,

(上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240)

國(guó)際經(jīng)濟(jì)貿(mào)易中貨物的種類(lèi)和形式趨于多樣化，在常規(guī)貨物種類(lèi)例如雜貨、散貨、集裝箱，滾裝貨之外，大件貨物運(yùn)輸越來(lái)越多，尤其是海洋工程裝備的發(fā)展，使得大量的海洋工程結(jié)構(gòu)物需要運(yùn)輸和吊裝，亟待設(shè)計(jì)建造可以用于運(yùn)送大件貨物的船舶。目前，大部分此類(lèi)船舶的設(shè)計(jì)由國(guó)外設(shè)計(jì)公司完成，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)部門(mén)鮮有涉足。2009年1月1日，《SOLAS 2009》強(qiáng)制實(shí)施[1]，新規(guī)則對(duì)破艙穩(wěn)性要求提高。以一艘單艙大開(kāi)口的重吊船為算例，探討單艙大開(kāi)口船舶滿(mǎn)足破艙穩(wěn)性的設(shè)計(jì)方案。

1 算例船概況

該船主尺度見(jiàn)表1。

表1 算例船船型要素表

該船突破以往重吊船設(shè)計(jì)單艙最大艙容的限制，達(dá)到單一貨艙載重量10 000 t，貨艙開(kāi)口尺度為94.25 m×16.2 m，不但能運(yùn)送海洋工程中的大件貨物，又可以兼作集裝箱船使用，能夠適應(yīng)不斷變化的海運(yùn)市場(chǎng)需求。

2 分艙指數(shù)計(jì)算規(guī)則

國(guó)際海上人命安全公約規(guī)定，當(dāng)達(dá)到的分艙指數(shù)A大于等于要求的分艙指數(shù)R時(shí)，貨船滿(mǎn)足破艙穩(wěn)性的要求。

2.1 要求的分艙指數(shù)R

貨船要求的分艙指數(shù)：

式中：Ls——分艙長(zhǎng)度。

Ls越長(zhǎng)，對(duì)貨船破艙穩(wěn)性的要求就越高。

2.2 達(dá)到的分艙指數(shù)A

新規(guī)范要求貨船所能達(dá)到的分艙指數(shù)由三種水線(xiàn)下計(jì)算得到的分艙指數(shù)加權(quán)得到，即輕載營(yíng)運(yùn)吃水dl、部分分艙吃水dp和最深分艙吃水ds，分別對(duì)應(yīng)分艙指數(shù)As、Ap、Al。

A=0.4As+0.4Ap+0.2Al

每一水線(xiàn)下的分艙指數(shù)生存概率是不為0的、對(duì)分艙指數(shù)有貢獻(xiàn)的破損工況的和：

A=∑pisi

式中：i——破損艙組編號(hào)；

pi——艙組破損浸水概率；

si——艙組破損浸水后的生存概率。

3 破艙穩(wěn)性影響因素分析

3.1 概率破艙初穩(wěn)性高的選取

圖1 初穩(wěn)性高隨吃水變化圖

3.2 設(shè)置頂邊艙

除運(yùn)輸大件貨物外，該船還作為常規(guī)集裝箱船使用，其設(shè)計(jì)汲取了優(yōu)秀的集裝箱船設(shè)計(jì)理念。對(duì)于少貨艙集裝箱船，破艙穩(wěn)性同樣是設(shè)計(jì)的限制因素。目前，集裝箱船設(shè)計(jì)中比較流行的一種布置是：將二層甲板作為干舷甲板，主甲板和二甲板之間的封閉邊殼作為通道[2]，通道內(nèi)合理布置水密門(mén)作為縱向分割。圖2為設(shè)置頂邊艙前后的概率破艙穩(wěn)性計(jì)算模型效果圖。

圖2 概率破艙穩(wěn)性計(jì)算模型圖

這種設(shè)計(jì)對(duì)船舶破艙穩(wěn)性和經(jīng)濟(jì)性有著積極的影響。

1) 將二層甲板作為干舷甲板之后，有水密關(guān)閉裝置的頂邊艙就變成了有效上層建筑。在干舷計(jì)算中，有效上層建筑對(duì)夏季最小干舷的有利修正最為明顯。本船夏季最小干舷值的最終設(shè)計(jì)方案為Fmin=2 509.2 mm。其中，有效上層建筑對(duì)基本干舷的修正為-466.7 mm，修正前后，最小干舷值減小了將近20%，為貨物裝載和最深分艙載重線(xiàn)的劃定提供了更大的活性空間。

2) 具備水密關(guān)閉裝置的邊艙為船舶破損后提供了可觀(guān)的儲(chǔ)備浮力，這種改變的作用甚至是決定性的。用Napa軟件建模計(jì)算，在其他艙室相同布置的情況下，頂邊艙設(shè)置前后，達(dá)到的分艙指數(shù)A從0.511 94上升到了0.557 87，而本船要求的分艙指數(shù)R=0.547 65?？梢?jiàn)，設(shè)置頂邊艙，很大程度地提高了分艙指數(shù)A值，使得該船滿(mǎn)足了SOLAS公約關(guān)于概率破艙穩(wěn)性的要求。

3) 由于主貨艙的艙口蓋架放在頂邊艙頂端內(nèi)側(cè)，頂邊艙的高度很大程度影響了主貨艙的容積，特別是對(duì)于裝載集裝箱的工況，還需要考慮與集裝箱高度的配合。肋位處集裝箱布置見(jiàn)圖3，如果不設(shè)置頂邊艙，增加型深后也只能布置4層標(biāo)準(zhǔn)箱，而設(shè)置頂邊艙之后，配合合理的雙層底高度，艙內(nèi)可以布置5層集裝箱。可獲得可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)利益。

圖3 集裝箱布置

除對(duì)船舶穩(wěn)性和貨物布置起到積極影響外，在結(jié)構(gòu)上，頂邊艙還提高了大開(kāi)口船舶的抗扭能力，該船設(shè)置高度為3.875 m的頂邊艙，并在頂邊艙內(nèi)距尾垂線(xiàn)31.85～80.60 m的位置設(shè)水密分割。

3.3 邊艙寬度的選取

假設(shè)該船不設(shè)邊艙,所能達(dá)到的分艙指數(shù)A=0.238 74,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足要求。整個(gè)貨艙長(zhǎng)度部分缺少邊艙的保護(hù),一旦破損,整個(gè)貨艙浸水,生存概率很低。設(shè)立邊艙之后，減小了主貨艙破損的概率，提高了主貨艙區(qū)域的破損生存概率。

隨著邊艙寬度的增加，邊艙破損浸水后的傾斜越大，沉船的危險(xiǎn)性也會(huì)增加，邊艙浸水后的傾斜又成為主要的安全隱患，所以，分艙指數(shù)A的提高受到限制。

保持其余艙室不變,僅改變貨艙兩側(cè)邊艙寬度,單變量地研究邊艙寬度對(duì)于該船破艙穩(wěn)性的影響。圖4為不同邊艙寬度所達(dá)到的分艙指數(shù)A。

圖4 分艙指數(shù)A隨邊艙寬度變化圖

可以看到，設(shè)立邊艙后，分艙指數(shù)A得到很大提升，邊艙半寬比在0.05～0.15之間，對(duì)分艙指數(shù)A的影響效果明顯，進(jìn)一步增加邊艙寬度比至0.35，對(duì)分艙指數(shù)A的影響變得平緩，邊艙寬度繼續(xù)增大，分艙指數(shù)A會(huì)有進(jìn)一步的提高，然而，過(guò)大的邊艙會(huì)影響主貨艙的容積。

3.4 邊艙縱向分割影響分析

從理論上分析，如果將原艙長(zhǎng)為l0的邊艙縱向分割成長(zhǎng)度分別為l1和l2的兩個(gè)艙，如圖5，則有：

l0=l1+l2

圖5 邊艙縱向分割示意圖

分艙之前的分艙指數(shù)為

A0=p0·s0

分艙之后的分艙指數(shù)為

A=(p0-p1-p2)·s0+p1·s1+p2·s2

通常情況下，s1≥s0，s2≥s0，p1>0，p2>0。分艙前后，分艙指數(shù)A的變化為

δA=A-A0=(p0-p1-p2)·s0+p1·s1+p2·s2-p0·s0=p1×(s1-s0)+p2(s2-s0)≥0

可見(jiàn)δA是單調(diào)增函數(shù)，然而當(dāng)縱向分割增加到一定數(shù)量，使得生存概率s0=s1=s2=1，此時(shí)δA=0，進(jìn)一步增加縱向艙壁不再對(duì)分艙指數(shù)A有貢獻(xiàn)。只有在艙長(zhǎng)較長(zhǎng)，其浸水后s0<1，分艙后的s1和s2大于s0的情況下，增加縱向分割才會(huì)有利[3]。

綜上，起初增加邊艙的縱向分割對(duì)分艙指數(shù)A是有利的，但有利程度隨邊艙數(shù)目的增加而減小，直到趨向于0。

對(duì)該單艙大開(kāi)口重吊船的主貨艙長(zhǎng)度范圍內(nèi)的邊艙進(jìn)行縱向分割，見(jiàn)圖6。然后計(jì)算分割后邊艙數(shù)量從3到11的過(guò)程中，分艙指數(shù)的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖7。

圖6 邊艙縱向分割示意圖

圖7 邊艙縱向分割對(duì)分艙指數(shù)A的影

可以看到，邊艙分艙數(shù)從3增加到4時(shí)，分艙指數(shù)有很大的提高；從4增加到6，分艙數(shù)仍有可觀(guān)的提高，但增加幅度明顯減緩；從6增加到11時(shí)，分艙指數(shù)的增加十分微小。所以，最終將該船邊艙縱向分割為6部分，并根據(jù)裝載和船舶舾裝需要設(shè)置水平水密分割和局部分割。

3.5 雙層底高度影響分析

按照SOLAS規(guī)定，假定破損范圍向下延伸至基線(xiàn)，當(dāng)雙層底與主貨艙同時(shí)不設(shè)縱向分割或者設(shè)置相同的縱向分割時(shí)，雙層底高度對(duì)生存概率沒(méi)有影響；當(dāng)雙層底內(nèi)設(shè)縱向艙壁，而主貨艙為平衡艙時(shí)，雙層底高度的升高會(huì)使生存概率略有減小。

分艙指數(shù)隨雙層底高度變化的趨勢(shì)見(jiàn)圖8。

圖8 分艙指數(shù)隨雙層底高度變化趨

隨著雙層底高度增加，分艙指數(shù)呈下降趨勢(shì)，然而影響程度很小，首尾兩點(diǎn)比較，A只減小了0.44%。說(shuō)明對(duì)于這種單艙大開(kāi)口船舶，僅從滿(mǎn)足概率破艙的要求來(lái)說(shuō)，可以忽略雙層底高度的影響。然而雙層底的高度直接影響船舶的重心高度和壓載容積的大小。

SOLAS2009中對(duì)雙層底高度的要求為h≥760 mm(h=B/20)，且無(wú)必要大于2 000 mm。

綜合之前對(duì)頂邊艙高度的考慮，主貨艙區(qū)域設(shè)置2 m高的雙層底時(shí)，最頂層集裝箱箱頂距主貨艙艙口蓋0.3 m，剛好在艙內(nèi)可設(shè)置5層標(biāo)準(zhǔn)集裝箱。

4 結(jié)論

1) 設(shè)置頂邊艙有利于修正最小干舷，獲得更大的裝載空間，并為大傾角穩(wěn)性提供儲(chǔ)備浮力，在破艙出現(xiàn)大傾角橫傾后，獲得更大的生存概率;同時(shí)增加了艙內(nèi)和甲板上集裝箱布置的數(shù)量，獲得更大的經(jīng)濟(jì)利益。

2) 增加邊艙寬度對(duì)船舶破艙后的生存概率是有利的，但這種有利影響隨著浸水后的大傾角橫傾而削弱，因此，需綜合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度因素和艙容布置因素，合理選擇邊艙寬度。

4) 雙層底高度對(duì)分艙指數(shù)A的影響有限，其確定因素主要考慮裝載重心高度和貨艙容積。

5) 主貨艙長(zhǎng)度范圍內(nèi)邊艙縱向分割，在分割數(shù)較少時(shí)對(duì)分艙指數(shù)影響明顯，但隨著分割數(shù)的增加，分艙指數(shù)增加程度減緩，再繼續(xù)增加縱向分割數(shù)對(duì)破艙穩(wěn)性無(wú)益。

[1] 中國(guó)船級(jí)社.SOLAS2009 分艙與破損穩(wěn)性要求實(shí)施指南[M].北京：人民交通出版社，2009.

[2] 楊 軍.淺談集裝箱的破艙穩(wěn)性[J].船舶設(shè)計(jì)通訊，2005(2):50-53.

[3] 胡鐵牛.貨船概率破艙穩(wěn)性計(jì)算及對(duì)分艙的影響[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),1997,31(11):26-29.