俞 劍，巴雅爾圖，付翯翯，陳 登，吉春正

(招商局郵輪研究院(上海)有限公司，上海 200137)

0 引言

破艙穩(wěn)性對(duì)客滾船水密艙室的劃分有著決定性的作用。2009年海上安全委員會(huì)(簡(jiǎn)稱“海安會(huì)”)修正案決議MSC.216(82)強(qiáng)制生效并修訂了《國(guó)際海上人命安全公約》(SOLAS 2009)。該決議將確定性的客船SOLAS 90標(biāo)準(zhǔn)與干貨船基于概率方法的SOLAS 92標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)為統(tǒng)一的概率破損穩(wěn)性要求，放寬了之前確定性算法對(duì)雙殼和分艙長(zhǎng)度的要求。2017年SOLAS依據(jù)海安會(huì)修正案決議MSC.429(98)，再次大幅提高了客滾船的分艙指數(shù)，并于2020年1月1號(hào)強(qiáng)制生效，簡(jiǎn)稱SOLAS 2020，這對(duì)客滾船的設(shè)計(jì)帶來了更大的技術(shù)挑戰(zhàn)[1]。

歐盟水域運(yùn)營(yíng)的客滾船還需要滿足斯德哥爾摩協(xié)議(Stockholm Agreement，SA)。SA的要求是基于SOLAS 90的標(biāo)準(zhǔn)，仍為確定性破損，其目的是避免事故船舶因貨艙上浪積水導(dǎo)致的更嚴(yán)重的海難，對(duì)設(shè)計(jì)方案的限制較大。

本文以某掛英國(guó)旗的客滾船為研究對(duì)象，針對(duì)SOLAS 2020和SA對(duì)客滾船設(shè)計(jì)的技術(shù)挑戰(zhàn)一一作了分析，并根據(jù)其設(shè)計(jì)特點(diǎn)提出了應(yīng)對(duì)方案。

1 SOLAS破艙穩(wěn)性要求及應(yīng)對(duì)方法

1.1 SOLAS確定性破艙計(jì)算要求和關(guān)注點(diǎn)

(1)SOLAS在II-1中對(duì)客船的確定性破艙穩(wěn)性有以下明確要求：

①條款第8.1條要求：載客人數(shù)在400人以上的客船需要滿足在自艏垂線起艏部0.008Ls(Ls為船長(zhǎng))區(qū)域破損后生存系數(shù)S等于1；

②條款第8.2條要求：載客人數(shù)在36人以上的客船需要在舷側(cè)船寬B/10破損假定的情況下生存系數(shù)S不小于0.9；

③條款第9條要求：客滾船底部破損時(shí)生存系數(shù)S等于1。

(2)需要考慮底部破損情況。因?yàn)榈撞科茡p的尺度較大，寬度也較寬，進(jìn)水的艙組較多，因此在分艙設(shè)計(jì)時(shí)需盡量去減少任一可能破損情況下的不對(duì)稱進(jìn)水。另外，特別要注意布置在舷側(cè)的橫傾艙、機(jī)艙及其相鄰區(qū)域的破損。

1.2 SOLAS 2020概率性破艙計(jì)算要求

SOLAS 2020對(duì)客船要求的分艙指數(shù)R的計(jì)算方法見表1。

表1 SOLAS II-1第6條中規(guī)定的分艙指數(shù)

實(shí)際達(dá)到的分艙指數(shù)A需按下式加權(quán)獲得：

A=0.4As+0.4Ap+0.2Al

式中：As為滿載吃水時(shí)實(shí)際達(dá)到的分艙指數(shù)；Ap為中間吃水時(shí)實(shí)際達(dá)到的分艙指數(shù)；Al為輕載吃水時(shí)實(shí)際達(dá)到的分艙指數(shù)。

每個(gè)吃水下的計(jì)算指數(shù)均為所考慮的全部破損情況所起作用的總和，所用公式如下：

A=ΣPiSi

式中：i為所考察的每一破損組合；Pi為所考慮的每一組合破損的浸水概率，不考慮任何水平分隔，因數(shù)P只與縱向限界線的位置和橫向水密布置有關(guān)，與垂向破損高度無關(guān)；Si為所考慮的艙或艙組進(jìn)水后的生存概率，因數(shù)S與破損后的剩余穩(wěn)性相關(guān)。

SOLAS 2020在定義Sfinal的計(jì)算方法時(shí)，明確將涉及客滾船貨艙破損情況下的復(fù)原力臂GZ值由0.12 m提升到0.20 m，將正向復(fù)原力臂區(qū)間Rrang由16°提升至20°，提高了客滾船殘存能力。

1.3 SOLAS 2020對(duì)客滾船穩(wěn)性設(shè)計(jì)的影響

(1)SOLAS 2020相比于SOLAS 2009,對(duì)載客數(shù)在1 000人至3 400人區(qū)間內(nèi)的客船影響最大，分艙指數(shù)提高了約10%。

(2)SOLAS 2020對(duì)客滾船的甲板積水問題作了補(bǔ)充，提高了對(duì)客滾船殘存能力的要求，同時(shí)降低了貨艙破損情況下的生存因數(shù)S。

(3)干舷甲板下的底貨艙，因SOLAS 2020的生效，船東不得不放棄大的底貨艙，但為了利用好這些區(qū)域和滿足環(huán)保的要求，部分船東要求將原先的底貨艙用于存放天然氣罐，體積上仍很大。

(4)部分船東要求底部增設(shè)便于維修的長(zhǎng)管弄，造成橫貫進(jìn)水管弄連通面積受限。

(5)艉部超寬滾裝跳板的設(shè)計(jì)，限制了儲(chǔ)備浮箱的布置空間。

1.4 應(yīng)對(duì)方法

針對(duì)以上技術(shù)挑戰(zhàn)，新的客滾船設(shè)計(jì)需要大幅提升分艙指數(shù)A，總體思路是減少破損后的吃水和橫傾，也就是減少破損后的進(jìn)水量和不對(duì)稱進(jìn)水。

(1)適當(dāng)調(diào)整破損后進(jìn)水量較大的艙室布置，如機(jī)艙和類似底貨艙的艙室需重點(diǎn)考慮。客滾船為了滿足安全返港(Safe Return to Port，SRTP)，需要2個(gè)機(jī)艙互為備用。機(jī)艙的布置總體分為前后布置和左右布置，主要利弊見表2。建議優(yōu)先采用前后布置，機(jī)艙的布置應(yīng)相互交錯(cuò)，并盡量減小單一機(jī)艙破損后的橫傾角。

表2 機(jī)艙布置利弊對(duì)比

關(guān)于底貨艙，因SOLAS 2020的要求，載客數(shù)在1 000人至3 400人區(qū)間內(nèi)的客滾船，已無法再設(shè)有大的底部車輛艙，因?yàn)樾枰嗟臋M向水密分隔(減少進(jìn)水量)來達(dá)到要求的指數(shù)，這樣的情況下建議取消縱向水密分隔，以避免多艙組破損時(shí)橫貫進(jìn)水計(jì)算對(duì)A的影響。對(duì)于存放天然氣罐的處所，B/5艙壁仍要保留，長(zhǎng)度建議盡量減少，最大化利用空間去布置天然氣罐，減少該艙室破損后的進(jìn)水量。

對(duì)于不對(duì)稱布置且艙容較大的艙室，除橫傾艙外，其他油水等艙室應(yīng)盡量靠近船中心線布置，以減少不對(duì)稱進(jìn)水產(chǎn)生的橫傾角，同時(shí)在舷側(cè)小范圍破損時(shí)，還可以達(dá)到減少進(jìn)水量的目的。

(2)在干舷甲板上艏艉兩側(cè)增加浮箱[2]，這些浮箱會(huì)占用部分的車道，需要事先取得船東同意。浮箱也是非常有效的方法，通常布置在貨艙的4個(gè)角上。因?yàn)槿我黄茡p工況下，當(dāng)貨艙進(jìn)水時(shí)，水會(huì)集聚在其中一個(gè)角上，增加浮箱能減少貨艙甲板的積水并增加浮力。對(duì)于超寬艉門的設(shè)計(jì)，可最大化利用艉門兩側(cè)的空間來布置浮箱。

(3)優(yōu)化橫貫進(jìn)水，增大橫貫進(jìn)水聯(lián)通管，避免多個(gè)包括橫貫進(jìn)水裝置的艙組連續(xù)布置。對(duì)于初穩(wěn)性高較小的客船，如按海安會(huì)MSC.362(92)決議中要求的在計(jì)算壓頭時(shí)需假定單側(cè)瞬時(shí)進(jìn)水，此時(shí)船舶會(huì)直接傾覆。如果無法優(yōu)化，可將60 s時(shí)流過單個(gè)橫貫進(jìn)水裝置的流量直接定義到多艙組破損工況里，來替代海安會(huì)決議中計(jì)算壓頭的假定。此方法雖然計(jì)算量會(huì)增大，但避免了過度設(shè)計(jì)。

(4)如果經(jīng)過上面調(diào)整，仍與要求的指數(shù)有較大的差距，此時(shí)應(yīng)考慮減少空船重量，降低重心高度，提高初穩(wěn)性高，用于改裝破損后剩余穩(wěn)性，以提高生存因數(shù)。減重以優(yōu)化結(jié)構(gòu)和上層建筑部分重量為主[2]。

(5)增加干舷，或適當(dāng)增加船寬，但需考慮對(duì)快速性的影響。

(6)如計(jì)算指數(shù)和要求指數(shù)差異不多，可以考慮結(jié)合生存因數(shù)S和P(1-S)分布圖，快速找出對(duì)分艙指數(shù)A影響較大的區(qū)域，看有無優(yōu)化的可能。也可以將生存因數(shù)接近于0，且橫傾角小于3°，GZ大于0.1 m的所有破損工況列出來，查看導(dǎo)致Rrang降低的原因，并可通過調(diào)整假定開口的位置來獲取少量的指數(shù)貢獻(xiàn)[3]。

優(yōu)化SOLAS概率性破艙計(jì)算無法通過定量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來歸納總結(jié)，因?yàn)椴煌脑O(shè)計(jì)方案差異大，如主尺度、運(yùn)營(yíng)工況、載客人數(shù)、載重量等。實(shí)際設(shè)計(jì)工作中需要結(jié)合實(shí)際的計(jì)算結(jié)果和與要求的差值，來選擇最有效的修改方案。

2 斯德哥爾摩協(xié)議破艙穩(wěn)性要求及應(yīng)對(duì)方法

2.1 背景

對(duì)于客滾船，當(dāng)其封閉的滾裝甲板的積水向一側(cè)或一端集聚時(shí)會(huì)增大船舶的縱橫傾，考慮在舷側(cè)碰撞破損后因甲板積水(Water on Deck，WOD)對(duì)船舶的殘存穩(wěn)性的影響就是該協(xié)議的根本目的。

海安會(huì)153號(hào)通函曾確認(rèn)在所有有記錄的船舶海難事故中，99%都發(fā)生在等效浪高在4 m左右的海況下，因此這被公認(rèn)為最嚴(yán)重的船舶設(shè)計(jì)海況。而SOLAS的假定則是等同于在等效浪高在1.5 m左右的海況下幸存，相當(dāng)于只覆蓋了89%的碰撞事故。所以，提出等效浪高在1.5～4.0 m海況下船舶破艙穩(wěn)性需要有額外的指導(dǎo)要求來考慮甲板積水的影響。斯德哥爾摩協(xié)議在SOLAS 90基礎(chǔ)上增加了相關(guān)修訂。雖然SOLAS 2020在概率性指數(shù)計(jì)算中提升了客滾船貨艙破損后的剩余穩(wěn)性要求，但仍無法完全覆蓋斯德哥爾摩協(xié)議中涉及的所有的確定性破損情況。

2.2 甲板積水高度的計(jì)算

甲板積水高度計(jì)算原理見圖1。圖中：Hs為等效浪高，F(xiàn)r為船舶剩余干舷，Hw為甲板積水高度。等效浪高Hs應(yīng)依據(jù)運(yùn)營(yíng)區(qū)域的海況來定，1.5 m≤Hs≤4.0 m。

圖1 甲板積水高度計(jì)算示意圖[4]

甲板積水高度Hw計(jì)算方法如下：

注意剩余干舷的計(jì)算與破損縱向位置有關(guān)，需要在計(jì)算時(shí)明確定義破損的縱向范圍。

2.3 破損假定及分艙注意事項(xiàng)

斯德哥爾摩協(xié)議中規(guī)定的破損假定見表3。從表3可以看出，斯德哥爾摩協(xié)議的破損長(zhǎng)度較長(zhǎng)，分艙長(zhǎng)度應(yīng)大于該破損長(zhǎng)度，盡量避免3個(gè)艙組同時(shí)破損的情況。破損深度為B/5、進(jìn)水量大的艙組需要增加B/5艙壁來減小進(jìn)水量。垂向范圍沒有限定，需要注意因?yàn)樗椒指裘鎸?dǎo)致的不稱進(jìn)水，特別是機(jī)艙及其相鄰區(qū)域。

表3 斯德哥爾摩協(xié)議中規(guī)定的破損假定

2.4 對(duì)客滾船破艙穩(wěn)性設(shè)計(jì)的影響及應(yīng)對(duì)方法

從斯德哥爾摩協(xié)議的假定和要求看，減少甲板積水是滿足SA的關(guān)鍵，需要保證足夠的剩余干舷。而考慮到對(duì)重心高度的影響，通?？蜐L船干舷甲板高度只是為了滿足主機(jī)吊高或底貨艙凈高，余量非常有限，因此在分艙布置時(shí)需要嚴(yán)格控制好破損后進(jìn)水量并盡量減少不對(duì)稱進(jìn)水，以及減小破損后的船舶縱傾和橫傾。其應(yīng)對(duì)方法如下：

(1)減少進(jìn)水量，分艙長(zhǎng)度應(yīng)避免出現(xiàn)3個(gè)艙組同時(shí)破損的情況。

(2)減少船舶運(yùn)營(yíng)時(shí)的艉傾。考慮到客滾船艉部排水量小，又受限于艉門的設(shè)計(jì)無法在干舷甲板增加太多的儲(chǔ)備浮箱，減少艉傾可以增加艉部干舷。

(3)減少不對(duì)稱進(jìn)水是關(guān)鍵。B/5外部的艙室盡量左右對(duì)稱并聯(lián)通，其他不能聯(lián)通的艙室要限制艙容，具體限額視實(shí)際項(xiàng)目而定。例如：橫傾水艙艙容較大時(shí)可考慮增加一對(duì)，單獨(dú)的艙室間隔布置，盡量避免同一破損長(zhǎng)度內(nèi)計(jì)入多個(gè)不對(duì)稱艙室。

(4)重點(diǎn)考慮因重力泄放、溢流、空氣、通風(fēng)管帶來的二次累積進(jìn)水，管路布置需和輪機(jī)專業(yè)人員充分溝通并落實(shí)到設(shè)計(jì)中，以免存在理解偏差導(dǎo)致返工。要充分利用好最深破損平衡水線包絡(luò)面在舯中心線位置的低點(diǎn)，將部分空氣和通風(fēng)管布置在包絡(luò)面之上，以避免因管道破損導(dǎo)致艙室進(jìn)水。

(5)B/5艙壁的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量布置在B/5之內(nèi)，包括凹入的水密門、消防栓箱和需求保護(hù)的管路。SA中明文規(guī)定了B/5線之外計(jì)入破損；如果有局部艙壁凸入B/5外，需要掛旗國(guó)當(dāng)局的認(rèn)可，如無法避免，則需在早期提交掛旗國(guó)當(dāng)局認(rèn)可。

(6)結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目，因客滾船艉部排水量較小，當(dāng)艉部機(jī)艙破損時(shí)，勢(shì)必會(huì)造成艉傾，這時(shí)即便是少量不對(duì)稱進(jìn)水，橫傾和艉傾疊加也會(huì)造成比較糟糕的情況。對(duì)于前后布置的機(jī)艙，因設(shè)備本身對(duì)空間的需求，單個(gè)機(jī)艙很難做到船舶左右兩側(cè)進(jìn)水量平衡，這時(shí)可以考慮在艉部增加儲(chǔ)備浮箱。

(7)如果上述的方法仍不能解決問題，則需要考慮采取減重、降低重心、提高干舷等措施。

3 結(jié)論

綜上所述，提高客滾船穩(wěn)性有2個(gè)重要思路：一是“補(bǔ)”穩(wěn)性，可通過優(yōu)化分艙布置，核心在于減少艙室的進(jìn)水量及不對(duì)稱布置，以及減少二次累積進(jìn)水；二是“加”穩(wěn)性，可通過減重以提高干舷、降重心以提升初穩(wěn)性高、增大船寬以提升橫穩(wěn)性高。 結(jié)合客滾船破艙穩(wěn)性的特點(diǎn)其應(yīng)對(duì)方法總結(jié)如下：

(1)客滾船有貫通全船的貨艙甲板，裝卸效率高，但破損后甲板上浪積水容易向一側(cè)積聚，導(dǎo)致橫傾甚至傾覆。應(yīng)對(duì)方案：設(shè)計(jì)時(shí)需盡量減小大進(jìn)水量破損工況時(shí)的不對(duì)稱進(jìn)水，可增大剩余干舷，從而減少甲板上浪積水；當(dāng)上浪積水無法減少時(shí)，可在貨艙4個(gè)角落處設(shè)置儲(chǔ)備浮力艙室，以減少上浪積水產(chǎn)生的橫傾和縱傾力矩。

(2)SOLAS 2020對(duì)客滾船的分艙指數(shù)A的要求大幅提高。應(yīng)對(duì)方案：設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少各艙室的進(jìn)水量及其產(chǎn)生的不對(duì)稱進(jìn)水力矩。

(3)客滾船受風(fēng)面積大，重心高。應(yīng)對(duì)方案：設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理減小甲板層高，上建部分采用輕質(zhì)材料，以降低船舶重心或提升干舷；可適當(dāng)增加舭龍骨和艉鰭的面積以平衡受風(fēng)面積。