12 200 TEU集装箱船破舱稳性研究

2022-06-10孟健勇

上海船舶运输科学研究所学报 2022年2期

孟健勇

(金海智造股份有限公司，上海 200122)

0 引言

近年来，随着国际海事组织(International Maritime Organization，IMO)对船舶节能减排的要求日趋严格，新规则陆续生效，达到一定使用年限的老旧船舶逐步被淘汰。在跨洋航线上，伴随着新巴拿马运河的开通和投入运营，新巴拿马型集装箱船得到了市场的青睐。为降低运营成本、提高经济效益，近年来集装箱船日益朝着大型化方向发展，随之对船舶破舱稳性提出了更高的要求，尤其是船舶破损之后引发的燃油泄漏和舱室进水等事故，给船员、船舶资产、船上货物和海洋环境带来了严重的威胁。为保证船舶破损之后仍具有一定的生存能力，对破舱稳性计算进行研究具有重要意义，其中船舶边舱的宽度、分舱长度和全船开口的布置等是关键因素，直接影响着船舶的装箱量。

本文以金海智造股份有限公司研发的12 200 TEU集装箱船为例，对其破舱稳性进行研究。该船的垂线间长为313.13 m, 型宽为48.20 m，型深为27.20 m，设计吃水为13.00 m，结构吃水为16.00 m，采用B型干舷。根据《国际海上人命安全公约》(International Convention for Safety of Life at Sea，SOLAS)的要求，破舱稳性应采用概率法计算。该船的概率性破舱稳性采用芬兰的NAPA软件计算，在设计初期能取得较高的工作效率，计算结果获得了船级社的认可。同时，该软件输出的图和表内容丰富，在对计算结果进行分析时，有助于找出对分舱不利的因素，继而对船舶分舱和浸水位置的开口进行优化。

当前，已有学者对SOLAS破舱稳性规则和一些船型的破舱稳性进行研究。例如：文献[3]对SOLAS规范中有关破舱稳性的定义和公式进行了剖析；文献[4]对Minicape型散货船的破舱稳性进行了研究；文献[5]基于概率破舱对2 500 TEU集装箱船的优化分舱进行了研究。然而，对于超大型集装箱船来说，还是有一定的局限性，未对稳心高度值的选取方法进行深入探究，未对计算结果的分析和优化措施进行详细描述。

本文以上述12 200 TEU集装箱船为例，对采用NAPA软件计算、分析船舶破舱稳性的过程进行详细描述，重点探讨选取和运用NAPA生成图、表的方法，在此基础上对破损工况进行分析。同时，列举计算过程中遇到的部分问题并提出对应的解决办法，以增大船舶分舱指数的值。

1 概率性破舱稳性计算衡准要求

概率性破舱研究主要是研究船舶受到冲撞之后的破损情况，计算船舶破损之后保持不沉没、不倾覆能力的残存概率值。根据SOLAS 第Ⅱ-1章 B-1部分的要求，基于轻载航行吃水、部分分舱吃水、最深分舱吃水等3种吃水，采用对应的最小对各舱或舱组进行破损计算，累计船舶破损之后对残存能力有贡献的分舱指数的值，汇总求取达到的分舱指数的值，要求大于分舱指数，且部分分舱指数不小于0.5。

概率性破舱稳性计算允许部分舱或舱组破损浸水之后，船舶的生存能力低于衡准要求。

1.1 分舱指数R

对于船长大于100 m的船舶，有

(1)

式(1)中：为船舶处于最深分舱吃水时，在1层或数层限定垂向进水范围内的甲板处或其以下部分的最大投影型长。从式(1)中可看出，货船的值与有关，越大，值越大。是衡量船舶在破损情况下的安全性的指标，当达到的分舱指数>时，即表示船舶满足规范对破损的要求，船舶具有相应的安全程度。

1.2 达到的分舱指数A

基于、和等3组吃水，通过计算得到对应的分舱指数、和，加权求和得到达到的分舱指数为

=04+04+02

(2)

每部分的分舱指数(、和)等于破损之后对残存能力有贡献的破损舱或舱组可能浸水的概率与浸水之后的生存概率的乘积的总和，即

=∑

(3)

式(3)中：为考虑的每个舱或舱组；为考虑舱或舱组可能浸水的概率，不考虑任何水平分隔；为考虑舱或舱组浸水之后的生存概率，包括任何水平分隔的影响。

的计算公式为

(4)

1.3 初始工况

初始工况由3种工况组成，对应的吃水分别为轻载航行吃水、部分分舱吃水和最深分舱吃水。在进行破舱稳性计算时，先基于这3种工况，依次对全船的舱室或舱室组合进行破舱稳性计算，得出3种工况的部分分舱指数、和，再进行加权求和，得到达到的分舱指数。

在上述3种工况中，各区域破损之后的浸水概率值是完全一致的，但生存概率是完全不同的。因为这3种工况对应不同的吃水。

1.4 破损范围

沿船长方向以单一分区为单位，最大横向破损深度应不大于/2(为船宽)，最大垂向破损范围为最深分舱吃水位置以上12.5 m。

2 概率性破舱稳性计算

2.1 NAPA计算分析过程

采用NAPA软件对集装箱船进行概率性破舱稳性计算，计算和分析过程见图1。

图1 NAPA 概率性破舱稳性计算和分析过程

2.2 NAPA模型

在进行破舱稳性计算之前，应准备好计算模型，模型的分舱信息须完整，并命名为DMAHULL。

2.3 破损分区划分

对于破损分区划分，应先在NAPA软件内填写分区表Subdivision table，软件会根据填写的分区表生成舱室限界面表CLIMT table，在此基础上自动生成单一区域或多区域连续破损的工况组。

分区表是整个计算的基础，在填写分区表时，应遵循NAPA的规则，填写有效的纵向、横向和垂向限界面数值。若填写的数据不完整，会导致生成的破损工况组覆盖不全面或数据报错，破舱稳性计算结果不准确。12 200 TEU集装箱船分区划分图见图2。

a) 纵剖面

2.4 全船开口信息

全船开口信息应包含所有的风雨密开口和未保护开口，本文所述船舶共有564个这样的开口，数据量大，录入的信息不容有误。全船每个开口的信息都有可能改变船舶破损之后的平衡浮态，对值和值造成影响。

2.5 舱室联通信息

舱室联通信息除了包含舱室与舱室之间的联通信息以外，还包含全船的管路和阀件的布置带来的联通信息。本文所述船舶No.1底边压载水舱控制的阀件布置在管弄处，从吸口到阀件穿越3个舱室。当相邻舱的No.2底边压载水舱(右)破损时，No.1 底边压载水舱会连带浸水，见图3。

图3 管系和阀件系统图

2.6 初始工况和纵倾值

初始工况对应的吃水分别为、和，其中：对应夏季载重线吃水，即结构吃水16.0 m；取完整稳性计算书中的轻压载到港吃水7.789 m；根据规范计算，=+0.6×(-)=12.716 m。

在完整稳性计算书中，所有装箱工况下的纵倾值都没有超过0.5%。因此，采用零纵倾计算和工况下的破舱稳性，采用完整稳性计算书中轻压载到港的纵倾值计算工况下的破舱稳性，本文所述船舶的初始工况基本参数见表1。

表1 目标船初始工况基本参数

2.7 hGM值选取

对于超大型集装箱船，在满足破舱稳性要求的前提下：若最小变小，则重心高度相对增大，甲板上集装箱的装箱量增加；若最小变大，则达到的分舱指数值变大，甲板上集装箱的装箱量减少。最小与装箱量需达到平衡。

对于的选取，SOLAS要求取、和等3组吃水下的最小要求。对于本文所述船舶，先根据完整稳性计算书绘制各典型工况下的的散点图和GM包络线，见图4。初选、和等3组吃水与GM(见表4)包络线的相交值计算，得到。若>，则满足规范的要求，在调整完整稳性计算书、编制压载水交换程序时，相应工况的均应在该包络线的上方；若<，则应调整破舱稳性计算，或按满足破舱稳性衡准要求的或、和等3组吃水修改完整稳性的部分工况或全部工况。

图4 最小hGM包络线

初选的满足衡准要求之后，尝试以GM包络线为基础，调整3组吃水对应的最小，同时将其代入计算流程中进行比较。将不同的代入计算流程中，会得到不同的值，见表2。在选取时，既要平衡与甲板上集装箱装箱量之间的矛盾，又要结合装载工况给予船舶一定的安全裕度。

表2 不同hGM和对应的A值、R值

2.8 结果评估

2.8.1 达到的分舱指数

根据SOLAS的要求，对、和按4∶4∶2的比例加权求和，且三者均不小于0.5，详细的计算结果见表3。

表3 达到的分舱指数A

2.8.2 SFAC DIAGRAM

NAPA软件有2个模块对分析破舱稳性计算结果有指导作用，分别是生存概率图SFAC DIAGRAM和破损之后损失掉的生存概率图P1S DIAGRAM。SFAC DIAGRAM用颜色表达单个分区或多个分区破损之后的生存概率。根据SFAC DIAGRAM可生成不同吃水下左舷和右舷破损的生存概率图。图5为最深分舱吃水下左舷和右舷分别破损之后的生存概率图，能直观地看出左舷和右舷的生存概率，较快地做出对比，缩小分析范围。

图5 最深分舱吃水ds下左舷和右舷分别破损之后的生存概率图

2.8.3 P1S DIAGRAM

·是船舶破损之后的生存概率，(1-)是船舶破损之后损失掉的生存概率值，图6为P1S DIAGRAM，其中不同的符号表示单个分区和多个分区破损之后损失掉的概率值，可很容易看到哪些区域在破损之后值的损失比较大。

图6 P1S DIAGRAM

从图6中能找出船舶破损之后生存概率值损失较大的区域，但该区域破损的详细信息需结合SFC DIAGRAM 和对应破损工况的计算结果获取。

2.8.4 SFAC DIAGRAM和P1S DIAGRAM的应用

从图6中能很容易看出Z06、Z07、Z08和Z09等4个分区，单区破损时损失的生存概率值较高。结合图5可知，这4个分区左舷与右舷的生存概率图标不一致，左舷破损之后的生存概率值低于右舷。改善左舷4个分区破损之后的状态，有利于增大的值。

基于此，先对比两舷舱室布置的差异，再对比该区域进水点的布置情况，最后查看详细的计算书。这4个分区同处货舱区域，两舷的舱室是对称布置的，在不考虑左舷和右舷破损之后的进水点的情况下，计算结果应是一致的。因此，左舷与右舷破损之后的进水点可能存在明显的区别。

为进一步验证上述结论，还需参照详细的计算书。表4为 Z06、Z07、Z08和Z09等4个分区破损之后最终的浮态信息汇总，Z06、Z07和Z08左舷破损之后，进水点为H30，且H30在水下。查阅破损控制图，H30布置在艉部系泊甲板上，该开口是进入舵机舱的风雨密小舱盖。Z06、Z07和Z08等3个分区均在左舷破损之后，舵机舱因H30继续进水，船舶最终的平衡状态不满足规范的要求。

表4 Z06、Z07、Z08和Z09等4个分区破损之后最终的浮态信息汇总

对比浸没深度和横倾角，将H30从左舷距中17.845 m调整到左舷距中5.845 m，Z06、Z07和 Z08等3个分区左舷破损的状态将得到改善。将新的H30开口信息代入NAPA软件中，计算得到的值增大。表5为H30开口调整前后的值对比。

表5 H30开口调整前后的A值对比

3 增大A值的方法

通过对破舱稳性计算结果进行分析，可从以下几个方面增大值。

3.1 找出最易进水的开口

艉部系泊甲板(见图7)是全船最低的甲板。从表4中可看出，当Z01～Z09分区左舷单舱破损时，艉部系泊甲板的一部分在水下，这里布置的小舱盖、空气管等是全船最易浸水的开口。鉴于此，艉部系泊甲板上小舱盖、空气管和溢流管等尽量靠近甲板中心线布置，小舱盖需优先选择水密的小舱盖。空气管和溢流管应布置在船首方向，在不影响集装箱吊装的前提下，使其高度最大化。

图7 艉部系泊甲板示意图

3.2 加密破损分区和扩大多分区连续破损计算

概率性破舱计算是指累计有效的值。在沿船长方向的分舱范围内，合理加密破损分区，会使计算的破损工况增多。随着破损工况数量的增加，有效的值会得到累计，这部分数值会为增大值做贡献。此外，可扩大计算的连续破损区域，从计算连续3个和4个分区破损扩大到计算连续5个分区破损，同样能增大部分有效的值。

3.3 机舱与轴隧舱隔离

本文所述船舶的轴隧舱与机舱是联通的(见图8)，机舱或轴隧舱任一位置浸水，都会扩大浸水范围。从图5中可看出，无论是单个区域破损，还是多个区域连续破损，其值都是无效的，不能为增大值做贡献。从图6中可看出，当轴隧舱破损时，该区域的值的损失比较大，若能将机舱与轴隧舱有效隔离，会改善该区域破损之后的浸水状况，增大值。