(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)
船舶在海上航行時,由于各種損傷的存在,對船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有著極大的考驗(yàn),特別是大型船舶很容易發(fā)生海損事件。船東和航運(yùn)公司越來越重視運(yùn)營船舶的結(jié)構(gòu)安全,各大船級社也陸續(xù)發(fā)布關(guān)于船體監(jiān)控系統(tǒng)的規(guī)范,充分體現(xiàn)了船舶加裝此系統(tǒng)的重要性和必要性。近幾年對大型船舶訂單均考慮加裝船體監(jiān)控系統(tǒng)。例如,40萬t礦砂船和20 000 TEU集裝箱船加裝了船體監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了實(shí)時監(jiān)控船體結(jié)構(gòu)狀態(tài),可及時給出安全預(yù)警,提高了船舶航行的安全性。
HMON(hull monitoring systems)是DNV船級社關(guān)于船體監(jiān)控系統(tǒng)的船籍符號,授予安裝了監(jiān)控船體應(yīng)力、海況和操作參數(shù)的船舶。當(dāng)船舶應(yīng)力水平和加速度等值超過設(shè)定值,需要采取措施進(jìn)行調(diào)整時,系統(tǒng)會發(fā)出報警,可以讓船長及時知曉船舶狀態(tài),調(diào)整航速或者航向,修改裝載計劃,降低船舶航行風(fēng)險,提高安全性。系統(tǒng)長期記錄的歷史數(shù)據(jù),可以用于航次航線優(yōu)化和研究。
各船級社針對船體監(jiān)控系統(tǒng)的船籍符號都不盡相同。例如,LR船級社船體監(jiān)控系統(tǒng)的船籍符號為SEA(Hss-4);CCS船級社對應(yīng)的船籍符號為HMS;而DNV船級社對應(yīng)的船籍符號為HMON,還用字母代表附加符號,不同的字母表示此系統(tǒng)包含了何種類型的傳感器,傳感器數(shù)量或者具有的特性。在DNV規(guī)范Part6, chapter11中有詳細(xì)說明,附加符號中14個字母對應(yīng)不同的含義[1]。
DNV規(guī)范的HMON船籍附加符號內(nèi)容全面,針對性強(qiáng),要求明確詳盡,對整個系統(tǒng)的功能、主要設(shè)備構(gòu)成、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)儲存都提出了具體要求。其中對強(qiáng)制和推薦配備的最低傳感器數(shù)量要求也有明確說明。對于不同船型和船長,布置傳感器的數(shù)量和位置都有所不同。以散貨船為例,裝載計算機(jī)的接口和安裝在船舯左右舷的應(yīng)力傳感器為強(qiáng)制要求,安裝在離船舯1/4船長(左舷或者右舷)的應(yīng)力傳感器為推薦要求。船東可以根據(jù)實(shí)際需求的選取其中的一個或者多個字母作為附加符號,例如HMON(G4, A1, W1)表示船舶需要安裝4個應(yīng)力傳感器,1個加速度傳感器和1套風(fēng)速風(fēng)向儀。
對于超大型船舶,高強(qiáng)度鋼的大范圍使用,船體梁相對剛度降低,就會造成水彈性效應(yīng)明顯增大。而且40萬t礦砂船具有艏部平底的線型特點(diǎn),航行時會引起較為嚴(yán)重的艏部砰擊,對船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度和極限強(qiáng)度都是很大的考驗(yàn)。安裝船體監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時監(jiān)控船體應(yīng)力,運(yùn)動姿態(tài)和浮態(tài),超過臨界值會給出報警,船員可以結(jié)合海況信息調(diào)整裝載或者改變航線,來確保船舶結(jié)構(gòu)安全[2]。
通常噸位比較大的油船和集裝箱船會考慮配備船體監(jiān)控系統(tǒng),但一般只安裝船體應(yīng)力傳感器和加速度傳感器,也無需取得船級社的船籍符號。本公司承接的40萬t超大型礦砂船需要滿足DNV的HMON(G4,C1,W1,O1,A1,S1,E1),其中船籍附加符號S1比較特殊,此前的船舶建造未涉及,在方案選擇和尋找滿足要求的供應(yīng)商上都有一定的難度。為了能滿足此船籍符號,將系統(tǒng)原理[3-4]繪于圖1。
圖1 船體監(jiān)控系統(tǒng)組成
此系統(tǒng)主要由船體應(yīng)力和海浪監(jiān)控兩大子系統(tǒng)組成。
船體應(yīng)力系統(tǒng)需要滿足附加符號G4,C1,W1,O1,A1,E1的要求。其中安裝4個應(yīng)力傳感用于滿足G4的要求,安裝1個加速度傳感器為了滿足A1的要求,船體應(yīng)力系統(tǒng)還通過連接箱采集各種外部信號,包括裝載狀態(tài)、風(fēng)速風(fēng)向、DGPS及主機(jī)轉(zhuǎn)速等,來滿足其余的附加符號的要求。船體應(yīng)力系統(tǒng)一方面將采集的應(yīng)力和加速度信號傳輸給VDR用于記錄,另一方面將所有采集的信號傳輸給處理單元進(jìn)行計算、統(tǒng)計,并在顯示器上顯示應(yīng)力值,彎矩,裝載狀態(tài),統(tǒng)計數(shù)據(jù),砰擊值,疲勞強(qiáng)度等數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)值超過設(shè)定報警值時,會給出聲光報警。
海浪監(jiān)控系統(tǒng)是為了滿足S1的要求而設(shè)置的。系統(tǒng)通過圖像轉(zhuǎn)換裝置接收外接設(shè)備傳輸?shù)暮@诵盘?,將圖像信號預(yù)處理后傳輸給處理單元,經(jīng)過計算后得出海浪的各種參數(shù)并在計算機(jī)顯示。根據(jù)DNV規(guī)范,整個系統(tǒng)還配備了UPS,以滿足當(dāng)主電源失電后,系統(tǒng)能維持至少10 min供電的要求。
2.2.1 應(yīng)力傳感器
目前應(yīng)力傳感器的類型有三種[6]:電阻應(yīng)變式傳感器、光纖光柵傳感器[7-8]和直線位移傳感器,40萬t礦砂船選用的就是直線位移傳感器。根據(jù)DNV要求,大型礦砂船要用長基線應(yīng)力傳感器(LBSG),標(biāo)尺長度為2 m,數(shù)量為4個。規(guī)范不僅對傳感器選型和數(shù)量有要求,對安裝位置也有明確要求,船舯左右舷各1個,離船艏和船艉1/4船長處各1個。結(jié)合40萬t礦砂船的實(shí)際情況,右舷甲板為船舶主通道,不易布置過多設(shè)備,故將離船艏艉1/4船長處的傳感器布置在左舷。傳感器的精確定位還需要根據(jù)甲板面的實(shí)際布置情況,首先要避開其他設(shè)備,尤其是大物件,其次是避開板縫[5,9]。最終4個傳感器的肋位號分別為Fr.70P, Fr.110P, Fr.110S, Fr.150P。應(yīng)力傳感器的布置位置見圖2。
圖2 傳感器布置示意
2.2.2 加速度傳感器
加速度傳感器布置在艏部水手長儲藏室中線位置,此加速度傳感器為單片加速度傳感器,量程為(+、-)4倍的加速度。傳感器可以測出船舶移動造成的艏部加速度。測量的加速度與速度閾值相比較,可表明在波濤洶涌的海水中艏底受到?jīng)_擊的概率。
2.2.3 傾斜儀
安裝在駕控臺的傾斜儀為雙軸電解傾斜傳感器,用于監(jiān)控船舶橫搖和縱搖的角度,此傳感器可以測量在4 Hz頻率范圍內(nèi)傾斜角高達(dá)20°。在監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)動和砰擊界面中,有船體橫搖和縱搖角度的模擬動畫,動畫的周期和測量所得的橫搖縱搖數(shù)量一致,砰擊計算結(jié)果也在此界面顯示。
為了滿足船籍附加符號S1,船舶必須有監(jiān)控海況的能力,通常會裝載海浪監(jiān)控系統(tǒng),系統(tǒng)主要由海浪分析控制單元,雷達(dá)掃描轉(zhuǎn)換裝置,海浪監(jiān)控處理器等組成。除了上述設(shè)備,還需要采集海況信息的設(shè)備與之配合使用,目前能采集海況信號的手段有多種,主要是雷達(dá),衛(wèi)星,浮標(biāo)形式等,詳見表1。
表1 海況信息采集方案比較
通過衛(wèi)星輸送海況信號雖然有信息全面的特點(diǎn),但是接收信息會因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)速度有限產(chǎn)生延時,最致命的一點(diǎn)就是成本太高,還需要耗費(fèi)流量。浮標(biāo)是比較傳統(tǒng)的測量方式,準(zhǔn)確度最高,但機(jī)動性太差,只能在相對固定的海域進(jìn)行測量,而且很容易損壞和丟失,不適于在遠(yuǎn)洋船舶中使用。利用雷達(dá)進(jìn)行海況信息采集,具有信息準(zhǔn)確度相對較高,機(jī)動性,時效性都很強(qiáng)的特點(diǎn)。一般海況雷達(dá)有X波段和C波段兩種雷達(dá)可選,而大多數(shù)船舶X波段雷達(dá)都作為標(biāo)準(zhǔn)配置,故從經(jīng)濟(jì)性角度考慮,選用X波段雷達(dá)作為海況信息采集裝置更為合理。
在40萬t礦砂船設(shè)計初期,進(jìn)行了多方咨詢和方案比較,認(rèn)為無論從可實(shí)現(xiàn)性,實(shí)時性和經(jīng)濟(jì)性各方面考慮,最終選擇X波段雷達(dá)做為海況信息采集設(shè)備的方案。X波段雷達(dá)除了能監(jiān)控海上的移動目標(biāo),還可以用于測量海況。雷達(dá)的海面回波會形成海雜波,基于三維快速傅里葉變換,從雷達(dá)圖像中獲得方向性的海雜波雷達(dá)波譜,并采用濾波、積分等修正手段最終可以獲得海浪波譜,進(jìn)而計算出波浪的高度、角度和周期等海況參數(shù)。
一般船舶安裝的船體監(jiān)控系統(tǒng)僅僅是監(jiān)控本船舶的應(yīng)力水平,但40萬t礦砂船由于需要滿足DNV的HMON船籍符號,系統(tǒng)還可同步監(jiān)測風(fēng)、浪,流等外部環(huán)境狀態(tài),通過大量環(huán)境信息的收集,將船體結(jié)構(gòu)狀況與外部環(huán)境相結(jié)合,從而給出更科學(xué)的船體結(jié)構(gòu)健康報告,預(yù)警和航行輔助決策[10],更大程度地提高了船舶航行時的安全性。
船舶安裝船體監(jiān)控系統(tǒng)除了為船舶安全航行提供實(shí)時監(jiān)控數(shù)據(jù),還具有其他眾多積極意義。監(jiān)控系統(tǒng)記錄的歷史數(shù)據(jù)也將對船舶未來進(jìn)塢的結(jié)構(gòu)檢查提供理論依據(jù)。營運(yùn)公司可以根據(jù)船舶結(jié)構(gòu)的全生命周期的應(yīng)力水平記錄,把全船所有結(jié)構(gòu)的周期性的計劃檢查列為局部結(jié)構(gòu)的視情維護(hù)。同時,隨著運(yùn)營船的船體應(yīng)力數(shù)據(jù)的積累和分析,在未來船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計中用實(shí)際測量數(shù)據(jù)模型替代預(yù)估經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?,對船舶結(jié)構(gòu)精益設(shè)計提供有力的數(shù)據(jù)支撐。