界海水聯通且液面持平，在NAPA軟件中通過設置艙室通海命令OTS(OPEN TO SEA)調整艙室通海后的浮態，讀取通海艙的裝載量，關閉通海命令后對養殖艙加載相應裝載量保證內外液面的一致性。養殖艙根據實際液面高度和形態的取自由液面慣性矩以及考慮實際液體移動所產生的傾覆力矩，可真實反映養殖艙內液面對初穩性高和大傾角復原力臂曲線的修正。養殖艙裝載參數見表2，具體浮態見圖3。

圖3 計入養殖艙浮力并進行通海處理后的浮態

表2 滿艙養殖工況各養殖艙裝載及自由液面參數

4.2 計算結果

針對計入浮力和不計浮力兩種模型，且均考慮不同方式的養殖艙自由液面修正方法，兩種初穩性數據見表3。

表3 初穩性數據對比 m

5 破損穩性分析

根據前文所述，該船破損穩性需要分別采用確定法和概率法兩種方法計算，存在3個重要環節：計算模型、初始狀態、破損艙組。針對計入浮力和不計浮力的計算模型仍是圖1和圖2；區別于確定性和概率性兩種破損計算，其始狀態和破損艙組定義按照相關規范具體執行。

5.1 確定性破損

取夏季載重線吃水為初始狀態。對于計入浮力，其初始工況需要考慮各養殖艙的實際裝載，當某養殖水艙破損后，考慮破損艙內液體完全流出后在浸入海水，其他非養殖水艙均認為是空艙，吃水取為16.5 m、平浮，重心高根據實際工況并考慮自由液面的修正，艙室破損后將考慮養殖水艙內液體橫傾移動力矩對復原力臂曲線的修正，其定義見表4中的INI1。

表4 確定性破損初始工況定義

以第2號養殖水艙區域破損為案例，分別考慮計入浮力且單艙浸水(DAM1)、養殖艙計入浮力且多艙浸水(DAM2)、不計浮力(DAM3)的破損計算。

可見，CASE1與CASE2有著不明顯的差別，但CASE2可以更加準確表達出養殖艙完全通海和自由液面對GZ曲線的影響。所以，該船確定性破損穩性推薦采用計入浮力且多艙浸水的方法。

CASE3與其他2種組合的差異大，這是固定排水量法和可變排水量法兩種算法的差異造成。然而，CASE3提供了1種開展概率性破損穩性計算的思路。

5.2 概率性破損

盡管5.1獲得了確定性破損穩性計算最為真實的初始工況定義方法(表4中的INI1)。然而，參照文獻[2]相關規定，采用概率法計算本船破損穩性，其初始工況僅能夠根據表4中的INI2進行定義。由于概率方法認為初始工況中所有艙為空，即本船的5個大型養殖水艙初始為空，破損后的浸水量相當大，顯然是不能滿足衡準要求的。所以，在概率法計算中采用不計養殖水艙浮力的方式是否可行，這是值得研究的問題，并對破損計算具有建設性意義。

根據文獻[2]，破損后的殘存概率Si值計算公式為

6 結論

1)完整穩性計算中，養殖艙推薦計入浮力計算并考慮該類艙的實際裝載和自由液面。

2)確定性破損穩性計算中，養殖艙可以采用計入浮力的方法，在初始工況中需定義養殖艙的實際裝載量，并在破損工況定義中需將所有通海養殖艙定義為破損，如此可以兼顧養殖艙內外液面始終持平和艙內海水在實際傾斜下的移動力矩對穩性曲線的影響。