何新宇，楊 博，陳曉敏

（上海船舶研究設計院，上海 201203）

13000DWT敞口多用途船耐波性試驗研究

何新宇，楊 博，陳曉敏

（上海船舶研究設計院，上海 201203）

對國內設計建造的首艘無限航區(qū)13000DWT敞口多用途船進行敞口耐波性模型試驗研究，包括模型參數(shù)確定、貨艙上浪進水量測量、排水舷口有效性評估及模型試驗結果分析，用以確定最小干舷；同時，對其后續(xù)設計提出改進建議。研究結果表明：設計一定高度的艙口圍可減少大量的上浪進水；排水舷口的數(shù)量、尺寸和位置無法通過理論公式計算并確定，采用模型試驗的方法比較有效。該研究可為同類型船舶的設計提供參考。

無艙蓋；多用途船；模型試驗；耐波性；上浪；排水舷口

0 引 言

在全球航運市場中，重吊多用途船一直是航運公司較為關注的船型。隨著貨物逐步朝重型化、大型化及不拆解裝運方向發(fā)展，擁有超長箱型貨艙、超大甲板載貨面積及超強起重能力的多用途船具有一定的市場空間。同時，隨著一些船東提出在垂直狀態(tài)下運輸超高工程貨物的需求，敞口（無艙蓋）多用途船的概念隨之產(chǎn)生。

2015年3月，上海船舶研究設計院專門為中國船舶（香港）航運租賃有限公司開發(fā)設計了13 000 DWT敞口多用途船。該船集合了上述多用途船的所有特征，是國內設計建造的首艘可敞口航行的多用途船。該船總長150.0m，寬25.6m，載重量約13000t，服務航速約15.3kn，入級挪威-德國勞氏船級社（DNV-GL），可裝運集裝箱、干散貨、谷物、木材、鋼卷、超長超大超高工程設備及危險品等；全船設有2個貨艙，其中大貨艙長達105m，貨艙上方艙蓋及載貨平臺形成長達125m的露天平整載貨區(qū)域；上層建筑和駕駛室位于艏部；左舷配2臺450t重型甲板起重機，聯(lián)吊能力為900t；申請德國勞氏船級社（GL）船級符號HATCHCOVERLESS（無艙蓋）。

國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）對敞口船的規(guī)定僅有針對集裝箱船的《敞口集裝箱船臨時導則》（簡稱《臨時導則》）[1]，對多用途船尚無明確要求。原GL在敞口多用途船檢驗方面有許多成功案例，具體做法是在與掛旗國當局達成一致的前提下，參照《臨時導則》并結合多用途船的特征融入原GL的特殊要求。

《臨時導則》要求最小干舷應由耐波性特性、穩(wěn)性（包括完整穩(wěn)性和破損穩(wěn)性）和結構強度確定[2]，取其中的最大者，且耐波性特性應通過模型試驗得出。因此，對該船的耐波性模型試驗進行深入研究，包括模型參數(shù)的確定和貨艙上浪進水量的測量。此外，為減少大貨艙上浪進水量，降低貨艙內底承受的水壓，保證貨艙進水后船舶的穩(wěn)性[3]，分別在干舷甲板以下的左右舷設置貨艙排水舷口，并對其有效性進行評估。

2015年11月12日，在德國漢堡船模水池（HSVA）進行敞口耐波性試驗，并由DNV-GL驗船師現(xiàn)場見證。該模型試驗在長峰不規(guī)則波中進行，選用JONSWAP波譜，最不利波浪周期（HSVA理論計算值為11s）對應的有義波高為8.5m。

1 敞口耐波性試驗模型參數(shù)的確定

試驗采用自航無拘束模型，配置有螺旋槳和舵，并充分模擬實船，包含上甲板、艙口圍、載貨平臺、克令吊基座、煙囪、舷墻、上層建筑、防浪罩及舭龍骨等；實船上的各種間隙及開孔（如艙口圍與載貨平臺間隙、防浪罩上的觀察和系泊孔及貨艙排水舷口等）均按一定比例縮放在模型上。

試驗前，需估算船舶在敞口狀態(tài)下的最大吃水、營運縱傾范圍、營運最小初穩(wěn)性高（GM）、最大持續(xù)航速、最小船舶操縱航速、排水舷口的直徑、排水舷口的數(shù)量及排水舷口的位置等。試驗過程中，第2貨艙完全開敞，無貨艙艙蓋及集裝箱遮蔽。水池模型見圖1。

圖1 水池模型

1.1 敞口狀態(tài)下的最大吃水

選取船舶營運中最惡劣的工況（即GM最小的工況）作為基本工況，對于重吊多用途船，一般取重大件運輸工況，此時堆放的超高貨物突出于貨艙艙口，重心較高。向船舶配載壓載水及消耗液體，使其裝載至敞口最大吃水，正浮。假定敞口貨艙進水至排水舷口下緣，貨艙滲透率取0.9，水的密度取1.025t/m3，進水的重心高度取進水區(qū)域的形心高度，貨艙內的自由液面按實際情況計算。進水穩(wěn)性應滿足《國際海上人命安全公約》（SOLAS公約）[4]及其修正案關于概率破艙計算方法的生存概率S=1。此外，進一步考核貨艙進水的中間狀態(tài)（如20%，50%及75%貨艙容積），進水穩(wěn)性是否全部滿足S=1[5]。初步確定該船在敞口狀態(tài)下的最大吃水為6.6m，并將6.3m作為備選吃水。

1.2 營運縱傾范圍

按照《2008年國際完整穩(wěn)性規(guī)則》[6]計算敞口營運工況的完整穩(wěn)性。在確定進水角時，敞口貨艙艙口是未保護開口，貨艙排水舷口能有效控制關閉且不作為進水點。按照SOLAS公約的要求計算破艙穩(wěn)性，根據(jù)DNV-GL的要求，貨艙滲透率在輕載、部分分艙吃水及最深分艙吃水狀態(tài)下分別取0.95，0.9和0.9。通過調整貨艙艙蓋和活動二甲板的堆放位置，該船可保證載貨營運工況下的縱傾在±0.5%LS范圍內。模型試驗僅考慮平浮狀態(tài)，無附加縱傾。

1.3 營運最小GM

不同于常規(guī)船舶，在求取敞口船的許用GM曲線時，不僅要計算完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性，還需通過敞口模型試驗確定最大吃水對應的最小GM。對于裝載超高貨物的船舶，在滿足穩(wěn)性的前提下，GM越小對船東的裝載限制越少。經(jīng)計算，“1.1”節(jié)中基本工況下的GM=1.7m，HSVA估算與最不利波浪周期共振的GM=3.87m，此時該船在橫搖狀態(tài)下敞口貨艙上浪進水量最大。但是，GM=3.87m明顯不符合實際營運情況，重心過低，通過與DNV-GL溝通，最終確定貨艙上浪進水量試驗的GM取2.75m，排水舷口有效性評估試驗的GM取1.7m。

1.4 最大持續(xù)航速及最小船舶操縱航速

最大持續(xù)航速是指在規(guī)則波中航行時受波浪增阻影響導致失速的最大服務航速，自愿降速不予考慮。最小船舶操縱航速是指維持航向控制且符合船舶操縱特性的最小航速。根據(jù)模型阻力和自航試驗結果，該船最大持續(xù)航速為16.5kn，最小船舶操縱航速為5kn。

1.5 貨艙排水舷口直徑、數(shù)量及位置

排水舷口的垂向位置越低越好（但要在貨艙進水后的水線上方）[7]，縱向位置越靠近貨艙端壁越好。在綜合考慮船舶的結構強度和總體布置之后，確定在FR11和FR146附近左右兩舷各設置1個排水舷口，其最低點距離基線10.95m。由于貨艙上浪進水和舷口排水都是動態(tài)的，與瞬間上浪進水量、同時排水的舷口數(shù)及船舶的運動[8]等多種因素有關，排水過程復雜多樣，排水舷口的直徑無法通過公式估算，結合HSVA的經(jīng)驗及其建議，準備600mm，910mm和1160mm等3個排水舷口直徑進行模型試驗評估。

2 敞口耐波性試驗內容

2.1 敞口貨艙每小時上浪進水量測量

進行隨浪（0°/360°）、艉斜浪（45°/315°）、橫浪（90°/270°）、艏斜浪（135°/225°）和迎浪（180°）等5種浪向的模型試驗，試驗航速分別為迎浪和艏斜浪中的最大持續(xù)航速、艉斜浪和隨浪中的最小操縱航速及橫浪中的零速（船舶無動力狀態(tài)）。每種工況的試驗時間至少對應于實船航行時間1h。受水池尺度的限制，艏斜浪模型試驗和艉斜浪模型試驗采用Z形迎浪前進及Z形隨浪前進的方式。每種浪向反復測試數(shù)次，以達到試驗規(guī)定的時間。試驗程序見表1。

表1 試驗程序

船模在試驗過程中處于自航、非約束狀態(tài)（見圖2）。在每個航次結束之后，均將艙內的上浪進水全部抽出并測量其體積[9]，以消除積水對慣性矩、GM和排水量的影響，同時記錄船舶運動、航速、相對運動和舵角等數(shù)據(jù)。

試驗前除了準備6.6m的吃水以外，還準備6.3m的備用吃水，若6.6m吃水試驗的結果不滿足要求，可及時調整至6.3m吃水，以確保試驗順利進行。根據(jù)HSVA初步估算，貨艙在最大持續(xù)航速Z形迎浪前進和零速橫浪2種工況下的上浪進水量最大，因此先進行6.6m吃水時的上述2種最惡劣工況的試驗，試驗測得值遠小于《臨時導則》限定的開敞貨艙每小時最大上浪進水量不超過敞口開敞面積乘以400mm/h的要求值；隨后，在6.6m吃水時進行剩余工況的試驗，結果與HSVA估算的相同，進水量小于之前的2種惡劣工況。

圖2 模型試驗

2.2 貨艙排水舷口有效性評估

DNV-GL認為進行該項試驗主要是為了考核穩(wěn)性，GM須對應于船舶營運中可能出現(xiàn)的最惡劣工況，取1.7m。初始吃水與貨艙上浪進水測量試驗一致，取6.6m。試驗開始前，假定貨艙滲透率為0.9（DNV-GL要求），向貨艙內注水至排水舷口下緣，使船模處于靜平衡狀態(tài)。試驗開始時，利用水池造波機制造波浪，船模處于橫浪零速狀態(tài)，觀察上浪進水能否從貨艙排水舷口有效排出，以確保船模不發(fā)生傾覆（見圖3）。該船的貨艙采用非對稱設計，左右舷都要進行該項評估。

試驗過程中，船模用吊鉤和軟繩保護（軟繩處于松弛狀態(tài)），以防止船模傾覆后難以打撈。該試驗預先準備600mm，910mm和1160mm等3種直徑的排水舷口，首先進行910mm直徑的排水舷口試驗，效果良好；隨后進行600mm直徑的排水舷口試驗，其有效性也滿足要求，由此，1160mm直徑的排水舷口試驗就省略了。

圖3 貨艙排水舷口試驗照片

2.3 貨艙排水舷口的模型等效處理

該船貨艙排水舷口的位置較低，為確保穩(wěn)性不使排水舷口作為計算進水角的進水開口，需安裝截止止回閥以防止艙外海水進入貨艙，即貨艙內的水可通過排水舷口流出，但不能流入。為模擬該單向開啟的排水舷口，在船模上安裝鉸鏈式擋片（見圖4）。

此外，開啟止回閥需有一定的壓力，貨艙內的水位只有高于止回閥約1m才能將止回閥打開。為模擬該水壓，在與DNV-GL現(xiàn)場見證人員統(tǒng)一意見之后，創(chuàng)造性地采用等效彎管（見圖5）。該等效彎管既可增加貨艙模型內流進排水舷口的水位高度，又不會影響水流出排水舷口的速度，但在進行貨艙上浪進水的穩(wěn)性計算及結構強度計算時需考慮增加該1m的進水量。

圖4 排水舷口擋片

圖5 等效彎管

3 敞口耐波性試驗結果分析

《臨時導則》要求模型試驗測得的開敞貨艙每小時最大上浪進水量不應超過開敞艙口面積乘以400mm/h。按照該船開敞艙口尺度計算，每小時上浪進水量應≤843.6m3/h（見表2）。貨艙上浪進水量測量試驗（6.6m吃水）結果見表3。

表2 每小時上浪進水極限

表3 貨艙上浪進水測量試驗（6.6m吃水）結果

由試驗結果可知：

1) 艏斜浪和橫浪工況下的上浪進水量相對最大，但遠小于《臨時導則》要求的843.6m3/h。根據(jù)現(xiàn)場觀察，大部分進水來自于載貨平臺與艙口圍之間的間隙及載貨平臺上方，干舷甲板上的通道被淹沒，少部分進水從防浪罩的系泊和觀察孔流進貨艙，可見把艙口圍設計得高且內縮能避免大量進水。

2) 迎浪工況下的上浪進水量居中，僅有少量進水從防浪罩的系泊和觀察孔流進貨艙，這得益于艏部外飄的線型及前置上層建筑。

3) 對于艉斜浪和隨浪工況，貨艙基本無上浪進水，波浪僅偶爾出現(xiàn)在干舷甲板高度處，但經(jīng)常出現(xiàn)螺旋槳飛車現(xiàn)象。

該試驗僅考核船舶正浮狀態(tài)，沒有考慮帶附加縱傾的情況，因此該船所有載貨工況下的縱傾需控制在±0.5%Ls范圍內，對船船的實際營運有一定的限制。對于后續(xù)同類船的設計，建議根據(jù)具體情況增加對附加縱傾的測量，提高船舶實際營運的靈活性。

在進行貨艙排水舷口有效性評估試驗時，首先使用直徑為910mm的排水舷口，上浪進水能有效排出，結果良好；隨后改為600mm直徑的排水舷口，也可滿足要求。最終的設計采用左右舷前后各設置1個直徑為600mm的排水舷口。對于后續(xù)設計，建議嘗試直徑更小的排水舷口進行試驗，以減小安裝在實船上的排水舷口管系的直徑和閥件的尺寸，進而節(jié)省成本、降低施工難度。此外，該船大貨艙的艉部下方為機艙，左舷邊艙因布置重型起重機而比右舷邊艙寬，導致貨艙形心偏向右前。當向貨艙注水至排水舷口最低點（最低的等效彎管上口）時，船舶有初始艏傾和右傾，艉部機艙平臺上方的貨艙面幾乎無水。通過現(xiàn)場觀察，大部分貨艙上浪進水從艏部右舷的排水舷口排出。后續(xù)船可根據(jù)實船構造，結合模型試驗更合理地設計排水舷口的尺寸、數(shù)量和位置，并不一定采用同等尺寸或對稱布置方式。

4 結 語

本文對13000DWT敞口多用途船的耐波性模型試驗進行了深入研究，并通過試驗確定了該船的最小干舷（敞口狀態(tài)下船舶最大吃水）及貨艙排水舷口的設計。該船是國內設計建造的首艘無限航區(qū)敞口多用途船，可供參考的資料很少，在對其進行耐波性模型試驗前準備了多項預案，包括2個敞口最大吃水、3個排水舷口直徑等，以確保試驗順利進行。模型參數(shù)的確定對試驗結果起著關鍵性作用，需在精確計算并與HSVA和DNV-GL共同協(xié)商之后確定。研究結果表明：設計一定高度的艙口圍可減少大量的上浪進水；排水舷口的數(shù)量、尺寸和位置無法通過理論公式計算并確定，采用模型試驗的方法比較有效。該研究可為其他同類型船舶的設計提供參考。

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Research on the Seakeeping Model Test of a 13000dwt Open-Top Multi-Purpose Vessel

HE Xin-yu，YANG Bo，CHEN Xiao-min

(Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute, Shanghai 201203, China)

This paper studies the seakeeping model test for the first 13000dwt hatchcoverless multi-purpose vessel designed and constructed by a Chinese institute for the unlimited navigation areas. The seakeeping model test is to determine the minimum freeboard, which includes the determination of model parameters, green water measurement in cargo tanks, assessment on the effectiveness of freeing ports and the analysis of the model test results, along with the suggestions for the improvement of subsequent designs. The result shows that the hatch coaming of certain height can significantly reduce green water onboard and the theoretical formulae cannot determine quantity, dimensions and positions of freeing ports, instead it is more effective to rely on the model test. This study provides references for the design of same ship types.

hatchcoverless; multi-purpose vessel; model test; seakeeping; green water; freeing port

U661.73；U674.138

A

2095-4069 (2017) 05-0023-05

10.14056/j.cnki.naoe.2017.05.004

2016-05-10

何新宇，女，工程師，1984年生。2007年畢業(yè)于哈爾濱工程大學船舶與海洋工程專業(yè)，現(xiàn)從事船舶總體設計工作。