何新宇 楊 博 樊紅元

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院 上海201203）

引 言

近年來，能夠適裝超高工程設(shè)備且垂直運(yùn)輸?shù)某冢o艙蓋）多用途船日漸流行，越來越多的船東提出多用途船需要具備這一功能。國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）目前僅針對(duì)敞口集裝箱船有通函MSC/Circ.608/Rev.1《敞口集裝箱船臨時(shí)導(dǎo)則》（簡(jiǎn)稱“臨時(shí)導(dǎo)則”）［1］，對(duì)其他敞口船型（如敞口多用途船）無明確要求。英國勞氏船級(jí)社（Lloyd’s Register of Shipping，LR）對(duì)敞口船舶（不限定船型）可以授予無艙蓋船級(jí)符號(hào)Hatch Covers Omitted in Hold （No（s）），要求參照“臨時(shí)導(dǎo)則”，需要主管當(dāng)局認(rèn)可，并申請(qǐng)豁免載重線公約關(guān)于設(shè)置艙口蓋的要求［2］。原德國勞氏船級(jí)社（Germanischer Lloyd，GL）對(duì)于敞口集裝箱船和敞口多用途船可以授予無艙蓋船級(jí)符號(hào)HATCHCOVERLESS，對(duì)于敞口多用途船，要求在與主管當(dāng)局達(dá)成一致的前提下，參照臨時(shí)導(dǎo)則并結(jié)合多用途船的特征融入GL的特殊要求［3］，但這些特殊要求未形成正式的規(guī)范。上海船舶研究設(shè)計(jì)院（簡(jiǎn)稱上船院）于2015年3月為中國船舶（香港）航運(yùn)租賃有限公司專門開發(fā)設(shè)計(jì)了13000載重噸敞口多用途船（圖1），是國內(nèi)設(shè)計(jì)和建造的首艘可敞口航行的多用途船，授予其GL規(guī)范的無艙蓋船級(jí)符號(hào)HATCHCOVERLESS。

圖113 000載重噸敞口多用途船

2019年7月，DNV·GL（Det Norske Veritas-Germanischer Lloyd）船級(jí)社更新了規(guī)范，對(duì)1個(gè)或多個(gè)貨艙無艙蓋的集裝箱船，以及無艙蓋或部分或全部敞開貨艙蓋航行的多用途船和普通干貨船，要求強(qiáng)制性授予船級(jí)符號(hào)HATCHCOVERLESS，對(duì)敞口船舶給出了明確的規(guī)范條款，同時(shí)需要主管當(dāng)局豁免有關(guān)載重線公約的相關(guān)要求［4］。因此，有必要基于13000載重噸敞口多用途船，對(duì)DNV·GL的新規(guī)范進(jìn)行深入研究，得出其對(duì)敞口多用途船總體設(shè)計(jì)的影響并給出優(yōu)化措施和建議，用以指導(dǎo)后續(xù)敞口多用途船的總體研發(fā)。

1 DNV·GL敞口多用途船新規(guī)范的變化

1.1 敞口耐波性模型試驗(yàn)的最不利譜峰周期建議值

DNV·GL新規(guī)范要求耐波性試驗(yàn)在長(zhǎng)峰不規(guī)

則波中進(jìn)行，采用的波譜為JONSWAP譜，模型試驗(yàn)水池應(yīng)制造出在最不利波浪周期情況下有義波高為8.5 m的波浪，迎浪和首斜浪最不利譜峰周期的建議值為：

式中：U為船前進(jìn)速度，m/s；μ為浪向角，（°）。

此外，也可基于切片理論，由模型試驗(yàn)水池直接計(jì)算船舶在不同浪向、不同船速、不同波浪周期下的運(yùn)動(dòng)情況，得出船與水面之間的最大相對(duì)運(yùn)動(dòng)所對(duì)應(yīng)的波浪周期。陡波、破碎波和縱搖通常對(duì)貨艙進(jìn)水的影響最大，而對(duì)于長(zhǎng)度小于170 m的船舶，縱搖相應(yīng)的最不利譜峰周期不超過11 s，然而在11 s內(nèi)產(chǎn)生有義波高8.5 m的波浪是不切實(shí)際的，德國漢堡水池（Hamburgische Schiffbau Versuchsanstalt，HSVA）的做法是對(duì)所有敞口船的最不利譜峰周期都選取11 s。

1.2 模型試驗(yàn)時(shí)的船舶縱傾

DNV·GL新規(guī)范要求模型試驗(yàn)時(shí)應(yīng)配載至敞口航行的最大吃水且正浮，如營運(yùn)縱傾明顯不同于設(shè)計(jì)縱傾，則應(yīng)包括附加的縱傾情況。如果模型試驗(yàn)時(shí)船舶正浮，則運(yùn)營工況的縱傾可在±0.5 %船舶分艙長(zhǎng)度（LS）范圍以內(nèi)；如果營運(yùn)縱傾超過±0.5 %LS，正如國際海上人命安全公約（SOLAS）［5］對(duì)分艙與破損穩(wěn)性的要求，在部分分艙吃水和最深分艙吃水裝載工況所覆蓋的營運(yùn)縱傾范圍內(nèi)補(bǔ)充繪制若干條極限初穩(wěn)性高（GM）曲線并確保縱傾間隔不超過1.0 %LS，這些附加的縱傾值需要增加到敞口耐波性模型試驗(yàn)中。根據(jù)具體運(yùn)營情況增加附加縱傾的進(jìn)水量測(cè)量，可以提高船舶實(shí)際運(yùn)營的靈活性。

1.3 模型試驗(yàn)時(shí)的船舶GM

DNV·GL新規(guī)范要求模型試驗(yàn)時(shí)，船舶GM選取在橫浪中［6］使橫搖周期與譜峰周期發(fā)生共振所對(duì)應(yīng)的GM值，在所有的浪向下進(jìn)行貨艙每小時(shí)的上浪進(jìn)水量測(cè)量，每個(gè)工況的試驗(yàn)時(shí)間至少對(duì)應(yīng)于實(shí)船時(shí)間1 h。如果這個(gè)共振對(duì)應(yīng)的GM值超過船舶極限GM曲線的最大值時(shí)，可選取極限GM曲線的最大值。在全部浪向的上浪進(jìn)水量測(cè)量結(jié)束后，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出結(jié)果較差的3個(gè)浪向；再取極限GM曲線的最小值在這3個(gè)浪向下進(jìn)行重復(fù)測(cè)量。

DNV·GL認(rèn)為GM值越小，船舶橫搖周期越長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致貨艙的進(jìn)水量越大。因此，為了覆蓋所有惡劣工況，需要附加測(cè)量3個(gè)浪向下的極限GM曲線最小值的工況。船舶甲板上浪的海水流動(dòng)是高度非線性物理現(xiàn)象［7］，與之相關(guān)聯(lián)的水位、流量等物理量很難精確估算［8］。馬騁遠(yuǎn)等［9］研究了超大型集裝箱船參數(shù)橫搖全面校核與安全評(píng)估，提出降低重心高度以及盡量避免船舶橫搖固有周期約為2倍遭遇周期等方法，以有效避免參數(shù)橫搖的發(fā)生。對(duì)于穩(wěn)性較高（即GM值較大）的船舶，其橫搖周期往往較短，一般在10 s左右。當(dāng)波浪頻率約為5 s時(shí)，容易遭遇參數(shù)橫搖，而這種頻率下的波浪浪高一般都比較小，不至于使船舶誘發(fā)參數(shù)橫搖現(xiàn)象。而對(duì)于穩(wěn)性較低的船舶，橫搖周期一般較長(zhǎng)，在浪高較高的情況下，船舶容易在迎浪或隨浪時(shí)產(chǎn)生參數(shù)橫搖現(xiàn)象［10］。船舶發(fā)生參數(shù)橫搖將導(dǎo)致貨艙上浪進(jìn)水量的增加，因此，附加測(cè)量極限GM曲線最小值的工況是必要的。

1.4 敞口貨艙進(jìn)水后的完整穩(wěn)性

DNV·GL對(duì)敞口多用途船貨艙進(jìn)水后的完整穩(wěn)性在新規(guī)范中給予了明確的規(guī)定，與MSC/Circ.608/Rev.1“臨時(shí)導(dǎo)則”和原GL特殊要求相比差異明顯（見表1）。

表1 敞口貨艙進(jìn)水后完整穩(wěn)性的不同規(guī)范對(duì)比

DNV·GL新規(guī)范最大的變化是貨艙進(jìn)水高度僅為艙底以上2.0 m，遠(yuǎn)低于MSC/Circ.608和原GL的要求。由于耐波性模型試驗(yàn)要求任一敞口貨艙每小時(shí)最大上浪進(jìn)水量應(yīng)不超過貨艙敞口面積乘以400 mm/h，且艙底排水能力應(yīng)不小于下述5項(xiàng)要求中之最大者：

（1）由綜合模型試驗(yàn)確定的海上航行狀態(tài)下最大的貨艙每小時(shí)上浪進(jìn)水量；

（2）100 mm/h的降雨量（不考慮所設(shè)置的防雨棚）；

（3）模型在橫浪無動(dòng)力狀態(tài)下耐波性試驗(yàn)所測(cè)得的貨艙每小時(shí)上浪進(jìn)水量乘以安全系數(shù)2；

（4）最大敞口貨艙內(nèi)消防所需要水量的133%；

（5）相當(dāng)于封閉貨艙所需要的排量。

貨艙進(jìn)水由甲板上浪和降雨兩部分組成，考慮最惡劣的橫浪無動(dòng)力狀態(tài)，貨艙最大進(jìn)水率為400 mm/h×2 + 100 mm/h = 900 mm/h，艙底以上2.0 m的進(jìn)水高度相當(dāng)于2.2 h不開啟艙底排水系統(tǒng)。由于新規(guī)范提高了貨艙艙底排水系統(tǒng)（包括艙底管系）的冗余度，能夠保證貨艙艙底排水系統(tǒng)在任何狀態(tài)下可用，因此DNV·GL新規(guī)范假定貨艙進(jìn)水高度2.0 m是合適的。

2 DNV·GL新規(guī)范對(duì)總體設(shè)計(jì)的影響

2.1 船體結(jié)構(gòu)總縱強(qiáng)度

由于新規(guī)范要求的貨艙進(jìn)水高度大幅降低，敞口多用途船的船體結(jié)構(gòu)總縱強(qiáng)度可以大幅下降。以13000載重噸敞口多用途船為例，分別按照原GL要求和DNV·GL新規(guī)范要求進(jìn)行計(jì)算，不同工況下的總縱彎矩和剪力占許用值比例的對(duì)比結(jié)果見圖2。

圖213 000載重噸敞口多用途船總縱強(qiáng)度新舊規(guī)范計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖2表明，按照DNV·GL新規(guī)范計(jì)算的敞口貨艙進(jìn)水工況的剪力較原GL規(guī)范降低了67.3 %，中垂彎矩降低了70.2 %，中拱彎矩增加了15.0 %。中垂彎矩對(duì)該船的船體結(jié)構(gòu)質(zhì)量影響最大，按照原GL規(guī)范計(jì)算的中垂彎矩為-69357 t·m，按照DNV·GL新規(guī)范計(jì)算的中垂彎矩為-20676 t·m，遠(yuǎn)小于有艙蓋航行重貨工況的中垂彎矩-66750.3 t·m，因此不再需要考慮敞口貨艙進(jìn)水工況對(duì)船舶總縱強(qiáng)度的影響而額外增加船體結(jié)構(gòu)質(zhì)量。另外，由于新規(guī)范要求的貨艙進(jìn)水高度大幅降低，進(jìn)水后船舶吃水較原GL要求更小，承受外部水壓力［11］也更小。綜合考慮，按照DNV·GL新規(guī)范設(shè)計(jì)，船體結(jié)構(gòu)質(zhì)量可以減少約150 t。

2.2 貨艙艙底排水系統(tǒng)及舷外排口

為確保足夠的貨艙排水能力，保障船舶安全，DNV·GL新規(guī)范對(duì)貨艙艙底系統(tǒng)及舷外排口的冗余度要求有所提高。13000載重噸敞口多用途船按照原GL要求，規(guī)范計(jì)算的泵排量為860 m3/h，該船實(shí)際配置了3臺(tái)艙底泵，其中1臺(tái)為860 m3/h的貨艙應(yīng)急艙底泵，另外2臺(tái)分別為600 m3/h的艙底壓載泵和260 m3/h的艙底消防總用泵，這2臺(tái)泵的組合排量滿足860 m3/h要求。另外，這2套泵布置在不同艙室，能夠保證即使1套泵失效后，另外1套仍正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

按照DNV·GL新規(guī)范要求，不僅泵需要冗余，艙底管系也需要冗余且特殊強(qiáng)調(diào)為環(huán)形管系，管系上設(shè)置遙控閥。如果13000載重噸敞口多用途船按照新規(guī)范設(shè)計(jì)，需要用環(huán)形壓載總管兼作艙底管系，每個(gè)貨艙污水井設(shè)置2個(gè)艙底吸口，分別連接環(huán)形壓載總管和艙底總管，每個(gè)吸口單獨(dú)設(shè)閥。在敞口航行狀態(tài)，所有壓載總管和艙底支管上的遙控閥打開，可以實(shí)現(xiàn)壓載管系兼作艙底管系的冗余；在港口裝卸貨狀態(tài)，與壓載總管連接的遙控閥關(guān)閉，壓載系統(tǒng)可以進(jìn)行打/排壓載水的操作，未與壓載管連接的艙底管系仍保留必要的艙底排水功能。新規(guī)范要求的管系冗余提高了船舶的安全性，但同時(shí)增加了一些建造成本。

如果設(shè)置貨艙排水舷口，每個(gè)敞口貨艙每舷排水舷口的數(shù)量、尺寸和位置應(yīng)能使貨艙單側(cè)排出貨艙積水，排出的積水量為最惡劣情況下貨艙最大進(jìn)水量的125%。排水舷口需設(shè)置防止意外進(jìn)水的有效關(guān)閉裝置，該裝置能在干舷甲板上操作。如船舶營運(yùn)于可能結(jié)冰的海域，該裝置應(yīng)使排水舷口在此條件下有效工作。由于新規(guī)范假定貨艙進(jìn)水至艙底以上2.0 m，假設(shè)貨艙為立方體形狀，排水舷口需要排出的水量為125%×2.0 m = 2.5 m，除非是極淺吃水的船舶，否則在滿載水線以上設(shè)置排水舷口的意義不大。因此，按照DNV·GL新規(guī)范設(shè)計(jì)，可以節(jié)省排水舷口及其管系閥件，也可以不再考慮排水舷口的有效性評(píng)估試驗(yàn)。

3 減少上浪的措施

敞口船舶設(shè)計(jì)較小的干舷可以實(shí)現(xiàn)敞口航行吃水最大化，進(jìn)而提高載貨能力和營運(yùn)經(jīng)濟(jì)性。敞口船舶的最小干舷由耐波性模型試驗(yàn)和穩(wěn)性確定［12］，耐波性模型試驗(yàn)要求任一敞口貨艙每小時(shí)最大上浪進(jìn)水量應(yīng)不超過貨艙敞口面積乘以400 mm/h，穩(wěn)性要求在敞口貨艙進(jìn)水后需要保證一定的生存能力。提高船舶完整穩(wěn)性和破損穩(wěn)性的方法很多，包括通過優(yōu)化型線提高橫穩(wěn)心高度，優(yōu)化舷側(cè)邊艙寬度、數(shù)量、二甲板高度以及雙層底高度布置［13］，控制非水密開口高度、密性及管路布置等［14］。減少甲板上浪可以有效降低敞口貨艙的進(jìn)水量以滿足規(guī)范要求。由于DNV·GL新規(guī)范的貨艙進(jìn)水高度降低至2.0 m，導(dǎo)致貨艙進(jìn)水后的穩(wěn)性要求有所降低，因此有必要著重研究減少上浪的措施。

分析對(duì)比3型敞口多用途的耐波性模型試驗(yàn)結(jié)果，包括上船院設(shè)計(jì)的13000載重噸敞口多用途船、12500載重噸敞口多用途船（圖3），以及荷蘭CONOSHIP概念設(shè)計(jì)的5800載重噸敞口多用途船（下頁圖4）。3型敞口多用途船的特征對(duì)比見下頁表2。

圖312 500載重噸敞口多用途船

3型敞口多用途船的模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見下頁圖5，數(shù)據(jù)源自各船試驗(yàn)報(bào)告，試驗(yàn)均在HSVA（漢堡水池）進(jìn)行。筆者曾撰文詳細(xì)介紹了敞口耐波性試驗(yàn)的情況（包括模型的設(shè)計(jì)制作、海浪模擬情況、最不利譜峰周期等參數(shù)確定、以及進(jìn)水量測(cè)量等內(nèi)容）［3］，故此處不再贅述。

模型試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1） 迎浪、首斜浪、橫浪3個(gè)浪向下的敞口貨艙進(jìn)水相對(duì)較為嚴(yán)重；

（2） 5800載重噸敞口多用途船和13000載重噸敞口多用途船的上層建筑位于首部，能夠有效阻擋上浪；

（3） 12500載重噸敞口多用途船的首部設(shè)置了足夠?qū)挾群透叨鹊姆览苏?，有效阻擋了部分上浪，使貨艙進(jìn)水量滿足規(guī)范要求。

圖45 800 載重噸敞口多用途船

表23型敞口多用途船的特征對(duì)比

圖53型敞口多用途船耐波性模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

需要說明的是，5800載重噸敞口多用途船的上層建筑寬度小于船寬并且小于貨艙艙口寬度，在首次試驗(yàn)的迎浪工況下，上浪從上層建筑側(cè)面進(jìn)入貨艙，進(jìn)水量達(dá)808 mm/h，是規(guī)范要求值的2倍。為了減少上浪，第2次試驗(yàn)時(shí)，在貨艙首部垂直堆放了6塊貨艙蓋。圖5為第2次試驗(yàn)的理想結(jié)果。

因此，為了減少上浪，最有效的措施是將上層建筑布置在首部且上層建筑寬度達(dá)到船寬；如果上層建筑的寬度受其他因素影響不能達(dá)到船寬，可以在首部堆放足夠高度的貨艙蓋或集裝箱，用于阻擋上浪［15］；如果上層建筑位于尾部，需要在船首設(shè)置一定寬度和高度的防浪罩或擋浪板，以最大限度減少上浪。將貨艙蓋或集裝箱堆放在首部，雖然可以有效阻擋上浪，但犧牲了一定的裝貨空間，限制了實(shí)際營運(yùn)的靈活性。

4 結(jié) 語

本文基于13000載重噸敞口多用途船，對(duì)DNV·GL新規(guī)范進(jìn)行了深入研究，包括新規(guī)范的變化以及對(duì)敞口多用途船總體設(shè)計(jì)的影響。新規(guī)范給出了敞口耐波性模型試驗(yàn)的最不利譜峰周期建議值，明確了如果營運(yùn)縱傾明顯不同于模型試驗(yàn)縱傾，則需要進(jìn)行附加縱傾的敞口模型試驗(yàn)，增加了對(duì)極限GM曲線的最小GM值的上浪進(jìn)水量重復(fù)測(cè)量要求，最大的變化是貨艙進(jìn)水高度僅為艙底以上2.0 m，遠(yuǎn)低于MSC/Circ.608和原GL的要求。

由于貨艙進(jìn)水高度的降低，船體總縱彎矩和剪力下降明顯，可以進(jìn)一步節(jié)省船體結(jié)構(gòu)鋼材。新規(guī)范提高了貨艙艙底排水系統(tǒng)的冗余度，不僅艙底泵需要冗余，而且艙底管系也需要冗余且特殊強(qiáng)調(diào)為環(huán)形管系。另外，由于貨艙進(jìn)水高度的降低，不再需要設(shè)置貨艙排水舷口。通過對(duì)3型敞口多用途的耐波性模型試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，得出迎浪、首斜浪、橫浪3個(gè)浪向下的敞口貨艙進(jìn)水相對(duì)比較嚴(yán)重，減少上浪的最有效措施是將上層建筑布置在首部且上層建筑寬度達(dá)到船寬，或在船首設(shè)置一定寬度和高度的防浪罩或擋浪板，從而有效阻擋上浪。

各船級(jí)社關(guān)于敞口多用途的規(guī)范或要求還在不斷地完善，希望本文的研究可以為其他同類型船舶的設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。鑒于甲板上浪屬于高度非線性現(xiàn)象，很難用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）精確模擬。目前，敞口耐波性模型試驗(yàn)仍是確定最小干舷的唯一方法，希望在不久的將來，隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，CFD模擬可作為確定最小干舷的替代方法并獲得船級(jí)社的普遍認(rèn)可。