客滾船的破艙穩(wěn)性計(jì)算

徐 佳

（廈門船舶重工股份有限公司 廈門 361000）

0 引 言

根據(jù)國(guó)際海上人命安全公約（SOLAS 2009），破艙穩(wěn)性計(jì)算的概率性方法已替代確定性被各界認(rèn)可并被廣泛使用，對(duì)于客滾船，其破艙穩(wěn)性計(jì)算的要求比貨船更多也更嚴(yán)格，基于破艙穩(wěn)性計(jì)算的設(shè)計(jì)難度也比較大。

2017 年6 月，國(guó)際海事組織（IMO）海上安全委員會(huì)第98 屆會(huì)議（MSC 98）通過(guò)了日本、中國(guó)、菲律賓和美國(guó)聯(lián)合提出的新的客船分艙指數(shù)公式，對(duì)于2020 年1 月1 日以后建造的客船生效。該公式相對(duì)于SOLAS 2009 要求的分艙指數(shù)R在400~1 350 人之間線性增加0~13%，在1 350~6 000 人之間增加5%~13%。這意味著，在分艙布置上，新的客船面臨著更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

目前，全球客滾船船東主要集中在歐洲地區(qū)（尤其是北歐的挪威、瑞典以及丹麥等國(guó)家），大部分該船型由歐洲和日本船廠建造。我國(guó)近年來(lái)雖然交付的客滾船數(shù)量不多，但仍呈逐年遞增之勢(shì)。在設(shè)計(jì)上，高端客滾船幾乎被歐洲壟斷，我國(guó)威海、廣州、廈門等地所建為數(shù)不多的高端客滾船，其設(shè)計(jì)也來(lái)自歐洲。對(duì)于該船型的破艙穩(wěn)性計(jì)算，與歐洲主要設(shè)計(jì)公司相比，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)水平也在不斷提高，但對(duì)A 級(jí)艙壁、橫貫浸水、歐盟特定水域等規(guī)則的解讀仍缺少經(jīng)驗(yàn)。本文以1 艘歐洲航線的2 800客位豪華客滾船為計(jì)算實(shí)例，基于規(guī)范要求并結(jié)合NAPA 軟件的使用，詳細(xì)介紹了客滾船的破艙穩(wěn)性計(jì)算過(guò)程（包括計(jì)算準(zhǔn)備、初始計(jì)算工況的選定、計(jì)算結(jié)果以及特殊水域的要求），并從計(jì)算結(jié)果中討論分析關(guān)鍵吃水處的穩(wěn)性衡準(zhǔn)裕度，旨在為該型船的總體設(shè)計(jì)人員提供借鑒。

1 計(jì)算準(zhǔn)備

1.1 模 型

在合同設(shè)計(jì)階段，穩(wěn)性模型已經(jīng)建立并隨著CFD 分析以及模型試驗(yàn)的進(jìn)展逐步得到優(yōu)化。除了裸船體外，穩(wěn)性模型應(yīng)扣除不能提供浮力的部分（如海底閥箱、艏側(cè)推和減搖鰭等），加入額外提供浮力的附體（如螺旋槳、尾鰭等）。內(nèi)部艙室模型按照艙容圖建立完整，賦予各艙室用途，按照法規(guī)設(shè)定破艙滲透率。以NAPA 軟件為例，本船模型建立如圖1 所示。

圖1 2 800 客位客滾船破艙穩(wěn)性計(jì)算模型

1.2 分 隔

為了得到更大的分艙指數(shù)A，客滾船的計(jì)算分隔應(yīng)盡量精細(xì)。值得注意的是，客滾船某些艙壁或甲板附近的管路尺寸大、數(shù)量多，不能被視為艙壁或甲板的一部分。此時(shí)應(yīng)增加一層分隔或加入一個(gè)間隙，如此當(dāng)分隔處所破損時(shí)，附近管路未破損，規(guī)避了大部分管路的累進(jìn)進(jìn)水問(wèn)題。本船干舷甲板下的管路布置密集，水平分隔向下調(diào)整 600 mm，相關(guān)穿艙管路（如疏排水管）的止回閥應(yīng)處于此600 mm 范圍內(nèi)，如圖2 所示。

圖2 2 800 客位客滾船水平分隔間隙內(nèi)的止回閥

1.3 艙室連接

一般貨船，由于只需計(jì)算最終平衡階段的殘存概率，艙室之間的連接只需考慮非保護(hù)開(kāi)孔連接的艙室和管路連接導(dǎo)致的累進(jìn)進(jìn)水艙室即可；而對(duì)于豪華客滾船，由于所有進(jìn)水中間階段的殘存概率都要計(jì)算，其底部艙室的橫貫浸水以及非水密A級(jí)艙壁都要額外加入到艙室連接中。

1.3.1 橫貫浸水

使船舶某個(gè)未破損處所進(jìn)水以減少平衡狀態(tài)下的橫傾，這種方法即為橫貫浸水。常見(jiàn)的橫貫浸水裝置是帶有1 個(gè)或多個(gè)人孔的一系列結(jié)構(gòu)管，結(jié)構(gòu)管連通左右舷兩側(cè)艙室，當(dāng)一側(cè)艙室破損進(jìn)水后，另一側(cè)同時(shí)進(jìn)水來(lái)減少橫傾，提高船舶的殘存穩(wěn)性。

應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)管開(kāi)孔的截面面積和長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)構(gòu)管的摩擦系數(shù)總和，再根據(jù)空氣管的截面面積計(jì)算空氣管壓頭損失帶來(lái)的摩擦系數(shù)，求得最終的平衡時(shí)間。計(jì)算公式參考MSC.362（92）決議通過(guò)的《評(píng)價(jià)橫貫浸水裝置標(biāo)準(zhǔn)方法的修正建議案》，此處不再贅述。

每對(duì)艙單獨(dú)計(jì)算平衡時(shí)間。若≤60 s，殘存概率作為瞬時(shí)浸水狀態(tài)計(jì)算，不考慮中間過(guò)程；若>60 s，則要計(jì)算中間階段的殘存概率；若平衡時(shí)間>600 s，殘存概率使用600 s 后的最終平衡階段的最小值。

值得注意的是：橫貫浸水過(guò)程中，透氣管開(kāi)口若通向船內(nèi)且低于破損橫搖水線（風(fēng)雨密水線），那么當(dāng)一舷破損時(shí)，水會(huì)通過(guò)用于調(diào)整橫傾的未破損的另一舷艙室透氣管溢出，進(jìn)而發(fā)生累進(jìn)進(jìn)水。而客滾船的透氣管出口一般設(shè)在車輛甲板上，車輛甲板進(jìn)水會(huì)大大降低殘存概率，所以應(yīng)避免發(fā)生這種累進(jìn)進(jìn)水的情況。本船將橫貫浸水艙室距離舷側(cè)較近的透氣管通向舷外，同時(shí)將距離舷側(cè)較遠(yuǎn)的透氣管抬高到破損橫搖水線以上，以避免車輛甲板進(jìn)水。

1.3.2 A 級(jí)艙壁

與橫貫浸水裝置相同，非水密分隔的A 級(jí)防火艙壁和甲板會(huì)減慢艙室的平衡過(guò)程，破損范圍內(nèi)的A 級(jí)艙壁需要放在計(jì)算分隔中，實(shí)際的計(jì)算過(guò)程會(huì)考慮破損與未破損2 種情況。破損時(shí)計(jì)算中間進(jìn)水過(guò)程的最小殘存概率，并與未破損狀態(tài)和最終平衡狀態(tài)對(duì)比，所有狀態(tài)下的最小殘存概率即為當(dāng)前破損工況下的殘存概率。

橫貫浸水和A 級(jí)艙壁的定義，以NAPA 軟件為例，在艙室連接中，進(jìn)水階段STAGE 分別選擇CROSS 和ACLASS，如圖3 所示。

圖3 橫貫浸水與A 級(jí)艙壁的艙室連接

1.4 開(kāi) 口

1.4.1 非保護(hù)開(kāi)口

在非保護(hù)開(kāi)口所連接的艙室未浸水情況下，若此開(kāi)口在任何階段被淹沒(méi)，則殘存概率等于0，該開(kāi)口也是完整穩(wěn)性校核中限制進(jìn)水角的開(kāi)口。對(duì)于客滾船，這類開(kāi)口包括未設(shè)有透氣頭的透氣管以及通向舷外、無(wú)風(fēng)雨密蓋的通風(fēng)百葉窗等。

1.4.2 風(fēng)雨密開(kāi)口

在風(fēng)雨密開(kāi)口所連接的艙室未浸水的情況下，此開(kāi)口在最終平衡階段不能被淹沒(méi)，但可以在中間階段被淹沒(méi)。對(duì)于客滾船，這類開(kāi)口包括設(shè)有透氣頭的透氣管、帶有風(fēng)雨密蓋的通風(fēng)百葉窗等。

1.4.3 橫貫浸水開(kāi)口

橫貫浸水的開(kāi)口，即為連通左右舷兩艙室的開(kāi)口，此開(kāi)口可以選擇橫貫浸水裝置的第1 個(gè)開(kāi)口點(diǎn)，此開(kāi)口也視為非保護(hù)開(kāi)口。

1.4.4 累進(jìn)進(jìn)水開(kāi)口

在生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段，大量的管路放樣會(huì)產(chǎn)生艙室間的累進(jìn)進(jìn)水問(wèn)題，這些導(dǎo)致累進(jìn)進(jìn)水的管子需要在軟件中建模，將建模的管子與艙室連接，并確定累進(jìn)進(jìn)水的開(kāi)口位置，此開(kāi)口也視為非保護(hù)開(kāi)口。

1.5 脫險(xiǎn)通道

1.5.1 水平撤離通道

水平撤離通道將艙壁甲板以上和以下處所與所在甲板的垂向脫險(xiǎn)通道相連，通常設(shè)置多條作為此通道的路線，其所連接的艙室未被浸沒(méi)時(shí)，在最終的平衡階段至少有1 條路線不能被浸沒(méi)。本船設(shè)置了3 條水平撤離通道，均以曲線的形式建立，逃生口與垂直脫險(xiǎn)通道相連，參見(jiàn)圖4。

圖4 水平撤離通道

1.5.2 垂直脫險(xiǎn)通道

垂直脫險(xiǎn)通道作為在艙壁甲板下未破損艙室的安全通道。在所在艙室未破損的情況下，垂直脫險(xiǎn)通道的開(kāi)口在任何浸水階段都不能被浸沒(méi)，見(jiàn)圖5。

圖5 垂直脫險(xiǎn)通道

2 初始計(jì)算工況

計(jì)算選定3 個(gè)吃水，分別是輕載航行吃水、部分分艙吃水和最深分艙吃水。與貨船不同的是，客滾船的輕載航行吃水除了包含消耗品的10%外，還要裝載全部額定乘客和船員及其行李物品。

若完整穩(wěn)性計(jì)算下的實(shí)際運(yùn)營(yíng)工況與計(jì)算縱傾相比，縱傾變化大于船舶分艙長(zhǎng)度的0.5%，應(yīng)該計(jì)算相同吃水下的不同縱傾，直至縱傾變化小于船舶分艙長(zhǎng)度的0.5%。通常情況下，完整穩(wěn)性工況應(yīng)盡量通過(guò)調(diào)整配載以達(dá)到較小的縱傾，在破艙穩(wěn)性計(jì)算中，增加縱傾計(jì)算會(huì)明顯降低殘存概率。本船的船舶分艙長(zhǎng)度之0.5%為1.099 m，所有完整穩(wěn)性計(jì)算的營(yíng)運(yùn)工況下，縱傾均未超過(guò)該值，所以對(duì)應(yīng)計(jì)算吃水下的縱傾全部取0。

初始工況設(shè)定的3 個(gè)吃水下的初穩(wěn)心高（）形成的包絡(luò)線應(yīng)低于所有完整穩(wěn)性工況的實(shí)際初穩(wěn)心高，本船的初始工況見(jiàn)表1。

表1 2 800 客位客滾船初始計(jì)算工況 m

3 計(jì)算與結(jié)果

3.1 分艙指數(shù)

3.1.1 要求的分艙指數(shù)

根據(jù)SOLAS 2009，客滾船要求的分艙指數(shù)按式（1）計(jì)算：

式中：L為船舶分艙長(zhǎng)度，本船L=219.876 m；=+2，本船=5 100；為救生艇可供使用的人數(shù)，本船=900；為船舶在以外允許載運(yùn)的人數(shù)，本船=2 100。

本船要求的分艙指數(shù)=0.822 66。

3.1.2 達(dá)到的分艙指數(shù)

達(dá)到的分艙指數(shù)計(jì)算公式與破損范圍參考《國(guó)際海上人命安全條約》第7-2 條。

達(dá)到的分艙指數(shù)應(yīng)大于要求的分艙指數(shù)，本船達(dá)到的分艙指數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。從表中可以看到，5 個(gè)區(qū)域破損仍為分艙指數(shù)提供了一定的貢獻(xiàn)值對(duì)于設(shè)計(jì)成熟的客滾船，達(dá)到的分艙指數(shù)裕度很有限，所以客滾船的破損區(qū)域建議算到4~5 個(gè)區(qū)域。

表2 2 800 客位客滾船達(dá)到的分艙指數(shù)

對(duì)于客船，法規(guī)額外要求初始工況下的部分分艙指數(shù)≥0.9，一般在最深分艙吃水處的值最小，應(yīng)額外關(guān)注。本船達(dá)到的部分分艙指數(shù)見(jiàn)表3。

表3 2 800 客位客滾船的部分分艙指數(shù)

由于本船建造日期在2020 年1 月1 日之前，所以不需滿足SOLAS 2020 的要求。若本船按照SOLAS 2020 計(jì)算，指數(shù)計(jì)算值為0.875 5，值無(wú)法滿足要求，需要額外的結(jié)構(gòu)分艙，整船的總布置需要重新規(guī)劃，基于母型船的船型布局不再適用。

3.2 客船穩(wěn)性的特殊要求

3.2.1 艏部破損

載運(yùn)400 人或以上的客船在3 個(gè)初始工況下，自艏垂線向后0.08 倍船長(zhǎng)以內(nèi)艙室的所有破損情況中，殘存概率都應(yīng)等于1。

本船在滿足殘存概率等于1 的上述所有工況中，所需最小初穩(wěn)心高的最大值為2.46 m，出現(xiàn)在最深分艙吃水處，該吃水的初始工況初穩(wěn)心高設(shè)定值為4.2 m，滿足要求且裕度足夠。

3.2.2 舷側(cè)破損

載運(yùn)36 人或以上的客船，在舷側(cè)外板破損時(shí)，3 個(gè)初始工況下的部分分艙指數(shù)不應(yīng)小于0.9。對(duì)于載運(yùn)400 人及以上的客船，破損范圍更廣，需額外考慮多艙破損。舷側(cè)破損范圍參考《國(guó)際海上人命安全條約》第8 條。

本船滿足上述要求的所有初始工況，所需最小初穩(wěn)心高的最大值見(jiàn)下頁(yè)表4。m

表4 2 800 客位客滾船的舷側(cè)破損

3.3 底部破損

若雙層底高度未按照船寬的1/20 延伸至船舶全寬區(qū)域內(nèi)，假定的任何一處（包括位于破損范圍內(nèi)的任何相鄰處所）的底部破損，在3 個(gè)初始工況下的殘存概率都要等于1。破損范圍參考《國(guó)際海上人命安全條約》第9 條，破損位置見(jiàn)圖6（陰影部分為未設(shè)雙層底的部分，方框表示假定的破損）。

圖6 底部破損位置示意圖

客滾船底部左右舷一般布置了高于雙層底的用于橫貫浸水的艙室，因此該區(qū)域未延伸至船舶全寬，需要計(jì)算底部破損，見(jiàn)圖7。

圖7 未設(shè)置雙層底的艙室示意圖

由表4 可見(jiàn)，最深分艙吃水處所需最小初穩(wěn)心高4.03 m 比較接近初始工況的設(shè)定值，在設(shè)計(jì)初期應(yīng)額外關(guān)注。

4 特殊水域要求

在SOLAS 2009 的概率性計(jì)算法替代《國(guó)際海上人命安全條約》1990 年版（SOLAS 90）和《斯德哥爾摩協(xié)定》的確定性計(jì)算法而強(qiáng)制生效前，一些研究機(jī)構(gòu)發(fā)現(xiàn)SOLAS 2009 的概率性算法在某些方面無(wú)法達(dá)到SOLAS 90 確定性算法的安全程度，歐盟成員國(guó)以及歐洲海事安全局（EMSA）對(duì)客滾船放棄采用《斯德哥爾摩協(xié)定》標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)了擔(dān)憂。對(duì)于航行于歐洲的客滾船，歐盟決定仍使用2004 年11月17日生效的歐盟令2003/25/EC。該法令延伸了《斯德哥爾摩協(xié)定》的適用范圍，不僅包括《斯德哥爾摩協(xié)定》的簽署國(guó)，還包括所有航行于有義波高>1.5 m 的歐洲水域非簽署國(guó)的客滾船。在破艙計(jì)算中，要假定車輛甲板積水,并根據(jù)SOLAS 90 的計(jì)算要求進(jìn)行額外的舷側(cè)破損計(jì)算。

舷側(cè)破損的情況下，當(dāng)車輛甲板沒(méi)有被浸沒(méi)時(shí)，甲板積水高度基準(zhǔn)線為車輛甲板下沿；當(dāng)車輛甲板被浸沒(méi)時(shí)，甲板積水高度為破損水線的高度，見(jiàn)圖8。

圖8 甲板積水高度基準(zhǔn)

甲板積水的假定高度與破損后干舷高度以及航行水域重現(xiàn)率不超過(guò)10%的最大有義波高有關(guān)：

當(dāng)有義波高≥4 m 時(shí)：若干舷≤0.3 m，積水高度取0.5 m；若干舷≥2.0 m，積水高度取0 m；0.3~2.0 m 的干舷，積水高度按插值計(jì)算。

若有義波高≤1.5 m 時(shí)，積水高度取0；有義波高為1.5~4 m 時(shí)，按上述干舷計(jì)算后的積水高度再進(jìn)行插值計(jì)算。

車輛甲板的滲透率在甲板積水計(jì)算中要求設(shè)定為0.9，初始工況的吃水和縱傾要覆蓋所有營(yíng)運(yùn)工況，在破損范圍內(nèi)，兩艙破損的殘存概率要求等于1。基于此，得出各個(gè)吃水和縱傾下的最小的初穩(wěn)心高要求值。

本船的初始工況吃水設(shè)定在輕載吃水6.2 m 與夏季載重線吃水7.15 m 之間，每隔0.2 m 吃水增加包含首傾、尾傾、平浮的3 個(gè)工況。計(jì)算結(jié)果顯示，深吃水下的初穩(wěn)心高要求值高于分艙指數(shù)計(jì)算的初穩(wěn)心高要求值。所以，航行區(qū)域涉及歐洲水域的客滾船應(yīng)特別注意在完整穩(wěn)性計(jì)算中，深吃水工況下的初穩(wěn)心高應(yīng)滿足此要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)客滾船的破艙穩(wěn)性計(jì)算過(guò)程進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析與總結(jié)，希望在今后進(jìn)行此類船型的破艙穩(wěn)性計(jì)算中能為設(shè)計(jì)者提供一些借鑒。但需要指出的是，客滾船的破艙穩(wěn)性計(jì)算無(wú)論在衡準(zhǔn)要求還是計(jì)算難度和軟件計(jì)算時(shí)間上，都遠(yuǎn)高于貨船。隨著法規(guī)不斷更新以及計(jì)算方法的不斷優(yōu)化與改進(jìn)，未來(lái)的客滾船會(huì)向著更安全、更嚴(yán)格的方向發(fā)展。設(shè)計(jì)人員應(yīng)盡可能掌握新信息，保持不斷學(xué)習(xí)的心態(tài)，以應(yīng)對(duì)新環(huán)境帶來(lái)的挑戰(zhàn)。