吉春正 劉志堅(jiān) 趙 勇 郭冬雪

（中國(guó)長(zhǎng)江航運(yùn)集團(tuán)金陵船廠 南京210015）

引 言

船舶載貨時(shí)常用到設(shè)計(jì)吃水、結(jié)構(gòu)吃水、滿載吃水和夏季吃水［1］。設(shè)計(jì)吃水用于設(shè)計(jì)優(yōu)化，是船舶性能最佳的吃水；結(jié)構(gòu)吃水用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是結(jié)構(gòu)所能承受的最大吃水；滿載吃水用于實(shí)際運(yùn)營(yíng)，是船舶裝滿貨物時(shí)所達(dá)吃水；夏季吃水用于法規(guī)計(jì)算，是相應(yīng)于夏季干舷的吃水。

結(jié)構(gòu)吃水概念始于30多年前，最初僅比設(shè)計(jì)吃水大200～300 mm，是船廠從建造角度選取，作為設(shè)計(jì)裕量以保證載重量要求，與所裝貨物性質(zhì)無關(guān)。后來船東從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，為多裝貨少交費(fèi)，將這一概念加以發(fā)揮，使結(jié)構(gòu)吃水大大增加。

從設(shè)計(jì)角度講，之所以設(shè)定設(shè)計(jì)吃水和結(jié)構(gòu)吃水，是因?yàn)榇霸O(shè)計(jì)時(shí)需進(jìn)行兩方面計(jì)算：穩(wěn)性計(jì)算和結(jié)構(gòu)計(jì)算。穩(wěn)性計(jì)算時(shí)在設(shè)計(jì)吃水下考核航速、核算穩(wěn)性。但船舶在艙內(nèi)裝載重物時(shí)，重心低，即使裝載超過設(shè)計(jì)吃水，穩(wěn)性上也是安全的，于是有了新說法——重載。問題是，重載時(shí)穩(wěn)性沒問題，但按設(shè)計(jì)吃水核算的結(jié)構(gòu)可能是不安全的。于是在船舶最初設(shè)計(jì)時(shí)就定義結(jié)構(gòu)吃水，按結(jié)構(gòu)吃水進(jìn)行結(jié)構(gòu)校核，從而保證了重載時(shí)的結(jié)構(gòu)安全。

另外，設(shè)定結(jié)構(gòu)吃水還為以后船舶改裝留下余地，畢竟設(shè)備可隨時(shí)更換，結(jié)構(gòu)則要伴隨一生。所以散貨船、干貨船和工程船等都設(shè)有設(shè)計(jì)吃水和結(jié)構(gòu)吃水。

在追求綠色、節(jié)能、環(huán)保的背景下，原先作為設(shè)計(jì)裕量用來保證載重量的結(jié)構(gòu)吃水，重新進(jìn)入船東視野。在近兩年的合同談判中，船東通常要求論證增加結(jié)構(gòu)吃水的可行性。本文綜合分析了金陵船廠已建造的滾裝船、在建造的散貨船和將建造的雜貨船增加結(jié)構(gòu)吃水的案例，尤其詳細(xì)總結(jié)了在建造的35 000載重噸散貨船增加結(jié)構(gòu)吃水的整個(gè)設(shè)計(jì)過程（論證→計(jì)算→送審→退審）。通過案例分析，梳理了論證思路和設(shè)計(jì)的流程并分析主要影響因素，得出了一些定量的結(jié)論。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 干舷計(jì)算

無論是設(shè)計(jì)吃水還是結(jié)構(gòu)吃水，均不能超過夏季吃水，所以首先要根據(jù)載重線公約（ICLL）計(jì)算最小夏季干舷［2］。文獻(xiàn)［3］提及的散貨船，干舷計(jì)算結(jié)果見表1。在船東的強(qiáng)烈要求下，最大夏季吃水根據(jù)最小干舷直接推算，不留裕量。這就要求船廠在建造中要密切關(guān)注建造型深，尤其是載重線標(biāo)志位置，以免小于理論型深，造成核準(zhǔn)的夏季吃水小于要求的結(jié)構(gòu)吃水，不能滿足合同約定。

表1 干舷計(jì)算結(jié)果

1.2 破艙穩(wěn)性計(jì)算

根據(jù)干舷求得的夏季吃水只是初步值，還需進(jìn)一步進(jìn)行破艙穩(wěn)性計(jì)算，以確定最小干舷高度。

1.2.1 折減干舷船舶確定性破艙穩(wěn)性計(jì)算

對(duì)船長(zhǎng)大于100 m的折減干舷船舶，要滿足ICLL公約第27條法規(guī)關(guān)于確定性破艙要求，其中B-60干舷船要求單艙破損不沉，B-100干舷船要校核兩鄰艙破損，還可能要校核機(jī)艙單獨(dú)破損［2］。

因結(jié)構(gòu)吃水增加，儲(chǔ)備浮力降低，故折減干舷船舶確定性破艙穩(wěn)性一般比較危險(xiǎn)，可能所需最小干舷較大。此時(shí)有兩項(xiàng)解決方案：

（1）增加分艙，主要是貨艙區(qū)艏部壓載艙，但代價(jià)較高，尤其是已處于建造階段；

（2）增加開孔（通風(fēng)口、透氣管等）高度，代價(jià)較低，但一般交船時(shí)才能收到完工退審，工期緊、返工量大，所以船廠對(duì)臨界開孔要提前考慮。

文獻(xiàn)［4］中的船舶，采用B-60折減干舷，為滿足單艙破損要求，需將1號(hào)貨艙艙口圍增高0.60 m，艙口寬度減少1.60 m，并降低該艙甲板貨高度，以保證甲板貨距基線高度不變，以免引起克令吊高度、駕駛視線和航行燈布置等一系列變化。

1.2.2 非折減干舷船舶概率破艙穩(wěn)性計(jì)算

對(duì)于非折減干舷船舶，只需滿足海上人命安全公約（SOLAS）第2章第1條，Part B-1概率破艙穩(wěn)性，要求相對(duì)較低，只要初始設(shè)計(jì)達(dá)到的分艙指數(shù)A有一定裕度，一般都能滿足要求。文獻(xiàn)［3］中案例的概率破艙穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 概率破艙穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果

從表中可見，增加結(jié)構(gòu)吃水后，達(dá)到指數(shù)A仍滿足要求，但平浮時(shí)已經(jīng)非常接近要求指數(shù)R。如果船廠透氣管施工有偏差，可能造成完工破艙穩(wěn)性不滿足要求。萬一出現(xiàn)如此情況，則可選以下兩項(xiàng)補(bǔ)救措施：一是提高GM值，二是增高透氣管。前者在完工時(shí)已不可行，因會(huì)推翻所有總體完工文件的基礎(chǔ)；后者也頗費(fèi)周折，所以船廠應(yīng)注意控制臨界透氣管的施工，避免返工。

1.3 完整穩(wěn)性計(jì)算

經(jīng)干舷和破艙穩(wěn)性核算后的吃水，完整穩(wěn)性一般沒問題，此處校核目的是為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作準(zhǔn)備。

1.3.1 滿載工況浮態(tài)

增加結(jié)構(gòu)吃水后，額外的載重量用于載貨，即貨艙區(qū)重量會(huì)增加，船艏勢(shì)必下沉。目前主流設(shè)計(jì)的船舶，均是緊湊型機(jī)艙布置，滿載出港、中途一般都是艉傾，船艏下沉對(duì)減小縱傾、浮態(tài)調(diào)平有好處，所以這些工況沒問題。但因?yàn)檫@些船舶消耗性液艙大部分均位于機(jī)艙，滿載到港可能會(huì)出現(xiàn)不理想艏傾工況，這要重點(diǎn)關(guān)注。

1.3.2 總縱強(qiáng)度包絡(luò)線

文獻(xiàn)［4］研究的雜貨船，不需滿足SOLAS公約第12章關(guān)于散貨船的附加措施，即不需考慮單個(gè)貨艙破損時(shí)總縱強(qiáng)度問題［5］，所以總縱彎矩臨界工況是壓載工況，不受增加結(jié)構(gòu)吃水影響，但總縱剪力約增加2%。

文獻(xiàn)［3］研究的散貨船，要滿足散貨船共同規(guī)范（CSR-BC）要求。規(guī)范允許提議較小總縱強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（可比規(guī)范計(jì)算值還?。?，只要覆蓋所有裝載工況［5］。總縱強(qiáng)度設(shè)計(jì)包絡(luò)線在包絡(luò)所有裝載工況前提下，船級(jí)社一般要求彎矩留5%裕量，剪力留10%裕量，以覆蓋完工狀態(tài)與設(shè)計(jì)狀態(tài)的誤差。增加結(jié)構(gòu)吃水最恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)，是在船級(jí)社完成所有審圖，對(duì)船舶各部分裕量了如指掌時(shí)進(jìn)行，此時(shí)船舶已經(jīng)開工，對(duì)各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)已有確切把握，所以船級(jí)社一般會(huì)同意個(gè)別工況吃掉上述裕量。

滿足CSR-BC的散貨船，需要滿足SOLAS公約第12章關(guān)于散貨船的附加措施，單個(gè)貨艙破損工況往往是總縱強(qiáng)度的臨界狀態(tài)。

文獻(xiàn)［3］研究的BC-A型散貨船，在輕壓載出港工況下，1號(hào)貨艙破損時(shí)，船體梁中拱彎矩達(dá)到臨界，為設(shè)計(jì)彎矩的98.5%，裕量幾乎被全部吃掉（見圖1）。在重貨隔艙裝載出港工況下，1號(hào)或5號(hào)貨艙破損時(shí)，船體梁總縱剪力達(dá)到臨界，修正前已超出設(shè)計(jì)包絡(luò)線，根據(jù)規(guī)范修正后達(dá)到設(shè)計(jì)值的95.3%，裕量也被吃掉大部分（見圖2）。

1.3.3 貨物載重量曲線

增加結(jié)構(gòu)吃水后，為兼顧浮態(tài)和總縱強(qiáng)度，各艙裝載量需調(diào)整，會(huì)引起貨物載重量曲線變化，從而影響局部強(qiáng)度，如需增加或加大雙層底和邊艙結(jié)構(gòu)扶強(qiáng)材。另一方面，吃水增加引起靜水壓力增大，外底板以及雙層底肋板和縱桁上挺筋會(huì)受影響。文獻(xiàn)［4］ 研究的雜貨船，預(yù)計(jì)由此會(huì)增加約10 t局部加強(qiáng)。文獻(xiàn)［3］研究的船舶，由于1號(hào)和5號(hào)貨艙貨物載重量曲線初始有700～800 t裕量，使調(diào)整后的實(shí)際裝載量仍在設(shè)計(jì)貨物載重量曲線內(nèi)，對(duì)局部強(qiáng)度幾乎沒有影響，且浮態(tài)易于調(diào)整。

圖1 船體梁總縱彎矩臨界工況

圖2 船體梁總縱剪力臨界工況

由此可見，增加結(jié)構(gòu)吃水后，完整穩(wěn)性有所改善，需關(guān)注的只是滿載到港工況浮態(tài)，而最重要的是通過調(diào)整貨物配載，將實(shí)際總縱彎矩和剪力控制在設(shè)計(jì)包絡(luò)線內(nèi)，并盡量保持貨物載重量曲線不變，從而將增加結(jié)構(gòu)吃水對(duì)結(jié)構(gòu)的影響降至最小。

1.4 EEDI指數(shù)驗(yàn)證

為配合環(huán)保要求，國(guó)際海事組織推出了新船能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）。

EEDI指數(shù)驗(yàn)證分兩個(gè)階段：一是設(shè)計(jì)時(shí)的初步驗(yàn)證；二是試航時(shí)的最終驗(yàn)證。驗(yàn)證吃水相應(yīng)于夏季吃水（結(jié)構(gòu)吃水）。除液貨船外的其他船舶，很難在夏季吃水狀態(tài)試航，所以驗(yàn)證中最重要的是提供可靠的船模水池試驗(yàn)報(bào)告，以便將試航時(shí)實(shí)際功率-航速測(cè)量數(shù)據(jù)與同狀態(tài)的水池試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，得到可靠的修正系數(shù)，再修正得到夏季吃水時(shí)實(shí)船功率-航速曲線，從而求出EEDI指數(shù)［6］。

增加結(jié)構(gòu)吃水后，EEDI指數(shù)要在新吃水下驗(yàn)證，獲得所需功率—航速曲線有兩種途徑：一是數(shù)值模擬，二是船模試驗(yàn)。因論證增加吃水一般較晚，且要以最終批準(zhǔn)吃水為準(zhǔn)，此時(shí)水池試驗(yàn)早已結(jié)束，再補(bǔ)做船模試驗(yàn)，代價(jià)較高且周期也難保證。

文獻(xiàn)［3］中所研究散貨船屬于志愿滿足EEDI驗(yàn)證范疇，船級(jí)社同意使用數(shù)值模擬方法來替代。

波斯坦船模水池建議的數(shù)值模擬流程如下：

（1）使用其他吃水下阻力試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證Holtrop等經(jīng)驗(yàn)方法的可靠性，按需引入修正系數(shù)以盡可能接近測(cè)量結(jié)果；

（2）使用選擇的經(jīng)驗(yàn)方法計(jì)算阻力，并確定新吃水的修正系數(shù)；

（3）因吃水變化很小，認(rèn)為對(duì)推進(jìn)效率的影響可以忽略不計(jì)；

（4）數(shù)值模擬中，使用算得的新阻力和測(cè)量的推進(jìn)效率進(jìn)行模擬。

表3為數(shù)值模擬結(jié)果，保持14.0 kn航速，主機(jī)功率需增加1.5%，而載重量會(huì)增加3.8%，最終EEDI指數(shù)相對(duì)參考線值又降低約1.1%［3］。

表3 達(dá)到的EEDI指數(shù)比較

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 規(guī)范校核

增加結(jié)構(gòu)吃水對(duì)規(guī)范校核影響：

（1）總縱設(shè)計(jì)剪力和彎矩變化；

（2）載荷計(jì)算點(diǎn)變化；

（3）關(guān)鍵計(jì)算參數(shù)變化。

總縱設(shè)計(jì)剪力和彎矩在總體設(shè)計(jì)中已妥善解決。載荷計(jì)算點(diǎn)變化引起靜水壓力增大1%，影響甚微。關(guān)鍵計(jì)算參數(shù)變化主要是方形系數(shù)CB增大，但波浪彎矩受吃水影響不大，而靜水彎矩依賴于重量分布，所以文獻(xiàn)［3］中，CB由0.82增至0.83，波浪彎矩僅增大0.6%，影響甚微。

2.2 有限元分析

在艙段有限元分析中，起決定作用的是總縱彎矩、貨物載重量曲線和吃水。文獻(xiàn)［3］研究的散貨船，除吃水變化很小外，總縱彎矩和載重量曲線沒變化，應(yīng)力變化很小，對(duì)結(jié)構(gòu)影響可忽略。

2.3 有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果

增加結(jié)構(gòu)吃水評(píng)估結(jié)果見表4。從中可見，船東在幾乎無額外代價(jià)的情況下，結(jié)構(gòu)吃水可以增加約 200 mm、載重量增加約 1 000 t［3-4，7］。

public delegate void InitiatedChangedEventHandler(object sender,MyEventArgs e);

表4 增加結(jié)構(gòu)吃水評(píng)估結(jié)果

3 其他考慮

3.1 冰區(qū)帶設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)［7］研究的是艘載重型滾裝船，運(yùn)營(yíng)數(shù)年后，滿載率較高，所以船東希望增加結(jié)構(gòu)吃水。和文獻(xiàn)［3］和［4］一樣，從總體和結(jié)構(gòu)角度考慮，吃水增加200 mm沒問題，此案例關(guān)鍵在于冰區(qū)帶設(shè)計(jì)，焦點(diǎn)在于對(duì)冰級(jí)規(guī)范理解。規(guī)范中定義的冰區(qū)滿載水線是“相應(yīng)于船舶意圖在冰區(qū)航行的最深吃水”，在原設(shè)計(jì)中是按7.07 m夏季淡水載重線確定冰帶上限。船東提出異議后重新解讀規(guī)范，統(tǒng)一認(rèn)識(shí)為冰區(qū)滿載水線相應(yīng)于夏季海水載重線，而不是淡水載重線，所以冰帶范圍能滿足結(jié)構(gòu)吃水從6.90 m增加到7.07 m要求。

3.2 沖擊加強(qiáng)

增加結(jié)構(gòu)吃水，對(duì)結(jié)構(gòu)的其他影響有：

（1）吃水增加后，艏部沖擊加強(qiáng)垂向范圍相應(yīng)提高，可能會(huì)影響此處外板厚度；

（2）吃水增加后，可能使水線附近一列外板變成干濕交替區(qū)，腐蝕余量增加0.5 mm，尤其是滿足 CSR 的船舶要特別注意［5，8］。

3.3 航行安全

為保證航行安全，規(guī)范對(duì)航行燈布置有明確要求，尤其前后桅燈要在1 000 m外分辨出來，如1.2.1所述，增加結(jié)構(gòu)吃水和減小縱傾均對(duì)航行燈布置有利。另外，基于同樣原因，也使駕駛視線得以改善。

3.4 艉軸密封

增加結(jié)構(gòu)吃水，使艉軸密封和舵桿密封所受的水壓力會(huì)變大，但一般影響甚微，可忽略不計(jì)。

4 結(jié) 論

有增加吃水需求，為何設(shè)計(jì)時(shí)不直接加大結(jié)構(gòu)吃水，這是困惑很久的問題。通過調(diào)研，筆者了解到：

（2）設(shè)計(jì)時(shí)直接增加結(jié)構(gòu)吃水，一般仍會(huì)留足設(shè)計(jì)裕量，無法取得2.3所述收益；

（3）船東比較航速時(shí)，較大吃水對(duì)競(jìng)標(biāo)不利。

最終，對(duì)幾個(gè)船型增加結(jié)構(gòu)吃水案例分析結(jié)論如下：

論證增加結(jié)構(gòu)吃水時(shí)，首先要校核干舷和破艙穩(wěn)性，確定穩(wěn)性上可行；然后校核完整穩(wěn)性，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)；最后進(jìn)行結(jié)構(gòu)規(guī)范校核和有限元分析。另外，還要考慮其他因素，如冰帶加強(qiáng)、艏部抨擊、航行燈布置以及艉軸/舵桿密封。

在干舷滿足的前提下，結(jié)構(gòu)吃水增加200 mm，基本不影響穩(wěn)性和強(qiáng)度，空船質(zhì)量變化很小，但載重量收益很大，EEDI指數(shù)也會(huì)提高。

［1］ 船舶工程名詞審定委員會(huì).船舶工程名詞［M］.北京:科學(xué)出版社，1998.12.

［2］ IMO.International Convention on Load Line，1966，including the Protocol of 1988 ［S］.2013.

［3］ 金陵船廠.35000載重噸散貨船增加結(jié)構(gòu)吃水論證報(bào)告［R］.2012.12.

［4］ Deltamarin Ltd.Study for increasing scantling draft of General Cargo Carrier ［R］.2013.1.

［5］ IACS.Common Structure Rules for Bulk Carriers［S］.

［6］ IMO.Guideline on the Method of calc.of the Attained EEDI for New Ship［S］.MEPC.224（64）.

［7］ 上海船舶研究設(shè)計(jì)院.10500載重噸滾裝船增加結(jié)構(gòu)吃水可行性分析報(bào)告［R］.2013.4.

［8］ 周良根 .型船空船重量推算法［J］.船舶，2010（1）：9-12.