基于壓載水法的50 000 t半潛船傾斜試驗(yàn)測量參數(shù)敏感性分析

左文安 田明琦

（中集船舶海洋工程設(shè)計(jì)研究院有限公司 上海201206）

基于壓載水法的50 000 t半潛船傾斜試驗(yàn)測量參數(shù)敏感性分析

左文安 田明琦

（中集船舶海洋工程設(shè)計(jì)研究院有限公司 上海201206）

由于半潛船在主甲板完全沒入水面后，船體水線面面積急劇減小，導(dǎo)致GM值較小，而傾斜試驗(yàn)讀數(shù)誤差會影響到空船重心高度，從而影響最終配載的GM值。文章以50 000 t半潛船為例，根據(jù)船舶靜力學(xué)原理，針對壓載水法傾斜試驗(yàn)的測量參數(shù)水尺、測深及擺錘讀數(shù)開展敏感性分析。結(jié)果表明：擺錘讀數(shù)及手工測深讀數(shù)對傾斜試驗(yàn)結(jié)果影響較大，而水尺讀數(shù)的影響較小；讀數(shù)誤差影響范圍可能超過最小的GM值，因此對半潛船來說，傾斜試驗(yàn)的準(zhǔn)確性極其重要。

半潛船；傾斜試驗(yàn)；壓載水法；測量參數(shù)；敏感性分析

引 言

船舶初期設(shè)計(jì)所采用的空船質(zhì)量和重心只是估算或計(jì)算的結(jié)果，船舶在建造過程中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件及材料或設(shè)備位置、質(zhì)量等變化，都可能造成質(zhì)量和重心一定程度的偏差，因此，船舶在完工后需要進(jìn)行傾斜試驗(yàn)，以便確定其實(shí)際質(zhì)量和重心的縱向位置和垂向位置。傾斜試驗(yàn)關(guān)系到船舶的載重量指標(biāo)是否滿足合同的約定要求，同時(shí)也影響到船舶的配載與穩(wěn)性衡準(zhǔn)要求［1］。

對于常規(guī)噸位船舶，一般采用鑄鐵塊、鋼錠或水泥塊等外形正規(guī)的重物作為傾斜試驗(yàn)移動(dòng)載荷。對于大噸位船舶，若采用固體重物作為傾斜試驗(yàn)的移動(dòng)載荷，此方法要求船廠配置大量固體壓塊及重吊，條件苛刻且經(jīng)濟(jì)性較差。50 000 t半潛船的空船排水量約為30 000 t、初穩(wěn)性高約為23 m，如果采用較規(guī)則形狀的固體重塊作為移動(dòng)載荷來作傾斜試驗(yàn)，對于船廠來說則非常困難。CB/T 3035-2005船舶傾斜試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：在難以采用固體重塊的情況下，可使用壓載水作為試驗(yàn)質(zhì)量［2］。本船采用WBT07.3壓載艙（左/右）交換壓載水作為移動(dòng)重量，該艙長25 600 mm、寬10 053 mm、液面面積達(dá)257.36 m2。由于壓載艙液面面積大，對于測深及相關(guān)參數(shù)的測量精度要求較高，同時(shí)本船在下潛過程中，主甲板完全沒入水面后，穩(wěn)性急劇變化，穩(wěn)性值較小，因此開展其敏感性分析非常有必要。

50 000 t半潛船主要技術(shù)參數(shù)為：

總 長 227.00 m

垂線間長 220.60 m

型 寬 43.00 m

型 深 13.50 m

設(shè)計(jì)吃水 10.00 m

半潛吃水 27.00 m

載重量 約50 000 t

推進(jìn)器 3組×4 500 kW

服務(wù)航速（90%推進(jìn)器功率） 約14.00 kn

續(xù)航力 18 000 n mile

床 位 55人

船 級 CCS

圖1 50 000 t半潛船

1 試驗(yàn)方法

本船試驗(yàn)采用移動(dòng)壓載水的方法完成，壓載水采用壓載泵從一舷移到另一舷。WBT07.3壓載艙（左/右）作為移動(dòng)質(zhì)量壓載水艙，且對其自由液面慣性矩給予修正，參見圖2和下頁圖3。

圖2 壓載艙布置圖

試驗(yàn)中使用兩套擺錘測量橫傾角，擺錘分別布置在FR0和FR224，擺長約為17 m。移動(dòng)壓載水的質(zhì)量由測深尺通過測深管測定，移動(dòng)順序見表1。

圖3 壓載艙調(diào)載圖

表1 調(diào)載工況

應(yīng)測數(shù)據(jù)包括：試驗(yàn)時(shí)間、天氣、風(fēng)力及海況，不足質(zhì)量及位置，多余質(zhì)量及位置，吃水標(biāo)志處的吃水（包括前、中、后標(biāo)志的兩側(cè)），海水溫度和海水密度，擺長，擺錘在標(biāo)尺上的初始位置。每次讀取擺錘位移時(shí)，應(yīng)測量WBT07.3壓載艙（左/右）的測深值，以確定每次的移動(dòng)量。

每個(gè)載荷工況移動(dòng)的壓載水重約200 t，WBT07.3壓載艙（左/右）水面深度增加或減小約778 mm，估算橫傾角度θ正切值及擺錘幅值a見表2。

表2 單次調(diào)載估算橫傾角及擺錘幅值

2 敏感性參數(shù)分析

船舶傾斜試驗(yàn)是通過調(diào)整WBT07.3壓載艙（左/右）壓載水，使船舶產(chǎn)生較小的橫傾角，通過測量擺錘的讀數(shù)及壓載艙的測深，經(jīng)過計(jì)算得到船舶相關(guān)穩(wěn)性參數(shù)。

試驗(yàn)初始浮態(tài)見表3。

表3 初始浮態(tài)

由于試驗(yàn)過程船體發(fā)生橫傾，壓載艙自由液面將發(fā)生變化，自由液面對初穩(wěn)性的修正公式為：

式中：GM0為初穩(wěn)性高，m；GM1為自由液面修正后的初穩(wěn)性高，m；ρ為調(diào)壓載艙水的密度，t/m3；IXX為壓載艙自由液面橫向慣性矩，m4；Δ為排水量，t。

由表4可知，單次調(diào)載橫傾角的變化對GM自由液面修正的影響較小，200 t壓載水調(diào)載導(dǎo)致GM變化僅為0.006 mm，因此橫傾角變化引起的調(diào)壓載艙自由液面對GM變化的影響可忽略不計(jì)。

表4 自由液面修正

由于KM與船體外殼型線有關(guān)，調(diào)載壓載水橫向移動(dòng)的距離l為定值，影響重心高度的參數(shù)有：排水量Δ、調(diào)載壓載水質(zhì)量及相應(yīng)橫傾角θ。

2.1 排水量測量參數(shù)

在傾斜試驗(yàn)過程中，環(huán)境條件要求風(fēng)力一般不超過2級，特殊情況不超過3級。通常由于交船時(shí)間節(jié)點(diǎn)的限制，遇到完全風(fēng)平浪靜的時(shí)候較少，因此水面上不可避免會存在波浪。通常采用玻璃管或微管連通器的方法進(jìn)行消波以減小對船舶吃水讀數(shù)準(zhǔn)確性的影響［3-4］。

在單次調(diào)載工況下，僅考慮吃水讀數(shù)引起誤差的影響。假設(shè)吃水讀數(shù)測量值與理論值差值為δT，理論排水量為Δ0，若讀數(shù)誤差引起的排水量為Δ1，水線面面積為S，則由吃水讀數(shù)誤差引起初重心高h(yuǎn)KG變化值δKG為：

由式（2）可知，δKG與δT成正比，排水量理論值與測量值的乘積成反比。吃水讀數(shù)誤差引起δKG的變化結(jié)果見表5。若吃水讀數(shù)誤差為±10 mm，則引起最大的δKG變化為0.058 m。

2.2 傾角測量參數(shù)

傾斜角的測量采用 U型管、擺錘等方法。采用擺錘進(jìn)行測量時(shí)（擺錘至少2個(gè)），擺錘應(yīng)處于防風(fēng)區(qū)域，并盡可能遠(yuǎn)離。擺錘應(yīng)置于水槽或油槽中，且在最大傾角時(shí)不應(yīng)觸及槽壁。設(shè)擺錘長度為λ（量自擺錘掛點(diǎn)至刻度標(biāo)尺間的垂直距離），λ應(yīng)足夠長，至少為3 m。設(shè)擺動(dòng)幅度為a，則傾角θ為：

表5 吃水讀數(shù)誤差分析

在單次調(diào)載工況下，僅考慮擺錘讀數(shù)引起誤差的影響。假設(shè)擺動(dòng)幅度理論值為a0，相應(yīng)的傾角θ0，實(shí)際的測量值為a1，相應(yīng)的傾角為θ1，則由讀數(shù)誤差引起初穩(wěn)性變化值δGM為：

由式（4）可知，δGM與擺錘讀數(shù)誤差值成正比，與理論值和測量值的乘積成反比。擺錘讀數(shù)誤差引起δGM變化結(jié)果見表6。若擺錘讀數(shù)誤差為±2 mm，則引起最大的δGM變化為-0.305 m。

表6 擺錘讀數(shù)誤差分析

2.3 手工測深參數(shù)

測深鋼卷尺又稱量油尺，主要部件是一條具有彈性的連續(xù)鋼制尺帶和一個(gè)規(guī)定的尺砣，尺帶的一面刻蝕或印制有m、cm、mm等刻度及相應(yīng)數(shù)字。測深鋼卷尺與鋼卷尺最主要的區(qū)別是測深鋼卷尺多了一個(gè)尺砣，零刻度線就是尺砣的頂端，導(dǎo)致校正誤差比鋼卷尺多了一個(gè)步驟，實(shí)際使用時(shí)需要對其進(jìn)行零值檢定［5-6］。調(diào)壓載艙的壓載水深度通過測深鋼卷尺進(jìn)行測量（見圖4）。

圖4 測深鋼卷尺對壓載艙進(jìn)行測深

在單次調(diào)載工況下，僅考慮測深讀數(shù)引起誤差的影響。假設(shè)理論調(diào)載壓載水質(zhì)量為p0，相應(yīng)的艙室的測深為h0；實(shí)際的調(diào)載壓載水質(zhì)量為p1，相應(yīng)艙室的測深為h1，則由讀數(shù)誤差引起的GM值變化值δGM為：

由式（5）可知，δGM與測深讀數(shù)誤差值成正比。測深讀數(shù)誤差引起δGM的變化結(jié)果見表7。假設(shè)測深讀數(shù)誤差為±10 mm，則引起最大的δGM變化為0.302 m。

2.4 傾角測量與手工測深聯(lián)合參數(shù)

讀數(shù)誤差往往同時(shí)包括擺錘讀數(shù)與手工測深的誤差，兩者聯(lián)合誤差引起的GM值變化值δGM為 ：

表7 手工測深讀數(shù)誤差分析

由式（6）可知，δGM與擺錘及測深讀數(shù)的理論值及測量值都有關(guān)，讀數(shù)誤差引起δGM的變化結(jié)果見表8。假設(shè)測深讀數(shù)誤差位±10 mm，擺錘讀數(shù)誤差為±2 mm，兩者聯(lián)合引起最大的δGM變化為0.612 m。δGM變化三維枝干圖見下頁圖5，擺錘及測深讀數(shù)反相時(shí)δGM的變化變大。

表8 擺錘與手工測深讀數(shù)誤差分析

續(xù)表8

圖5 δGM變化三維枝干圖

3 結(jié) 論

通過對50 000 t半潛船傾斜試驗(yàn)水尺、擺錘和手工測深讀數(shù)誤差進(jìn)行敏感性分析研究，得出以下結(jié)論：

（1）擺錘讀數(shù)及手工測深讀數(shù)是影響傾斜試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素，而水尺讀數(shù)的影響較小。

（2）本船考慮單一參數(shù)對傾斜試驗(yàn)結(jié)果的影響時(shí)，擺錘讀數(shù)每1 mm誤差對GM值偏差約為0.15 m；手工測深讀數(shù)每5 mm誤差對GM值偏差約為0.151 m。

（3）本船考慮雙參數(shù)對傾斜試驗(yàn)結(jié)果的影響時(shí)，擺錘讀數(shù)及手工測深讀數(shù)聯(lián)合誤差對GM值偏差可能變大。假設(shè)擺錘讀數(shù)誤差最大為±2 mm，手工測深讀數(shù)最大誤差為±10 mm，對GM值偏差可達(dá)0.612 m。

（4）半潛船在下潛過程中，主甲板完全淹沒水面后，GM值急劇降低。本船在主甲板沒入后最小GM值約為0.44 m。擺錘讀數(shù)及手工測深讀數(shù)聯(lián)合誤差對空船重心高度偏差可達(dá)0.612 m，若再考慮到部分艙室雖作為滿艙考慮而實(shí)際并非滿艙，存在自由液面修正的不確定情況，則在下潛過程中可能存在穩(wěn)性喪失導(dǎo)致船舶傾覆的風(fēng)險(xiǎn)，因此傾斜試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性極為重要。

（5）減小傾斜試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)誤差的措施有：增大擺錘繩長；選擇自由液面面積較小的艙室作為調(diào)載壓載水艙；提高液艙測深精度；試驗(yàn)人員多次測量擺幅等。

［1］ 中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊（總體分冊）［M］. 北京：國防工業(yè)出版社，2014.

［2］ 中華人民共和國船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，CB/T 3035-2005.船舶傾斜試驗(yàn)［S］.國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會，2005.

［3］ 郭順福.特殊連同器實(shí)驗(yàn)［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2005（5）：33-38.

［4］ 郭順福.一項(xiàng)駁船水尺計(jì)重技術(shù)原理［J］.造船技術(shù)，2003（6）：23-25.

［5］ 郭麗宏.探討與測深鋼卷尺檢定有關(guān)的“誤差” ［C］.中國油氣計(jì)量技術(shù)論壇文集，2010：462-465.

［6］ 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn). GB13236-1991.石油用量油尺和鋼圍尺技術(shù)條件［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1992.

Sensitivity analysis of measurement parameters in inclining experiment based on ballast water method for 50 000 t semi-submersible vessel

ZUO Wen-an TIAN Ming-qi
(CIMC Ocean Engineering Design & Research Institute Co., Ltd., Shanghai 201206,China)

The semi-submersible vessel has less initial stability, i.e. less value of GM, due to the sharp decrease of the hull waterline area when the main deck of the semi-submersible vessel has been totally submersed into the water. However, the reading errors in the inclining experiment affect the height of the center of the lightship gravity, eventually influencing the finally collocated value of GM. According to the ship statics principle, it performs the sensitivity analysis of the measurement parameters, draft mark, sounding and the pendulum reading in the inclining experiment based on the ballast water method for a 50 000 t semi-submersible vessel. The results show that the pendulum reading and manual sounding have greater impact on the inclining experiment than the draft mark. It also indicates that the incidence of the reading error may exceed the minimum value of GM.Therefore, the accuracy of the inclining experiment is extremely important to the semi-submersible vessel.

semi-submersible vessel; inclining experiment; ballast water method; measurement parameter;sensitivity analysis

U661.2+2

A

1001-9855（2017）06-0021-06

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.06.021

2017-04-27；

2017-05-12

左文安（1981-），男，碩士，高級工程師。研究方向：船舶與海洋工程設(shè)計(jì)與計(jì)算。田明琦（1980-），男，碩士，工程師。研究方向：船舶與海洋工程設(shè)計(jì)與計(jì)算。