賈旭東 李志雨 張楚銀

摘要：勘探船舶在營運(yùn)過程中由于油水消耗、固定裝載變動(dòng)以及結(jié)冰等情況導(dǎo)致船舶吃水和傾角發(fā)生變化，而這些變化會(huì)對(duì)船舶安全性、操縱性和經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生不利的影響。該文在深入分析這些不利影響的基礎(chǔ)上，提出一種充分利用勘探船現(xiàn)有裝置并加裝一個(gè)中央控制單元形成一套適合勘探船舶使用的吃水及姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)，對(duì)船舶進(jìn)行壓載水的壓、排，燃油艙及淡水艙的動(dòng)態(tài)調(diào)配，保證船舶姿態(tài)及吃水保持在適合的狀態(tài)，從而保證船舶運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：勘探船舶 ?吃水 ?姿態(tài) ?調(diào)整系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U663文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A???文章編號(hào)：1672-3791（2021）05（b）-0000-00

作者簡介：賈旭東（1972—），男，學(xué)歷，工程師，研究方向?yàn)榇把b備管理。

船舶吃水和姿態(tài)對(duì)船舶的操控性、安全性、經(jīng)濟(jì)性及舒適性影響重大。良好的船舶吃水狀態(tài)和船舶姿態(tài)能夠有效提高船舶操控性能、降低運(yùn)營能耗、提高船舶運(yùn)營經(jīng)濟(jì)效益。

勘探船舶作為海上勘探作業(yè)的工作平臺(tái)，其高效節(jié)能的運(yùn)行，對(duì)于降低勘探成本、保護(hù)海洋環(huán)境，意義重大。

1 ?勘探船舶營運(yùn)特點(diǎn)

勘探船舶是指從事海洋工程物探與測(cè)繪、工程地質(zhì)取樣（芯）與原位測(cè)試的專業(yè)船舶，包括工程物探、工程地質(zhì)鉆探船和綜合勘察船。

勘探船舶的特點(diǎn)有：（1）船舶上專業(yè)設(shè)備較多，船體結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，其壓載水艙、燃油艙和生活淡水艙較多且分布較廣;（2）船舶重心較高，初穩(wěn)性高余量相對(duì)較小;（3）勘探船舶的載重主要是可變甲板載荷（專業(yè)設(shè)備）、燃油、淡水及生活物資等;（4）海上勘探作業(yè)時(shí)，其船舶載重的變化較為規(guī)律。

2 船舶吃水及姿態(tài)對(duì)勘探船舶性能的影響

2.1對(duì)操控性的影響

2.1.1 船舶吃水對(duì)操控性的影響

船舶吃水增加時(shí)，舵力的旋回阻距增加，船舵的轉(zhuǎn)船力矩降低，通過重心豎軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增加，致使初始旋回減慢，船舶縱距、橫距及旋回初徑均增加;船舶吃水過淺，會(huì)使舵力降低，致使船舵的轉(zhuǎn)船力矩減小，船舶的旋回性能降低，旋回初徑增加;同時(shí)，過淺的吃水，會(huì)使船舶浮心降低，船舶穩(wěn)性變差，影響船舶舒適度及船舶安全。

2.1.2 船舶姿態(tài)對(duì)操控性的影響

（1）船舶橫傾：船舶在起航和低速航行時(shí)，因船舶兩側(cè)浸水面積不等，受到水的摩擦阻力不同，浸水面積大的一側(cè)（即船舷低的一側(cè)）水阻力大，在阻力-推力轉(zhuǎn)矩的作用下，船舶向低舷側(cè)轉(zhuǎn)回。

船舶高速航行時(shí)，因低舷側(cè)吃水較高，形成的船艏興波大于高舷側(cè)，兩舷壓力差指向高舷側(cè)，此時(shí)，首波峰壓力轉(zhuǎn)矩起主要作用，船艏會(huì)向高舷側(cè)偏移。

（2）船舶縱傾：一般當(dāng)船舶艏傾時(shí)，船舶的旋回初徑減小;船舶艉傾時(shí)，船舶旋回初徑增大。

2.2 對(duì)安全性的影響

船舶吃水及姿態(tài)對(duì)船舶安全性影響主要體現(xiàn)在對(duì)船舶穩(wěn)性方面。另外，船舶操控性能的優(yōu)劣，直接影響船舶航行安全。特別是在惡劣天氣、復(fù)雜海域航行及避碰時(shí)尤為重要。

船舶在營運(yùn)過程中油水的消耗導(dǎo)致船舶吃水減小，且重心通常升高，導(dǎo)致船舶受風(fēng)面積增加，初穩(wěn)性高降低，穩(wěn)性性能變差。當(dāng)船舶產(chǎn)生較大初始橫傾角時(shí)，船舶的穩(wěn)性力臂曲線下面積減少，船舶靜穩(wěn)性和動(dòng)穩(wěn)性性能變差。

2.3 對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響

船舶的經(jīng)濟(jì)性主要體現(xiàn)在燃油消耗量上。船舶的燃油大部分是用來克服船舶阻力，推動(dòng)船舶航行所消耗掉的。

2.3.1 ?吃水對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響

船舶阻力由摩擦阻力、粘壓阻力和行波阻力組成，低速船（傅汝德數(shù)r<0.18），船舶的阻力主要是摩擦阻力，占70%～80%，粘壓阻力占10%以上，而興波阻力很小。而高速船（傅汝德數(shù)r>0.3）， 興波阻力所占比重明顯提高，占40%～50%，摩擦阻力占到50%，而粘壓阻力所占的比例為5%。民用船大部分屬于中、低速船舶。

根據(jù)傅汝德數(shù)的計(jì)算公式：

中海油服某型二維勘探船，其最高船速為15節(jié);船長為84.6 m，其傅汝德數(shù)為：

是一艘低速的船舶，其船舶阻力主要來自于摩擦阻力。

船舶的摩擦阻力主要取決于船體的浸水面積，即船舶吃水。吃水過深，船舶摩擦阻力增大，導(dǎo)致船舶油耗增加，船舶運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性降低。

2.3.2 ?縱橫傾對(duì)船舶經(jīng)濟(jì)性的影響

船舶縱橫傾時(shí)導(dǎo)致船舶能耗損失的情況主要包含兩個(gè)方面：一是船舶縱橫傾會(huì)在一定程度上增加船舶的航行阻力，導(dǎo)致所需要的推進(jìn)功率增加;二是船舶縱橫傾會(huì)影響船舶的操縱性和舵效，增加航行過程中人為操縱干預(yù)，從而增加船舶能耗消耗。

海軍大連艦艇學(xué)院吳明等采用數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)的手段對(duì)船舶幾種浮態(tài)下的阻力規(guī)律進(jìn)行了研究，表明船舶在不同程度的艏傾、艉傾和橫傾下，船舶阻力均有一定程度的增加，且傾角越大，阻力增加越大，在高航速下更加明顯。

船舶艏傾時(shí)，船艉舵和推進(jìn)器入水過淺，舵效降低，船艏受阻力增加， 操縱性能差，增加船舶能耗。

船舶平吃水時(shí)，空載船舶整體吃水小，船舵和推進(jìn)器入水淺，致使船身受風(fēng)面積增大，船舶航行阻力增加，船舶操縱性和快速性差，增加船舶能耗。

船舶艉傾時(shí)，船艉吃水較大，船艏上翹，受風(fēng)面積增大，尤其在船舶受橫風(fēng)時(shí)，船艏受風(fēng)影響較大，船舶的舵效減弱，船舶操縱性變差，且過大時(shí)會(huì)增加船艏盲區(qū)，影響船舶安全。

3 勘探船舶吃水及姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)

3.1 設(shè)計(jì)思路

勘探船舶的姿態(tài)及吃水的改變主要是因燃油的駁運(yùn)、消耗、淡水的使用所引起，如在冰區(qū)航行時(shí)不對(duì)稱結(jié)冰也會(huì)對(duì)船舶姿態(tài)產(chǎn)生較大的影響。通常，調(diào)整船舶姿態(tài)及吃水的是通過人工對(duì)壓載艙進(jìn)行壓載來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)壓載艙壓滿后（此時(shí)船舶吃水只能慢慢減少），則采用調(diào)換使用不同區(qū)域的油艙、淡水艙;或進(jìn)行不同油、水艙間的調(diào)撥來實(shí)現(xiàn)船舶的姿態(tài)調(diào)整。但是受操船人員的意識(shí)及工作態(tài)度的影響，船舶吃水及姿態(tài)沒有特別明顯的偏差時(shí)，往往操作人員不會(huì)主動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。這樣無形中會(huì)增加船舶能耗，進(jìn)而增加海上勘探成本。

國內(nèi)近幾年新建造的勘探船舶油水艙均安裝有液位遙測(cè)裝置，相應(yīng)的管路上安裝有閥門遙控裝置，可以實(shí)現(xiàn)液位的遠(yuǎn)程時(shí)事監(jiān)測(cè)，液艙使用及轉(zhuǎn)換可以通過閥門遙控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控操作，非常便捷。為了方便檢查船舶吃水狀況，在船舶左右舷側(cè)及艏艉部均安裝有吃水測(cè)量裝置。

結(jié)合上述兩方面綜合考慮，勘探船舶上可在充分利用現(xiàn)有裝置、不增加太大投入的前提下進(jìn)行集成優(yōu)化，通過加裝一個(gè)中央控制單元便可形成一套適合勘探船舶使用的吃水及姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)。該裝置可根據(jù)船舶艏、艉及舷側(cè)安裝的吃水測(cè)量裝置感知船舶吃水及船舶姿態(tài)，據(jù)此并按照內(nèi)置的算法對(duì)船舶進(jìn)行壓載水的壓、排操作，燃油艙及淡水艙的調(diào)配使用，保證船舶姿態(tài)及吃水保持在適合的狀態(tài)，從而保證船舶運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)性，降低生產(chǎn)成本。

3.2 吃水及姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的組成

圖1為吃水及姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)組成。

其具體內(nèi)容如下：（1）中央處理裝置：包括控制、顯示、報(bào)警等單元，用于控制、監(jiān)測(cè)和顯示系統(tǒng)的運(yùn)行;（2）船舶吃水檢測(cè)裝置：用于檢測(cè)船舶吃水狀態(tài);（3）壓載水系統(tǒng)：設(shè)置有回流或旁通管路，管路上安裝有可控制開度的遙控閥門;用于向壓載艙壓、排壓載水;（4）燃油駁運(yùn)系統(tǒng)：設(shè)置有回流或旁通管路，管路上安裝有可控制開度的遙控閥門;用于不同燃油油艙間的燃油駁運(yùn);（5）閥門遙控系統(tǒng)：用于控制各液艙注入、排出。旁通管路開啟和閉合用于控制液艙的轉(zhuǎn)換及控制壓載水、燃油和淡水打入和排出的速度;（6）液位遙測(cè)系統(tǒng)：用于檢測(cè)各液艙的實(shí)際裝載情況;（7）船舶姿態(tài)檢測(cè)裝置：用于檢測(cè)船舶姿態(tài)，即船舶橫傾和縱傾狀況，可使用姿態(tài)傳感器和傾角傳感器。

3.3 工作原理及工作過程

3.3.1 工作原理

中央處理裝置內(nèi)的存儲(chǔ)單元內(nèi)存入正常運(yùn)營中較為經(jīng)濟(jì)的吃水和姿態(tài)的數(shù)值，其是在保證船舶穩(wěn)性、舒適性及作業(yè)安全的前提下得到的一個(gè)吃水范圍值，是在船舶設(shè)計(jì)時(shí)規(guī)定/設(shè)定的。

橫傾設(shè)定值為：?±1°進(jìn)行油水艙轉(zhuǎn)換使用;±1.5°系統(tǒng)進(jìn)行壓載或油水調(diào)駁操作。

縱傾設(shè)定值為：等于30或50cm時(shí)，進(jìn)行油水艙轉(zhuǎn)換使用;小于25或大于55cm時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行壓載或油水調(diào)駁操作。

根據(jù)各液體艙的容積和容積形心隨液面高度變化的計(jì)算表（或艙容要素曲線圖），包括液面不同高度時(shí)的體積及其形心坐標(biāo)、及邊艙的。將該艙容形心計(jì)算表中的不同艙容對(duì)應(yīng)的形心距離縱軸距離和距離橫軸距離提取出來，單獨(dú)形成一形心力臂表，并將此表存儲(chǔ)在中央處理裝置的存儲(chǔ)單元內(nèi)。

船舶每次補(bǔ)給完成后，在船舶姿態(tài)正常時(shí)，中央處理裝置會(huì)根據(jù)液艙的液位、密度及形心力臂表計(jì)算出船舶中縱線左、右液艙對(duì)船舶中縱線的力矩，以及船中前、后液艙對(duì)船中的力矩，即：

隨著油水消耗，船舶姿態(tài)出現(xiàn)超過或等于設(shè)定值的偏差時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)液艙的液位變化，計(jì)算出此時(shí)液艙的力矩差值與正常姿態(tài)時(shí)的力矩差值的變化量。結(jié)合各艙的液位、密度及形心力臂表計(jì)算，系統(tǒng)會(huì)按照3.3.2節(jié)中所述的調(diào)整邏輯規(guī)劃出最佳的調(diào)整方案并據(jù)此方案進(jìn)行調(diào)整。系統(tǒng)會(huì)依據(jù)調(diào)整方案所涉及的水泵、油泵排量，計(jì)算出調(diào)整所需的時(shí)間并顯示在顯示單元上。船舶姿態(tài)傳感器和船舶吃水傳感器會(huì)實(shí)時(shí)將測(cè)量數(shù)據(jù)反饋給中央處理裝置，控制系統(tǒng)的啟停。

勘探船舶的壓載水系統(tǒng)和燃油駁運(yùn)系統(tǒng)、船舶吃水檢測(cè)裝置、各液艙的液位遙測(cè)裝置、閥控系統(tǒng)和船舶姿態(tài)傳感器電連接到中央處理裝置上，使其集成為一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過壓載艙的壓載和排出并輔以船舶油水液艙合理的調(diào)配使用，從而實(shí)現(xiàn)船舶吃水和船舶姿態(tài)的調(diào)整，保證船舶具有良好的船舶吃水及船舶姿態(tài)，是船舶具有良好操控性、舒適性的前提下，有效降低船舶能耗，節(jié)約勘探成本。

4 結(jié)語

隨著科技的進(jìn)步，船舶信息化、智能化水平大幅度提高是大勢(shì)所趨，精細(xì)化管理要求我們要著眼于船舶的各個(gè)環(huán)節(jié)，找到能夠降本增效、節(jié)能環(huán)保的好舉措、好方法。

勘探船舶吃水及姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)考慮到勘探船舶現(xiàn)狀，在不增加太大投入的前提下上，對(duì)船舶現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行了有機(jī)的整合，實(shí)現(xiàn)了船舶吃水及姿態(tài)的自動(dòng)控制和調(diào)整，有效地提高了船舶運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，燃油消耗量的降低對(duì)于海洋環(huán)境的保護(hù)也有重大意義。

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