孫家鵬,張敏健

(上海船舶研究設(shè)計(jì)院,上海 201203)

在研發(fā)下一代臺(tái)灣海峽航線客滾船的過(guò)程中，出于海外市場(chǎng)的考慮，船東提出新船需兼顧歐洲客滾船的穩(wěn)性衡準(zhǔn)要求，近年來(lái)也有國(guó)內(nèi)渤海灣的船東提出了相同的需求。渤海灣集中了國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)的大中型客滾船，近年來(lái)更新?lián)Q代速度非?？?，之前的二手船由于不滿足歐洲的穩(wěn)性要求，只能以低廉的價(jià)格出售給東南亞國(guó)家。同時(shí)注意到近5年來(lái)歐洲大中型新造客滾船市場(chǎng)已經(jīng)轉(zhuǎn)移到中國(guó)，船舶的設(shè)計(jì)工作也逐步由歐洲轉(zhuǎn)向國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)公司或船廠，而目前歐洲客滾船特有的穩(wěn)性規(guī)范《斯德哥爾摩協(xié)議》(stockholm agreement，SA)在國(guó)內(nèi)尚沒有研究的報(bào)道，業(yè)內(nèi)同行對(duì)該規(guī)范比較陌生。因此，考慮對(duì)SA規(guī)范進(jìn)行解析，將研發(fā)的海峽客滾船作為算例，分析SA與最新生效的破艙穩(wěn)性國(guó)際規(guī)范SOLAS 2020之間的關(guān)系，總結(jié)SA對(duì)國(guó)內(nèi)客滾船的影響。

1 SA背景簡(jiǎn)介

客滾船Herald of Free Enterprise及Estonia于1987年及1994年于北歐發(fā)生了重大海難并導(dǎo)致了慘痛的人員傷亡。事后的調(diào)查表明，均是由于破損導(dǎo)致了位于水線以上的滾裝處所積累了大量的水，船舶橫傾時(shí)積水加劇了傾斜，從而導(dǎo)致船舶在短時(shí)間內(nèi)迅速傾覆。歐盟調(diào)研之后針對(duì)歐盟的客滾船提出了破損后應(yīng)考慮艙壁甲板積水的影響的穩(wěn)性要求，也就是所謂的《斯德哥爾摩協(xié)議》，該規(guī)范于2004年11月生效。

SA是基于確定性算法SOLAS 90的附加要求，至今已有30年。2009年1月1日生效的SOLAS 2009將客船和貨船的破艙穩(wěn)性統(tǒng)一為概率算法，然而有研究表明:SOLAS 2009并不能覆蓋SA；2020年1月1日生效的SOLAS 2020再次大幅提高了客船破艙穩(wěn)性的要求，提高了對(duì)滾裝甲板破損的穩(wěn)性要求，但目前各大主流船級(jí)社如DNV、LR仍舊要求目前歐洲地區(qū)的客滾船需同時(shí)滿足SOLAS 2020和SA的要求。

2 規(guī)范解析

SA是基于船舶破損后水線以上的滾裝甲板上積累了一定量的水，在考慮積水的影響下需滿足確定性破艙SOLAS 90的穩(wěn)性衡準(zhǔn)要求，包括剩余復(fù)原力臂曲線在平衡角以外應(yīng)有一個(gè)至少15°的正值范圍、復(fù)原力臂曲線下的面積應(yīng)至少為0.015 m·rad等衡準(zhǔn)，具體在SOLAS 2004第II-1章，B部分第8條2.3條中有詳細(xì)的描述。

2.1 滾裝甲板的積水量

基于以下假定通過(guò)2次線性插值獲得。

1)如果剩余干舷小于0.3 m且有義波高大于4 m，則積水高度為0.5 m。

2)如果剩余干舷大等于2 m且有義波高小于1.5 m，則積水高度為0 m。

舉例來(lái)說(shuō)，若=1.15 m，=3 m，則對(duì)于積水量的計(jì)算可以分為兩步：第1步假定=4 m，根據(jù)=0.3，=0.5以及=2，=0,通過(guò)線性插值得到當(dāng)=1.15 m時(shí)，=0.25 m；第2步根據(jù)=1.5 m,=0以及=4,=0.25，通過(guò)線性插值得到=3 m時(shí)，=0.15 m。即積水量為0.15 m。

上述的剩余干舷及積水高度見圖1，其中剩余干舷是指破損滾裝處所與最終水線的之間的最小距離，有義波高即三一有義波高，規(guī)范將北海、波羅的海及地中海根據(jù)海況分成了若干區(qū)域，并對(duì)每個(gè)小的區(qū)域給出了的數(shù)值，最大值為4.0 m，最小值為1.5 m。

圖1 剩余干舷fr及積水高度hw示意

2.2 幾點(diǎn)注意事項(xiàng)

1)滾裝處所甲板的積水高度是個(gè)定值，因此甲板上總的水量會(huì)隨著橫傾的變化而變化。

2)有義波高的數(shù)值是按區(qū)域劃分的，如果船舶全生命周期只航行于特定的航線，可以考慮將值取為4.0 m以下。

3)橫向破損范圍是在船內(nèi)于最深分艙載重線水平面上，自舷側(cè)向縱中剖面方向垂直量取的船寬的1/5 距離(SOLAS 2009之后的舷側(cè)破損要求將橫向破損范圍 縮小到了船寬的1/10)。

4)滾裝處所的滲透率取0.9。

SA是追溯性規(guī)范，針對(duì)現(xiàn)有船的改裝，指南給出了包括水線以上的滾裝處所兩側(cè)開流水孔、滾裝處所內(nèi)設(shè)置部分高度至少2.2 m的縱向或橫向的半艙壁、設(shè)置額外的船側(cè)附體來(lái)增加船舶自身的穩(wěn)性等方法。這些方法顯然不適用于新造船，例如，客滾船理念之一是高效(door to door)，目前車輛艙都采用無(wú)支柱方案，設(shè)置部分半艙壁顯然違背了設(shè)計(jì)初衷。另外，規(guī)范允許采用船模試驗(yàn)的方法進(jìn)行驗(yàn)證，但試驗(yàn)非常復(fù)雜，至今沒有相關(guān)案例。

3 算例及分析

3.1 初步方案簡(jiǎn)介

研發(fā)的海峽型客滾船的外形圖及主要參數(shù)見圖2，分艙方案示意圖見圖3，設(shè)有兩層車輛艙。該船已滿足SOLAS 2020的要求。

圖2 海峽型客滾船外形圖及主要參數(shù)

圖3 分艙方案示意

從《西北太平洋波浪統(tǒng)計(jì)集》的數(shù)據(jù)來(lái)看(見表1)，臺(tái)灣海峽1.5 m以上的有義波高累計(jì)超過(guò)50%，2.5 m以上的有義波高累計(jì)達(dá)30%。對(duì)比圖4可以看出，該區(qū)域的海況與北海及波羅相當(dāng)，比地中海大部分地區(qū)均要惡劣。相對(duì)來(lái)看渤海灣地區(qū)的海況較好，1.5 m以上的有義波高累計(jì)約為15%。

表1 臺(tái)灣海峽 E5海區(qū)有義波高分布情況

3.2 SA衡準(zhǔn)的計(jì)算

表2 某種破損工況前后的船舶浮態(tài)

表3 某兩艙破損下的穩(wěn)性衡準(zhǔn)

圖4 破損后的浮態(tài)示意

圖5 破損后甲板積水對(duì)的影響

3.3 SA與SOLAS 2020結(jié)果的比較分析

算例船的初始狀態(tài)如表4所示，對(duì)應(yīng)于表5中的P1方案。P1方案滿足SOLAS 2020，相對(duì)于滿足SOLAS 2009的P0方案，規(guī)范要求的分艙指數(shù)值從0.744 4提升到0.801 2，提高了7.6%。為滿足SOLAS 2000，采取了包括略微增加船寬、增加型深、調(diào)整初始縱傾、設(shè)置前后機(jī)艙減少破損后的橫傾等手段。

表4 P1方案破艙計(jì)算的初始狀態(tài)

表5 不同的方案對(duì)比

在P1方案的基礎(chǔ)上，借助NAPA軟件通過(guò)參數(shù)化建模進(jìn)行計(jì)算。這里只選取幾個(gè)典型結(jié)果加以說(shuō)明。

2)P3方案是在P1方案的基礎(chǔ)上將雙殼加寬到B/5來(lái)滿足SA，在這種情況下SOLAS 2020可以輕易地滿足并有一定的余量。值的一提的是，該方案由于型深較高、下貨艙較小，幾乎所有連帶下貨艙破損的兩艙連破工況都有生存概率。

3)P4為最終選擇的方案，是基于P3方案上降低了型深。

對(duì)于具有兩層以上滾裝處所的客滾船，艙壁甲板以上的第二層滾裝處所對(duì)完整穩(wěn)性及破艙穩(wěn)性不再起到作用，不作為穩(wěn)性浮力模型。因此，該算例具有一定的代表性。

4 結(jié)論

1)如果客滾船具有較大的下滾裝處所，且艙壁甲板下雙殼的寬度未達(dá)到船寬的1/5，可能會(huì)有相對(duì)合理的方案滿足SOLAS 2020，但幾乎不可能滿足SA；如果原方案具有B/5的雙殼且同時(shí)滿足SOLAS 2009，則滿足SOLAS 2020相對(duì)容易。

2)僅從安全性來(lái)說(shuō)，考慮到船舶本身破損、傾覆機(jī)理的一致性，對(duì)于海況與北歐類似的臺(tái)灣海峽航區(qū)，建議按有義波高4.0 m考慮滾裝處所積水對(duì)穩(wěn)性的影響；對(duì)于渤海灣地區(qū)的大中型客滾船，建議試算并適當(dāng)考慮2.5-3.0 m有義波高下滾裝處所積水對(duì)穩(wěn)性的影響。

3)國(guó)內(nèi)的大中型客滾船包括最新交付并航行于渤海灣地區(qū)的“吉龍島”及“中華復(fù)興號(hào)”均采用了窄邊艙的型式，與歐洲同等尺度的船相比，其下貨艙增加了一條大車道從而增加了載貨能力，然而幾乎所有含有下滾裝處所破損的典型工況的生存概率值均為0，而歐洲的客滾船得益于SA的要求并不會(huì)出現(xiàn)這種情況，如上文提到的P3方案。SOLAS 2020大幅提高了客船的破損穩(wěn)性要求，對(duì)于豪華郵輪來(lái)說(shuō)，目前大部分穿透船舶中線的3艙破損仍有生存概率(或者是有生存概率才能滿足最終的指數(shù)要求)；相對(duì)來(lái)說(shuō)，承載旅客相當(dāng)?shù)目蜐L船破損后的安全性差的較大。綜上，建議國(guó)內(nèi)的客滾船可適當(dāng)以犧牲經(jīng)濟(jì)性的方式、通過(guò)增加邊艙寬度及型深高度的方式來(lái)提高安全性，滿足真正的一艙破損。