淺談半潛船的下潛穩性和標準制定

劉旭+袁海平+林慰

摘 要：半潛船與其它船型相比，裝載工況比較復雜。由于其貨種的特殊性，使得穩性問題成為設計中的一個重大挑戰。目前國際海事組織（IMO）和國際船級社協會（IACS）對該種船型都沒有統一的技術規范。本文結合實船下潛操作經驗，利用GHS軟件對半潛船的下潛穩性作簡要分析，并得出了初步的結論。

關鍵詞：半潛船；穩性；標準

中圖分類號：U661.4 文獻標志碼：A

Abstract： Compared with other vessels， the loading condition of semi-submersible vessels are extremely complex. Due to the unexpected cargo， the issue of stability is very critical in the design phase. So far IMO and IACS have no uniform standard on it. In this paper， based on practical experience in submerging operation， the stability in submerging condition is analyzed with the software GHS and the preliminary conclusion has been concluded.

Key Words： Semi-submersible vessel； Stability； Standard

1 前言

半潛船起源于上世紀70年代末，主要用于承運超大型貨物、整體構件、大型工業模塊（如海洋石油鉆井平臺）、潛艇、游艇、軍艦等，這些貨物的重量、體積等都遠遠超出重吊船的承載能力。通常半潛船的型深小、甲板面積大、B/D較大，因而具有獨特的船型特點[1]。

半潛船下潛是其作業的一個重要環節，穩性是考量半潛船能否成功下潛或上浮的一個重要指標。不同于其它船舶，半潛船主體含有大量壓載水艙，在作業過程中可能會形成大量的自由液面，而自由液面對船舶穩性有著重大影響，因此有必要對半潛船的穩性開展深入細致的研究。

半潛船模型及相關參數

本文以50 000 DWT半潛船“祥云口”號為例，基于GHS軟件對半潛船的空船和載貨兩種狀態的下潛穩性進行初步分析。

半潛船的三維模型如圖1，船舶的主要尺度如表1。

2 空船下潛與上浮過程穩性分析

半潛船裝貨前的空船下潛和卸貨前的空船起浮，是該型船舶最基本的兩種狀態。半潛船船寬較大，在甲板淹沒之前，半潛船的初穩性和普通油輪類似，即在吃水增加時，橫穩心高KM值總體上呈下降趨勢，而當達到一定吃水后，KM值又會有小幅回升。在甲板開始淹沒后，半潛船的初穩性會出現驟變。

為了全面分析各項指標對半潛船下潛穩性的影響，下面按平吃水、首傾和尾傾[2]三種下潛狀態進行了詳細分析。

橫穩心高可表示為：

式中：KB——浮心垂向位置；

IX——水線面面積相對于縱向中心線的橫向慣性矩；

——排水體積。

2.1 首傾狀態穩性分析

通常情況下，半潛船在下潛作業時會有些首傾或者尾傾，這樣在下潛的過程中能保證足夠的穩性，相對平吃水來說更容易作業。圖2～圖5分別表示半潛船在平吃水和不同首傾吃水差時隨吃水變化的、IX、KB、KG和GM曲線。

根據橫穩心計算公式和上面的曲線圖，在半潛船首傾下潛時，至甲板開始淹沒之前，隨著吃水的增加，、IX、KB都逐漸變大；但是隨著甲板開始淹沒，和KB的增加速率顯著變小，IX值則急劇的降低，KG緩緩上升。橫向比較不同首傾吃水差的過程，會發現隨著首傾吃水差的增加，、KB和KG都沒有明顯變化，而IX和GM值在甲板開始淹沒后的驟變則會慢慢緩解。

2.2 尾傾狀態穩性分析

圖7～圖11分別表示半潛船在平吃水和不同尾傾吃水差下隨吃水變化的、IX、、KB、KG和GM曲線。

從圖表7～圖11可以看出，尾傾下潛時與首傾下潛比較相似。甲板入水前，隨著船舶吃水增加，且線性增長的速率很大，而IX的增大速率并不明顯，GM值繼續緩慢降低；甲板入水后，和K的增加速率顯著變小，IX值則急劇的降低，GM值繼續降低；在不同尾傾角度下潛的情況下，尾傾吃水差越小，GM值下降的速率越快。

綜上所述，當主甲板剛好入水時，若其上沒有裝載浮力貨，水線面將瞬時損失嚴重，KB和變化不大，而IX急劇變小，從而導致KM 迅速變小，船舶穩性大幅減小。隨后，由于浮箱和上層建筑對水線面面積的貢獻較小，KB、及IX均趨于常數，穩性趨于最低值，一直到下潛至最大吃水。

同時，通過比較分析平吃水、首傾和尾傾下潛的、IX、KB、KG和GM變化情況，可以看出當主甲板在入水之前和完全入水之后，GM值的變化趨勢基本一致。但是，在主甲板入水階段，通過縱傾可以緩解GM值的下降速率，并且首傾穩性要好于尾傾穩性。

3 裝載有浮力貨物狀態起浮與下潛穩性分析

半潛船裝卸有浮力的貨物時，雖然貨物的重心遠高于半潛船的KG，對起浮穩性是不利的，但是貨物的水線面面積對起浮初穩性是有利的，因此貨物對穩性的影響較為復雜。下面以一座10 633 t自升式鉆井平臺為典型貨物，左右對稱配載在主甲板中部（如圖12所示），在載貨狀態下對半潛船下潛初穩性進行分析。

相對與空船狀態下的穩性，因為貨物本身將產生浮力的原因，因此在載貨狀態下的穩性與空船有較大的不同。與空船狀態類似，分析幾個主要影響穩性好壞的參數就可知道在作業過程中船舶是否安全。

圖13～圖16分別表示半潛船載貨狀態下隨不同階段吃水變化的、IX、KG和GM曲線。空船狀態分析了不同首尾吃水差下的參數變化，載貨狀態對比分析同一吃水差下首傾和尾傾狀態的變化。

從圖13～圖16我們可以看到，隨著吃水的增加，由于貨物的原因，的增長速率沒有明顯變化，IX、KG和GM值在甲板和貨物淹沒階段不再趨于線性變化，而是在波動中下降。同時，比較載貨狀態下首傾和尾傾下潛的情況可以得到，首傾總體上比尾傾穩性更好，下潛更安全。

4 半潛船下潛穩性標準

半潛船下潛過程中，由于水線面的損失及穩心高的突然變小，導致穩性陡然大幅變差。船舶初穩性差，船舶很容易發生傾斜，但半潛船通常要在良好的海況下進行作業，因此可僅考慮初穩性。

目前CCS對半潛船的半潛作業穩性[3]有了詳細的規定，具體內容如下：

（1）半潛船滿載甲板貨物準備下潛時，經自由液面修正后的初穩性高度應不小于1 m；

（2）半潛船滿載甲板貨物在舉升甲板入水或出水過程中，其穩性應滿足下列衡準之一：

① 在基本無浪的平靜水域，蒲氏風級不超過3級時，經自由液面修正后的初穩性高度不小于0.05 m；或蒲氏風級不超過5級時，經自由液面修正后的初穩性高度不小于1 m；

② 在蒲氏風級不超過6級、有義波高不超過0.5 m時，或在蒲氏風級不超過4級，有義波高不超過1 m的水域，經自由液面修正后的初穩性高度不小于0.15 m。

（3）半潛船下潛至最大吃水時，經自由液面修正后的初穩性高度不小于0.5 m；

（4）半潛船甲板上無承載物在下潛或上浮的任何階段，經自由液面修正后的初穩性高度不小于0.15 m；

除了IMO和船級社對半潛船的穩性有相關規定，在航運業內還有一家名為DNV GL Noble Denton的技術支持和服務公司，專門為半潛船、重吊船提供重大件的貨運技術方案，也制定了一系列的指導規范，在業界廣為接受，非常具有權威性。該指南要求在任何時候，船舶初穩性不能低于0.15 m[4]。

5 結論

本文通過比較分析半潛船在下潛工況下的、IX、KB、KG和GM的變化趨勢，得出以下初步結論：

（1）在半潛船的主甲板淹沒之前，穩性的變化趨勢與普通船型基本一致；

（2）在半潛船的主甲板開始淹沒之后，KM值急劇下降，如果在下潛的過程中KG控制不好，或者具有較多的自由液面，極易出現負初穩性而造成險情；

（3）平吃水下潛會造成GM值從甲板入水前的12.2 m徒降到甲板入水后的0.4 m，但是通過縱傾下潛會有效緩解穩性陡降的趨勢，極大提高下潛作業的安全性；

（4）對于三面開敞的半潛船，首傾下潛的穩性要好于尾傾下潛，主要是由于船首線型的外飄導致IX加速增大的結果；

（5）經過對比CCS和DNV GL Noble Denton關于半潛船下潛穩性的標準，得出GM值大于0.15 m是下潛穩性衡準的一個重要指標；

（6）半潛船帶貨下潛穩性變化較為復雜，與具體的貨物重量、類型和配載位置有關，還需進一步的研究；

（7）通過分析半潛船下潛穩性以及標準，可以發現下潛穩性變化多樣，不同的操作會導致下潛過程中不同的穩性變化趨勢，情節嚴重還會導致下潛過程中出現險情和事故，這必須引起壓排水操作員的足夠重視。

參考文獻

[1] 黃蓓蓓，于 洋. 半潛船發展歷史與展望[J]. 中國水運 2010，10（1）.

[2] 莫瑞芳. 1.5萬噸半潛船耐波性和浮態穩性研究[D].上海交通大學， 2011.

[3] 中國船級社，鋼質海船入級規范（第2分冊）[S].2012.

[4] Technical Standards Committee. Guidelines for Marine Transportations. 0030/ND 2015. GL Noble Denton ，

[5]張 泉， 田佰軍. 半潛船空載半潛作業時初穩性研究[J]. 中國水運，2015，15（9）.

[6] 何雨嘉， 何運彭. 半潛船設計的挑戰[J]. 中國水運， 2004.（6）.

[7] 張泉. 半潛船載運重大件貨物完整穩性研究[D].大連海事大學， 2013.