散貨船第二代完整穩性的薄弱性衡準計算分析

陳繼峰,張亞暉

(上海船舶研究設計院,上海 201203)

2008年IMO開始制定第二代完整穩性衡準,經過14年的發展,形成了參數橫搖、純穩性喪失、騎浪/橫甩、癱船穩性、過度加速度5種穩性失效模式。針對每個失效模式,有3層評估方法及航行作業指南[1]。以上內容構成的第二代完整穩性衡準構架體系。國際海事組織2020年11月發布了MSC.1/Circ.1627通函《第二代完整穩性衡準暫行指南》,基于對運動中的船舶有關大傾角橫搖及其穩性問題的研究以及船舶在規則波和不規則波中運動問題的研究,例如,對船舶在波浪中的回復力臂的變化情況,初穩性高度,重心高度,橫搖周期,橫搖、縱搖和首搖的慣性矩及回轉半徑等參數進行評估。并基于這些參數形成一個性能指標,提供的以性能表現為導向的動穩性衡準,用于解決船舶在波浪中的動穩性安全問題。

根據MSC.1/Circ.1627的順序應用邏輯,對于5種穩性失效模式的評估應從薄弱性衡準開始：第一層是初始檢查,如果特定裝載工況下的船舶評估不存在受測試的失效模式的薄弱性,則該失效模式的評估可結束;否則,設計將進行到第二層。如果特定裝載工況下的船舶評估不存在第二層受測試的失效模式的薄弱性,則評估結束;否則,設計將進行到應用直接穩性評估,應用操作限制,修改船舶設計或丟棄裝載工況。

目前,針對第三層穩性直接評估,有模型和理論計算研究[2],針對不同船型和不同衡準,國內也有計算分析[3-5],在此基礎上,考慮采用NAPA計算軟件對85 000 DWT散貨船進行薄弱性衡準計算分析,討論目前衡準方法的適用性和合理性,提出關鍵設計參數的建議。

1 二代完整穩性評估流程

二代完整穩性評估應用結構見圖1。

圖1 二代完整穩性衡準評估應用結構示意

薄弱性衡準僅僅包含前兩個步驟(第一層和第二層)的評估。

2 薄弱性衡準

針對5種失效模式,薄弱性衡準如下。

2.1 參數橫搖

1)參數橫搖第一層薄弱性衡準。如果同時滿足

2)參數橫搖第二層薄弱性衡準。若船舶不滿足第一層,則需要進行第二層薄弱性衡準的計算。如果滿足

C1≤RPR1或C2≤RPR2

則認為船舶不存在參數橫搖失效模式的薄弱性。

其中：RPR1=0.06,RPR2=0.025,C1為按規范規定的一組波浪的加權平均值計算;C2為考慮船舶在頂浪和隨浪中的性能后得到的波浪組的加權平均值。

2.2 純穩性喪失

1)純穩性喪失第一層薄弱性衡準。如果滿足

2)純穩性喪失第二層薄弱性衡準。如船舶以服務航速VS航行時滿足

max(CR1,CR2)≤RPL0

則認為船舶不存在純穩性喪失失效模式的薄弱性。其中RPL0=0.06,CR1和CR2為根據規范獲得的定義高度和長度的波浪條件下某些穩性參數的加權平均數。

2.3 騎浪/橫甩

1)騎浪/橫甩第一層薄弱性衡準。如果滿足

L≥200 m或Fr≤0.3

則認為船舶不存在騎浪/橫甩失效模式的薄弱性。

2)騎浪/橫甩第二層薄弱性衡準。若滿足

C≤RSR

則認為船舶不存在騎浪/橫甩失效模式的薄弱性。其中RSR=0.005,C為按照規范計算的考慮波浪特性的加權值。

2.4 癱船穩性

1)癱船穩性第一層薄弱性衡準。類似《2008年國際完整穩性規則》中的氣象衡準,比較船舶受風情況下的回復能力和風壓傾覆能力,如果船舶能抵抗橫風和橫搖聯合作用的能力,則船舶視為不具備癱船狀態失效模式的薄弱性。

2)癱船穩性第二層薄弱性衡準。如果滿足

C≤RDS0

則認為船舶不存在騎浪/橫甩失效模式的薄弱性。其中RDS0=0.006,C為按照規范規定的短期環境條件發生概率來衡量癱船狀態穩性失效的船舶薄弱性的長期概率指數。

2.5 過度加速度

在本衡準的適用范圍內：

1)過度加速度第一層薄弱性衡準。對于任何裝載工況以及沿船舶長度乘客或船員可能在場的位置,如果滿足

則認為船舶不具備過度加速度失效模式的薄弱性。其中REA1=4.64 m/s2;φ為特征橫搖幅度;kL為考慮了橫搖、首搖和縱搖運動同時作用時的因數;hr乘客或船員可能在場的位置的假定橫搖軸以上的高度;Tr為自然橫搖周期。

2)過度加速度第二層薄弱性衡準。對于沿船舶長度乘客或船員可能在場的任何位置,如果滿足

C≤REA2

則認為裝載工況下的船舶不具備過度加速度失效模式的薄弱性。其中REA2=0.000 39,C為按照規范規定,對于考慮的裝載工況和位置并基于短期環境條件發生概率,測量過度加速度引起的穩性失效的船舶薄弱性的長期概率指數。

3 應用實例

某常規的超巴拿馬型85 000 DWT散貨船主要船體參數見表1。

表1 主尺度及主要船型參數

該船典型裝載工況描述見表2,其中選取的工況主要依據《2008年國際完整穩性規則》中要求的壓載工況和滿載工況,以及船級社對于散貨船要求的需要計算的常規工況,這些具有代表性的工況覆蓋了船東的主要營運需求。

表2 典型裝載工況描述

4 計算結果

4.1 參數橫搖

第一層薄弱性衡準評估結果見表3。

表3 參數橫搖第一層薄弱性衡準評估結果

4.2 純穩性喪失第一層薄弱性衡準結果

所有工況的計算值為0.165,都能滿足規范要求,低于規范要求值0.240。因為純穩性喪失第一層薄弱性衡準全部滿足規范要求,無需再校核第二次薄弱性衡準。

4.3 騎浪/橫甩第一層薄弱性衡準評估結果

所有工況的計算值為0.165,都能滿足規范要求,低于規范要求值0.300。因為騎浪/橫甩第一層薄弱性衡準全部滿足規范要求,無需再校核第二次薄弱性衡準。

4.4 癱船

癱船第一層薄弱性衡準評估結果見表4。表4表明工況計算值均大于規范要求值1.00,都能滿足規范要求,所以無需再校核第二次薄弱性衡準。

表4 癱船第一層薄弱性衡準評估結果

4.5 過度加速度

過度加速度第一層薄弱性衡準評估結果見表5。

表5 過度加速度第一層薄弱性衡準評估結果

過度加速度第二層薄弱性衡準評估結果見表6。

5 結果分析

綜合計算結果見表7。

依據規范適用性,雖然Napa軟件給出了純穩性喪失、癱船和騎浪/橫甩衡準的計算結果,但是對于純穩性喪失衡準,本船的主尺度和服務航速傅汝德數Fn<0.24,因此根據規范無需進行純穩性喪失的衡準計算;對于癱船衡準,本船裝載工況全部滿足《2008年國際完整穩性規則》中A部分第2章的要求,認為本船自動滿足癱船失效模式第一層薄弱性衡準;對于騎浪/橫甩衡準,本船船長為L=222.958≥200 m,并且Fn≤0.3,滿足騎浪/橫甩失效模式第一層薄弱性衡準。而針對參數化橫搖衡準,根據本船典型的散貨船特點,相比較于集裝箱船,船寬吃水比大,穩性富余多,根據工況的GM值進行核算,參數橫搖的薄弱性衡準均能滿足。

對于過度加速度衡準,根據文獻[6-7],其主要影響因素有船寬、浮心縱向位置、船舶重心高度、舭龍骨寬度和船舶固有橫搖周期等。而通常針對本例這樣的主尺度散貨船而言,由于港口限制和排水量等因素的限制,其船寬取值基本比較固定;而浮心縱向位置,則與船舶快速性密切相關,同時還會影響到船舶營運工況的浮態。在散貨船的合同設計中,根據規范要求,滿載出港工況浮態調整的裕度小,浮心縱向位置的影響非常有限。

本例中,滿載工況的水線到船員所在的最高位置的距離不超過船寬的70%,根據規范要求,不需要核算,而剩余的工況則無法滿足。其主要原因在于對于本例這樣的干散貨船,其完整穩性富裕較多,重心低,當船舶橫搖的時候,會導致位置過高的人員出現安全問題。重心高度對于過度加速度衡準影響最為敏感,在保證船舶穩性的情況下,適當降低重心高度,對過度加速度衡準的改善非常有利。

舭龍骨寬度的影響體現在改變船舶的橫搖阻尼,增加舭龍骨的寬度,即增加其面積,對于過度加速度第一層和第二層均有利。但在本例中,由于營運需要,必須經過巴拿馬運河,而巴拿馬運河規則中對于舭龍骨的限制,導致舭龍骨的調整也非常有限。

船舶的橫搖固有周期和船舶重心高度以及初穩性高度值密切相關,屬于一個導出量,雖然固有周期值越大對于過度加速度衡準的滿足越有利,但是根據以上分析,其變化值也非常有限。

綜上,當過度加速度的薄弱性衡準無法滿足要求時,可以在有限的范圍內嘗試調整相關工況的重心高度,或者增加舭龍骨寬度。如果仍然無法滿足,則需要進一步進行直接穩性失效評估,或者制定操作措施指南。

6 結論

1)對于目前GM值較富余的散貨船來說,針對其基本的壓載和滿載工況,參數化橫搖衡準都能滿足。

2)對于癱船衡準,典型的運營于國際航線的散貨船都要求滿足《2008年國際完整穩性規則》,因此這一衡準也能滿足。

3)對于騎浪/橫甩和純穩性喪失衡準,因為絕大對數散貨船的傅汝德數小于0.3,因此這一衡準都能夠滿足。

4)對于過度加速度衡準的校核,需要根據船舶的營運吃水情況以及船舶布置確定其適用性,然后再此基礎上確定是否需要進一步核算。