烟大铁路轮渡渡船稳性优化研究

裘治杰

（上海船舶研究设计院,上海 200032）

0 前言

烟大铁路轮渡渡船由上海船舶研究设计院设计、天津新港船厂建造，已于2006年1月10日顺利下水，预计近期即可交付船东。投入使用后将航行于烟台和大连之间，主要运输铁路货运列车，兼载旅客及汽车。渡船通航后，将连接东北和华东两大铁路网，是东北至长江三角洲陆海铁路通道的关键组成部分，是国家铁路的“十五”计划项目。对连接沿海大通道，缩短南北运输距离，振兴东北老工业基地的经济建设具有十分重要的战略意义。

在本船设计进行期间，渤海海域接连出现了几起重大海难事故，烟大铁路轮渡渡船的安全问题引起了党和国家领导人、各级政府、中铁建和船东的高度重视。2000年11月29日，时任山东省省委书记吴官正同志上报了“关于加快烟大铁路轮渡项目”的报告，翌日，时任国务院副总理吴邦国同志即批示如下：“铁路轮渡的安全性论证要充分，决不能发生11·24类似海难事故，要做到万无一失。”吴副总理提到的11·24海难就是1999年“大舜”轮倾覆，造成263人遇难的特大海难事故。虽然该事故发生的原因是多方面的，但最后是因稳性不足导致翻船倾覆这一点是毋庸置疑的。由于烟大渡船载运的旅客和船员人数更多，责任更重大，稳性问题显得更为重要，可以说，接到设计任务，我们就把它列为重中之重。由于稳性牵涉到主尺度、分舱、结构型式、管系通风布置以及设备参数选取等各个方面，如不在设计初期着重加以研究解决，很可能会在以后具体设计过程中发生问题而陷于被动，影响整个渡船的设计。

本项目自1997年底经国务院批准立项至今已有八年多，期间伴随着各次海难事故，船级社一次又一次地提高稳性标准，适用的稳性规范从最初的船检局1992年法规国内近海航区要求，逐步演变为2004年海事局专为本船最新颁布的《渤海湾铁路轮渡审图原则》，根据《原则》的规定需按国际航行400人及以上的客滚船的最高要求校核稳性（该要求现已编入《国内航行海船法定检验技术规则2006年修改通报》）；同时，在渡船方案多次评审会上，船东也对提高渡船的载客能力提出了不少要求。故在八年多期间，因稳性规范要求的变更以及载客量提高等原因多次计算稳性，并因此多次修改了本船的主尺度及各方面的布置，这些修改对渡船的设计工作造成了相当大的困难，但也正是这些修改使本船的安全性全面提高。本文作者有幸参与整个过程，直接负责优化修改设计工作，现在回顾这个过程，并加以分析，希望从中总结一些经验和教训，摸索一些规律，为以后的设计参考借鉴。

文中涉及到的稳性计算全部使用NAPA软件完成。

1 最初方案

根据铁道部最初的设计任务要求，烟大渡船的主要任务是载运铁路货运列车，并从经济性方面考虑适量兼载公路汽车。因此，最初方案是一个最多可载12名汽车司机的滚装货船，主要参数为：

总布置如图1所示。

该方案设二层连续甲板，主甲板设五股火车轨道，载运铁路列车，上甲板载运公路汽车，火车尾进尾出，汽车侧上侧下，上层建筑设在首部。总体布置十分简洁，但这些大局已定，并延用至今。主要参数如吃水、水线长也至今未变。

该方案型宽定为24.2 m，满载时初稳性高3.2 m，主甲板型深8.0 m，干舷仅2.2 m，但因火车舱封闭，所以干舷和完整稳性均容易满足，从极限重心高度曲线分析，留有不少余量。

但由于规范对国内航行的滚装货船不要求计算破舱稳性，使得后来船东提出载客要求后，引起了很大的修改。

2 首次评审会后确定的方案

1999年9月，铁道部组织专家在上海召开了首次评审会。专家提出载30辆汽车仅允许12名司机可随船航行十分不便，并且普遍认为该航线有客源，从营运经济性方面考虑应尽量增加载客量。最后船东确定了300人左右的载客要求，于是本船从滚装货船升级为滚装客船。中国船级社上海规范研究所2000年6月颁布了“烟－大线火车渡船检验原则要求”，其中2.5条对本船的稳性衡准作了明确规定：

图1 最初的滚装货船方案

（1）完整稳性按“法规”第4篇第7章有关近海航区客船的规定。……

（3）由于该船是船长超过80m的客船，其破舱稳性应符合“法规”第 4篇第 2-1章 1.1.1条的有关规定。该规定同SOLAS公约的有关要求，但分舱因数取为1。

该规定对完整稳性的要求本船完全可以满足，但由于干舷太小，虽然只考虑一舱不沉（分舱因数取为1），仍无法满足破舱后限界线不可被淹没的衡准要求，因此只能将型深从8.0 m提高到9.0 m。于是本船的干舷从2.2 m提高为3.2 m，不再需要计及上层建筑即可满足干舷以及近海航区完整稳性的要求。出于简化消防通风配备的目的，将本船的火车舱设计成敞开式。主要参数为：

总布置如图2。

通过破舱稳性计算，我们发现关键是要避免船舶破损时，边舱一舷进水，造成横向不平衡力矩，引起横倾，导致主甲板限界线淹没，产生危险。因此，尽量将左右两舷的各对边舱设计成连通舱，使得一舷破损时也可左右对称平衡进水，如此就可有效避免船舶的横倾，增加剩余复原力臂，二者的区别如图3、图4所示。液舱设计成左右连通后，其自由液面增加了数倍，不少舱的自由液面修正值超过1 m，必须避免。因此结合船舶的配载，适当划分各个压载水舱的容积，使得所有工况下的每个压载水舱均成为满舱或是空舱，避免过多的自由液面。按规范假定的破损范围要求，在距舷边超过1/5船宽的不破损区内，设立纵舱壁，减少进水总量，进一步提高安全性。

该方案与最初方案相比，型深提高了1 m，破舱稳性明显改善。通过计算，烟大铁路轮渡渡船的各个工况的重心高度均比极限重心高度低1 m多，留有充分的余量。满载出港时各破损工况的总结表如表1。

图2 提高型深后的客滚船方案

图3 不连通边舱时破舱后复原力臂

图4 连通边舱后破舱后复原力臂

表1 按一舱不沉要求计算的破舱稳性总结表

从表1可以看出，最危险的第4区机舱破损时，破舱稳性仍留有足够的余量。

3 八级风适航等级引出的方案

2001年10月28日，“通惠”号海难事故造成了31人死亡或失踪，根本原因还是与“大舜”号一样：稳性不足。于是，海事局对于船舶适航等级证书的核准更加严格，原来按近海航区设计的船舶都只能发放7级风的适航证书。这对本渡船的设计影响很大。

根据表2所列出的本渡船南、北港址及航线中的不同风级的频率统计，可以发现出现≥7级风与出现≥8级风之间的天数差为每年14天，本船作为铁路通道的一部分，14天的停航将造成大量车皮的积压，船东无法接受。因此，我们按IMO A.749（18）无限航区的衡准要求重算了完整稳性。

表2 烟台大连港区及渤海海域风级频率统计表

通过计算我们发现，IMO无限航区的衡准要求基本仍可以满足，但是由于火车舱采用敞开式，不能计入储备浮力，使得完整稳性的GZmax≥25°衡准要求的余量已较小。同时通过分析各次海损事故发现，违章超载以及排水管路缺少日常维护，发生堵塞，水雾灭火时造成主甲板上大面积积水，产生自由液面，导致稳性严重损失，这些人为因素都是船舶倾覆的重要原因。人命关天，稳性至上，于是我们认为在满足规范要求的前提下，还要充分考虑各种人为因素造成的稳性损失，预先保留足够的稳性余量，尽量做到万无一失。这样，综合各种方案对比结果，我们最终决定封闭火车舱，以增加储备浮力，进一步提高大倾角稳性储备。火车舱封闭后，火车舱的通风配备需提高，消防采用低压二氧化碳系统，避免喷淋积水，虽然增加了初投资，但安全性大幅提高。2002年4月5日至8日，在京召开的第二次烟大轮渡可行性研究评审会上，该修改得到了与会专家的一致肯定。主要参数为：

总布置如图5。

图5 封闭火车舱的无限航区方案

该方案采用电力推进，为332位乘客均设置了卧席，上层建筑成倍增加，为满足7000 t载重量的要求，适当增加了方形系数，满载时初稳性高3.0 m，完整稳性十分充裕，破舱稳性余量有所减少。

4 增加装载量的方案

随后一年左右时间内，我们在该方案的基础上，继续深化和优化，而船东也逐步提出了乘客和汽车均要尽量增加的要求，使得重量重心均提高不少，原有的排水量已不能满足要求，而破舱稳性将更紧张，因此经过充分研究考虑后，我们决定再度加大方形系数，并且果断地将型宽从24.2 m增加到了24.8 m，虽然导致了大量的修改工作，但是把横稳心高提高了约0.4 m，事后看来是明智之举。主要参数为：

总布置如图6。

该方案的乘客人数增加至480人，均设置卧席，上层建筑又有扩大，将原来左舷的小车车道改为大车车道，增加型宽的同时，为满足增加的空船重量以及提高至7200 t载重量的要求，进一步增加了方形系数，满载时初稳性高2.8 m，完整稳性仍十分充裕。而在破舱稳性方面，我们通过使用NAPA软件的精确计算，逐步调整了部分纵舱壁和横舱壁的位置，尽量提高破舱后的稳性；同时尽可能减少横舱壁的数量和范围，在防倾水舱区域，仅在边舱和双层底舱内设横舱壁，取消了中间大舱内的横舱壁，节省重量，还简化了通道和管系的设置。完成调整后，在最危险的工况时仅保留最小的初稳性高度余量，达到了最经济、最优化。

2003年底上海船舶研究设计院完成了合同设计，2004年1月天津新港船厂与船院签订了详细设计合同。

5 满足《2004年审图原则》的最终方案

图6 型宽加大到24.8 m的方案

渤海海域的事故频发引起了交通部的高度重视。2004年5月，CCS组织对刚刚完成草稿的“渤海湾铁路轮渡审图原则”进行评审，渡船的安全压倒一切，“审图原则”的高标准获得通过。不久，《渤海湾铁路轮渡审图原则》正式发布并即刻对本船生效。

《2004年审图原则》对火车渡船的救生、结构以及车辆绑扎等方面均提高了要求，但影响最大的当属对破舱稳性的要求：“载客400人及以上的火车渡船应满足《国际航行海船法定检验技术规则》第4篇第2-1章B部分第8-2条的要求”——“假定破损发生在沿船长L的任何位置上”。也就是说，横舱壁前后可同时破损，分舱因数不再取为1，而是要求“二舱不沉”。

实际上，烟大渡船航行于国内近海航区，并且是定点航线，完全不同于国际航行的大型客滚船；载客480人，超过400人的限制要求仅20%，同载客上千人的豪华游船差别明显，以SOLAS的最高要求为标准似乎有点冤枉；加上我们按原“烟-大线火车渡船检验原则要求”开展设计工作已多年，建造合同也已生效，本船按“一舱不沉”要求经过多次优化调整，在破舱稳性方面保留的余量已很少，目前的船型根本无法满足“二舱不沉”的要求。

但是，在安全、稳性这样事关人命的条款要求上，本着对船东、船厂负责，以及进一步提高将来乘坐本船的广大旅客的生命安全保障的考虑，我们随即投入到修改分舱的研究工作中。

修改不是推倒重来。本船属于铁道部的重点项目，原方案已经过多次评审，不容彻底推翻，另外，船厂生产设计等前期准备工作也已展开，码头、栈桥等相关单位的设计更已非常深入，部分项目已投入生产，无法回头，因此，修改的宗旨是尽量保持原先的基本布局，适当进行调整。主要的修改优化措施是：

a）增设横舱壁

由于防倾水舱内部大舱的体积很大，如再结合前后相邻舱同时破损，稳性明显不合格，增加水密分隔横舱壁势在必行。经过分析，防倾设备可以全部集中到与机舱相邻的减摇鳍舱区域，与机舱的分隔横舱壁上已设水密门，通道布置也不困难，因此增加3道横舱壁，只相当于多分隔了几个空舱，对其他专业影响很小。

b）缩短机舱

机舱太长，即使前后的相邻舱室已经分隔得很小，与机舱同时破损后稳性仍然不足。计算发现，初稳性高需达到3.462 m才能合格，而目前的初稳性高不足2.8 m，差距太大。通过轮机等专业的努力，把原来布置在发电机组后的设备尽量移至舷边，把原来布置在舷边的燃料油舱向后移出机舱范围，又把变频器和推进变压器也向后移出机舱范围，这样机舱缩短了整整9 m多（28.6%），稳性改善不少。

变频器和推进变压器向后移出机舱以后，因中心隔离舱内难以布置梯道，为解决这部分机器处所的脱险通道布置的难题，我们将变频器和推进变压器与船尾部的舵桨舱连成一个机器处所，只需前后各布置一个脱险通道即可，后来船东决定在机舱后端壁上增设水密门，这样机舱向后可直达舵桨舱，倒比以前更方便了。

修改后，变频器和推进变压器靠近舵桨，十分合理，机舱更加紧凑，功能并没有丝毫影响。

c）增设平台和舱壁

经过以上修改，从机舱后端壁起至渡船尾部形成了一个长达52 m多的大舱，必须加以分隔。通过分析和反复试算，我们在该舱范围内采取了一系列的措施来满足破舱稳性的要求：首先在接近满载水线高度处增设了水密平台，平台上部前后贯通，面积很大，但由于平台较高，破损后实际进水却很少，而下部被分隔成多个水密空舱，尽量减少破舱后的进水范围；其次使大部分边舱左右连通，该处有尾纵倾调整水舱和NO.7压载水舱二对舱为减少自由液面不能连通，故特意将其前后分开布置，中间隔开8 m多，使二者不会同时破损，以减少不对称进水。最后在与机舱相邻的前部区域增设纵舱壁，使得与机舱结合破损时，中心的大舱可不受牵连。

修改以后，该大舱本身以及与机舱结合破损时的破舱稳性均已满足要求。

d）机舱内增设空舱

通过在B/5内部设置纵舱壁解决了机舱与其后方的舱室共同破损时的稳性问题，但是机舱前方的减摇鳍舱与中心大舱相连，不宜设置纵舱壁，破舱稳性仍有问题。

破舱稳性不合格的原因仍然是进水量过大。因此，根据机舱的具体布置情况，在机舱后部平台以下这个较少利用到的区域划分出左右二个空舱，在机舱前端壁处破损时不会同时破损，以减少进水量。

通过对比可见，在机舱内增设空舱，使极限重心高度提高0.2 m，效果明显。需要说明的是，在机舱后端壁处破损时由于另一侧的空舱不破，增加了不对称进水，所以二个空舱也不宜太大。此外还需考虑右舷破损的工况，因此通过多次调整空舱长度，反复试算，最终划分出的左右二个不对称空舱的方案，兼顾了各方面的限制，是一个折中后的最优方案。

e）考虑火车舱尾部边舱的储备浮力

本船主甲板到上甲板之间是一个容积非常大的火车舱，火车舱本身是水密封闭的，在计算完整稳性时，作为一层贯通全船长度的上层建筑，理所当然地属于船体模型（STABHULL）的一部分，因此本船的完整稳性十分富余。计算破舱稳性时的船体模型（DAMHULL）也完全可以同样来取，但是由于客船破损时垂向破损范围“自基线向上，无限制”，所以在计算任何舱段的破损工况时，没有分隔的火车舱均会破损，似乎对破舱稳性没有贡献。

通过分析可以发现，火车舱并非完全没有分隔。除首部防撞舱壁前的帆缆室、木工间外，在本船的尾部还存在若干独立于火车舱的空舱和通风室，见图7阴影部分。当机舱或防倾水舱等相对偏前部的舱室破损时，这些舱室不会同时破损，虽然这些舱室体积很小，但位置在舷边，同样可以为破舱稳性作出贡献。

通过对比，计入边舱后，可使极限重心高度提高0.2 m，效果可观。需要指出的是，前面提到的四个措施是通过增加或移动水密舱壁或平台来调整分舱以提高破舱稳性，而本条措施只是将火车舱尾部的左右小边舱加入计算船体模型（DAMHULL）内，没有修改任何船体结构，并不提高船舶的实际稳性，但是却能够得到更好的破舱稳性的计算结果。

f）控制空船重量重心

空船重量重心的控制对船舶各项性能指标都至关重要，向来是设计成功与否的重要标志，对于烟大渡船这样稳性十分紧张的船舶来说尤其关键。由于缺少类似大型客滚船型船的资料，重量重心的估算难度很大，加上多次大幅度的修改，所以在设计的不同阶段都需要重新估算空船重量重心，当发现重量重心有超标倾向时，就必须加以控制。本船在详细设计开展后，就采取过很多措施来减少重量和降低重心，影响比较大的有：优化结构型式、降低上层建筑层高以及采用轻型舾装材料。各种具体方案在此不再赘述，但是这些措施为提高渡船的稳性确实起到了举足轻重的作用。

图7 火车舱尾部空舱

6 结语

通过多次修改优化，烟大铁路轮渡渡船的稳性有了大幅度的提高，目前已完全满足了国际航行客滚船的最高要求。虽然设计修改工作耗费了大量的时间和精力，但是确实提高了整个渡船的安全性。由于是在原先基础上修改的结果，受到很多限制，因此仍有可改进之处，只能留待以后再次设计时继续努力。

烟大铁路轮渡渡船是上海船舶研究设计院自行研发设计的大型火车渡船，从船舶的吨位、航线和配备要求上来看都比国内原有的项目有不少突破和创新，作为重点项目，在各个环节均受到高度重视。同时由于设计周期超长，人员变动不少，船东及法规要求多次发生重大修改，使得设计难度大增。本文仅从稳性角度分析了该船的优化过程，说明船舶设计的各个专业项目相互关联制约，牵一发而动全身，因此对于类似项目，不但要求前期设计工作精准，而且需要高瞻远瞩，应该留有足够余量，这样才能算是优秀的。

本文只是笔者个人对部分设计工作的总结，如有疏漏，欢迎批评指正。最后感谢设计一部各位同事对本文相关数据资料提供的帮助和支持。