不同工況下養殖工船純穩性分析

穆璟寶

（大連職業技術學院，遼寧大連 116035）

0 引言

可移動深遠洋養殖工船作為一種機動靈活、多功能的深遠海養殖裝備，對于彌補我國高品質水產品缺口，促進我國水產養殖產業可持續發展與轉型升級，助力突破深遠洋生物利用環境和資源限制的挑戰都具有重要意義[1]。近年來，對養殖工船總體規范和穩性安全的相關研究取得了一些進展[2-4]。自2008年以來，國際海事組織（International Maritime Organization, IMO）開始制定能在極端海況的條件下保證船舶安全性的第二代船舶穩性衡準。目前，針對純穩性喪失、參數橫搖和癱船等衡準的計算評估方法已在IMO船舶設計與建造分委員會（Ship Design and Construction Sub-Committee, SDC）會議上得到廣泛認可。近年來，我國針對IMO新一代穩性衡準已開展較為廣泛的研究[5-6]，但針對可移動深遠海養殖工船穩性衡準計算評估方法的相關研究鮮有報道。

本文對深遠海可移動養殖工船的工況進行分析，基于IMO制訂的第二代完整穩性衡準中純穩性喪失的計算方法，對養殖工船在波浪中的穩性安全薄弱性進行分析，研究成果可為我國養殖工船穩性標準化工作提供一些參考。

1 第二代完整穩性純穩性喪失薄弱性衡準及計1 算方法

新一代完整穩性的評估方法主要需要考慮船舶在極端海況下的動穩性，目前SDC會議上主要對純穩性喪失、癱船、參數橫搖、騎浪/橫甩和過度加速度等5種失效情況下船舶穩性薄弱性衡準的評價達成共識。

純穩性喪失是一種由于船舶水下部分與波浪的相對位置不同導致船舶的復原力臂逐漸減小，最終造成船舶傾覆的失效形式。目前對純穩性喪失的計算評估衡準主要是通過2層薄弱性衡準進行確定，第一層薄弱衡準的要求相較于第二層衡準更高，若2層薄弱衡準均無法通過，則需要進行穩性直接評估。

1.1 純穩性喪失第一層薄弱性衡準

當考慮了自由液面修正后的最小初穩性高度GMmin小于純穩性喪失第一層衡準值RPLA時，認為船舶在此工況下無法滿足完整穩性中純穩性喪失第一層衡準。第一層衡準值RPLA取0.05 m。

在計算GMmin時，需要考慮參數η的大小，其表達式為

式中：D為型深；d為吃水；V為船舶的排水體積；Aw為船舶的水線面面積。

若η＞1，GMmin可根據第一代完整穩性中簡化的靜水中公式進行計算；若η＜1，計算GMmin時需要分別考慮當波峰位于船舶質心位置、沿艏向距質心0.1L、0.2L、0.3L、0.4L、0.5L位置，沿艉向距質心0.1L、0.2L、0.3L、0.4L，共10個位置時的裝載情況[7]，其中，L為船舶長度。

1.2 純穩性喪失第二層薄弱性衡準

若船舶不能滿足第一層純穩性喪失薄弱性衡準，可采用安全裕度較低的第二層薄弱性衡準進行計算，進而獲得保守性更低的純穩性喪失預測結果。當船舶在某航速下計算得到的純穩性喪失失效概率CRmax小于衡準值RPL0時，可認為在該工況下，船舶滿足純穩性喪失第二層薄弱性衡準，其中RPL0=0.06。純穩性喪失失效概率CRmax表示在特定工況下船舶發生純穩性失穩的最大可接受出事概率，其計算公式為

式中：CR1為基于穩定橫傾角，考慮特定穩性參數加權平均值的失效概率；CR2為基于穩性消失角，考慮特定穩性參數加權平均值的失效概率。

式（3）和式（4）中：Wi為波浪的權重因子，可從北大西洋海浪譜中獲得；C1i和C2i為系數，取值規則見式（5）和式（6）。

式（5）和式（6）中：φv為經過自由液面修正后的穩性消失角；RPL1為純穩性喪失第二層薄弱性衡準下的安全衡準值，即船舶可保證穩性安全的最大橫傾角，取30°；φs為穩性橫傾角；φloll為最大的負穩性橫傾角；RPL2a為客船穩性橫傾角，RPL2a=15°；RPL2b為非客船穩性橫傾角，RPL2b=25°。

2 養殖工船工況分析

不同于普通貨船，深遠海養殖工船是一種既能完成養殖任務，也能進行繁育、加工、魚貨冷藏運輸等多項任務的多功能新船型。根據張光發等[8]建立的經濟論證模型，為獲得較好的經濟性，養殖工船應主要用來養殖高體鰤、珍珠龍膽石斑魚等具有較高附加值的魚類。為滿足養殖魚類對水域環境和溫度的要求，深遠海養殖工船每年9月～12月從我國北方海域向更溫暖的南部水域進行遷移。在到達預定水域后，養殖工船會在既定地點錨泊，進行定位養殖，并在次年4月份向北方水域返航。在不同水域間進行轉移能更好地完成繁育養殖任務。養殖工船需要躲避臺風，并需要為避免長時間定點養殖帶來的水質惡化問題進行短距離游戈等任務，因此，養殖工船應配備相應的推進系統。根據崔銘超等[9]對養殖工船快速性的優化結果，當設計船速為10 kn時，船舶的經濟性和快速性都有較好的保證，在船舶航行時要保證穩定安全，符合相關規范的要求。

當養殖工船執行養殖、繁育任務時，其工況與液貨船裝載大量液貨的工況類似，也需要考慮自由液面的影響[10]。除養殖、繁育工況外，養殖工船還需要考慮魚貨加工和儲藏運輸等工況。因此養殖工船的穩性安全評估需要考慮魚貨滑動的影響[2]。

相較于普通船舶，養殖工船不僅要考慮遷徙航行、魚貨加工、壓載出港、滿載出港、壓載到港和滿載到港等常規工況，還需要充分考慮海上養殖、繁育、加工等特殊工況。中國船級社（China Classification Society, CCS）建議在穩性校核時將養殖工船的工況分為2種[3]：1）航行工況，即在預定水域航行時的工況；2）養殖工況，即在一定范圍水域內定位，進行養殖任務，較長時間處于漂浮狀態下的工況。

為完成海上養殖任務，養殖工船通常會在主甲板下方靠近舯部的位置設置若干個養殖魚艙用于魚類養殖。在艏部和底部設置壓載艙以保證船舶的穩性，養殖工船的工況與油船裝載液貨的工況有較多相似之處，故其可參照雙殼體油船進行工況分析。

在CCS建議的2種工況的基礎上進行細分，將養殖工船的工況分為壓載出港、壓載到港、作業1出港、作業1到港、作業2出港、作業2到港等6種工況，具體見表1。

表1 養殖工船工況

3 養殖工船純穩性喪失安全性分析

3.1 樣船選取及工況劃分

深遠海養殖工船可分為舊船改裝型和專業化設計型這2種類型。相較于普通貨船，養殖工船的船型種類較多。對于功能、養殖對象不同的養殖工船，其養殖作業的水域、船舶的主尺度均大不相同，本文選取5種代表性船型進行分析計算。

本文基于第二代穩性衡準，對5種代表船型在不同工況下的穩定性和安全性進行計算和評估。養殖工船樣船的主尺度及計算工況見表2。

表2 養殖工船樣船的主尺度及計算工況

3.2 樣船純穩性喪失結果

基于第二代完整穩性純穩性喪失薄弱性衡準進行計算，樣船工況與純穩性喪失衡準的關系見表3。

表3中的陰影部分表示該船型在該工況下未滿足純穩性喪失的安全要求，7 000噸級散貨船均通過了第一層和第二層穩性衡準，說明其不容易發生純穩性喪失。在評估船舶第一層薄弱衡準GMmin時，150噸級冷藏船的作業1出港、作業1到港這2種工況，3 000噸級駁船、5萬噸級油船、10噸級油船的所有6種工況均未通過第一層衡準。除5萬噸級油船的滿載出港、滿載到港、作業2出港、作業2到港等4種工況外，其他船型均通過了第二層薄弱衡準，說明純穩性喪失的第一層和第二層衡準是存在不協調性的，即有的船舶能通過第一層薄弱衡準但不一定能通過第二層衡準，同樣的通過第二層穩性衡準的船舶也不一定能通過第一層衡準。

樣船工況與純穩性喪失第一層、第二層衡準的關系見圖1。除5萬噸級油船的作業1出港、作業1到港這2種工況外，其他4艘樣船均符合當第一層衡準中的最小初穩性高度GMmin越小，第二層衡準中的失效概率CRmax就越大的規律，說明這4艘樣船的純穩性喪失的第一層、第二層衡準具有良好的協調性。當第二層衡準中的失效概率CRmax較大時，對應的GMmin較小，說明此時船舶應對純穩性喪失的安全性較差，發生純穩性喪失的概率也較高，此時船舶的工況是最容易出現純穩性喪失。然而，對于5萬噸級油船的作業1出港、作業1到港這2種工況，當第一層純穩性喪失衡準中的最小初穩性高度GMmin達到最低時，其第二層純穩性喪失衡準中的失效概率CRmax并非最低，即在第一層純穩性喪失中最危險的工況，在第二層衡準中卻不是發生失效概率最大的工況。這表明對于某些船型，其第一層、第二層薄弱衡準規律可能是不同的，對于此類分析計算結果不一致的情況，需要開展進一步的研究與分析。

圖1 樣船工況與純穩性喪失第一層、第二層衡準的關系

4 不同工況下對養殖工船純穩性喪失安全性的影響分析

樣船工況與第一層衡準中GMmin和第二層衡準中CRmax的關系分別見圖2和圖3。由圖2和圖3可知，所選取的4艘樣船在所有工況下其純穩性喪失的第一層衡準中的最小初穩性高GMmin、第二層衡準中的失效概率CRmax的計算結果具有較好的協調性，即所選取的樣船在工作1出港、工作1到港的這兩種工況的第一層衡準中的最小初穩性高GMmin明顯要小于其他工況，而這兩種工況的第二層衡準中的失效概率CRmax要明顯高于其他工況，能充分說明這2種工況下純穩性失穩第一層、第二層衡準都是最為危險的。因此，養殖工船在進行養殖、繁育、加工任務時最容易發生純穩性喪失，在設計、改裝養殖工船時應對該工況下可能發生的危險給予高度關注，采取相應的措施，提高船舶的安全性。

圖2 樣船工況與第一層衡準中GMmin的關系

圖3 樣船工況與第二層衡準中CRmax的關系

5 結論

本文基于IMO的第二代純穩性喪失衡準，對極端海況下養殖工船的穩性進行計算，并分析相應影響因素，可得到如下結論：所選取的部分養殖工船樣船較容易發生純穩性喪失，在航行和設計時要充分考慮其純穩性喪失相關的安全性；改裝成養殖工船的樣船在處于養殖、繁育、加工任務狀態下較易發生純穩性失穩。