40 000 t自卸船概率破艙穩(wěn)性計(jì)算優(yōu)化

陸子友，黃光兵

(中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433)

0 引言

《1974年國(guó)際海上人命安全公約》(SOLAS)概率破艙穩(wěn)性相關(guān)要求對(duì)貨船分艙設(shè)計(jì)的安全性起到了重要的指導(dǎo)作用，業(yè)內(nèi)對(duì)于貨船分艙如何滿足該要求進(jìn)行了廣泛的探討，并給出了一些行之有效的設(shè)計(jì)建議或意見[1]。目前，對(duì)于常規(guī)船型，如B型普通散貨船，已經(jīng)能夠容易地滿足分艙指數(shù)的要求，但對(duì)于一些特殊船型，在進(jìn)行初始分艙設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)概率破艙穩(wěn)性的要求，仍要予以充分的計(jì)算論證，確保船舶達(dá)到的分艙指數(shù)滿足公約要求。

40 000 t自卸船是一種特殊的重力式自卸散貨船，貨艙為W型底設(shè)計(jì)，配備了軸帶發(fā)電機(jī)、艉側(cè)推和重力式自卸設(shè)備。其分艙和裝載設(shè)計(jì)與常規(guī)散貨船有較大的區(qū)別，主要體現(xiàn)在1號(hào)貨艙水密艙段和機(jī)艙長(zhǎng)度較長(zhǎng)、貨物裝載重心較高、燃油艙布置在W型貨艙底以下等，這些因素使得40 000 t自卸船達(dá)到的分艙指數(shù)同常規(guī)散貨船相比偏低，在滿足公約要求上難度有一定的增加。

本文以40 000 t自卸船為研究對(duì)象，針對(duì)平浮和艉傾1.3 m 2種情況利用NAPA軟件對(duì)其概率破艙穩(wěn)性進(jìn)行計(jì)算研究，并結(jié)合計(jì)算原理，在設(shè)計(jì)階段采取一些提升其分艙指數(shù)的措施，確保該船概率破艙穩(wěn)性滿足公約要求。

1 法規(guī)要求

根據(jù)《SOLAS 2009》要求，大于100 m的貨船，其分艙程度可達(dá)到的分艙指數(shù)R應(yīng)達(dá)到以下值：

式中：Ls為整船分艙長(zhǎng)度。

船舶達(dá)到的分艙指數(shù)A按照下式進(jìn)行計(jì)算：

A=0.4As+0.4Ap+0.2Al

式中：As、Ap和Al分別為最深分艙吃水、部分分艙吃水和輕載吃水下達(dá)到的分艙指數(shù)，0.4、0.4和0.2為各工況的計(jì)算權(quán)重系數(shù)。

上述公式所表示的總和應(yīng)計(jì)及Ls范圍內(nèi)單個(gè)艙或兩個(gè)或更多相鄰艙進(jìn)水的所有情況。對(duì)于非對(duì)稱布置，A的計(jì)算值應(yīng)為按兩舷所作計(jì)算求得的平均值。或者，該值相應(yīng)于明顯得出最不利結(jié)果的一舷計(jì)取。

每個(gè)工況達(dá)到的分艙指數(shù)按下式計(jì)算：

A=∑PiSi

式中：i為所考慮的每一個(gè)艙或艙組；pi為所考慮的艙或艙組可能進(jìn)水的概率，不考慮任何水平分隔；si為所考慮的艙或艙組進(jìn)水后生存概率，并包括任何水平分隔的影響。

2 概率破艙穩(wěn)性初步計(jì)算

本船概率破艙指數(shù)計(jì)算采用NAPA軟件進(jìn)行。40 000 t自卸船分艙長(zhǎng)度190 m，自船尾至船首分別為艉尖艙、機(jī)艙、7個(gè)貨艙、艏尖艙，共計(jì)10個(gè)水密艙段。本文以右舷側(cè)概率破艙計(jì)算為例，分析概率破艙穩(wěn)性計(jì)算優(yōu)化過(guò)程。

本船型概率破艙穩(wěn)性計(jì)算對(duì)應(yīng)的水密分隔見圖1，圖中Z01～Z10為破艙概率計(jì)算沿船長(zhǎng)方向第01到第10個(gè)分區(qū)。最深分艙吃水DS、部分分艙吃水DP和輕載吃水DL的初始工況參數(shù)見表1。根據(jù)設(shè)計(jì)裝載工況的浮態(tài)，需要計(jì)算平浮和艉傾1.3 m情況下的分艙指數(shù),用A0表示，初步計(jì)算結(jié)果見表2。

圖1 破艙概率計(jì)算分艙圖

根據(jù)公約要求，計(jì)算要求達(dá)到的分艙指數(shù)R為0.625 7，表2中計(jì)算得到的分艙指數(shù)A0小于要求達(dá)到的分艙指數(shù)R，不滿足公約要求。

3 概率破艙分艙指數(shù)計(jì)算優(yōu)化

3.1 艉傾1.3 m工況

對(duì)初步計(jì)算結(jié)果艉傾1.3 m初始狀態(tài)下的生存概率圖(見圖2)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)最深分艙吃水DS下Z03單個(gè)區(qū)域破損對(duì)應(yīng)的生存概率出現(xiàn)了s<0.05的情況。圖中，灰色表示生存概率s≥0.99，黑色表示生存概率s<0.05。

在NAPA軟件中查找到Z03區(qū)域s=0的破損組合代碼為DS-1.3/SDSS 3.2.1，破損工況代碼SDSS 3.2.1對(duì)應(yīng)的艙室浸水情況見圖3，破損組合DS-1.3/SDSS 3.2.1破損穩(wěn)性衡準(zhǔn)見表3。

圖2 艉傾1.3 m最深分艙吃水下生存概率分布圖

圖3 破損工況SDSS 3.2.1破損浸水示意圖

根據(jù)NAPA軟件計(jì)算，DS-1.3/SDSS 3.2.1對(duì)應(yīng)的最大復(fù)原力臂為0.10 m，浸水后從平衡橫傾角量取的正復(fù)原力臂的范圍為19.2°，2項(xiàng)穩(wěn)性衡準(zhǔn)均滿足公約要求。進(jìn)一步對(duì)累積浸水情況進(jìn)行檢查，對(duì)甲板浸沒區(qū)域空氣管進(jìn)行浸沒檢查，結(jié)果見表3。

表3 DS-1.3/SDSS 3.2.1非水密開口浸沒情況

注：X、Y、Z為開口的位置坐標(biāo)；H為非水密開口距離平衡水線的垂直距離。

由表3可知，該破損組合平衡狀態(tài)有多個(gè)風(fēng)雨密開口被浸沒，從而導(dǎo)致Z02區(qū)域發(fā)生累積浸水，此時(shí)對(duì)應(yīng)破損工況的生存概率直接被判定為0。

本破損工況中，出現(xiàn)了多個(gè)開口高度被浸沒的情況，其中除代碼DOOR06和DOOR07以外被浸沒的開口可以通過(guò)增加圍板高度來(lái)解決[2]。

開口DOOR06和DOOR07代表居住區(qū)門的門檻高度。考慮通過(guò)便利性，不宜將增加高度作為第一優(yōu)化選項(xiàng)。由于本船油艙布置在貨艙W型底以下，溢油管的聯(lián)通會(huì)使得任一油艙發(fā)生浸水時(shí)其他油艙也發(fā)生聯(lián)通浸水，故可在每個(gè)油艙溢油管初始端增加止回閥，避免聯(lián)通浸水，達(dá)到縮小破損范圍的目的。進(jìn)行此項(xiàng)優(yōu)化后，破損工況SDSS 3.2.1浸水艙室減少。優(yōu)化后浸水情況見圖4。

圖4 優(yōu)化后的破損工況SDSS 3.2.1

增加止回閥后，重新計(jì)算非水密開口的淹沒情況，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果，將開口VNET26、VNET27、AP070、SH14、AP057的高度做相應(yīng)的增加，避免累積浸水情況的出現(xiàn)。

采取上述措施后，艉傾1.3 m 對(duì)應(yīng)的分艙指數(shù)用A1表示，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 優(yōu)化后艉傾1.3 m的分艙指數(shù)計(jì)算結(jié)果

結(jié)果表明，艉傾1.3 m工況的分艙指數(shù)已滿足要求，但本次優(yōu)化對(duì)平浮狀態(tài)的分艙指數(shù)無(wú)貢獻(xiàn)，仍不能滿足要求。

3.2 平浮初始狀態(tài)

對(duì)初步計(jì)算結(jié)果平浮工況下的生存概率分布圖(見圖5)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)Z09區(qū)域單區(qū)破損有生存概率s<0.05的情況。

對(duì)Z09區(qū)單區(qū)破損結(jié)果進(jìn)行分析，有多個(gè)破損組合生存概率為0，見表5。

選取DP/SDSS 9.2.1破損組合進(jìn)行分析，根據(jù)NAPA軟件計(jì)算，得到最大復(fù)原力臂為0.57 m，浸水后從平衡橫傾角量取的正復(fù)力臂的范圍為40.3°。均滿足公約要求；非水密開口浸沒情況分析見表6，可見該破損組合平衡狀態(tài)由于浸水平衡水線位置開口DOOR15被淹沒導(dǎo)致了Z10區(qū)域發(fā)生累積浸水，生存概率被判定為0。

圖5 平浮狀態(tài)下生存概率分布圖

表5 Z09區(qū)單區(qū)破損組合及指數(shù)計(jì)算列表

注：w為不同吃水下分艙指數(shù)的權(quán)重系數(shù)；p為所考慮的艙或者艙組可能進(jìn)水的概率，不考慮水平分隔；v為水平分隔以上處所不進(jìn)水概率的縮減因數(shù)；s為進(jìn)水后的生存概率，包括任何水平分隔的影響；A0n為第n個(gè)破損組合對(duì)應(yīng)的分艙指數(shù)。

表6 DP/SDSS 9.2.1破損組合非水密開口浸沒情況列表

DOOR15為甲板以上水手長(zhǎng)儲(chǔ)藏室的開口，分析出現(xiàn)累積浸水的原因是：在分艙設(shè)置時(shí)，設(shè)定了主甲板即Z=16 m的水平分隔，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)Z09區(qū)域主甲板以下范圍破損(垂向縮減因數(shù)v=0.702 1)時(shí)，水手長(zhǎng)儲(chǔ)藏室通過(guò)DOOR15產(chǎn)生累積浸水。但是考慮SDSS 9.2.1中浸水艙室和水手長(zhǎng)儲(chǔ)藏室同時(shí)浸水的組合破損的工況SDSS 9.2.0(垂向縮減因數(shù)v=0.298 0),對(duì)應(yīng)的生存概率卻為1，所以此處設(shè)置水平分隔不能增加貢獻(xiàn)[3]，反而導(dǎo)致了因累積浸水，生存概率被判定為0的情況。

根據(jù)以上分析，將Z09區(qū)域Z=16 m的水平分隔取消，更新的Z09區(qū)域分艙設(shè)置見圖6。

Z09區(qū)域?qū)?yīng)的單區(qū)破損工況數(shù)減少為4個(gè)，Z09單區(qū)破損達(dá)到的指數(shù)大幅提升，結(jié)果見表7。

此時(shí)，平浮狀態(tài)時(shí)達(dá)到的分艙指數(shù)用A2表示，計(jì)算結(jié)果見表8，滿足公約要求。

圖6 優(yōu)化后的Z09區(qū)域分艙設(shè)置

表7 優(yōu)化后Z09單區(qū)破損組合指數(shù)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

40 000 t自卸散貨船和普通散貨船在分艙上的區(qū)別使其分艙指數(shù)滿足公約要求的難度有一定程度的增加。其主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：

(1)機(jī)艙水密艙段和1號(hào)貨艙水密艙段浸水體積大，單區(qū)破損工況平衡狀態(tài)的縱傾過(guò)大，且和這2個(gè)區(qū)域相鄰的2區(qū)破損對(duì)分艙指數(shù)的貢獻(xiàn)較小。

(2)燃油艙布置在貨艙W形底以下，低于平衡水線，會(huì)導(dǎo)致聯(lián)通浸水。

表8 優(yōu)化后平浮狀態(tài)分艙指數(shù)計(jì)算結(jié)果