劉 震 何進(jìn)輝，2 封培元 張海彬 周耀華

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海市船舶工程重點(diǎn)實(shí)驗室 上海200011；2. 上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院 海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗室 上海200240；3.中國船級社 上海規(guī)范研究所 上海200135）

0 引 言

目前，國際海事組織（IMO）正在制定第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)，主要涉及癱船穩(wěn)性、純穩(wěn)性喪失、參數(shù)橫搖、騎浪/橫甩和過度加速度等5種穩(wěn)性失效模式，采用3層評估方法，即第1層薄弱性衡準(zhǔn)、第2層薄弱性衡準(zhǔn)和直接穩(wěn)性評估。首先根據(jù)穩(wěn)性評價里的第1層衡準(zhǔn)進(jìn)行判定；然后對不符合要求的船舶，采用第2層衡準(zhǔn)進(jìn)行判定；如果船舶依然不滿足第2層衡準(zhǔn)，則認(rèn)為該船不滿足薄弱性衡準(zhǔn)的要求，需要進(jìn)一步開展穩(wěn)性直接評估，即第3層衡準(zhǔn)的判定；如果3層衡準(zhǔn)評估都無法通過，必須對船型重新設(shè)計或制定航行操船指南，以避免發(fā)生穩(wěn)性失效［1］。

鉆井船是深海油氣資源勘探開發(fā)的重要裝備之一。鉆井船中部一般具有貫通船體底板至主甲板的垂直開孔結(jié)構(gòu)，其可能會對鉆井船的穩(wěn)性產(chǎn)生不利影響［2］，此外，鉆井船在航行及作業(yè)狀態(tài)時可能會遭遇參數(shù)橫搖、過度加速度等失穩(wěn)模式的影響。因此開展鉆井船參數(shù)橫搖和過度加速度薄弱性衡準(zhǔn)實(shí)船驗證分析具有重要意義。

自二代穩(wěn)性衡準(zhǔn)提出以來，國內(nèi)外已有較多實(shí)船驗證分析研究。魯江和魏碩［3］針對3艘海上救助船開展參數(shù)橫搖和純穩(wěn)性喪失的薄弱性衡準(zhǔn)驗證分析。胡麗芬等［4］針對油船開展純穩(wěn)性喪失和參數(shù)橫搖薄弱性衡準(zhǔn)驗證分析，發(fā)現(xiàn)1艘油船在不同的壓載狀態(tài)時出現(xiàn)純穩(wěn)性喪失第1層和第2層薄弱性衡準(zhǔn)不一致的情況。胡麗芬等［5］開展?jié)O政船純穩(wěn)性喪失和癱船穩(wěn)性的薄弱性衡準(zhǔn)的驗證分析。周耀華等［6］針對38條實(shí)船開展純穩(wěn)性喪失衡準(zhǔn)的實(shí)船驗證分析。戶艷宏和周耀華［7］針對1艘萬箱集裝箱船，對其大量工況開展4種穩(wěn)性失效模式的計算分析。鄭雙艷等［8］開展第1層薄弱性衡準(zhǔn)在液化氣船上的實(shí)船驗證分析。封培元等［9-10］針對圍網(wǎng)漁船開展騎浪/橫甩薄弱性衡準(zhǔn)的實(shí)船驗證分析，并研究船型參數(shù)對騎浪/橫甩薄弱性衡準(zhǔn)的影響。

綜上所述，目前針對鉆井船及其月池影響的第二代穩(wěn)性實(shí)船驗證分析工作還未見報道。本文考慮適用于鉆井船尺度及航速特點(diǎn)的第二代穩(wěn)性薄弱性衡準(zhǔn)（參數(shù)橫搖和過度加速度），針對1艘鉆井船，為了分析月池形式及尺寸變化對鉆井船第二代穩(wěn)性中參數(shù)橫搖和過度加速度薄弱性衡準(zhǔn)評估的影響，考慮3種開孔形狀、不同尺寸的月池形式，驗證分析其是否滿足正在制定的第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)。

1 參數(shù)橫搖薄弱性衡準(zhǔn)

船舶參數(shù)橫搖是在縱向波浪中由于復(fù)原力周期性變化引起的伴隨著顯著垂蕩和縱搖運(yùn)動的非線性橫搖現(xiàn)象。參數(shù)橫搖一般在滿足以下4個條件時容易發(fā)生，即波長船長相當(dāng)、遭遇周期約為橫搖固有周期一半、波高超過一定值以及橫搖阻尼較小。

1.1 第1層薄弱性衡準(zhǔn)

第1層薄弱性衡準(zhǔn)采用經(jīng)驗公式判斷船舶在等效規(guī)則波［11］中初穩(wěn)性高的變化幅度來確定船舶參數(shù)橫搖的敏感性。如果船舶滿足式（1）和式（2），則認(rèn)為該船不易發(fā)生參數(shù)橫搖，可以通過參數(shù)橫搖第1層薄弱性衡準(zhǔn)。

式中：δGM1為波浪中穩(wěn)性高變化的幅值，計算參見文獻(xiàn)［11］；GM為靜水中初穩(wěn)性高；RРR為衡準(zhǔn)值，對于具有尖舭的船舶，RРR=1.87；其他類型船舶按式（3）確定。

式中：AK為舭龍骨位置面積，m2；L為水線長，m；B為型寬，m；Cm為中剖面系數(shù)；不應(yīng)超過4；D為型深，m；為零縱傾處D的水線處排水體積，m3；為所考慮裝載工況對應(yīng)的排水體積，m3；d為靜水中所考慮裝載工況對應(yīng)的船舯吃水，m；AW為吃水等于d處的水線面面積，m2。

1.2 第2層薄弱性衡準(zhǔn)

如果船舶無法通過第1層薄弱性衡準(zhǔn)，則需要開展第2次薄弱性衡準(zhǔn)判定。根據(jù)IMO的提案，首 先 判 斷 如 果 滿 足C1≤RРR1或 滿 足C2≤RРR2，則認(rèn)為該船通過第2層薄弱性衡準(zhǔn)的判定。其中RРR1= 0.06，RРR2= 0.025，C1可以通過式（4）求解：

式中：Wi為波浪加權(quán)因數(shù)，由相應(yīng)的波浪表［1］確定；如果滿足式（5），則Ci=0，否則Ci=1。

C2是對一系列不同工況下的 取權(quán)重平均，C2可以通過式（6）求解。

對于每一具體速度和航向角下的 可利用如下公式求解。

具體求解過程參見參考文獻(xiàn)［11］。

2 過度加速度薄弱性衡準(zhǔn)

船舶過度加速度是由于橫搖等運(yùn)動導(dǎo)致橫向加速度過大的現(xiàn)象，可能會導(dǎo)致貨物設(shè)備損壞和人員傷害。通常較大的初穩(wěn)性高對穩(wěn)性有利，但過大的初穩(wěn)性高使得船舶橫搖固有周期較小，橫搖可能變得劇烈，進(jìn)而導(dǎo)致加速度過大現(xiàn)象。第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)采用過度加速度作為一種穩(wěn)性失效模式，可以對船舶的初穩(wěn)性高進(jìn)行約束，從而使船舶的初穩(wěn)性高處于合理范圍。

2.1 第1層薄弱性衡準(zhǔn)

第1層薄弱性衡準(zhǔn)利用簡單的經(jīng)驗公式，以船舶固有周期時的諧搖估算最大加速度值。如果滿足式（8），則認(rèn)為以通過過度加速度第1層薄弱性衡準(zhǔn)。

式中：φ為橫搖幅值；kL為考慮垂向加速度和首搖影響的無因次系數(shù)；hr為橫搖軸到駕駛甲板的高度；Tr為靜水中線性自然橫搖周期；REA1為第1層衡準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)值，4.64 m/s2。

2.2 第2層薄弱性衡準(zhǔn)

對于過度加速度第2層薄弱性衡準(zhǔn)，目前形成的統(tǒng)一提案中認(rèn)為，若按式（9）計算得到的系數(shù)C不超過0.000 39，則判斷該船不易發(fā)生過度加速度。

式中：wi為不同波浪條件下的權(quán)系數(shù)；R2= 9.81 m/s2；σLAi是根據(jù)式（10）確定的零速度且橫浪航行時的橫向加速的標(biāo)準(zhǔn)偏差，m/s2。

式中：ω為波浪圓頻率，積分的上下限分別為：ω1= 0.5 /Tr和ω2= 25.0 /Tr；Sζ為 波 浪 的 頻 率 譜；

為橫向加速度，可利用式（11）求解。

式中：ωe為橫搖固有頻率，rad/s；φa為橫搖幅值，計算時僅考慮F-K力的作用。

3 鉆井船薄弱性衡準(zhǔn)驗證分析

3.1 樣船參數(shù)

采用1艘鉆井船，考慮3種開孔形狀下不同尺寸的月池形式，驗證分析其是否滿足正在制定的第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)，并分析月池對鉆井船薄弱性衡準(zhǔn)的影響。鉆井船主尺度參數(shù)如表1所示。圖1給出鉆井船的橫剖面圖。圖2給出不同形狀（基準(zhǔn)尺寸）月池形式示意圖，分別為基準(zhǔn)尺寸連體雙月池（A1）、基準(zhǔn)尺寸分體雙月池（B1）以及基準(zhǔn)尺寸矩形單月池（D1）。

表1 鉆井船主尺度參數(shù)

圖1 鉆井船橫剖面圖

圖2 不同形狀（基準(zhǔn)尺寸）月池形式示意圖

表2 列出排水量恒定的條件下無月池和不同月池對應(yīng)的鉆井船吃水情況。由該表可見，基準(zhǔn)尺寸（A1）連體雙月池對應(yīng)的吃水為9.2 m。當(dāng)月池（A2）邊長增大到1.3倍A1月池邊長時，鉆井船吃水增加到9.36 m。當(dāng)月池（A3）邊長減小到0.7倍A1月池邊長時，鉆井船吃水減少到8.995 m。在保證排水量相同的前提下，月池開孔尺寸越大，船體吃水越大。分體雙月池和單體矩形月池邊長增加與減小后的吃水情況與連體雙月池相似。

表2 不同月池對應(yīng)的鉆井船吃水

3.2 參數(shù)橫搖薄弱性衡準(zhǔn)計算結(jié)果

下頁表3給出無月池和不同月池形式及尺寸鉆井船參數(shù)橫搖薄弱性衡準(zhǔn)計算結(jié)果。由該表可見，參數(shù)橫搖第1層薄弱性衡準(zhǔn)評估需要計算兩個衡準(zhǔn)參數(shù)，第1個均小于標(biāo)準(zhǔn)值，但第2個存在不滿足衡準(zhǔn)要求的情況。由于A1和A2尺寸的連體雙月池鉆井船沒有通過第1層薄弱性衡準(zhǔn)的評估，進(jìn)一步進(jìn)行第2層薄弱性衡準(zhǔn)評估，相應(yīng)衡準(zhǔn)數(shù)均小于衡準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)值，滿足衡準(zhǔn)要求。B1-B3尺寸的分體雙月池鉆井船均沒有通過第1層薄弱性衡準(zhǔn)的評估，進(jìn)一步計算結(jié)果表明3種尺寸的分體雙月池鉆井船通過了第2層薄弱性衡準(zhǔn)評估。D1-D3尺寸的矩形單月池鉆井船同時通過了第1層和第2層薄弱性衡準(zhǔn)評估。綜上可見，參數(shù)橫搖第1層薄弱性衡準(zhǔn)較為保守。

表3 不同月池形式及尺寸鉆井船參數(shù)橫搖薄弱性衡準(zhǔn)計算結(jié)果

圖3 和圖4分別給出不同形狀及尺寸月池鉆井船對其參數(shù)橫搖薄弱性衡準(zhǔn)Level 1和Level 2衡準(zhǔn)參數(shù)的影響。

圖3 不同形狀及尺寸月池鉆井船對其參數(shù)橫搖薄弱性衡準(zhǔn)Level 1衡準(zhǔn)參數(shù)的影響

圖4 不同形狀及尺寸月池鉆井船對其參數(shù)橫搖薄弱性衡準(zhǔn)Level 2衡準(zhǔn)參數(shù)的影響

由圖3可見，3種月池形式鉆井船的參數(shù)橫搖Level 1衡準(zhǔn)數(shù)δGM1/GM隨月池尺寸的 增 大 而 減小。這是由于在第1層薄弱性衡準(zhǔn)評估中，月池開孔尺寸越大，波浪中GM變化幅值δGM1越小，靜水中GM越大，從而導(dǎo)致開孔尺寸越大，衡準(zhǔn)值δGM1/GM越小。連體雙月池和分體雙月池鉆井船參數(shù)橫搖Level 2衡準(zhǔn)數(shù)隨月池尺寸的增大而減??；相比基準(zhǔn)尺寸，較大尺寸和較小尺寸的矩形月池鉆井船參數(shù)橫搖Level 2衡準(zhǔn)數(shù)都會變小。由圖4可見，3種月池形式鉆井船的參數(shù)橫搖Level 2衡準(zhǔn)數(shù)之一C2具有隨月池尺寸增大而減小的趨勢。

3.3 過度加速度薄弱性衡準(zhǔn)計算結(jié)果

表4 列出無月池和不同月池形式及尺寸鉆井船過度加速度薄弱性衡準(zhǔn)計算結(jié)果。可以看到，不同形式和尺寸的鉆井船過度加速度薄弱性衡準(zhǔn)Level 1和Level 2的衡準(zhǔn)值均小于其標(biāo)準(zhǔn)值（4.64和0.000 39），同時通過了過度加速度第1層和第2層薄弱性衡準(zhǔn)評估。

表4 不同月池形式及尺寸鉆井船過度加速度薄弱性衡準(zhǔn)計算結(jié)果

圖5 和圖6給出不同形狀及尺寸月池鉆井船對其過度加速度薄弱性衡準(zhǔn)Level 1和Level 2衡準(zhǔn)參數(shù)的影響?？梢钥吹剑琇evel 1和Level 2衡準(zhǔn)參數(shù)均隨月池尺寸的增大而增大。

圖5 不同形狀及尺寸月池鉆井船對其過度加速度薄弱性衡準(zhǔn)Level 1衡準(zhǔn)參數(shù)的影響

圖6 不同形狀及尺寸月池鉆井船對其過度加速度薄弱性衡準(zhǔn)Level 2衡準(zhǔn)參數(shù)的影響

4 結(jié) 論

本文針對1艘鉆井船，在排水量恒定的條件下，考慮3種開孔形狀、不同尺寸的月池形式，驗證分析其是否滿足正在制定的第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)。獲得以下結(jié)論：

（1）文中考慮的月池形狀及尺寸的鉆井船均滿足第二代穩(wěn)性中參數(shù)橫搖和過度加速度薄弱性衡準(zhǔn)。

（2）3種月池形式鉆井船的參數(shù)橫搖Level 1衡準(zhǔn)數(shù)δGM1/GM隨月池尺寸的增大而減小。連體雙月池和分體雙月池鉆井船參數(shù)橫搖Level 2衡準(zhǔn)數(shù)隨月池尺寸的增大而減小。相比基準(zhǔn)尺寸，較大和較小尺寸的矩形月池鉆井船參數(shù)橫搖Level 2衡準(zhǔn)數(shù)都會變小。3種月池形式鉆井船的參數(shù)橫搖Level 2衡準(zhǔn)數(shù)之一C2具有隨月池尺寸增大而減小的趨勢。

（3）鉆井船過度加速度薄弱性衡準(zhǔn)Level 1和Level 2衡準(zhǔn)參數(shù)均隨月池尺寸增大而增大。

本文尚未考慮月池中流體運(yùn)動導(dǎo)致的阻尼效應(yīng)，相關(guān)影響將在后續(xù)研究中予以考慮。