油船意外泄油性能的分析

吳曉蓮楊博

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

油船意外泄油性能的分析

吳曉蓮楊博

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

意外泄油性能的引入，實(shí)現(xiàn)了油船縱向分艙的靈活性。介紹了意外泄油性能的計(jì)算方法，重點(diǎn)分析了概率密度函數(shù)對平均泄油量參數(shù)的影響。增加貨艙數(shù)量、抬高雙層底、增大邊艙寬度、調(diào)整分艙，均可以提高概率密度函數(shù)值，從而減小舷側(cè)或者船底的破損概率，減少泄油量。應(yīng)用NAPA MANAGER工具編寫了快速計(jì)算程序，并利用該程序?qū)?shí)船進(jìn)行優(yōu)化，以驗(yàn)證不同方案對意外泄油性能的影響。

油船；意外泄油；概率密度函數(shù)；NAPA MANAGER

0 前言

為了最大可能地減小因?yàn)榕鲎埠蛿R淺導(dǎo)致的貨油泄漏對環(huán)境的影響，國際防污染公約（MARPOL）不僅對油船提出了雙殼體和雙層底的要求，而且要求進(jìn)行全面有效的限制泄油的設(shè)計(jì)。以往的確定性方法（MARPOL附則I第24、25和26條）限制了油船貨艙縱向的長度，束縛了其在分艙方面的變化，所以需要采用一種基于意外泄油的方法來促成油船分艙的靈活性，MARPOL附則I第23條應(yīng)運(yùn)而生。該規(guī)則通過評估各個(gè)貨油艙在舷側(cè)碰撞破損和底部擱淺破損時(shí)可能出現(xiàn)的最大泄油量，采用組合概率的方法計(jì)算平均泄油量參數(shù)［1］，適用于2010年1月1日之后交船的5 000 DWT及以上的油船。

1 計(jì)算方法

對5 000 DWT及以上的油船，平均泄油量參數(shù)OM要求如下［2］（C為98%滿艙時(shí)貨油的總艙容）：

通過改變貨艙數(shù)量、邊艙寬度、雙層底高度獲得96艘參數(shù)化油船，用簡化方法計(jì)算該96艘船，綜合分析確定平均泄油量參數(shù)［3］。這96艘油船覆蓋5 000～460 000 DWT，98%貨艙艙容覆蓋5 720～515 790 m3。圖1表明，95%參數(shù)化油船的平均泄油量參數(shù)在標(biāo)準(zhǔn)線以下，所以平均泄油量參數(shù)的指標(biāo)選取是科學(xué)合理的。

圖1 參數(shù)化油船平均泄油量參數(shù)

在平均泄油量參數(shù)的計(jì)算中，舷側(cè)破損平均泄油量和船底破損平均泄油量的計(jì)算比例為0.4和0.6。其中，舷側(cè)破損平均泄油量是指兩側(cè)的平均值，對稱布置則只需計(jì)算一側(cè)。在船底破損平均泄油量的計(jì)算中，根據(jù)全球范圍內(nèi)潮位高的概率密度函數(shù)引入在擱淺狀態(tài)下受潮汐影響艙內(nèi)靜壓平衡后的泄油情況，確定在0 m和-2.5 m潮汐條件下的平均泄油量的計(jì)算比例分別為0.3和0.7。計(jì)算見式（1）和式（2）。

式中：OMS、OMB——分別表示舷側(cè)和船底破損的平均泄油量，m3；

0、2.5——分別表示對應(yīng)0 m和-2.5 m潮汐條件下的平均泄油量

舷側(cè)和船底破損的平均泄油量的計(jì)算公式見式（3）和式（4）。

式中：C3——具有2道縱艙壁的油艙舷側(cè)破損折減系數(shù)；

PS（i）——貫穿某一貨油艙舷側(cè)破損的概率；

OS（i）——某一貨油艙舷側(cè)破損的泄油量，假定為98%裝載時(shí)該貨油艙的艙容，m3；

PB（i）——貫穿某一貨油艙底部破損的概率；

OB（i）——某一貨油艙舷側(cè)破損的泄油量，m3；

CDB（i）——底部破損折減系數(shù)

2 主要參數(shù)的探討

2.1 概率密度函數(shù)

在上面計(jì)算舷側(cè)和船底破損的平均泄油量中，舷側(cè)和船底的破損概率計(jì)算見（5）和式（6）：

式中：PSf、PSa、PSu、PSl、PSy——某一貨油艙在垂向、縱向以及橫向范圍以外的舷側(cè)破損概率密度函數(shù)；

PBf、PBa、PBp、PBs、PBz——某一貨油艙在橫向、縱向以及垂向范圍以外的底部破損概率密度函數(shù)

圖2～11給出了貨艙邊界的相對位置參數(shù)，包括后端壁位置Xa/L、前端壁位置Xf/L、底端位置Zl/DS、頂端位置Zu/DS、側(cè)壁距離舷側(cè)外板程度y/BS、距離基線0.3倍型深高度及以下的左壁位置Yp/BB和右壁位置Ys/BB，以及底端距離船底板的程度z/DS的概率密度函數(shù)。其中，L為船長；DS為型深；BS最大吃水及以下的最大船寬；BB為距離基線0.3倍型深高度及以下的最大船寬。這些函數(shù)分布是通過對1980年到1990年間的52宗碰撞事故和63宗擱淺事故中30 000 DWT及以上載重噸的油船、化學(xué)品船、兼裝船的統(tǒng)計(jì)資料進(jìn)行全面分析，轉(zhuǎn)換為一組反映了舷側(cè)和船底破損中的位置、范圍、貫穿度的表格數(shù)據(jù)［3］。

圖2 Xa/L—PSa

圖3 Xf/L—PSf

圖4 Zl/DS—PSl

圖5 Zu/DS—PSu

圖6 Xa/L—PBa

圖7 Xf/L—PBf

圖8 Yp/BB—PBp

圖9 YS/BB—PBs

圖10 y/BS—PSy

圖11 z/DS—PBz

式（5）和式（6）表明，增大各個(gè)方向?qū)?yīng)的概率密度函數(shù)，可以減小舷側(cè)或者船底的破損概率，從而減少泄油量。圖2～3、圖6～7表明，貨艙的后端壁往前移，前端壁往后移，即減小貨艙長度，貨艙區(qū)總長一定時(shí)，通過增加貨艙數(shù)量來提高縱向概率密度函數(shù)。由圖4～5和圖11的趨勢走向來看，抬高艙底，降低艙頂可以增加垂向的概率密度函數(shù)。圖8～10則表明增大貨艙側(cè)壁與舷側(cè)外板的距離，可以提高橫向的概率密度函數(shù)。但是這些措施需要增加貨艙數(shù)量或者損失貨艙總艙容。圖2和圖3中，PSa和PSf大部分范圍呈現(xiàn)互補(bǔ)性的線性分布走向；圖6和圖7中，PBa與PBf中也呈現(xiàn)互補(bǔ)性的分布走向。但它們的互補(bǔ)基本往船首方向遞減，見圖12。由此可知，艙長基本均等的布置，舷側(cè)破損概率基本均等，而船底破損概率往船首方向遞增，所以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整分艙，也可以減小破損概率。綜上所述，增加貨艙數(shù)量、抬高艙底、降低艙頂、增加內(nèi)殼寬度以及調(diào)整分艙，都可以提高概率密度函數(shù)，從而減小舷側(cè)或者船底的破損概率。

2.2 舷側(cè)破損的折減系數(shù)

基于簡化的意外泄油計(jì)算（MARPOL 23）和假定的單位艙計(jì)算方法［3］，在液貨艙艙容大于300 000 m3，即貨艙內(nèi)存在2道縱艙壁時(shí)，兩種方法存在一定的差異，如圖13所示。由圖13可見，簡化的意外泄油計(jì)算值明顯偏大，在標(biāo)準(zhǔn)值以上，偏離了標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)置的初衷。所以設(shè)置了2道縱艙壁的油艙，在計(jì)算舷側(cè)破損泄油量時(shí)采用系數(shù)C3（取值為0.77），以平衡兩種方法之間的差距，使兩者的計(jì)算結(jié)果盡可能相近。

圖12 Xf/L—PSa+PSf/PBa+PBf

圖13 簡化的意外泄油計(jì)算和假定的單位艙計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果

2.3 底部破損的折減系數(shù)

在底部破損中，貨油艙下面以非載油艙室或以船底板為界限對泄油量的影響是不一樣的。為確定底部破損時(shí)的折減系數(shù)，對10艘雙殼油船及上文提到的96艘參數(shù)化油船，考慮雙層底艙室對貨油滯留的影響做對比計(jì)算。結(jié)果表明，所有實(shí)船和83%的參數(shù)化油船的值都位于0.5～0.7，所以取為0.6，表明有40%的貨油留存在油艙下方的非油艙室里［3］。

2.4 名義密度

規(guī)范要求貨油的名義密度ρn的計(jì)算見式（7）：

式中：DWT——載重量，t；

C——98%滿艙時(shí)貨油的總艙容，m3

載重量實(shí)際上應(yīng)包含油水等消耗品的重量，而不僅僅是貨油，可見計(jì)算的名義密度大于實(shí)際密度。從底部破損后貨油油位hC的計(jì)算公式（8）可以看到，當(dāng)名義密度ρn增大時(shí)，會導(dǎo)致破損后貨艙的油位降低，即貨油的溢出量增大，所以名義密度的取法是基于安全的考慮。

式中：ds——結(jié)構(gòu)吃水，m；

tc——潮汐變化；

Zl——基線以上貨油艙內(nèi)最低點(diǎn)的高度，m；

ρs——海水密度，（ρs=1.025 g/cm3）；

p——正常的超壓，Pa；

g——重力加速度，m/s2

3 基于NAPA MANAGER的計(jì)算程序開發(fā)

對平均泄油量參數(shù)的計(jì)算，需要量取各個(gè)貨油艙在三個(gè)方向的相應(yīng)距離，尤其是貨油艙與船體外板之間的最小橫向距離。如果用手工量取，工作量大且極易出錯(cuò)。為此，利用已經(jīng)被廣泛應(yīng)用的船舶性能計(jì)算軟件NAPA的MANAGER工具，編寫了名為MARPOL 23 Prob.Cal.for Accidental Outflow的程序用于計(jì)算平均泄油量參數(shù)。利用NAPA數(shù)據(jù)庫中的幾何模型實(shí)現(xiàn)各個(gè)數(shù)據(jù)的自動拾取，不僅保證了計(jì)算的準(zhǔn)確性而且提高了效率。

NAPA MANAGER工具是在NAPA軟件中用以運(yùn)行和開發(fā)MANAGER程序的工具。MANAGER程序是多個(gè)宏文件的組合，可以對一批對象執(zhí)行特定的動作。對比使用宏文件，MANAGER的最大優(yōu)勢在于為用戶提供了圖形界面，操作方便，達(dá)到所見即所得的效果。

如圖14所示，MANAGER窗口由目錄樹區(qū)域、預(yù)覽區(qū)域、輸入?yún)^(qū)域和標(biāo)準(zhǔn)工具箱4部分組成。目錄樹區(qū)域用以顯示MANAGER程序的結(jié)構(gòu)，其中的目錄項(xiàng)展開后，其包含的子項(xiàng)便顯示出來。預(yù)覽區(qū)域用以顯示圖形、文字或表格形式的計(jì)算結(jié)果。輸入?yún)^(qū)域用來輸入初始變量，由一系列的變量表VERDEF組成。標(biāo)準(zhǔn)工具箱用以執(zhí)行動作［4］。

圖14 MANAGER窗口

目錄樹區(qū)域顯示程序結(jié)構(gòu)，在MARPOL 23 Prob. Cal.forAccidentalOutflow目錄下有SideDamageInput、Bottom Damage Input、Calculation Result、Critical Sections、Print和Cover 6個(gè)子項(xiàng)，如圖15所示。該目錄用于主要變量的輸入，Side Damage Input和Bottom Damage Input子項(xiàng)用于貨油艙變量自動生成，Critical Sections項(xiàng)用于輸出每個(gè)貨油艙對應(yīng)舷側(cè)破損和船底破損最關(guān)鍵的橫剖面，Calculation Result用于計(jì)算并顯示計(jì)算結(jié)果，Print和Cover子項(xiàng)用于打印計(jì)算結(jié)果和計(jì)算書封面。

計(jì)算程序的流程見圖16。

圖15 MARPOL 23計(jì)算窗口

圖16 計(jì)算流程圖

4 實(shí)船優(yōu)化

在16 000 DWT成品油船的開發(fā)中，初始的分艙方案平均泄油量參數(shù)不滿足要求。該船的主要尺度如下：

垂線間長128.00 m

型寬23.60 m

型深12.00 m

結(jié)構(gòu)吃水8.00 m

載重量16 000 t

貨艙艙容17 950 m3

邊艙寬度1.32 m

底艙高度1.58 m

平均泄油量參數(shù)0.015 4＞0.015（不滿足要求）

通過上述意外泄油性能破損概率密度函數(shù)的分析，采用以下三種方案來優(yōu)化意外泄油性能。由于用戶限制了貨艙數(shù)量，所以沒有采用增加貨艙數(shù)量的方案。計(jì)算利用MARPOL 23 Prob.Cal.for Accidental Outflow程序快速實(shí)現(xiàn)。

方案一：調(diào)整貨艙的分布，總艙容不變。該方案通過調(diào)整貨艙區(qū)域的橫艙壁位置，給出了7個(gè)設(shè)計(jì)，第1貨油艙至第5貨油艙由船首至船尾依次排列。表1進(jìn)一步驗(yàn)證舷側(cè)破損概率只與貨油艙的長度有關(guān)，與縱向位置無關(guān)。如艙長為16 m的油艙，它在第2至第5貨油艙的位置時(shí)，舷側(cè)的破損概率均為0.044 10。在第1貨油艙的位置時(shí)，破損概率有所減小，是因?yàn)樨浻团摼嚯x舷側(cè)的最小距離由于內(nèi)殼的變化有所增大，導(dǎo)致PSy增加。而底部破損概率則與縱向位置密切相關(guān)，從船首向船尾方向遞減，如艙長為16 m的油艙，在第1至第5貨油艙的位置時(shí)，船底的破損概率由0.060 37減小到0.020 79。從表2可看出，貨油艙均勻分布，有利于減小舷側(cè)破損泄油量。而第1貨油艙因?yàn)樽钚【嚯x的增大，導(dǎo)致破損概率減小，從而初始設(shè)計(jì)的舷側(cè)破損泄油量是最小的。當(dāng)貨油艙艙長由船首到船尾增大時(shí)，船底破損

泄油量減小，比如改型四。綜合考慮平均泄油量參數(shù)，初始設(shè)計(jì)已是最理想設(shè)計(jì)，單純地調(diào)整分艙，效果有限，無法滿足要求。

表1 調(diào)整分艙對應(yīng)的舷側(cè)和船底破損概率

表2 調(diào)整分艙對應(yīng)的泄油量和平均泄油量參數(shù)

方案二：增大邊艙的寬度，減少貨艙艙容。調(diào)整分艙沒有達(dá)到減小平均泄油量參數(shù)的目的，所以從減小舷側(cè)破損概率的角度出發(fā)，增加邊艙的寬度，增大PSy。以50 mm為步長，給出了表3中的4個(gè)設(shè)計(jì)。邊艙寬度每增加50 mm，貨油艙艙容減小91 m3。由表3可以看出，邊艙寬度增加100 mm，平均泄油量參數(shù)可以滿足要求。

表3 增加邊艙寬度對應(yīng)的泄油量和平均泄油量參數(shù)

方案三：增加雙層底的高度，減少艙容。同樣，從減小船底破損概率的角度出發(fā)，增加雙層底的高度，增大PSz，從而減小平均泄油量參數(shù)。設(shè)計(jì)通過表4中的4個(gè)方案進(jìn)行比較分析。雙層底高度每增加50 mm，貨艙艙容減小74 m3。表4中可以看到，雙層底抬高150 mm，平均泄油量參數(shù)滿足要求。

表4 增加雙層底高度對應(yīng)的泄油量和平均泄油量參數(shù)

方案二和方案三中，將邊艙寬度增加100 mm或者雙層底抬高150 mm都可以減小平均泄油量參數(shù)至要求值以下。但是增加邊艙寬度的方案艙容減小值為182 m3，而抬高雙層底方案艙容減小值為222 m3，并且增加邊艙寬度的方案達(dá)到的平均泄油量參數(shù)更小。另外，適當(dāng)增加邊艙寬度，有利于檢驗(yàn)通道的布置，而抬高雙層底高度會導(dǎo)致貨油艙重心的提高，不利于穩(wěn)性，所以該船采用了將邊艙寬度增加100 mm的方案。上述分析可得，如果貨艙數(shù)量受到限制，增大邊艙寬度對減小泄油量的效果最佳，抬高雙層底高度其次，調(diào)整分艙稍差。

5 結(jié)語

提高油船意外泄油性能需要減少泄油量。增加貨艙數(shù)量、增大邊艙寬度、抬高雙層底高度，以及調(diào)整分艙，均可以提高概率密度函數(shù)，從而減小舷側(cè)或者船底的破損概率達(dá)到減少泄油量的目的。實(shí)船的優(yōu)化表明：如貨艙數(shù)量受到限制，增大邊艙寬度對減小泄油量的效果最佳，抬高雙層底高度其次，調(diào)整分艙稍差。基于NAPA MANAGER開發(fā)的程序利用NAPA數(shù)據(jù)庫中的幾何模型實(shí)現(xiàn)計(jì)算所需數(shù)據(jù)的自動拾取，保證計(jì)算準(zhǔn)確性的同時(shí)提高了效率，為前期開發(fā)設(shè)計(jì)提供了便利。

［1］陳曉隆.關(guān)于油船意外泄油性能的優(yōu)化［J］.廣東造船，2011，30（1）：32-35.

［2］IMO.The International Convention for the Prevention of Pollution from Ships［S］.1973.

［3］IMO.Resolution MEPC.122（52）Explanatory Notes on Matters Related to the Accidental Oil Outflow Performance under Regulation 23 of the Revised MARPOL Annex I［S］.2011.

［4］楊博.概率燃油艙保護(hù)計(jì)算在NAPA中的實(shí)現(xiàn)［J］.上海造船，2010（2）：17-20.

Analysis of the Accidental Oil Outflow Performance of Oil Tankers

WU Xiao-lianYANG Bo
（Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute，Shanghai 201203，China）

The accidental oil outflow performance was introduced to handle the subdivision of oil tankers flexibly.The methodology of accidental oil outflow performance was presented.The influence of the probability density function on the mean oil outflow parameter was highlighted.The probability density function value could be improved by raising the number of cargo tanks，increasing the bottom height of the tanks，widening the double skin and adjusting the subdivision so as to lower the damage probability of both sides and bottoms and reduce the oil outflow.A program based on NAPA MANAGER for quickly calculating the mean oil outflow parameter was developed.An example for optimizing the accidental oil outflow performance was given to show the influence of the different proposals.

oil tankers；accidental oil outflow；probability density function；NAPA MANAGER

U674.13+3.1

A

1001－4624（2016）02－0015－08

2016-08-26；

2016-11-30

吳曉蓮（1983—），工程師，從事船舶總體研發(fā)和設(shè)計(jì)工作。楊博（1981—），高級工程師，長期從事船舶總體研發(fā)和管理工作。