裘治杰

（上海船舶研究設計院,上海 200032）

0 前言

煙大鐵路輪渡渡船由上海船舶研究設計院設計、天津新港船廠建造，已于2006年1月10日順利下水，預計近期即可交付船東。投入使用后將航行于煙臺和大連之間，主要運輸鐵路貨運列車，兼載旅客及汽車。渡船通航后，將連接東北和華東兩大鐵路網(wǎng)，是東北至長江三角洲陸海鐵路通道的關鍵組成部分，是國家鐵路的“十五”計劃項目。對連接沿海大通道，縮短南北運輸距離，振興東北老工業(yè)基地的經濟建設具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

在本船設計進行期間，渤海海域接連出現(xiàn)了幾起重大海難事故，煙大鐵路輪渡渡船的安全問題引起了黨和國家領導人、各級政府、中鐵建和船東的高度重視。2000年11月29日，時任山東省省委書記吳官正同志上報了“關于加快煙大鐵路輪渡項目”的報告，翌日，時任國務院副總理吳邦國同志即批示如下：“鐵路輪渡的安全性論證要充分，決不能發(fā)生11·24類似海難事故，要做到萬無一失。”吳副總理提到的11·24海難就是1999年“大舜”輪傾覆，造成263人遇難的特大海難事故。雖然該事故發(fā)生的原因是多方面的，但最后是因穩(wěn)性不足導致翻船傾覆這一點是毋庸置疑的。由于煙大渡船載運的旅客和船員人數(shù)更多，責任更重大，穩(wěn)性問題顯得更為重要，可以說，接到設計任務，我們就把它列為重中之重。由于穩(wěn)性牽涉到主尺度、分艙、結構型式、管系通風布置以及設備參數(shù)選取等各個方面，如不在設計初期著重加以研究解決，很可能會在以后具體設計過程中發(fā)生問題而陷于被動，影響整個渡船的設計。

本項目自1997年底經國務院批準立項至今已有八年多，期間伴隨著各次海難事故，船級社一次又一次地提高穩(wěn)性標準，適用的穩(wěn)性規(guī)范從最初的船檢局1992年法規(guī)國內近海航區(qū)要求，逐步演變?yōu)?004年海事局專為本船最新頒布的《渤海灣鐵路輪渡審圖原則》，根據(jù)《原則》的規(guī)定需按國際航行400人及以上的客滾船的最高要求校核穩(wěn)性（該要求現(xiàn)已編入《國內航行海船法定檢驗技術規(guī)則2006年修改通報》）；同時，在渡船方案多次評審會上，船東也對提高渡船的載客能力提出了不少要求。故在八年多期間，因穩(wěn)性規(guī)范要求的變更以及載客量提高等原因多次計算穩(wěn)性，并因此多次修改了本船的主尺度及各方面的布置，這些修改對渡船的設計工作造成了相當大的困難，但也正是這些修改使本船的安全性全面提高。本文作者有幸參與整個過程，直接負責優(yōu)化修改設計工作，現(xiàn)在回顧這個過程，并加以分析，希望從中總結一些經驗和教訓，摸索一些規(guī)律，為以后的設計參考借鑒。

文中涉及到的穩(wěn)性計算全部使用NAPA軟件完成。

1 最初方案

根據(jù)鐵道部最初的設計任務要求，煙大渡船的主要任務是載運鐵路貨運列車，并從經濟性方面考慮適量兼載公路汽車。因此，最初方案是一個最多可載12名汽車司機的滾裝貨船，主要參數(shù)為：

總布置如圖1所示。

該方案設二層連續(xù)甲板，主甲板設五股火車軌道，載運鐵路列車，上甲板載運公路汽車，火車尾進尾出，汽車側上側下，上層建筑設在首部?？傮w布置十分簡潔，但這些大局已定，并延用至今。主要參數(shù)如吃水、水線長也至今未變。

該方案型寬定為24.2 m，滿載時初穩(wěn)性高3.2 m，主甲板型深8.0 m，干舷僅2.2 m，但因火車艙封閉，所以干舷和完整穩(wěn)性均容易滿足，從極限重心高度曲線分析，留有不少余量。

但由于規(guī)范對國內航行的滾裝貨船不要求計算破艙穩(wěn)性，使得后來船東提出載客要求后，引起了很大的修改。

2 首次評審會后確定的方案

1999年9月，鐵道部組織專家在上海召開了首次評審會。專家提出載30輛汽車僅允許12名司機可隨船航行十分不便，并且普遍認為該航線有客源，從營運經濟性方面考慮應盡量增加載客量。最后船東確定了300人左右的載客要求，于是本船從滾裝貨船升級為滾裝客船。中國船級社上海規(guī)范研究所2000年6月頒布了“煙－大線火車渡船檢驗原則要求”，其中2.5條對本船的穩(wěn)性衡準作了明確規(guī)定：

圖1 最初的滾裝貨船方案

（1）完整穩(wěn)性按“法規(guī)”第4篇第7章有關近海航區(qū)客船的規(guī)定?！?/p>

（3）由于該船是船長超過80m的客船，其破艙穩(wěn)性應符合“法規(guī)”第 4篇第 2-1章 1.1.1條的有關規(guī)定。該規(guī)定同SOLAS公約的有關要求，但分艙因數(shù)取為1。

該規(guī)定對完整穩(wěn)性的要求本船完全可以滿足，但由于干舷太小，雖然只考慮一艙不沉（分艙因數(shù)取為1），仍無法滿足破艙后限界線不可被淹沒的衡準要求，因此只能將型深從8.0 m提高到9.0 m。于是本船的干舷從2.2 m提高為3.2 m，不再需要計及上層建筑即可滿足干舷以及近海航區(qū)完整穩(wěn)性的要求。出于簡化消防通風配備的目的，將本船的火車艙設計成敞開式。主要參數(shù)為：

總布置如圖2。

通過破艙穩(wěn)性計算，我們發(fā)現(xiàn)關鍵是要避免船舶破損時，邊艙一舷進水，造成橫向不平衡力矩，引起橫傾，導致主甲板限界線淹沒，產生危險。因此，盡量將左右兩舷的各對邊艙設計成連通艙，使得一舷破損時也可左右對稱平衡進水，如此就可有效避免船舶的橫傾，增加剩余復原力臂，二者的區(qū)別如圖3、圖4所示。液艙設計成左右連通后，其自由液面增加了數(shù)倍，不少艙的自由液面修正值超過1 m，必須避免。因此結合船舶的配載，適當劃分各個壓載水艙的容積，使得所有工況下的每個壓載水艙均成為滿艙或是空艙，避免過多的自由液面。按規(guī)范假定的破損范圍要求，在距舷邊超過1/5船寬的不破損區(qū)內，設立縱艙壁，減少進水總量，進一步提高安全性。

該方案與最初方案相比，型深提高了1 m，破艙穩(wěn)性明顯改善。通過計算，煙大鐵路輪渡渡船的各個工況的重心高度均比極限重心高度低1 m多，留有充分的余量。滿載出港時各破損工況的總結表如表1。

圖2 提高型深后的客滾船方案

圖3 不連通邊艙時破艙后復原力臂

圖4 連通邊艙后破艙后復原力臂

表1 按一艙不沉要求計算的破艙穩(wěn)性總結表

從表1可以看出，最危險的第4區(qū)機艙破損時，破艙穩(wěn)性仍留有足夠的余量。

3 八級風適航等級引出的方案

2001年10月28日，“通惠”號海難事故造成了31人死亡或失蹤，根本原因還是與“大舜”號一樣：穩(wěn)性不足。于是，海事局對于船舶適航等級證書的核準更加嚴格，原來按近海航區(qū)設計的船舶都只能發(fā)放7級風的適航證書。這對本渡船的設計影響很大。

根據(jù)表2所列出的本渡船南、北港址及航線中的不同風級的頻率統(tǒng)計，可以發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)≥7級風與出現(xiàn)≥8級風之間的天數(shù)差為每年14天，本船作為鐵路通道的一部分，14天的停航將造成大量車皮的積壓，船東無法接受。因此，我們按IMO A.749（18）無限航區(qū)的衡準要求重算了完整穩(wěn)性。

表2 煙臺大連港區(qū)及渤海海域風級頻率統(tǒng)計表

通過計算我們發(fā)現(xiàn)，IMO無限航區(qū)的衡準要求基本仍可以滿足，但是由于火車艙采用敞開式，不能計入儲備浮力，使得完整穩(wěn)性的GZmax≥25°衡準要求的余量已較小。同時通過分析各次海損事故發(fā)現(xiàn)，違章超載以及排水管路缺少日常維護，發(fā)生堵塞，水霧滅火時造成主甲板上大面積積水，產生自由液面，導致穩(wěn)性嚴重損失，這些人為因素都是船舶傾覆的重要原因。人命關天，穩(wěn)性至上，于是我們認為在滿足規(guī)范要求的前提下，還要充分考慮各種人為因素造成的穩(wěn)性損失，預先保留足夠的穩(wěn)性余量，盡量做到萬無一失。這樣，綜合各種方案對比結果，我們最終決定封閉火車艙，以增加儲備浮力，進一步提高大傾角穩(wěn)性儲備。火車艙封閉后，火車艙的通風配備需提高，消防采用低壓二氧化碳系統(tǒng)，避免噴淋積水，雖然增加了初投資，但安全性大幅提高。2002年4月5日至8日，在京召開的第二次煙大輪渡可行性研究評審會上，該修改得到了與會專家的一致肯定。主要參數(shù)為：

總布置如圖5。

圖5 封閉火車艙的無限航區(qū)方案

該方案采用電力推進，為332位乘客均設置了臥席，上層建筑成倍增加，為滿足7000 t載重量的要求，適當增加了方形系數(shù)，滿載時初穩(wěn)性高3.0 m，完整穩(wěn)性十分充裕，破艙穩(wěn)性余量有所減少。

4 增加裝載量的方案

隨后一年左右時間內，我們在該方案的基礎上，繼續(xù)深化和優(yōu)化，而船東也逐步提出了乘客和汽車均要盡量增加的要求，使得重量重心均提高不少，原有的排水量已不能滿足要求，而破艙穩(wěn)性將更緊張，因此經過充分研究考慮后，我們決定再度加大方形系數(shù)，并且果斷地將型寬從24.2 m增加到了24.8 m，雖然導致了大量的修改工作，但是把橫穩(wěn)心高提高了約0.4 m，事后看來是明智之舉。主要參數(shù)為：

總布置如圖6。

該方案的乘客人數(shù)增加至480人，均設置臥席，上層建筑又有擴大，將原來左舷的小車車道改為大車車道，增加型寬的同時，為滿足增加的空船重量以及提高至7200 t載重量的要求，進一步增加了方形系數(shù)，滿載時初穩(wěn)性高2.8 m，完整穩(wěn)性仍十分充裕。而在破艙穩(wěn)性方面，我們通過使用NAPA軟件的精確計算，逐步調整了部分縱艙壁和橫艙壁的位置，盡量提高破艙后的穩(wěn)性；同時盡可能減少橫艙壁的數(shù)量和范圍，在防傾水艙區(qū)域，僅在邊艙和雙層底艙內設橫艙壁，取消了中間大艙內的橫艙壁，節(jié)省重量，還簡化了通道和管系的設置。完成調整后，在最危險的工況時僅保留最小的初穩(wěn)性高度余量，達到了最經濟、最優(yōu)化。

2003年底上海船舶研究設計院完成了合同設計，2004年1月天津新港船廠與船院簽訂了詳細設計合同。

5 滿足《2004年審圖原則》的最終方案

圖6 型寬加大到24.8 m的方案

渤海海域的事故頻發(fā)引起了交通部的高度重視。2004年5月，CCS組織對剛剛完成草稿的“渤海灣鐵路輪渡審圖原則”進行評審，渡船的安全壓倒一切，“審圖原則”的高標準獲得通過。不久，《渤海灣鐵路輪渡審圖原則》正式發(fā)布并即刻對本船生效。

《2004年審圖原則》對火車渡船的救生、結構以及車輛綁扎等方面均提高了要求，但影響最大的當屬對破艙穩(wěn)性的要求：“載客400人及以上的火車渡船應滿足《國際航行海船法定檢驗技術規(guī)則》第4篇第2-1章B部分第8-2條的要求”——“假定破損發(fā)生在沿船長L的任何位置上”。也就是說，橫艙壁前后可同時破損，分艙因數(shù)不再取為1，而是要求“二艙不沉”。

實際上，煙大渡船航行于國內近海航區(qū)，并且是定點航線，完全不同于國際航行的大型客滾船；載客480人，超過400人的限制要求僅20%，同載客上千人的豪華游船差別明顯，以SOLAS的最高要求為標準似乎有點冤枉；加上我們按原“煙-大線火車渡船檢驗原則要求”開展設計工作已多年，建造合同也已生效，本船按“一艙不沉”要求經過多次優(yōu)化調整，在破艙穩(wěn)性方面保留的余量已很少，目前的船型根本無法滿足“二艙不沉”的要求。

但是，在安全、穩(wěn)性這樣事關人命的條款要求上，本著對船東、船廠負責，以及進一步提高將來乘坐本船的廣大旅客的生命安全保障的考慮，我們隨即投入到修改分艙的研究工作中。

修改不是推倒重來。本船屬于鐵道部的重點項目，原方案已經過多次評審，不容徹底推翻，另外，船廠生產設計等前期準備工作也已展開，碼頭、棧橋等相關單位的設計更已非常深入，部分項目已投入生產，無法回頭，因此，修改的宗旨是盡量保持原先的基本布局，適當進行調整。主要的修改優(yōu)化措施是：

a）增設橫艙壁

由于防傾水艙內部大艙的體積很大，如再結合前后相鄰艙同時破損，穩(wěn)性明顯不合格，增加水密分隔橫艙壁勢在必行。經過分析，防傾設備可以全部集中到與機艙相鄰的減搖鰭艙區(qū)域，與機艙的分隔橫艙壁上已設水密門，通道布置也不困難，因此增加3道橫艙壁，只相當于多分隔了幾個空艙，對其他專業(yè)影響很小。

b）縮短機艙

機艙太長，即使前后的相鄰艙室已經分隔得很小，與機艙同時破損后穩(wěn)性仍然不足。計算發(fā)現(xiàn)，初穩(wěn)性高需達到3.462 m才能合格，而目前的初穩(wěn)性高不足2.8 m，差距太大。通過輪機等專業(yè)的努力，把原來布置在發(fā)電機組后的設備盡量移至舷邊，把原來布置在舷邊的燃料油艙向后移出機艙范圍，又把變頻器和推進變壓器也向后移出機艙范圍，這樣機艙縮短了整整9 m多（28.6%），穩(wěn)性改善不少。

變頻器和推進變壓器向后移出機艙以后，因中心隔離艙內難以布置梯道，為解決這部分機器處所的脫險通道布置的難題，我們將變頻器和推進變壓器與船尾部的舵槳艙連成一個機器處所，只需前后各布置一個脫險通道即可，后來船東決定在機艙后端壁上增設水密門，這樣機艙向后可直達舵槳艙，倒比以前更方便了。

修改后，變頻器和推進變壓器靠近舵槳，十分合理，機艙更加緊湊，功能并沒有絲毫影響。

c）增設平臺和艙壁

經過以上修改，從機艙后端壁起至渡船尾部形成了一個長達52 m多的大艙，必須加以分隔。通過分析和反復試算，我們在該艙范圍內采取了一系列的措施來滿足破艙穩(wěn)性的要求：首先在接近滿載水線高度處增設了水密平臺，平臺上部前后貫通，面積很大，但由于平臺較高，破損后實際進水卻很少，而下部被分隔成多個水密空艙，盡量減少破艙后的進水范圍；其次使大部分邊艙左右連通，該處有尾縱傾調整水艙和NO.7壓載水艙二對艙為減少自由液面不能連通，故特意將其前后分開布置，中間隔開8 m多，使二者不會同時破損，以減少不對稱進水。最后在與機艙相鄰的前部區(qū)域增設縱艙壁，使得與機艙結合破損時，中心的大艙可不受牽連。

修改以后，該大艙本身以及與機艙結合破損時的破艙穩(wěn)性均已滿足要求。

d）機艙內增設空艙

通過在B/5內部設置縱艙壁解決了機艙與其后方的艙室共同破損時的穩(wěn)性問題，但是機艙前方的減搖鰭艙與中心大艙相連，不宜設置縱艙壁，破艙穩(wěn)性仍有問題。

破艙穩(wěn)性不合格的原因仍然是進水量過大。因此，根據(jù)機艙的具體布置情況，在機艙后部平臺以下這個較少利用到的區(qū)域劃分出左右二個空艙，在機艙前端壁處破損時不會同時破損，以減少進水量。

通過對比可見，在機艙內增設空艙，使極限重心高度提高0.2 m，效果明顯。需要說明的是，在機艙后端壁處破損時由于另一側的空艙不破，增加了不對稱進水，所以二個空艙也不宜太大。此外還需考慮右舷破損的工況，因此通過多次調整空艙長度，反復試算，最終劃分出的左右二個不對稱空艙的方案，兼顧了各方面的限制，是一個折中后的最優(yōu)方案。

e）考慮火車艙尾部邊艙的儲備浮力

本船主甲板到上甲板之間是一個容積非常大的火車艙，火車艙本身是水密封閉的，在計算完整穩(wěn)性時，作為一層貫通全船長度的上層建筑，理所當然地屬于船體模型（STABHULL）的一部分，因此本船的完整穩(wěn)性十分富余。計算破艙穩(wěn)性時的船體模型（DAMHULL）也完全可以同樣來取，但是由于客船破損時垂向破損范圍“自基線向上，無限制”，所以在計算任何艙段的破損工況時，沒有分隔的火車艙均會破損，似乎對破艙穩(wěn)性沒有貢獻。

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，火車艙并非完全沒有分隔。除首部防撞艙壁前的帆纜室、木工間外，在本船的尾部還存在若干獨立于火車艙的空艙和通風室，見圖7陰影部分。當機艙或防傾水艙等相對偏前部的艙室破損時，這些艙室不會同時破損，雖然這些艙室體積很小，但位置在舷邊，同樣可以為破艙穩(wěn)性作出貢獻。

通過對比，計入邊艙后，可使極限重心高度提高0.2 m，效果可觀。需要指出的是，前面提到的四個措施是通過增加或移動水密艙壁或平臺來調整分艙以提高破艙穩(wěn)性，而本條措施只是將火車艙尾部的左右小邊艙加入計算船體模型（DAMHULL）內，沒有修改任何船體結構，并不提高船舶的實際穩(wěn)性，但是卻能夠得到更好的破艙穩(wěn)性的計算結果。

f）控制空船重量重心

空船重量重心的控制對船舶各項性能指標都至關重要，向來是設計成功與否的重要標志，對于煙大渡船這樣穩(wěn)性十分緊張的船舶來說尤其關鍵。由于缺少類似大型客滾船型船的資料，重量重心的估算難度很大，加上多次大幅度的修改，所以在設計的不同階段都需要重新估算空船重量重心，當發(fā)現(xiàn)重量重心有超標傾向時，就必須加以控制。本船在詳細設計開展后，就采取過很多措施來減少重量和降低重心，影響比較大的有：優(yōu)化結構型式、降低上層建筑層高以及采用輕型舾裝材料。各種具體方案在此不再贅述，但是這些措施為提高渡船的穩(wěn)性確實起到了舉足輕重的作用。

圖7 火車艙尾部空艙

6 結語

通過多次修改優(yōu)化，煙大鐵路輪渡渡船的穩(wěn)性有了大幅度的提高，目前已完全滿足了國際航行客滾船的最高要求。雖然設計修改工作耗費了大量的時間和精力，但是確實提高了整個渡船的安全性。由于是在原先基礎上修改的結果，受到很多限制，因此仍有可改進之處，只能留待以后再次設計時繼續(xù)努力。

煙大鐵路輪渡渡船是上海船舶研究設計院自行研發(fā)設計的大型火車渡船，從船舶的噸位、航線和配備要求上來看都比國內原有的項目有不少突破和創(chuàng)新，作為重點項目，在各個環(huán)節(jié)均受到高度重視。同時由于設計周期超長，人員變動不少，船東及法規(guī)要求多次發(fā)生重大修改，使得設計難度大增。本文僅從穩(wěn)性角度分析了該船的優(yōu)化過程，說明船舶設計的各個專業(yè)項目相互關聯(lián)制約，牽一發(fā)而動全身，因此對于類似項目，不但要求前期設計工作精準，而且需要高瞻遠矚，應該留有足夠余量，這樣才能算是優(yōu)秀的。

本文只是筆者個人對部分設計工作的總結，如有疏漏，歡迎批評指正。最后感謝設計一部各位同事對本文相關數(shù)據(jù)資料提供的幫助和支持。