煙大鐵路輪渡渡船穩(wěn)性優(yōu)化研究

裘治杰

（上海船舶研究設(shè)計院,上海 200032）

0 前言

煙大鐵路輪渡渡船由上海船舶研究設(shè)計院設(shè)計、天津新港船廠建造，已于2006年1月10日順利下水，預(yù)計近期即可交付船東。投入使用后將航行于煙臺和大連之間，主要運輸鐵路貨運列車，兼載旅客及汽車。渡船通航后，將連接?xùn)|北和華東兩大鐵路網(wǎng)，是東北至長江三角洲陸海鐵路通道的關(guān)鍵組成部分，是國家鐵路的“十五”計劃項目。對連接沿海大通道，縮短南北運輸距離，振興東北老工業(yè)基地的經(jīng)濟建設(shè)具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

在本船設(shè)計進行期間，渤海海域接連出現(xiàn)了幾起重大海難事故，煙大鐵路輪渡渡船的安全問題引起了黨和國家領(lǐng)導(dǎo)人、各級政府、中鐵建和船東的高度重視。2000年11月29日，時任山東省省委書記吳官正同志上報了“關(guān)于加快煙大鐵路輪渡項目”的報告，翌日，時任國務(wù)院副總理吳邦國同志即批示如下：“鐵路輪渡的安全性論證要充分，決不能發(fā)生11·24類似海難事故，要做到萬無一失?！眳歉笨偫硖岬降?1·24海難就是1999年“大舜”輪傾覆，造成263人遇難的特大海難事故。雖然該事故發(fā)生的原因是多方面的，但最后是因穩(wěn)性不足導(dǎo)致翻船傾覆這一點是毋庸置疑的。由于煙大渡船載運的旅客和船員人數(shù)更多，責(zé)任更重大，穩(wěn)性問題顯得更為重要，可以說，接到設(shè)計任務(wù)，我們就把它列為重中之重。由于穩(wěn)性牽涉到主尺度、分艙、結(jié)構(gòu)型式、管系通風(fēng)布置以及設(shè)備參數(shù)選取等各個方面，如不在設(shè)計初期著重加以研究解決，很可能會在以后具體設(shè)計過程中發(fā)生問題而陷于被動，影響整個渡船的設(shè)計。

本項目自1997年底經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)立項至今已有八年多，期間伴隨著各次海難事故，船級社一次又一次地提高穩(wěn)性標(biāo)準(zhǔn)，適用的穩(wěn)性規(guī)范從最初的船檢局1992年法規(guī)國內(nèi)近海航區(qū)要求，逐步演變?yōu)?004年海事局專為本船最新頒布的《渤海灣鐵路輪渡審圖原則》，根據(jù)《原則》的規(guī)定需按國際航行400人及以上的客滾船的最高要求校核穩(wěn)性（該要求現(xiàn)已編入《國內(nèi)航行海船法定檢驗技術(shù)規(guī)則2006年修改通報》）；同時，在渡船方案多次評審會上，船東也對提高渡船的載客能力提出了不少要求。故在八年多期間，因穩(wěn)性規(guī)范要求的變更以及載客量提高等原因多次計算穩(wěn)性，并因此多次修改了本船的主尺度及各方面的布置，這些修改對渡船的設(shè)計工作造成了相當(dāng)大的困難，但也正是這些修改使本船的安全性全面提高。本文作者有幸參與整個過程，直接負責(zé)優(yōu)化修改設(shè)計工作，現(xiàn)在回顧這個過程，并加以分析，希望從中總結(jié)一些經(jīng)驗和教訓(xùn)，摸索一些規(guī)律，為以后的設(shè)計參考借鑒。

文中涉及到的穩(wěn)性計算全部使用NAPA軟件完成。

1 最初方案

根據(jù)鐵道部最初的設(shè)計任務(wù)要求，煙大渡船的主要任務(wù)是載運鐵路貨運列車，并從經(jīng)濟性方面考慮適量兼載公路汽車。因此，最初方案是一個最多可載12名汽車司機的滾裝貨船，主要參數(shù)為：

總布置如圖1所示。

該方案設(shè)二層連續(xù)甲板，主甲板設(shè)五股火車軌道，載運鐵路列車，上甲板載運公路汽車，火車尾進尾出，汽車側(cè)上側(cè)下，上層建筑設(shè)在首部?？傮w布置十分簡潔，但這些大局已定，并延用至今。主要參數(shù)如吃水、水線長也至今未變。

該方案型寬定為24.2 m，滿載時初穩(wěn)性高3.2 m，主甲板型深8.0 m，干舷僅2.2 m，但因火車艙封閉，所以干舷和完整穩(wěn)性均容易滿足，從極限重心高度曲線分析，留有不少余量。

但由于規(guī)范對國內(nèi)航行的滾裝貨船不要求計算破艙穩(wěn)性，使得后來船東提出載客要求后，引起了很大的修改。

2 首次評審會后確定的方案

1999年9月，鐵道部組織專家在上海召開了首次評審會。專家提出載30輛汽車僅允許12名司機可隨船航行十分不便，并且普遍認為該航線有客源，從營運經(jīng)濟性方面考慮應(yīng)盡量增加載客量。最后船東確定了300人左右的載客要求，于是本船從滾裝貨船升級為滾裝客船。中國船級社上海規(guī)范研究所2000年6月頒布了“煙－大線火車渡船檢驗原則要求”，其中2.5條對本船的穩(wěn)性衡準(zhǔn)作了明確規(guī)定：

圖1 最初的滾裝貨船方案

（1）完整穩(wěn)性按“法規(guī)”第4篇第7章有關(guān)近海航區(qū)客船的規(guī)定?！?/p>

（3）由于該船是船長超過80m的客船，其破艙穩(wěn)性應(yīng)符合“法規(guī)”第 4篇第 2-1章 1.1.1條的有關(guān)規(guī)定。該規(guī)定同SOLAS公約的有關(guān)要求，但分艙因數(shù)取為1。

該規(guī)定對完整穩(wěn)性的要求本船完全可以滿足，但由于干舷太小，雖然只考慮一艙不沉（分艙因數(shù)取為1），仍無法滿足破艙后限界線不可被淹沒的衡準(zhǔn)要求，因此只能將型深從8.0 m提高到9.0 m。于是本船的干舷從2.2 m提高為3.2 m，不再需要計及上層建筑即可滿足干舷以及近海航區(qū)完整穩(wěn)性的要求。出于簡化消防通風(fēng)配備的目的，將本船的火車艙設(shè)計成敞開式。主要參數(shù)為：

總布置如圖2。

通過破艙穩(wěn)性計算，我們發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵是要避免船舶破損時，邊艙一舷進水，造成橫向不平衡力矩，引起橫傾，導(dǎo)致主甲板限界線淹沒，產(chǎn)生危險。因此，盡量將左右兩舷的各對邊艙設(shè)計成連通艙，使得一舷破損時也可左右對稱平衡進水，如此就可有效避免船舶的橫傾，增加剩余復(fù)原力臂，二者的區(qū)別如圖3、圖4所示。液艙設(shè)計成左右連通后，其自由液面增加了數(shù)倍，不少艙的自由液面修正值超過1 m，必須避免。因此結(jié)合船舶的配載，適當(dāng)劃分各個壓載水艙的容積，使得所有工況下的每個壓載水艙均成為滿艙或是空艙，避免過多的自由液面。按規(guī)范假定的破損范圍要求，在距舷邊超過1/5船寬的不破損區(qū)內(nèi)，設(shè)立縱艙壁，減少進水總量，進一步提高安全性。

該方案與最初方案相比，型深提高了1 m，破艙穩(wěn)性明顯改善。通過計算，煙大鐵路輪渡渡船的各個工況的重心高度均比極限重心高度低1 m多，留有充分的余量。滿載出港時各破損工況的總結(jié)表如表1。

圖2 提高型深后的客滾船方案

圖3 不連通邊艙時破艙后復(fù)原力臂

圖4 連通邊艙后破艙后復(fù)原力臂

表1 按一艙不沉要求計算的破艙穩(wěn)性總結(jié)表

從表1可以看出，最危險的第4區(qū)機艙破損時，破艙穩(wěn)性仍留有足夠的余量。

3 八級風(fēng)適航等級引出的方案

2001年10月28日，“通惠”號海難事故造成了31人死亡或失蹤，根本原因還是與“大舜”號一樣：穩(wěn)性不足。于是，海事局對于船舶適航等級證書的核準(zhǔn)更加嚴(yán)格，原來按近海航區(qū)設(shè)計的船舶都只能發(fā)放7級風(fēng)的適航證書。這對本渡船的設(shè)計影響很大。

根據(jù)表2所列出的本渡船南、北港址及航線中的不同風(fēng)級的頻率統(tǒng)計，可以發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)≥7級風(fēng)與出現(xiàn)≥8級風(fēng)之間的天數(shù)差為每年14天，本船作為鐵路通道的一部分，14天的停航將造成大量車皮的積壓，船東無法接受。因此，我們按IMO A.749（18）無限航區(qū)的衡準(zhǔn)要求重算了完整穩(wěn)性。

表2 煙臺大連港區(qū)及渤海海域風(fēng)級頻率統(tǒng)計表

通過計算我們發(fā)現(xiàn)，IMO無限航區(qū)的衡準(zhǔn)要求基本仍可以滿足，但是由于火車艙采用敞開式，不能計入儲備浮力，使得完整穩(wěn)性的GZmax≥25°衡準(zhǔn)要求的余量已較小。同時通過分析各次海損事故發(fā)現(xiàn)，違章超載以及排水管路缺少日常維護，發(fā)生堵塞，水霧滅火時造成主甲板上大面積積水，產(chǎn)生自由液面，導(dǎo)致穩(wěn)性嚴(yán)重損失，這些人為因素都是船舶傾覆的重要原因。人命關(guān)天，穩(wěn)性至上，于是我們認為在滿足規(guī)范要求的前提下，還要充分考慮各種人為因素造成的穩(wěn)性損失，預(yù)先保留足夠的穩(wěn)性余量，盡量做到萬無一失。這樣，綜合各種方案對比結(jié)果，我們最終決定封閉火車艙，以增加儲備浮力，進一步提高大傾角穩(wěn)性儲備?；疖嚺摲忾]后，火車艙的通風(fēng)配備需提高，消防采用低壓二氧化碳系統(tǒng)，避免噴淋積水，雖然增加了初投資，但安全性大幅提高。2002年4月5日至8日，在京召開的第二次煙大輪渡可行性研究評審會上，該修改得到了與會專家的一致肯定。主要參數(shù)為：

總布置如圖5。

圖5 封閉火車艙的無限航區(qū)方案

該方案采用電力推進，為332位乘客均設(shè)置了臥席，上層建筑成倍增加，為滿足7000 t載重量的要求，適當(dāng)增加了方形系數(shù)，滿載時初穩(wěn)性高3.0 m，完整穩(wěn)性十分充裕，破艙穩(wěn)性余量有所減少。

4 增加裝載量的方案

隨后一年左右時間內(nèi)，我們在該方案的基礎(chǔ)上，繼續(xù)深化和優(yōu)化，而船東也逐步提出了乘客和汽車均要盡量增加的要求，使得重量重心均提高不少，原有的排水量已不能滿足要求，而破艙穩(wěn)性將更緊張，因此經(jīng)過充分研究考慮后，我們決定再度加大方形系數(shù)，并且果斷地將型寬從24.2 m增加到了24.8 m，雖然導(dǎo)致了大量的修改工作，但是把橫穩(wěn)心高提高了約0.4 m，事后看來是明智之舉。主要參數(shù)為：

總布置如圖6。

該方案的乘客人數(shù)增加至480人，均設(shè)置臥席，上層建筑又有擴大，將原來左舷的小車車道改為大車車道，增加型寬的同時，為滿足增加的空船重量以及提高至7200 t載重量的要求，進一步增加了方形系數(shù)，滿載時初穩(wěn)性高2.8 m，完整穩(wěn)性仍十分充裕。而在破艙穩(wěn)性方面，我們通過使用NAPA軟件的精確計算，逐步調(diào)整了部分縱艙壁和橫艙壁的位置，盡量提高破艙后的穩(wěn)性；同時盡可能減少橫艙壁的數(shù)量和范圍，在防傾水艙區(qū)域，僅在邊艙和雙層底艙內(nèi)設(shè)橫艙壁，取消了中間大艙內(nèi)的橫艙壁，節(jié)省重量，還簡化了通道和管系的設(shè)置。完成調(diào)整后，在最危險的工況時僅保留最小的初穩(wěn)性高度余量，達到了最經(jīng)濟、最優(yōu)化。

2003年底上海船舶研究設(shè)計院完成了合同設(shè)計，2004年1月天津新港船廠與船院簽訂了詳細設(shè)計合同。

5 滿足《2004年審圖原則》的最終方案

圖6 型寬加大到24.8 m的方案

渤海海域的事故頻發(fā)引起了交通部的高度重視。2004年5月，CCS組織對剛剛完成草稿的“渤海灣鐵路輪渡審圖原則”進行評審，渡船的安全壓倒一切，“審圖原則”的高標(biāo)準(zhǔn)獲得通過。不久，《渤海灣鐵路輪渡審圖原則》正式發(fā)布并即刻對本船生效。

《2004年審圖原則》對火車渡船的救生、結(jié)構(gòu)以及車輛綁扎等方面均提高了要求，但影響最大的當(dāng)屬對破艙穩(wěn)性的要求：“載客400人及以上的火車渡船應(yīng)滿足《國際航行海船法定檢驗技術(shù)規(guī)則》第4篇第2-1章B部分第8-2條的要求”——“假定破損發(fā)生在沿船長L的任何位置上”。也就是說，橫艙壁前后可同時破損，分艙因數(shù)不再取為1，而是要求“二艙不沉”。

實際上，煙大渡船航行于國內(nèi)近海航區(qū)，并且是定點航線，完全不同于國際航行的大型客滾船；載客480人，超過400人的限制要求僅20%，同載客上千人的豪華游船差別明顯，以SOLAS的最高要求為標(biāo)準(zhǔn)似乎有點冤枉；加上我們按原“煙-大線火車渡船檢驗原則要求”開展設(shè)計工作已多年，建造合同也已生效，本船按“一艙不沉”要求經(jīng)過多次優(yōu)化調(diào)整，在破艙穩(wěn)性方面保留的余量已很少，目前的船型根本無法滿足“二艙不沉”的要求。

但是，在安全、穩(wěn)性這樣事關(guān)人命的條款要求上，本著對船東、船廠負責(zé)，以及進一步提高將來乘坐本船的廣大旅客的生命安全保障的考慮，我們隨即投入到修改分艙的研究工作中。

修改不是推倒重來。本船屬于鐵道部的重點項目，原方案已經(jīng)過多次評審，不容徹底推翻，另外，船廠生產(chǎn)設(shè)計等前期準(zhǔn)備工作也已展開，碼頭、棧橋等相關(guān)單位的設(shè)計更已非常深入，部分項目已投入生產(chǎn)，無法回頭，因此，修改的宗旨是盡量保持原先的基本布局，適當(dāng)進行調(diào)整。主要的修改優(yōu)化措施是：

a）增設(shè)橫艙壁

由于防傾水艙內(nèi)部大艙的體積很大，如再結(jié)合前后相鄰艙同時破損，穩(wěn)性明顯不合格，增加水密分隔橫艙壁勢在必行。經(jīng)過分析，防傾設(shè)備可以全部集中到與機艙相鄰的減搖鰭艙區(qū)域，與機艙的分隔橫艙壁上已設(shè)水密門，通道布置也不困難，因此增加3道橫艙壁，只相當(dāng)于多分隔了幾個空艙，對其他專業(yè)影響很小。

b）縮短機艙

機艙太長，即使前后的相鄰艙室已經(jīng)分隔得很小，與機艙同時破損后穩(wěn)性仍然不足。計算發(fā)現(xiàn)，初穩(wěn)性高需達到3.462 m才能合格，而目前的初穩(wěn)性高不足2.8 m，差距太大。通過輪機等專業(yè)的努力，把原來布置在發(fā)電機組后的設(shè)備盡量移至舷邊，把原來布置在舷邊的燃料油艙向后移出機艙范圍，又把變頻器和推進變壓器也向后移出機艙范圍，這樣機艙縮短了整整9 m多（28.6%），穩(wěn)性改善不少。

變頻器和推進變壓器向后移出機艙以后，因中心隔離艙內(nèi)難以布置梯道，為解決這部分機器處所的脫險通道布置的難題，我們將變頻器和推進變壓器與船尾部的舵槳艙連成一個機器處所，只需前后各布置一個脫險通道即可，后來船東決定在機艙后端壁上增設(shè)水密門，這樣機艙向后可直達舵槳艙，倒比以前更方便了。

修改后，變頻器和推進變壓器靠近舵槳，十分合理，機艙更加緊湊，功能并沒有絲毫影響。

c）增設(shè)平臺和艙壁

經(jīng)過以上修改，從機艙后端壁起至渡船尾部形成了一個長達52 m多的大艙，必須加以分隔。通過分析和反復(fù)試算，我們在該艙范圍內(nèi)采取了一系列的措施來滿足破艙穩(wěn)性的要求：首先在接近滿載水線高度處增設(shè)了水密平臺，平臺上部前后貫通，面積很大，但由于平臺較高，破損后實際進水卻很少，而下部被分隔成多個水密空艙，盡量減少破艙后的進水范圍；其次使大部分邊艙左右連通，該處有尾縱傾調(diào)整水艙和NO.7壓載水艙二對艙為減少自由液面不能連通，故特意將其前后分開布置，中間隔開8 m多，使二者不會同時破損，以減少不對稱進水。最后在與機艙相鄰的前部區(qū)域增設(shè)縱艙壁，使得與機艙結(jié)合破損時，中心的大艙可不受牽連。

修改以后，該大艙本身以及與機艙結(jié)合破損時的破艙穩(wěn)性均已滿足要求。

d）機艙內(nèi)增設(shè)空艙

通過在B/5內(nèi)部設(shè)置縱艙壁解決了機艙與其后方的艙室共同破損時的穩(wěn)性問題，但是機艙前方的減搖鰭艙與中心大艙相連，不宜設(shè)置縱艙壁，破艙穩(wěn)性仍有問題。

破艙穩(wěn)性不合格的原因仍然是進水量過大。因此，根據(jù)機艙的具體布置情況，在機艙后部平臺以下這個較少利用到的區(qū)域劃分出左右二個空艙，在機艙前端壁處破損時不會同時破損，以減少進水量。

通過對比可見，在機艙內(nèi)增設(shè)空艙，使極限重心高度提高0.2 m，效果明顯。需要說明的是，在機艙后端壁處破損時由于另一側(cè)的空艙不破，增加了不對稱進水，所以二個空艙也不宜太大。此外還需考慮右舷破損的工況，因此通過多次調(diào)整空艙長度，反復(fù)試算，最終劃分出的左右二個不對稱空艙的方案，兼顧了各方面的限制，是一個折中后的最優(yōu)方案。

e）考慮火車艙尾部邊艙的儲備浮力

本船主甲板到上甲板之間是一個容積非常大的火車艙，火車艙本身是水密封閉的，在計算完整穩(wěn)性時，作為一層貫通全船長度的上層建筑，理所當(dāng)然地屬于船體模型（STABHULL）的一部分，因此本船的完整穩(wěn)性十分富余。計算破艙穩(wěn)性時的船體模型（DAMHULL）也完全可以同樣來取，但是由于客船破損時垂向破損范圍“自基線向上，無限制”，所以在計算任何艙段的破損工況時，沒有分隔的火車艙均會破損，似乎對破艙穩(wěn)性沒有貢獻。

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，火車艙并非完全沒有分隔。除首部防撞艙壁前的帆纜室、木工間外，在本船的尾部還存在若干獨立于火車艙的空艙和通風(fēng)室，見圖7陰影部分。當(dāng)機艙或防傾水艙等相對偏前部的艙室破損時，這些艙室不會同時破損，雖然這些艙室體積很小，但位置在舷邊，同樣可以為破艙穩(wěn)性作出貢獻。

通過對比，計入邊艙后，可使極限重心高度提高0.2 m，效果可觀。需要指出的是，前面提到的四個措施是通過增加或移動水密艙壁或平臺來調(diào)整分艙以提高破艙穩(wěn)性，而本條措施只是將火車艙尾部的左右小邊艙加入計算船體模型（DAMHULL）內(nèi)，沒有修改任何船體結(jié)構(gòu)，并不提高船舶的實際穩(wěn)性，但是卻能夠得到更好的破艙穩(wěn)性的計算結(jié)果。

f）控制空船重量重心

空船重量重心的控制對船舶各項性能指標(biāo)都至關(guān)重要，向來是設(shè)計成功與否的重要標(biāo)志，對于煙大渡船這樣穩(wěn)性十分緊張的船舶來說尤其關(guān)鍵。由于缺少類似大型客滾船型船的資料，重量重心的估算難度很大，加上多次大幅度的修改，所以在設(shè)計的不同階段都需要重新估算空船重量重心，當(dāng)發(fā)現(xiàn)重量重心有超標(biāo)傾向時，就必須加以控制。本船在詳細設(shè)計開展后，就采取過很多措施來減少重量和降低重心，影響比較大的有：優(yōu)化結(jié)構(gòu)型式、降低上層建筑層高以及采用輕型舾裝材料。各種具體方案在此不再贅述，但是這些措施為提高渡船的穩(wěn)性確實起到了舉足輕重的作用。

圖7 火車艙尾部空艙

6 結(jié)語

通過多次修改優(yōu)化，煙大鐵路輪渡渡船的穩(wěn)性有了大幅度的提高，目前已完全滿足了國際航行客滾船的最高要求。雖然設(shè)計修改工作耗費了大量的時間和精力，但是確實提高了整個渡船的安全性。由于是在原先基礎(chǔ)上修改的結(jié)果，受到很多限制，因此仍有可改進之處，只能留待以后再次設(shè)計時繼續(xù)努力。

煙大鐵路輪渡渡船是上海船舶研究設(shè)計院自行研發(fā)設(shè)計的大型火車渡船，從船舶的噸位、航線和配備要求上來看都比國內(nèi)原有的項目有不少突破和創(chuàng)新，作為重點項目，在各個環(huán)節(jié)均受到高度重視。同時由于設(shè)計周期超長，人員變動不少，船東及法規(guī)要求多次發(fā)生重大修改，使得設(shè)計難度大增。本文僅從穩(wěn)性角度分析了該船的優(yōu)化過程，說明船舶設(shè)計的各個專業(yè)項目相互關(guān)聯(lián)制約，牽一發(fā)而動全身，因此對于類似項目，不但要求前期設(shè)計工作精準(zhǔn)，而且需要高瞻遠矚，應(yīng)該留有足夠余量，這樣才能算是優(yōu)秀的。

本文只是筆者個人對部分設(shè)計工作的總結(jié)，如有疏漏，歡迎批評指正。最后感謝設(shè)計一部各位同事對本文相關(guān)數(shù)據(jù)資料提供的幫助和支持。