客滾船的破艙穩性計算

徐 佳

（廈門船舶重工股份有限公司 廈門 361000）

0 引 言

根據國際海上人命安全公約（SOLAS 2009），破艙穩性計算的概率性方法已替代確定性被各界認可并被廣泛使用，對于客滾船，其破艙穩性計算的要求比貨船更多也更嚴格，基于破艙穩性計算的設計難度也比較大。

2017 年6 月，國際海事組織（IMO）海上安全委員會第98 屆會議（MSC 98）通過了日本、中國、菲律賓和美國聯合提出的新的客船分艙指數公式，對于2020 年1 月1 日以后建造的客船生效。該公式相對于SOLAS 2009 要求的分艙指數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峻的挑戰。

目前，全球客滾船船東主要集中在歐洲地區（尤其是北歐的挪威、瑞典以及丹麥等國家），大部分該船型由歐洲和日本船廠建造。我國近年來雖然交付的客滾船數量不多，但仍呈逐年遞增之勢。在設計上，高端客滾船幾乎被歐洲壟斷，我國威海、廣州、廈門等地所建為數不多的高端客滾船，其設計也來自歐洲。對于該船型的破艙穩性計算，與歐洲主要設計公司相比，國內設計水平也在不斷提高，但對A 級艙壁、橫貫浸水、歐盟特定水域等規則的解讀仍缺少經驗。本文以1 艘歐洲航線的2 800客位豪華客滾船為計算實例，基于規范要求并結合NAPA 軟件的使用，詳細介紹了客滾船的破艙穩性計算過程（包括計算準備、初始計算工況的選定、計算結果以及特殊水域的要求），并從計算結果中討論分析關鍵吃水處的穩性衡準裕度，旨在為該型船的總體設計人員提供借鑒。

1 計算準備

1.1 模 型

在合同設計階段，穩性模型已經建立并隨著CFD 分析以及模型試驗的進展逐步得到優化。除了裸船體外，穩性模型應扣除不能提供浮力的部分（如海底閥箱、艏側推和減搖鰭等），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，按照法規設定破艙滲透率。以NAPA 軟件為例，本船模型建立如圖1 所示。

圖1 2 800 客位客滾船破艙穩性計算模型

1.2 分 隔

為了得到更大的分艙指數A，客滾船的計算分隔應盡量精細。值得注意的是，客滾船某些艙壁或甲板附近的管路尺寸大、數量多，不能被視為艙壁或甲板的一部分。此時應增加一層分隔或加入一個間隙，如此當分隔處所破損時，附近管路未破損，規避了大部分管路的累進進水問題。本船干舷甲板下的管路布置密集，水平分隔向下調整 600 mm，相關穿艙管路（如疏排水管）的止回閥應處于此600 mm 范圍內，如圖2 所示。

圖2 2 800 客位客滾船水平分隔間隙內的止回閥

1.3 艙室連接

一般貨船，由于只需計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開孔連接的艙室和管路連接導致的累進進水艙室即可；而對于豪華客滾船，由于所有進水中間階段的殘存概率都要計算，其底部艙室的橫貫浸水以及非水密A級艙壁都要額外加入到艙室連接中。

1.3.1 橫貫浸水

使船舶某個未破損處所進水以減少平衡狀態下的橫傾，這種方法即為橫貫浸水。常見的橫貫浸水裝置是帶有1 個或多個人孔的一系列結構管，結構管連通左右舷兩側艙室，當一側艙室破損進水后，另一側同時進水來減少橫傾，提高船舶的殘存穩性。

應根據結構管開孔的截面面積和長度計算結構管的摩擦系數總和，再根據空氣管的截面面積計算空氣管壓頭損失帶來的摩擦系數，求得最終的平衡時間。計算公式參考MSC.362（92）決議通過的《評價橫貫浸水裝置標準方法的修正建議案》，此處不再贅述。

每對艙單獨計算平衡時間。若≤60 s，殘存概率作為瞬時浸水狀態計算，不考慮中間過程；若>60 s，則要計算中間階段的殘存概率；若平衡時間>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：橫貫浸水過程中，透氣管開口若通向船內且低于破損橫搖水線（風雨密水線），那么當一舷破損時，水會通過用于調整橫傾的未破損的另一舷艙室透氣管溢出，進而發生累進進水。而客滾船的透氣管出口一般設在車輛甲板上，車輛甲板進水會大大降低殘存概率，所以應避免發生這種累進進水的情況。本船將橫貫浸水艙室距離舷側較近的透氣管通向舷外，同時將距離舷側較遠的透氣管抬高到破損橫搖水線以上，以避免車輛甲板進水。

1.3.2 A 級艙壁

與橫貫浸水裝置相同，非水密分隔的A 級防火艙壁和甲板會減慢艙室的平衡過程，破損范圍內的A 級艙壁需要放在計算分隔中，實際的計算過程會考慮破損與未破損2 種情況。破損時計算中間進水過程的最小殘存概率，并與未破損狀態和最終平衡狀態對比，所有狀態下的最小殘存概率即為當前破損工況下的殘存概率。

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

圖3 橫貫浸水與A 級艙壁的艙室連接

1.4 開 口

1.4.1 非保護開口

在非保護開口所連接的艙室未浸水情況下，若此開口在任何階段被淹沒，則殘存概率等于0，該開口也是完整穩性校核中限制進水角的開口。對于客滾船，這類開口包括未設有透氣頭的透氣管以及通向舷外、無風雨密蓋的通風百葉窗等。

1.4.2 風雨密開口

在風雨密開口所連接的艙室未浸水的情況下，此開口在最終平衡階段不能被淹沒，但可以在中間階段被淹沒。對于客滾船，這類開口包括設有透氣頭的透氣管、帶有風雨密蓋的通風百葉窗等。

1.4.3 橫貫浸水開口

橫貫浸水的開口，即為連通左右舷兩艙室的開口，此開口可以選擇橫貫浸水裝置的第1 個開口點，此開口也視為非保護開口。

1.4.4 累進進水開口

在生產設計階段，大量的管路放樣會產生艙室間的累進進水問題，這些導致累進進水的管子需要在軟件中建模，將建模的管子與艙室連接，并確定累進進水的開口位置，此開口也視為非保護開口。

1.5 脫險通道

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通道相連，通常設置多條作為此通道的路線，其所連接的艙室未被浸沒時，在最終的平衡階段至少有1 條路線不能被浸沒。本船設置了3 條水平撤離通道，均以曲線的形式建立，逃生口與垂直脫險通道相連，參見圖4。

圖4 水平撤離通道

1.5.2 垂直脫險通道

垂直脫險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，垂直脫險通道的開口在任何浸水階段都不能被浸沒，見圖5。

圖5 垂直脫險通道

2 初始計算工況

計算選定3 個吃水，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。

若完整穩性計算下的實際運營工況與計算縱傾相比，縱傾變化大于船舶分艙長度的0.5%，應該計算相同吃水下的不同縱傾，直至縱傾變化小于船舶分艙長度的0.5%。通常情況下，完整穩性工況應盡量通過調整配載以達到較小的縱傾，在破艙穩性計算中，增加縱傾計算會明顯降低殘存概率。本船的船舶分艙長度之0.5%為1.099 m，所有完整穩性計算的營運工況下，縱傾均未超過該值，所以對應計算吃水下的縱傾全部取0。

初始工況設定的3 個吃水下的初穩心高（）形成的包絡線應低于所有完整穩性工況的實際初穩心高，本船的初始工況見表1。

表1 2 800 客位客滾船初始計算工況 m

3 計算與結果

3.1 分艙指數

3.1.1 要求的分艙指數

根據SOLAS 2009，客滾船要求的分艙指數按式（1）計算：

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

本船要求的分艙指數=0.822 66。

3.1.2 達到的分艙指數

達到的分艙指數計算公式與破損范圍參考《國際海上人命安全條約》第7-2 條。

達到的分艙指數應大于要求的分艙指數，本船達到的分艙指數計算結果見表2。從表中可以看到，5 個區域破損仍為分艙指數提供了一定的貢獻值對于設計成熟的客滾船，達到的分艙指數裕度很有限，所以客滾船的破損區域建議算到4~5 個區域。

表2 2 800 客位客滾船達到的分艙指數

對于客船，法規額外要求初始工況下的部分分艙指數≥0.9，一般在最深分艙吃水處的值最小，應額外關注。本船達到的部分分艙指數見表3。

表3 2 800 客位客滾船的部分分艙指數

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 計算，指數計算值為0.875 5，值無法滿足要求，需要額外的結構分艙，整船的總布置需要重新規劃，基于母型船的船型布局不再適用。

3.2 客船穩性的特殊要求

3.2.1 艏部破損

載運400 人或以上的客船在3 個初始工況下，自艏垂線向后0.08 倍船長以內艙室的所有破損情況中，殘存概率都應等于1。

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

3.2.2 舷側破損

載運36 人或以上的客船，在舷側外板破損時，3 個初始工況下的部分分艙指數不應小于0.9。對于載運400 人及以上的客船，破損范圍更廣，需額外考慮多艙破損。舷側破損范圍參考《國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，所需最小初穩心高的最大值見下頁表4。m

表4 2 800 客位客滾船的舷側破損

3.3 底部破損

若雙層底高度未按照船寬的1/20 延伸至船舶全寬區域內，假定的任何一處（包括位于破損范圍內的任何相鄰處所）的底部破損，在3 個初始工況下的殘存概率都要等于1。破損范圍參考《國際海上人命安全條約》第9 條，破損位置見圖6（陰影部分為未設雙層底的部分，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，因此該區域未延伸至船舶全寬，需要計算底部破損，見圖7。

圖7 未設置雙層底的艙室示意圖

由表4 可見，最深分艙吃水處所需最小初穩心高4.03 m 比較接近初始工況的設定值，在設計初期應額外關注。

4 特殊水域要求

在SOLAS 2009 的概率性計算法替代《國際海上人命安全條約》1990 年版（SOLAS 90）和《斯德哥爾摩協定》的確定性計算法而強制生效前，一些研究機構發現SOLAS 2009 的概率性算法在某些方面無法達到SOLAS 90 確定性算法的安全程度，歐盟成員國以及歐洲海事安全局（EMSA）對客滾船放棄采用《斯德哥爾摩協定》標準表達了擔憂。對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《斯德哥爾摩協定》的適用范圍，不僅包括《斯德哥爾摩協定》的簽署國，還包括所有航行于有義波高>1.5 m 的歐洲水域非簽署國的客滾船。在破艙計算中，要假定車輛甲板積水,并根據SOLAS 90 的計算要求進行額外的舷側破損計算。

舷側破損的情況下，當車輛甲板沒有被浸沒時，甲板積水高度基準線為車輛甲板下沿；當車輛甲板被浸沒時，甲板積水高度為破損水線的高度，見圖8。

圖8 甲板積水高度基準

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率不超過10%的最大有義波高有關：

當有義波高≥4 m 時：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，積水高度按插值計算。

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

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

本船的初始工況吃水設定在輕載吃水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 個工況。計算結果顯示，深吃水下的初穩心高要求值高于分艙指數計算的初穩心高要求值。所以，航行區域涉及歐洲水域的客滾船應特別注意在完整穩性計算中，深吃水工況下的初穩心高應滿足此要求。

5 結 語

本文對客滾船的破艙穩性計算過程進行了簡要分析與總結，希望在今后進行此類船型的破艙穩性計算中能為設計者提供一些借鑒。但需要指出的是，客滾船的破艙穩性計算無論在衡準要求還是計算難度和軟件計算時間上，都遠高于貨船。隨著法規不斷更新以及計算方法的不斷優化與改進，未來的客滾船會向著更安全、更嚴格的方向發展。設計人員應盡可能掌握新信息，保持不斷學習的心態，以應對新環境帶來的挑戰。