_单舱大开口重吊船破舱稳性研究_单舱大开口重吊船破舱稳性研究

第39卷　第4期2010年08月船海工程

S HIP &OCEA N ENG IN EERI NG V ol .39　N o .4

A ug .2010

收稿日期:2009-10-29修回日期:2009-11-27

作者简介:柳　杨(1984-),男,硕士生。研究方向:船舶稳性

E -mail :liuy ang 110@sjtu .edu .cn

DOI :10.3963/j .issn .1671-7953.2010.04.001

单舱大开口重吊船破舱稳性研究

柳　杨,杨　启

(上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海200240)

摘　要:以一艘单舱大开口重吊船为算例,简述主尺度特点,对该船如何满足概率破舱稳性进行计算分析,讨论不同设计方案的有效性和可行性,并总结出一套该类船舶满足概率破舱要求的设计思路。

关键词:单舱大开口船舶;分舱;概率破舱稳性

中图分类号:U661.2 文献标志码:A 文章编号:1671-7953(2010)04-0001-04

国际经济贸易中货物的种类和形式趋于多样化,在常规货物种类例如杂货、散货、集装箱,滚装货之外,大件货物运输越来越多,尤其是海洋工程

装备的发展,使得大量的海洋工程结构物需要运输和吊装,亟待设计建造可以用于运送大件货物的船舶。目前,大部分此类船舶的设计由国外设计公司完成,国内设计部门鲜有涉足。2009年1月1日,《SO LAS 2009》强制实施[1],新规则对破舱稳性要求提高。以一艘单舱大开口的重吊船为算例,探讨单舱大开口船舶满足破舱稳性的设计方案。

1　算例船概况

该船主尺度见表1。

表1　算例船船型要素表要素数值总　长/m

133.00垂线间长/m 122.85型　宽/m 23.00型　深/m 11.40设计吃水/m 7.40设计航速/kn 16.5舱口尺度/(m ×m )94.25×16.2载重吨/t 10000货舱舱容/m 3

15559

该船突破以往重吊船设计单舱最大舱容的限制,达到单一货舱载重量10000t ,货舱开口尺度

为94.25m ×16.2m ,不但能运送海洋工程中的大件货物,又可以兼作集装箱船使用,能够适应不断变化的海运市场需求。

2　分舱指数计算规则

国际海上人命安全公约规定,当达到的分舱指数A 大于等于要求的分舱指数R 时,货船满足破舱稳性的要求。

2.1　要求的分舱指数R

货船要求的分舱指数:R =1-128

L s +152

L s ≥100m

R =1-1/1+L s 100×R 0

1-R 0　100m ≥L s ≥80m

式中:L s ———分舱长度。

L s 越长,对货船破舱稳性的要求就越高。

2.2　达到的分舱指数A

新规范要求货船所能达到的分舱指数由三种水线下计算得到的分舱指数加权得到,即轻载营运吃水d l 、部分分舱吃水d p 和最深分舱吃水d s ,分别对应分舱指数A s 、A p 、A l 。

A =0.4A s +0.4A p +0.2A l

每一水线下的分舱指数生存概率是不为0的、对分舱指数有贡献的破损工况的和:

A =

∑p i s

式中:i ———破损舱组编号;

p i ———舱组破损浸水概率;s i ———舱组破损浸水后的生存概率。

3　破舱稳性影响因素分析

3.1　概率破舱初稳性高(GM )的选取

概率破舱稳性计算中,所选择的三种水线(轻

第4期船　海　工　程第39卷

载营运吃水d l 、部分分舱吃水d p 和最深分舱吃水d s )对应的极限GM 值,对于分舱指数有很大的影响。但是,不能随意提高极限GM 值,这是因为,极限GM 值的连线(图1中的折线),将作为船舶运营过程中的初稳性高下限,如果GM 取得的过大,虽然容易满足分舱指数的要求,却会给船舶运营时的装载带来很大限制,迫使货物重心降低,造成船东的经济损失。原则上,极限GM 应取可以满足条件的较小值

。

图1　初稳性高随吃水变化图

正确的方法是,考虑船舶运营中的主要装载工况,列举该重吊船在不同吃水下的初稳性高(图1中的散点),然后在轻载营运吃水、部分分舱吃水和最深分舱吃水的位置布置极限GM 值,也就是确定这3个点的高度,使得全部散点处于这3点连成的折线上方。

对于满足概率破舱稳性困难的船舶,有时不得不通过提高3个极限GM 值来获得更高的分舱指数,如果个别装载状态限制了极限GM 值的升高,反过来也需要适当调整装载。

与旧公约的两水线加权相比,三水线加权可以更灵活地根据实际装载需要和分舱指数要求调整初稳性高下限。例如,船舶在某个吃水区间的装载状况为重心高度较高、初稳性高较小,为了不损失这个装载范围的经济利益,有意在这个吃水范围内降低极限GM 值(

图1折线的右段),这样做会导致分舱指数值的降低,作为补偿,适当提高

经济利益较低的载况的极限GM 值(图1折线左段)。最终目的是既满足各个吃水下载况的初稳性高要求,又能获得最大的经济利益。3.2　设置顶边舱

除运输大件货物外,该船还作为常规集装箱船使用,其设计汲取了优秀的集装箱船设计理念。对于少货舱集装箱船,破舱稳性同样是设计的限制因素。目前,集装箱船设计中比较流行的一种布置是:将二层甲板作为干舷甲板,主甲板和二甲板之间的封闭边壳作为通道[2]

,通道内合理布置

水密门作为纵向分割。图2为设置顶边舱前后的概率破舱稳性计算模型效果图

。

图2　概率破舱稳性计算模型图

这种设计对船舶破舱稳性和经济性有着积极的影响。

1)将二层甲板作为干舷甲板之后,有水密关闭装置的顶边舱就变成了有效上层建筑。在干舷计算中,有效上层建筑对夏季最小干舷的有利修正最为明显。本船夏季最小干舷值的最终设计方案为F min =2509.2mm 。其中,有效上层建筑对基本干舷的修正为-466.7mm ,修正前后,最小干舷值减小了将近20%,为货物装载和最深分舱载重线的划定提供了更大的活性空间。

2)具备水密关闭装置的边舱为船舶破损后提供了可观的储备浮力,这种改变的作用甚至是决定性的。用Napa 软件建模计算,在其他舱室相同布置的情况下,顶边舱设置前后,达到的分舱指数A 从0.51194上升到了0.55787,而本船要求的分舱指数R =0.54765。可见,设置顶边舱,很大程度地提高了分舱指数A 值,使得该船满足了SO LAS 公约关于概率破舱稳性的要求。

3)由于主货舱的舱口盖架放在顶边舱顶端内侧,顶边舱的高度很大程度影响了主货舱的容积,特别是对于装载集装箱的工况,还需要考虑与集装箱高度的配合。肋位处集装箱布置见图3,如果不设置顶边舱,增加型深后也只能布置4层标准箱,而设置顶边舱之后,配合合理的双层底高度,舱内可以布置5层集装箱。可获得可观的经济利益。

单舱大开口重吊船破舱稳性研究———柳　杨,杨　

启

图3　集装箱布置图

除对船舶稳性和货物布置起到积极影响外,在结构上,顶边舱还提高了大开口船舶的抗扭能

力,该船设置高度为3.875m 的顶边舱,并在顶边舱内距尾垂线31.85～80.60m 的位置设水密分割。3.3　边舱宽度的选取

假设该船不设边舱,所能达到的分舱指数A =0.23874,远远不能满足要求。整个货舱长度部分缺少边舱的保护,一旦破损,整个货舱浸水,生存概率很低。设立边舱之后,减小了主货舱破损的概率,提高了主货舱区域的破损生存概率。

随着边舱宽度的增加,边舱破损浸水后的倾斜越大,沉船的危险性也会增加,边舱浸水后的倾斜又成为主要的安全隐患,所以,分舱指数A 的提高受到限制。

保持其余舱室不变,仅改变货舱两侧边舱宽度,单变量地研究边舱宽度对于该船破舱稳性的影响。图4为不同边舱宽度所达到的分舱指数A

。

图4　分舱指数A 随边舱宽度变化图

可以看到,设立边舱后,分舱指数A 得到很大提升,边舱半宽比在0.05～0.15之间,对分舱指数A 的影响效果明显,进一步增加边舱宽度比至0.35,对分舱指数A 的影响变得平缓,边舱宽度继续增大,分舱指数A 会有进一步的提高,然而,过大的边舱会影响主货舱的容积。3.4　边舱纵向分割影响分析

从理论上分析,如果将原舱长为l 0的边舱纵向分割成长度分别为l 1和l 2的两个舱,如图5,则有:

l 0=l 1+l

图5　边舱纵向分割示意图

分舱之前的分舱指数为

A 0=p 0·s 0

分舱之后的分舱指数为A =(p 0-p 1-p 2)·s 0+p 1·s 1+p 2·s 2

通常情况下,s 1≥s 0,s 2≥s 0,p 1>0,p 2>0。分舱前后,分舱指数A 的变化为

δA =A -A 0=(p 0-p 1-p 2)·s 0+p 1·s 1+p 2·s 2-p 0·s 0=p 1×(s 1-s 0)+p 2(s 2-s 0)≥0

可见δA 是单调增函数,然而当纵向分割增加到一定数量,使得生存概率s 0=s 1=s 2=1,此时δA =0,进一步增加纵向舱壁不再对分舱指数A 有贡献。只有在舱长较长,其浸水后s 0<1,分舱后的s 1和s 2大于s 0的情况下,增加纵向分割才会有利[3]。

综上,起初增加边舱的纵向分割对分舱指数A 是有利的,但有利程度随边舱数目的增加而减小,直到趋向于0。

对该单舱大开口重吊船的主货舱长度范围内的边舱进行纵向分割,见图6。然后计算分割后边舱数量从3到11的过程中,分舱指数的变化趋势见图7

。

图6　边舱纵向分割示意图

图7　边舱纵向分割对分舱指数A 的影响

可以看到,边舱分舱数从3增加到4时,分舱指数有很大的提高;从4增加到6,分舱数仍有可观的提高,但增加幅度明显减缓;从6增加到11

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时,分舱指数的增加十分微小。所以,最终将该船

边舱纵向分割为6部分,并根据装载和船舶舾装

需要设置水平水密分割和局部分割。

3.5　双层底高度影响分析

按照SOLAS规定,假定破损范围向下延伸

至基线,当双层底与主货舱同时不设纵向分割或

者设置相同的纵向分割时,双层底高度对生存概

率没有影响;当双层底内设纵向舱壁,而主货舱为

平衡舱时,双层底高度的升高会使生存概率略有

减小。

分舱指数随双层底高度变化的趋势见图8

。

图8　分舱指数随双层底高度变化趋势

随着双层底高度增加,分舱指数呈下降趋势,然而影响程度很小,首尾两点比较,A只减小了0.44%。说明对于这种单舱大开口船舶,仅从满足概率破舱的要求来说,可以忽略双层底高度的影响。然而双层底的高度直接影响船舶的重心高度和压载容积的大小。

SO LAS2009中对双层底高度的要求为h≥760mm(h=B/20),且无必要大于2000mm。

综合之前对顶边舱高度的考虑,主货舱区域设置2m高的双层底时,最顶层集装箱箱顶距主货舱舱口盖0.3m,刚好在舱内可设置5层标准集装箱。

4　结论

1)设置顶边舱有利于修正最小干舷,获得更大的装载空间,并为大倾角稳性提供储备浮力,在破舱出现大倾角横倾后,获得更大的生存概率;同时增加了舱内和甲板上集装箱布置的数量,获得更大的经济利益。

2)增加边舱宽度对船舶破舱后的生存概率是有利的,但这种有利影响随着浸水后的大倾角横倾而削弱,因此,需综合结构强度因素和舱容布置因素,合理选择边舱宽度。

3)合理选择轻载营运吃水、部分分舱吃水和最深分舱吃水对应的极限GM值,既可以满足不同装况的需要,又能满足破舱稳性的要求。

4)双层底高度对分舱指数A的影响有限,其确定因素主要考虑装载重心高度和货舱容积。

5)主货舱长度范围内边舱纵向分割,在分割数较少时对分舱指数影响明显,但随着分割数的增加,分舱指数增加程度减缓,再继续增加纵向分割数对破舱稳性无益。

参考文献

[1]中国船级社.SO L AS2009分舱与破损稳性要求实施

指南[M].北京:人民交通出版社,2009.

[2]杨　军.浅谈集装箱的破舱稳性[J].船舶设计通讯,

2005(2):50-53.

[3]胡铁牛.货船概率破舱稳性计算及对分舱的影响[J].

上海交通大学学报,1997,31(11):26-29.

Probabilistic Damage A nalysis of Ship with Large

Opening Single Cargo H old

LIU Yang,YANG Qi

(School of N aval A rchitecture Ocean and Civil Engineering,Shanghai Jiao tong U niver sity,Shanghai200240,China)

A bstract:T aking a lar ge opening sing le carg o ship fo r ex ample,the desig ning prog ress w as described sim ply,calcu-latio n o n the probabilistic damag e stability w as ca rried o ut.T hro ug h discussing the feasibilities of differ ent desig ning plans,the commo n desig ning manner w as pro posed of the single ho ld ship with lar ge opening w hich are restricted by probabilistic damag e stability.

Key words:lar ge opening sing le carg o ship;subdivision;pro babilistic damage stability