增加船舶结构吃水的可行性分析

吉春正 刘志坚 赵 勇 郭冬雪

（中国长江航运集团金陵船厂 南京210015）

引 言

船舶载货时常用到设计吃水、结构吃水、满载吃水和夏季吃水［1］。设计吃水用于设计优化，是船舶性能最佳的吃水；结构吃水用于结构设计，是结构所能承受的最大吃水；满载吃水用于实际运营，是船舶装满货物时所达吃水；夏季吃水用于法规计算，是相应于夏季干舷的吃水。

结构吃水概念始于30多年前，最初仅比设计吃水大200～300 mm，是船厂从建造角度选取，作为设计裕量以保证载重量要求，与所装货物性质无关。后来船东从经济角度出发，为多装货少交费，将这一概念加以发挥，使结构吃水大大增加。

从设计角度讲，之所以设定设计吃水和结构吃水，是因为船舶设计时需进行两方面计算：稳性计算和结构计算。稳性计算时在设计吃水下考核航速、核算稳性。但船舶在舱内装载重物时，重心低，即使装载超过设计吃水，稳性上也是安全的，于是有了新说法——重载。问题是，重载时稳性没问题，但按设计吃水核算的结构可能是不安全的。于是在船舶最初设计时就定义结构吃水，按结构吃水进行结构校核，从而保证了重载时的结构安全。

另外，设定结构吃水还为以后船舶改装留下余地，毕竟设备可随时更换，结构则要伴随一生。所以散货船、干货船和工程船等都设有设计吃水和结构吃水。

在追求绿色、节能、环保的背景下，原先作为设计裕量用来保证载重量的结构吃水，重新进入船东视野。在近两年的合同谈判中，船东通常要求论证增加结构吃水的可行性。本文综合分析了金陵船厂已建造的滚装船、在建造的散货船和将建造的杂货船增加结构吃水的案例，尤其详细总结了在建造的35 000载重吨散货船增加结构吃水的整个设计过程（论证→计算→送审→退审）。通过案例分析，梳理了论证思路和设计的流程并分析主要影响因素，得出了一些定量的结论。

1 总体设计

1.1 干舷计算

无论是设计吃水还是结构吃水，均不能超过夏季吃水，所以首先要根据载重线公约（ICLL）计算最小夏季干舷［2］。文献［3］提及的散货船，干舷计算结果见表1。在船东的强烈要求下，最大夏季吃水根据最小干舷直接推算，不留裕量。这就要求船厂在建造中要密切关注建造型深，尤其是载重线标志位置，以免小于理论型深，造成核准的夏季吃水小于要求的结构吃水，不能满足合同约定。

表1 干舷计算结果

1.2 破舱稳性计算

根据干舷求得的夏季吃水只是初步值，还需进一步进行破舱稳性计算，以确定最小干舷高度。

1.2.1 折减干舷船舶确定性破舱稳性计算

对船长大于100 m的折减干舷船舶，要满足ICLL公约第27条法规关于确定性破舱要求，其中B-60干舷船要求单舱破损不沉，B-100干舷船要校核两邻舱破损，还可能要校核机舱单独破损［2］。

因结构吃水增加，储备浮力降低，故折减干舷船舶确定性破舱稳性一般比较危险，可能所需最小干舷较大。此时有两项解决方案：

（1）增加分舱，主要是货舱区艏部压载舱，但代价较高，尤其是已处于建造阶段；

（2）增加开孔（通风口、透气管等）高度，代价较低，但一般交船时才能收到完工退审，工期紧、返工量大，所以船厂对临界开孔要提前考虑。

文献［4］中的船舶，采用B-60折减干舷，为满足单舱破损要求，需将1号货舱舱口围增高0.60 m，舱口宽度减少1.60 m，并降低该舱甲板货高度，以保证甲板货距基线高度不变，以免引起克令吊高度、驾驶视线和航行灯布置等一系列变化。

1.2.2 非折减干舷船舶概率破舱稳性计算

对于非折减干舷船舶，只需满足海上人命安全公约（SOLAS）第2章第1条，Part B-1概率破舱稳性，要求相对较低，只要初始设计达到的分舱指数A有一定裕度，一般都能满足要求。文献［3］中案例的概率破舱稳性计算结果见表2。

表2 概率破舱稳性计算结果

从表中可见，增加结构吃水后，达到指数A仍满足要求，但平浮时已经非常接近要求指数R。如果船厂透气管施工有偏差，可能造成完工破舱稳性不满足要求。万一出现如此情况，则可选以下两项补救措施：一是提高GM值，二是增高透气管。前者在完工时已不可行，因会推翻所有总体完工文件的基础；后者也颇费周折，所以船厂应注意控制临界透气管的施工，避免返工。

1.3 完整稳性计算

经干舷和破舱稳性核算后的吃水，完整稳性一般没问题，此处校核目的是为结构设计作准备。

1.3.1 满载工况浮态

增加结构吃水后，额外的载重量用于载货，即货舱区重量会增加，船艏势必下沉。目前主流设计的船舶，均是紧凑型机舱布置，满载出港、中途一般都是艉倾，船艏下沉对减小纵倾、浮态调平有好处，所以这些工况没问题。但因为这些船舶消耗性液舱大部分均位于机舱，满载到港可能会出现不理想艏倾工况，这要重点关注。

1.3.2 总纵强度包络线

文献［4］研究的杂货船，不需满足SOLAS公约第12章关于散货船的附加措施，即不需考虑单个货舱破损时总纵强度问题［5］，所以总纵弯矩临界工况是压载工况，不受增加结构吃水影响，但总纵剪力约增加2%。

文献［3］研究的散货船，要满足散货船共同规范（CSR-BC）要求。规范允许提议较小总纵强度设计值（可比规范计算值还小），只要覆盖所有装载工况［5］。总纵强度设计包络线在包络所有装载工况前提下，船级社一般要求弯矩留5%裕量，剪力留10%裕量，以覆盖完工状态与设计状态的误差。增加结构吃水最恰当的时机，是在船级社完成所有审图，对船舶各部分裕量了如指掌时进行，此时船舶已经开工，对各项设计指标已有确切把握，所以船级社一般会同意个别工况吃掉上述裕量。

满足CSR-BC的散货船，需要满足SOLAS公约第12章关于散货船的附加措施，单个货舱破损工况往往是总纵强度的临界状态。

文献［3］研究的BC-A型散货船，在轻压载出港工况下，1号货舱破损时，船体梁中拱弯矩达到临界，为设计弯矩的98.5%，裕量几乎被全部吃掉（见图1）。在重货隔舱装载出港工况下，1号或5号货舱破损时，船体梁总纵剪力达到临界，修正前已超出设计包络线，根据规范修正后达到设计值的95.3%，裕量也被吃掉大部分（见图2）。

1.3.3 货物载重量曲线

增加结构吃水后，为兼顾浮态和总纵强度，各舱装载量需调整，会引起货物载重量曲线变化，从而影响局部强度，如需增加或加大双层底和边舱结构扶强材。另一方面，吃水增加引起静水压力增大，外底板以及双层底肋板和纵桁上挺筋会受影响。文献［4］ 研究的杂货船，预计由此会增加约10 t局部加强。文献［3］研究的船舶，由于1号和5号货舱货物载重量曲线初始有700～800 t裕量，使调整后的实际装载量仍在设计货物载重量曲线内，对局部强度几乎没有影响，且浮态易于调整。

图1 船体梁总纵弯矩临界工况

图2 船体梁总纵剪力临界工况

由此可见，增加结构吃水后，完整稳性有所改善，需关注的只是满载到港工况浮态，而最重要的是通过调整货物配载，将实际总纵弯矩和剪力控制在设计包络线内，并尽量保持货物载重量曲线不变，从而将增加结构吃水对结构的影响降至最小。

1.4 EEDI指数验证

为配合环保要求，国际海事组织推出了新船能效设计指数（EEDI）。

EEDI指数验证分两个阶段：一是设计时的初步验证；二是试航时的最终验证。验证吃水相应于夏季吃水（结构吃水）。除液货船外的其他船舶，很难在夏季吃水状态试航，所以验证中最重要的是提供可靠的船模水池试验报告，以便将试航时实际功率-航速测量数据与同状态的水池试验数据比较，得到可靠的修正系数，再修正得到夏季吃水时实船功率-航速曲线，从而求出EEDI指数［6］。

增加结构吃水后，EEDI指数要在新吃水下验证，获得所需功率—航速曲线有两种途径：一是数值模拟，二是船模试验。因论证增加吃水一般较晚，且要以最终批准吃水为准，此时水池试验早已结束，再补做船模试验，代价较高且周期也难保证。

文献［3］中所研究散货船属于志愿满足EEDI验证范畴，船级社同意使用数值模拟方法来替代。

波斯坦船模水池建议的数值模拟流程如下：

（1）使用其他吃水下阻力试验数据验证Holtrop等经验方法的可靠性，按需引入修正系数以尽可能接近测量结果；

（2）使用选择的经验方法计算阻力，并确定新吃水的修正系数；

（3）因吃水变化很小，认为对推进效率的影响可以忽略不计；

（4）数值模拟中，使用算得的新阻力和测量的推进效率进行模拟。

表3为数值模拟结果，保持14.0 kn航速，主机功率需增加1.5%，而载重量会增加3.8%，最终EEDI指数相对参考线值又降低约1.1%［3］。

表3 达到的EEDI指数比较

2 结构设计

2.1 规范校核

增加结构吃水对规范校核影响：

（1）总纵设计剪力和弯矩变化；

（2）载荷计算点变化；

（3）关键计算参数变化。

总纵设计剪力和弯矩在总体设计中已妥善解决。载荷计算点变化引起静水压力增大1%，影响甚微。关键计算参数变化主要是方形系数CB增大，但波浪弯矩受吃水影响不大，而静水弯矩依赖于重量分布，所以文献［3］中，CB由0.82增至0.83，波浪弯矩仅增大0.6%，影响甚微。

2.2 有限元分析

在舱段有限元分析中，起决定作用的是总纵弯矩、货物载重量曲线和吃水。文献［3］研究的散货船，除吃水变化很小外，总纵弯矩和载重量曲线没变化，应力变化很小，对结构影响可忽略。

2.3 有结构设计结果

增加结构吃水评估结果见表4。从中可见，船东在几乎无额外代价的情况下，结构吃水可以增加约 200 mm、载重量增加约 1 000 t［3-4，7］。

public delegate void InitiatedChangedEventHandler(object sender,MyEventArgs e);

表4 增加结构吃水评估结果

3 其他考虑

3.1 冰区带设计

文献［7］研究的是艘载重型滚装船，运营数年后，满载率较高，所以船东希望增加结构吃水。和文献［3］和［4］一样，从总体和结构角度考虑，吃水增加200 mm没问题，此案例关键在于冰区带设计，焦点在于对冰级规范理解。规范中定义的冰区满载水线是“相应于船舶意图在冰区航行的最深吃水”，在原设计中是按7.07 m夏季淡水载重线确定冰带上限。船东提出异议后重新解读规范，统一认识为冰区满载水线相应于夏季海水载重线，而不是淡水载重线，所以冰带范围能满足结构吃水从6.90 m增加到7.07 m要求。

3.2 冲击加强

增加结构吃水，对结构的其他影响有：

（1）吃水增加后，艏部冲击加强垂向范围相应提高，可能会影响此处外板厚度；

（2）吃水增加后，可能使水线附近一列外板变成干湿交替区，腐蚀余量增加0.5 mm，尤其是满足 CSR 的船舶要特别注意［5，8］。

3.3 航行安全

为保证航行安全，规范对航行灯布置有明确要求，尤其前后桅灯要在1 000 m外分辨出来，如1.2.1所述，增加结构吃水和减小纵倾均对航行灯布置有利。另外，基于同样原因，也使驾驶视线得以改善。

3.4 艉轴密封

增加结构吃水，使艉轴密封和舵杆密封所受的水压力会变大，但一般影响甚微，可忽略不计。

4 结 论

有增加吃水需求，为何设计时不直接加大结构吃水，这是困惑很久的问题。通过调研，笔者了解到：

（2）设计时直接增加结构吃水，一般仍会留足设计裕量，无法取得2.3所述收益；

（3）船东比较航速时，较大吃水对竞标不利。

最终，对几个船型增加结构吃水案例分析结论如下：

论证增加结构吃水时，首先要校核干舷和破舱稳性，确定稳性上可行；然后校核完整稳性，为结构设计提供依据；最后进行结构规范校核和有限元分析。另外，还要考虑其他因素，如冰带加强、艏部抨击、航行灯布置以及艉轴/舵杆密封。

在干舷满足的前提下，结构吃水增加200 mm，基本不影响稳性和强度，空船质量变化很小，但载重量收益很大，EEDI指数也会提高。

［1］ 船舶工程名词审定委员会.船舶工程名词［M］.北京:科学出版社，1998.12.

［2］ IMO.International Convention on Load Line，1966，including the Protocol of 1988 ［S］.2013.

［3］ 金陵船厂.35000载重吨散货船增加结构吃水论证报告［R］.2012.12.

［4］ Deltamarin Ltd.Study for increasing scantling draft of General Cargo Carrier ［R］.2013.1.

［5］ IACS.Common Structure Rules for Bulk Carriers［S］.

［6］ IMO.Guideline on the Method of calc.of the Attained EEDI for New Ship［S］.MEPC.224（64）.

［7］ 上海船舶研究设计院.10500载重吨滚装船增加结构吃水可行性分析报告［R］.2013.4.

［8］ 周良根 .型船空船重量推算法［J］.船舶，2010（1）：9-12.