某些特殊用途船舶的穩(wěn)性計算分析

吳海燕

（廣東中遠(yuǎn)海運重工有限公司，東莞 523146）

1 前言

船舶穩(wěn)性計算，主要分為完整穩(wěn)性計算和破艙穩(wěn)性計算：

（1）完整穩(wěn)性

是指船舶在各種營運或作業(yè)狀態(tài)下，受外力作用而具有抵抗傾覆的能力。

完整穩(wěn)性由兩部分組成：一是穩(wěn)性的基本要求，包括氣象衡準(zhǔn)和復(fù)原力臂曲線特征值的要求；二是穩(wěn)性的特殊要求,即船舶在滿足穩(wěn)性基本要求的前提下，還需要根據(jù)船舶的類型、用途、營運或作業(yè)特點，考慮受到特定外力作用時的穩(wěn)性。

（2）破艙穩(wěn)性

是指船舶在一艙或多艙破損進(jìn)水后，能繼續(xù)保持一定的浮性和穩(wěn)性，使船舶不至于沉沒，確保人員和貨物的安全性能。

破艙穩(wěn)性的計算，主要有兩種方法：

（1）確定性方法

是規(guī)定船舶在縱向、橫向和垂向的破損范圍，確定一個或多個艙破損的最危險組合；計算出上述破損要求的極限重心高，滿足任一計算狀態(tài)的破損穩(wěn)性要求。

（2）概率性方法

是規(guī)定船舶在縱向、橫向和垂向破損的最大范圍，考慮該范圍內(nèi)的縱向分隔、橫向分隔及水平分隔的作用，不限制破損部位；規(guī)定破損浮態(tài)、穩(wěn)性指標(biāo)與生存概率的關(guān)系；根據(jù)各種艙組的破損概率以及破損進(jìn)水后的生存概率計算生存指數(shù)，并與要求的生存指數(shù)比較，允許某些艙組的生存能力低于衡準(zhǔn)的要求。

下面以本公司在建的某牲口運輸船以及UT771WP型船為例，具體說明這類型船舶的完整穩(wěn)性和破損穩(wěn)性的計算過程。

2 某牲口運輸船穩(wěn)性計算

某牲口運輸船完整穩(wěn)性滿足AMSA（澳大利亞海事安全局）對牲口船的特殊衡準(zhǔn)要求，其中破損穩(wěn)性按照概率性破損的要求進(jìn)行計算。

該船分為12 個裝載工況計算完整穩(wěn)性，見表1。

表1 某牲口運輸船裝載工況

種裝載工況的基本數(shù)值，見表2。

表2 某牲口運輸船各裝載工況基本數(shù)值

該船在非運輸牲口的工況，僅需滿足IS CODE 對一般貨船的穩(wěn)性要求；但對于運輸牲口工況，除了需滿足IS CODE 的穩(wěn)性衡準(zhǔn)要求外，還需要滿足AMSA對牲口船的要求，主要有橫傾角的要求及面積要求。

其中，AMSA 對橫傾角的衡準(zhǔn)要求比較嚴(yán)格，要求受橫風(fēng)作用時的橫傾角度不大于10°，而本船在運牛狀態(tài)的最大橫傾角度達(dá)到了9.87°，非常接近衡準(zhǔn)要求值。這主要是因為牲口運輸船的吃水以上的側(cè)投影面積過大，導(dǎo)致側(cè)向風(fēng)傾力矩大，因此橫傾角度偏大。對于這一點必須特別注意，因上建面積不能更改，應(yīng)該盡量降低運輸牲口工況時的重心高度，使力矩與GZ曲線的交點處對應(yīng)的橫傾角度減小。

牲口運輸船是B 型干舷的貨船，因此破艙穩(wěn)性需要滿足SOLAS PART 2 中B 部分概率性破損的要求，其分艙指數(shù)按照貨船的公式計算得到。此外，按照SOLAS 的要求，必須設(shè)計三個破艙穩(wěn)性的計算工況，分別為對應(yīng)于最深分艙吃水Ds 的工況、輕載航行吃水Dl 的工況、以及在這兩種吃水之間的部分裝載吃水Dp的工況。三種工況下的破艙穩(wěn)性總結(jié)表，見表3。

表3 某牲口運輸船破艙穩(wěn)性總結(jié)表

不同工況對應(yīng)的GM 值對于概率破艙的生存指數(shù)有很大的影響，GM 值越大，生存指數(shù)越高；但是GM值偏大，又會反過來影響完整穩(wěn)性的計算，因此如何在這兩種需求中選擇合適值，使其既能保證破損穩(wěn)性的生存指數(shù)滿足要求，又能滿足完整穩(wěn)性裝載以及穩(wěn)性要求?？紤]到本船的概率破損穩(wěn)性得到的生存指數(shù)有較大的余量，因此可以適當(dāng)降低GM 值，以保證滿足完整穩(wěn)性中更嚴(yán)苛的AMSA 衡準(zhǔn)要求。

3 UT771WP 型船穩(wěn)性計算

UT771WP 型船，既是近海供應(yīng)船(PSV)又是特種用途船(SPS)，因此其完整穩(wěn)性必須同時滿足近海供應(yīng)船和特種用途船的要求：按照近海供應(yīng)船，必須用確定性的方法求得確定區(qū)域破損的要求；按照特種用途船，必須使用概率性破損的方法。

船舶根據(jù)用途不同，其設(shè)計工況是不同的，對于有多種用途的船舶，必須根據(jù)不同的設(shè)計需求來計算不同的裝載工況。此外，在破艙穩(wěn)性中，因為不同的設(shè)計需求，計算的方法也是不同的：近海供應(yīng)船，按照近海供應(yīng)船指南中對破艙穩(wěn)性的要求，使用確定法計算；特種用途船，則根據(jù)特殊人員數(shù)量不同比照客船的要求進(jìn)行計算。一般客船的破損穩(wěn)性計算，均是參考SOLAS PART 2 中B 部分概率性破損的要求，分艙指數(shù)是按照客船的要求進(jìn)行計算的，要求更嚴(yán)格。

該船的破艙穩(wěn)性總結(jié)表，見表4。

表4 特種用途船破艙穩(wěn)性總結(jié)表

從表4 可知：本船的生存指數(shù)為0.544 60，而要求的分艙指數(shù)為0.542 94.，兩者之間非常接近。雖然提高各個工況的GM 值可以提高破損的生存指數(shù)，但由于此時完整穩(wěn)性所用的GM 值已經(jīng)接近極限值，因此可操作的空間較小。這時需要特別注意空船的重心高度，如果能保證空船的重心高度滿足要求，那么完整穩(wěn)性和破損穩(wěn)性均有可調(diào)整的空間；如果空船的重心高度上升，就會導(dǎo)致概率破損不滿足要求，可能需要額外增加各種閥以提高破損工況的生存概率，或是限制船舶吃水或縱傾等，這些措施都會增加經(jīng)營成本。

UT771WP 型船初步設(shè)計時的空船重心高度值為7.50 m，在這種情況下計算的概率破損穩(wěn)性滿足要求，分艙指數(shù)為0.542 94，生存指數(shù)為0.593 37，尚有較大的余量；但在UT771WP 系列完成首艘船的傾斜試驗后，空船的重心高度值增加了25 cm，重心高度值為7.75 m，這時概率破損穩(wěn)性不能滿足規(guī)范要求。為此，要求在系列船的泵艙的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口處增加兩個遠(yuǎn)程遙控閥。我們比較初步破損穩(wěn)性計算報告后，發(fā)現(xiàn)主要問題可能集中在結(jié)構(gòu)吃水工況的破損，此時吃水較深，破損后可能引起較大的累積進(jìn)水，導(dǎo)致生存指數(shù)大幅度的降低。因此，按照原報告在結(jié)構(gòu)吃水的GM值為1.90 m，但本船在Ds（最深分艙吃水）時的GM 值可以提高到2.05 m，可以提高結(jié)構(gòu)吃水時的生存指數(shù)值，因此我們向設(shè)計公司提出增加結(jié)構(gòu)吃水時的GM 值重新計算，計算結(jié)果見表5。

表5 設(shè)計公司第一次修改計算結(jié)果

由表5 可知提高Ds（最深分艙吃水）處的GM 值會提高生存指數(shù)，按照要求的分艙指數(shù)為0.542 94，得到生存指數(shù)為0.548 45，滿足要求：但是本船是滿足SPS（特殊用途船）的要求，其中不僅要求生存指數(shù)大于分艙指數(shù)，并要求每個裝載狀態(tài)的生存指數(shù)與分艙指數(shù)比值A(chǔ)/R 大于0.9，本船Dl(輕載航行吃水)和Dp（部分裝載吃水）均滿足A/R 大于0.9 的要求，而Ds（最深分艙吃水）時A/R 僅為0.87,不滿足要求。因此還要考慮別的方法來提高Ds 裝載狀態(tài)的生存指數(shù)。考慮到本系列船有8 艘船，每艘船需要增加2 個閥，光增加閥的成本就需要近百萬人民幣。此外，在泵艙增加閥不僅需要對管路進(jìn)行大的修改，而且也會占用有限的泵艙空間，船廠和船東都不是很樂意增加這兩個遠(yuǎn)程遙控閥。經(jīng)過再三考慮，我司技術(shù)部在很短的時間內(nèi)完成了本船穩(wěn)性計算建模，并將設(shè)計公司的各項穩(wěn)性計算所需數(shù)據(jù)代入模型中去，經(jīng)過詳細(xì)的比對，發(fā)現(xiàn)設(shè)計公司在兩處數(shù)據(jù)輸入有問題，其一為設(shè)計公司將除了機(jī)艙以外的所有的機(jī)器處所設(shè)置為空艙，而按照SOLAS 的要求，空艙的滲透率為0.95，機(jī)器處所的滲透率為0.85，滲透率的提高會導(dǎo)致各個機(jī)器處所的進(jìn)水量增加，使破損穩(wěn)性的GZ 曲線降低，穩(wěn)性更為惡劣；其二是將通往泵艙的兩個透氣管設(shè)計為通海，實際上這兩個透氣管的管路是先經(jīng)過1 個油艙再進(jìn)入到甲板上，直接將其設(shè)置為通海就意味著水不是從透氣頭進(jìn)入或是油艙艙室破損然后從破損的管道處進(jìn)入，而是直接從設(shè)計管道的某個轉(zhuǎn)折點進(jìn)入，這顯然是不合理的。

考慮到以上兩點，我們修改了穩(wěn)性計算輸入數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，上述任何一點的改變都會大幅提高破損的生存指數(shù)。為此，將以上兩點反饋給設(shè)計公司，并付上我們的計算結(jié)果后，除了第一點設(shè)計滲透率是船級社要求，以便更嚴(yán)格考察帶SPS 要求的穩(wěn)性外，設(shè)計公司承認(rèn)了自己第二點的計算錯誤，并免費更改了整個計算，重新得到計算結(jié)果（見表6）。

表6 第二次修改計算結(jié)果

由表6 可以看出，修改了伸往泵艙的透氣管的走向，生存指數(shù)就得到顯著的提高，生存指數(shù)從0.548 45提高到了0.550 24；Ds 裝載狀況時的生存指數(shù)與分艙指數(shù)比值A(chǔ)/R 也得到大幅度的提高，A/R 值從0.87 提高到了0.97，這是因為Ds 吃水最大，然后很容易通過此前的透氣管的通?？谶M(jìn)入到泵艙，導(dǎo)致生存指數(shù)降低。

4 結(jié)束語

本文以某牲口運輸船和UT771WP 型船的穩(wěn)性計算為研究對象，對這兩種特殊用途船型所需要滿足的穩(wěn)性要求進(jìn)行分析，并詳細(xì)描述了這兩型船舶滿足確定性破損以及滿足貨船和客船的概率性破損的要求的計算過程。本文的分析過程，對類似的特殊用途船型的穩(wěn)性計算提供了一定的參考，同時也為如何提高破損穩(wěn)性生存概率的方法提供了一定的參考與借鑒。