客滾船破艙穩(wěn)性的技術(shù)挑戰(zhàn)與設(shè)計方法

俞 劍，巴雅爾圖，付翯翯，陳 登，吉春正

(招商局郵輪研究院(上海)有限公司，上海 200137)

0 引言

破艙穩(wěn)性對客滾船水密艙室的劃分有著決定性的作用。2009年海上安全委員會(簡稱“海安會”)修正案決議MSC.216(82)強制生效并修訂了《國際海上人命安全公約》(SOLAS 2009)。該決議將確定性的客船SOLAS 90標準與干貨船基于概率方法的SOLAS 92標準協(xié)調(diào)為統(tǒng)一的概率破損穩(wěn)性要求，放寬了之前確定性算法對雙殼和分艙長度的要求。2017年SOLAS依據(jù)海安會修正案決議MSC.429(98)，再次大幅提高了客滾船的分艙指數(shù)，并于2020年1月1號強制生效，簡稱SOLAS 2020，這對客滾船的設(shè)計帶來了更大的技術(shù)挑戰(zhàn)[1]。

歐盟水域運營的客滾船還需要滿足斯德哥爾摩協(xié)議(Stockholm Agreement，SA)。SA的要求是基于SOLAS 90的標準，仍為確定性破損，其目的是避免事故船舶因貨艙上浪積水導致的更嚴重的海難，對設(shè)計方案的限制較大。

本文以某掛英國旗的客滾船為研究對象，針對SOLAS 2020和SA對客滾船設(shè)計的技術(shù)挑戰(zhàn)一一作了分析，并根據(jù)其設(shè)計特點提出了應(yīng)對方案。

1 SOLAS破艙穩(wěn)性要求及應(yīng)對方法

1.1 SOLAS確定性破艙計算要求和關(guān)注點

(1)SOLAS在II-1中對客船的確定性破艙穩(wěn)性有以下明確要求：

①條款第8.1條要求：載客人數(shù)在400人以上的客船需要滿足在自艏垂線起艏部0.008Ls(Ls為船長)區(qū)域破損后生存系數(shù)S等于1；

②條款第8.2條要求：載客人數(shù)在36人以上的客船需要在舷側(cè)船寬B/10破損假定的情況下生存系數(shù)S不小于0.9；

③條款第9條要求：客滾船底部破損時生存系數(shù)S等于1。

(2)需要考慮底部破損情況。因為底部破損的尺度較大，寬度也較寬，進水的艙組較多，因此在分艙設(shè)計時需盡量去減少任一可能破損情況下的不對稱進水。另外，特別要注意布置在舷側(cè)的橫傾艙、機艙及其相鄰區(qū)域的破損。

1.2 SOLAS 2020概率性破艙計算要求

SOLAS 2020對客船要求的分艙指數(shù)R的計算方法見表1。

表1 SOLAS II-1第6條中規(guī)定的分艙指數(shù)

實際達到的分艙指數(shù)A需按下式加權(quán)獲得：

A=0.4As+0.4Ap+0.2Al

式中：As為滿載吃水時實際達到的分艙指數(shù)；Ap為中間吃水時實際達到的分艙指數(shù)；Al為輕載吃水時實際達到的分艙指數(shù)。

每個吃水下的計算指數(shù)均為所考慮的全部破損情況所起作用的總和，所用公式如下：

A=ΣPiSi

式中：i為所考察的每一破損組合；Pi為所考慮的每一組合破損的浸水概率，不考慮任何水平分隔，因數(shù)P只與縱向限界線的位置和橫向水密布置有關(guān)，與垂向破損高度無關(guān)；Si為所考慮的艙或艙組進水后的生存概率，因數(shù)S與破損后的剩余穩(wěn)性相關(guān)。

SOLAS 2020在定義Sfinal的計算方法時，明確將涉及客滾船貨艙破損情況下的復原力臂GZ值由0.12 m提升到0.20 m，將正向復原力臂區(qū)間Rrang由16°提升至20°，提高了客滾船殘存能力。

1.3 SOLAS 2020對客滾船穩(wěn)性設(shè)計的影響

(1)SOLAS 2020相比于SOLAS 2009,對載客數(shù)在1 000人至3 400人區(qū)間內(nèi)的客船影響最大，分艙指數(shù)提高了約10%。

(2)SOLAS 2020對客滾船的甲板積水問題作了補充，提高了對客滾船殘存能力的要求，同時降低了貨艙破損情況下的生存因數(shù)S。

(3)干舷甲板下的底貨艙，因SOLAS 2020的生效，船東不得不放棄大的底貨艙，但為了利用好這些區(qū)域和滿足環(huán)保的要求，部分船東要求將原先的底貨艙用于存放天然氣罐，體積上仍很大。

(4)部分船東要求底部增設(shè)便于維修的長管弄，造成橫貫進水管弄連通面積受限。

(5)艉部超寬滾裝跳板的設(shè)計，限制了儲備浮箱的布置空間。

1.4 應(yīng)對方法

針對以上技術(shù)挑戰(zhàn)，新的客滾船設(shè)計需要大幅提升分艙指數(shù)A，總體思路是減少破損后的吃水和橫傾，也就是減少破損后的進水量和不對稱進水。

(1)適當調(diào)整破損后進水量較大的艙室布置，如機艙和類似底貨艙的艙室需重點考慮?？蜐L船為了滿足安全返港(Safe Return to Port，SRTP)，需要2個機艙互為備用。機艙的布置總體分為前后布置和左右布置，主要利弊見表2。建議優(yōu)先采用前后布置，機艙的布置應(yīng)相互交錯，并盡量減小單一機艙破損后的橫傾角。

表2 機艙布置利弊對比

關(guān)于底貨艙，因SOLAS 2020的要求，載客數(shù)在1 000人至3 400人區(qū)間內(nèi)的客滾船，已無法再設(shè)有大的底部車輛艙，因為需要更多的橫向水密分隔(減少進水量)來達到要求的指數(shù)，這樣的情況下建議取消縱向水密分隔，以避免多艙組破損時橫貫進水計算對A的影響。對于存放天然氣罐的處所，B/5艙壁仍要保留，長度建議盡量減少，最大化利用空間去布置天然氣罐，減少該艙室破損后的進水量。

對于不對稱布置且艙容較大的艙室，除橫傾艙外，其他油水等艙室應(yīng)盡量靠近船中心線布置，以減少不對稱進水產(chǎn)生的橫傾角，同時在舷側(cè)小范圍破損時，還可以達到減少進水量的目的。

(2)在干舷甲板上艏艉兩側(cè)增加浮箱[2]，這些浮箱會占用部分的車道，需要事先取得船東同意。浮箱也是非常有效的方法，通常布置在貨艙的4個角上。因為任一破損工況下，當貨艙進水時，水會集聚在其中一個角上，增加浮箱能減少貨艙甲板的積水并增加浮力。對于超寬艉門的設(shè)計，可最大化利用艉門兩側(cè)的空間來布置浮箱。

(3)優(yōu)化橫貫進水，增大橫貫進水聯(lián)通管，避免多個包括橫貫進水裝置的艙組連續(xù)布置。對于初穩(wěn)性高較小的客船，如按海安會MSC.362(92)決議中要求的在計算壓頭時需假定單側(cè)瞬時進水，此時船舶會直接傾覆。如果無法優(yōu)化，可將60 s時流過單個橫貫進水裝置的流量直接定義到多艙組破損工況里，來替代海安會決議中計算壓頭的假定。此方法雖然計算量會增大，但避免了過度設(shè)計。

(4)如果經(jīng)過上面調(diào)整，仍與要求的指數(shù)有較大的差距，此時應(yīng)考慮減少空船重量，降低重心高度，提高初穩(wěn)性高，用于改裝破損后剩余穩(wěn)性，以提高生存因數(shù)。減重以優(yōu)化結(jié)構(gòu)和上層建筑部分重量為主[2]。

(5)增加干舷，或適當增加船寬，但需考慮對快速性的影響。

(6)如計算指數(shù)和要求指數(shù)差異不多，可以考慮結(jié)合生存因數(shù)S和P(1-S)分布圖，快速找出對分艙指數(shù)A影響較大的區(qū)域，看有無優(yōu)化的可能。也可以將生存因數(shù)接近于0，且橫傾角小于3°，GZ大于0.1 m的所有破損工況列出來，查看導致Rrang降低的原因，并可通過調(diào)整假定開口的位置來獲取少量的指數(shù)貢獻[3]。

優(yōu)化SOLAS概率性破艙計算無法通過定量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來歸納總結(jié)，因為不同的設(shè)計方案差異大，如主尺度、運營工況、載客人數(shù)、載重量等。實際設(shè)計工作中需要結(jié)合實際的計算結(jié)果和與要求的差值，來選擇最有效的修改方案。

2 斯德哥爾摩協(xié)議破艙穩(wěn)性要求及應(yīng)對方法

2.1 背景

對于客滾船，當其封閉的滾裝甲板的積水向一側(cè)或一端集聚時會增大船舶的縱橫傾，考慮在舷側(cè)碰撞破損后因甲板積水(Water on Deck，WOD)對船舶的殘存穩(wěn)性的影響就是該協(xié)議的根本目的。

海安會153號通函曾確認在所有有記錄的船舶海難事故中，99%都發(fā)生在等效浪高在4 m左右的海況下，因此這被公認為最嚴重的船舶設(shè)計海況。而SOLAS的假定則是等同于在等效浪高在1.5 m左右的海況下幸存，相當于只覆蓋了89%的碰撞事故。所以，提出等效浪高在1.5～4.0 m海況下船舶破艙穩(wěn)性需要有額外的指導要求來考慮甲板積水的影響。斯德哥爾摩協(xié)議在SOLAS 90基礎(chǔ)上增加了相關(guān)修訂。雖然SOLAS 2020在概率性指數(shù)計算中提升了客滾船貨艙破損后的剩余穩(wěn)性要求，但仍無法完全覆蓋斯德哥爾摩協(xié)議中涉及的所有的確定性破損情況。

2.2 甲板積水高度的計算

甲板積水高度計算原理見圖1。圖中：Hs為等效浪高，F(xiàn)r為船舶剩余干舷，Hw為甲板積水高度。等效浪高Hs應(yīng)依據(jù)運營區(qū)域的海況來定，1.5 m≤Hs≤4.0 m。

圖1 甲板積水高度計算示意圖[4]

甲板積水高度Hw計算方法如下：

注意剩余干舷的計算與破損縱向位置有關(guān)，需要在計算時明確定義破損的縱向范圍。

2.3 破損假定及分艙注意事項

斯德哥爾摩協(xié)議中規(guī)定的破損假定見表3。從表3可以看出，斯德哥爾摩協(xié)議的破損長度較長，分艙長度應(yīng)大于該破損長度，盡量避免3個艙組同時破損的情況。破損深度為B/5、進水量大的艙組需要增加B/5艙壁來減小進水量。垂向范圍沒有限定，需要注意因為水平分隔面導致的不稱進水，特別是機艙及其相鄰區(qū)域。

表3 斯德哥爾摩協(xié)議中規(guī)定的破損假定

2.4 對客滾船破艙穩(wěn)性設(shè)計的影響及應(yīng)對方法

從斯德哥爾摩協(xié)議的假定和要求看，減少甲板積水是滿足SA的關(guān)鍵，需要保證足夠的剩余干舷。而考慮到對重心高度的影響，通?？蜐L船干舷甲板高度只是為了滿足主機吊高或底貨艙凈高，余量非常有限，因此在分艙布置時需要嚴格控制好破損后進水量并盡量減少不對稱進水，以及減小破損后的船舶縱傾和橫傾。其應(yīng)對方法如下：

(1)減少進水量，分艙長度應(yīng)避免出現(xiàn)3個艙組同時破損的情況。

(2)減少船舶運營時的艉傾?？紤]到客滾船艉部排水量小，又受限于艉門的設(shè)計無法在干舷甲板增加太多的儲備浮箱，減少艉傾可以增加艉部干舷。

(3)減少不對稱進水是關(guān)鍵。B/5外部的艙室盡量左右對稱并聯(lián)通，其他不能聯(lián)通的艙室要限制艙容，具體限額視實際項目而定。例如：橫傾水艙艙容較大時可考慮增加一對，單獨的艙室間隔布置，盡量避免同一破損長度內(nèi)計入多個不對稱艙室。

(4)重點考慮因重力泄放、溢流、空氣、通風管帶來的二次累積進水，管路布置需和輪機專業(yè)人員充分溝通并落實到設(shè)計中，以免存在理解偏差導致返工。要充分利用好最深破損平衡水線包絡(luò)面在舯中心線位置的低點，將部分空氣和通風管布置在包絡(luò)面之上，以避免因管道破損導致艙室進水。

(5)B/5艙壁的設(shè)計應(yīng)盡量布置在B/5之內(nèi)，包括凹入的水密門、消防栓箱和需求保護的管路。SA中明文規(guī)定了B/5線之外計入破損；如果有局部艙壁凸入B/5外，需要掛旗國當局的認可，如無法避免，則需在早期提交掛旗國當局認可。

(6)結(jié)合實際項目，因客滾船艉部排水量較小，當艉部機艙破損時，勢必會造成艉傾，這時即便是少量不對稱進水，橫傾和艉傾疊加也會造成比較糟糕的情況。對于前后布置的機艙，因設(shè)備本身對空間的需求，單個機艙很難做到船舶左右兩側(cè)進水量平衡，這時可以考慮在艉部增加儲備浮箱。

(7)如果上述的方法仍不能解決問題，則需要考慮采取減重、降低重心、提高干舷等措施。

3 結(jié)論

綜上所述，提高客滾船穩(wěn)性有2個重要思路：一是“補”穩(wěn)性，可通過優(yōu)化分艙布置，核心在于減少艙室的進水量及不對稱布置，以及減少二次累積進水；二是“加”穩(wěn)性，可通過減重以提高干舷、降重心以提升初穩(wěn)性高、增大船寬以提升橫穩(wěn)性高。 結(jié)合客滾船破艙穩(wěn)性的特點其應(yīng)對方法總結(jié)如下：

(1)客滾船有貫通全船的貨艙甲板，裝卸效率高，但破損后甲板上浪積水容易向一側(cè)積聚，導致橫傾甚至傾覆。應(yīng)對方案：設(shè)計時需盡量減小大進水量破損工況時的不對稱進水，可增大剩余干舷，從而減少甲板上浪積水；當上浪積水無法減少時，可在貨艙4個角落處設(shè)置儲備浮力艙室，以減少上浪積水產(chǎn)生的橫傾和縱傾力矩。

(2)SOLAS 2020對客滾船的分艙指數(shù)A的要求大幅提高。應(yīng)對方案：設(shè)計時應(yīng)盡量減少各艙室的進水量及其產(chǎn)生的不對稱進水力矩。

(3)客滾船受風面積大，重心高。應(yīng)對方案：設(shè)計時應(yīng)合理減小甲板層高，上建部分采用輕質(zhì)材料，以降低船舶重心或提升干舷；可適當增加舭龍骨和艉鰭的面積以平衡受風面積。