破损船舶的应急响应方法研究

乔继潘，　夏　雪，　金允龙，　姜金辉

(上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135)

破损船舶的应急响应方法研究

乔继潘，夏雪，金允龙，姜金辉

(上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135)

摘要:船舶破损进水后的浮态与稳性发生变化，船舶在波浪中的运动响应及船体梁载荷也将随之改变，通过采取应急响应措施，可以有效改善其航行状况。以某一典型破损工况为例，计算了船舶破损后的浮态、稳性、运动响应及载荷，并与破损前进行了对比。结果显示：船舶破损后，横倾变大，横摇运动明显增加，扭矩与水平剪力增幅较大，水平弯矩与垂向剪力也有所增加。针对船舶的破损工况，提出了5种应急响应方案，对比这5种方案下的船舶状态，发现在左舷底边1号～5号压载舱各加入95%的压载水方案最优。

关键词:破损船舶；运动响应；船体梁载荷；浮态及稳性；应急响应

0引言

船舶在海上航行时，若发生碰撞、搁浅、炮弹击中等意外事故，会造成船体结构破损。船舶破损后，船舶的浮态与稳性会发生变化，吃水、横纵倾增大，船舶在波浪中的运动响应及载荷也将随之改变。船舶应急响应服务[1](Emergency Response Service)就是对于已预先签订ERS协议，且已建立与稳性和结构强度有关的应急响应数据库的船舶，一旦处于紧急状态，岸上的应急响应服务机构会迅速集结，启动船舶应急响应数据库，按要求提供包括破损稳性、破损强度、溢油等在内的计算分析，为协助船舶脱离危险提供技术支持，为船长/船东进行最终决策提供参考意见。

应急响应服务主要涉及船舶稳性和船体结构强度两方面的内容。基于Napa软件计算某散货船破损前后的浮态和稳性，在此基础上，使用Hydrostar软件对船舶在波浪中的运动响应及载荷进行分析，并比较其变化规律。同时，对破损工况提出几种应急响应方案，通过比较各方案下船舶的航行状态，选出最佳方案。

1舱室进水后的船舶浮态及稳性计算

第一类破损舱室是指舱的顶部位于水线以下，船体破损后海水灌满整个舱室，但舱顶未破损，舱内没有自由液面。若进水量不超过船舶排水量的10%～15%，采用增加重量法计算第一类舱室破损进水后的船舶的浮态和稳性比较方便，误差较小。

船舶进水后，其平均吃水的增量

δd=wv/wAw=v/Aw

(1)

新的横稳性高

(2)

新的纵稳性高

(3)

横倾角正切

(4)

纵倾角正切

(5)

船舶最后的首尾吃水

(6)

2船舶在波浪中的运动响应及载荷计算

采用三维势流理论[3-5]求解船舶在波浪中的运动响应及受载问题，计算过程中采用理想不可压缩流体做无旋运动的假定，并假设振幅与波长(或水深)相比为小量，引入“高频低速”的假定处理有航速问题。

根据刚体动力学原理，船舶在波浪中稳定状态下的运动方程为

(7)

式(7)中：{η(t)}={η}eiωt=(η1η2η3η4η5η6)Teiωt，ηj(j=1,2,…,6)为复数振幅，分别指纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇和艏摇；ω为遭遇频率。{F(t)}为外力列向量(不包括重力与浮力)，{F(t)}={FS(t)}+{FD(t)}，其中，{FS(t)}为流体静力载荷，来源于船舶运动所引起的静水压力变化部分和重力矩的贡献；{FD(t)}为流体动力载荷，依赖于波浪与船舶的运动。

[M]为刚体质量矩阵

(8)

式(8)中：Sx≡Mxc，Sy≡Myc，Sz≡Mzc分别为刚体质量关于坐标平面的静矩；(xc,yc,zc)为船舶重心；Ix，Iy，Iz分别为刚体质量关于坐标轴的惯性矩；Ixy，Ixz，Iyz分别为刚体质量关于坐标平面的惯性积。

3实船算例

以某散货船为例进行计算。该船垂线间长L为183.8 m，型宽B为32.26 m，型深D为18 m。船舶采用隔舱装载方式，固体货物密度为3.0 t/m3，破损前吃水12.886 m，重心高度距基线6.882 m，无横倾，尾倾0.009°；右舷5个底边压载舱破损后，海水灌满整个破损舱室，吃水增大到13.513 m，右倾4.7°，首倾0.217°。船体模型及破损舱室见图1。

图1　船体模型及破损舱室示意图

首先采用Napa软件计算舱室破损前后船舶的静水载荷，主要包括静水剪力和静水弯矩；然后使用Hydrostar软件进行水动力计算，主要包括0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°、330°共12个浪向角在频率为0.1～2 Hz范围内船舶的六自由度运动及波浪载荷，计算过程中不考虑纵倾的影响。

静水载荷是船舶重量分布与所受浮力存在差异而产生的，船舱破损进水后，船舶的质量分布与所受浮力发生改变，静水剪力与静水弯矩的变化分别如图2、图3。

图2　静水剪力沿船长方向的变化

从图2、图3可以看出：破损前后静水剪力基本无变化，静水弯矩沿船长方向分布趋势相同，而破损后的中拱弯矩比破损前小，中垂弯矩较破损前大；在0.727L处，中拱弯矩取得最大值，破损后比破损前小12.73%；在0.543L处，中垂弯矩取得最大值，破损后比破损前大31.10%。

此次计算考虑的是第一类舱室，不考虑自由液面对稳性的影响，同时忽略液舱晃荡[6-7]对船舶运动及波浪载荷的作用。在浪向角为90°、波幅为1 m的规则波浪运动条件下，船舯(x=0.5L处)剖面所受波浪载荷见图4～图9。

图4　破损前后的扭矩Mx

图5　破损前后的垂向弯矩My

图6　破损前后的水平弯矩Mz

图7　破损前后的轴力Fx

图8　破损前后的水平剪力Fy

图9　破损前后的垂向剪力Fz

比较Hydrostar软件计算出来的波浪载荷可以发现：船舶破损后，扭矩、水平弯矩和水平剪力随波浪频率的变化趋势保持不变，垂向弯矩、轴力和垂向剪力出现了2个峰值；纵向载荷峰值向低频移动，其余载荷峰值对应的波浪频率在破损前后无变化；轴力减小9.09%，垂向弯矩无变化，扭矩增大51.66%，水平弯矩增大10.05%，水平剪力增大40.43%，垂向剪力增大17.10%。由于扭矩增幅明显，在破损后的强度校核计算中不能再忽略扭矩的作用。

船舶在浪向角为90°、波幅为1 m的规则波浪运动条件下的六自由度运动响应见图10～图15。

图10　破损前后的纵荡Surge

图11　破损前后的横荡Sway

图12　破损前后的垂荡Heave

图13　破损前后的横摇Roll

图14　破损前后的纵摇Pitch

图15　破损前后的艏摇Yaw

根据三维势流理论计算出船舶的六自由度运动响应，可以发现：破损后各运动幅值随波浪频率的变化趋势与破损前基本一致；纵荡峰值向高频移动，其余运动峰值对应的波浪频率在破损前后均无变化；破损后，横荡与垂荡基本无变化，横摇增大了37.60%，这可能是船舱进水导致船舶吃水增加、横倾角变大引起的。

4应急响应方案

针对以上破损工况，共提出了5种应急响应方案，分别为：

(1) 左舷3号底边压载舱加入95%压载水；

(2) 左舷3、4号底边压载舱各加入95%压载水；

(3) 左舷3号～5号底边压载舱各加入95%压载水；

(4) 左舷2号～5号底边压载舱各加入95%压载水；

(5) 左舷1号～5号底边压载舱各加入95%压载水。

使用Napa软件对这5种方案中船舶的浮态与稳性进行计算，并与破损前后进行比较，详细结果见表1。

表1　破损前后及各应急方案下的船舶浮态与稳性

使用Napa软件计算这5种方案下及进水前后的船舶的静水载荷，详细结果见表2。

表2　破损前后及各应急方案下的船舶静水载荷

利用Hydrostar软件计算这5种方案下及进水前后的船舶运动响应及波浪载荷。在浪向角为90°、波幅为1 m的规则波浪运动条件下，船舯(x=0.5L处)剖面所受波浪载荷峰值见表3。

表3　破损前后及各应急方案下的船舶波浪载荷

船舶在浪向角为90°、波幅为1 m的规则波浪运动条件下的六自由度运动响应峰值见表4。

表4　破损前后及各应急方案下的船舶运动响应

通过比较表1～表4船舶破损前后及各方案下的浮态、稳性、载荷及运动响应可以发现，采用方案(5)最优：

1)方案(5)横倾角度减幅最明显，横稳性高最大。

2)方案(5)的中垂弯矩与正剪力最小，中拱弯矩仅次于方案(4)，负剪力仅次于方案(3)。

3)方案(5)的扭矩、水平弯矩、水平剪力最小。

4)方案(5)的横摇峰值减幅最大，较破损后减小了27.16%。

5)方案(5)产生的纵倾、吃水最大，但仍在安全范围之内；垂向弯矩、轴力、垂向剪力也最大，但同静水载荷相比，这些波浪力对船舶剩余强度的影响相对较小；纵荡峰值不超过0.1 m，横荡峰值无变化，纵摇峰值不超过1°，艏摇峰值不超过0.1°，在各方案的比较中可以不考虑这些运动的影响。

方案(5)的垂荡最大，但其对船舶航行安全的影响要远小于横摇运动。

5结语

通过对破损船舶的运动响应及载荷进行计算，可以发现：与破损前相比，船舶横摇运动明显增加，横荡与垂荡基本无变化；破损后，船舶静水弯矩较破损前有所增大，扭矩增幅明显，垂向载荷也相对增大，这对于破损船舶的剩余强度极为不利，严重影响船舶航行的安全性。

采取在左舷底边压载舱打入压载水的应急措施可以有效改善船舶的航行环境，减小船舶的横倾角度，增大船舶的稳性，减弱船舶的横摇运动，降低船舶受到的载荷。对比5种应急方案下船舶的浮态、稳性、载荷及运动响应，发现在左舷底边1号～5号压载舱各加入95%的压载水的方案最优。

此处仅对散货船某一特定破损工况下的应急响应方案进行了初步研究，而船舶破损工况复杂、种类较多，且船舶破损情况不同所对应的应急措施也不尽相同，采取救助措施后的船舶结构强度仍需作进一步校核，不同船型多种破舱类型的应急响应服务仍需作深入的研究。

参考文献：

[1]蔡尊德，王钰，陆雯雯，等.船舶应急响应服务(ERS)[J].航海技术，2007(6)：2-4.

[2]盛振邦.船舶静力学[M].上海：上海交通大学出版社，1995.

[3]戴仰山，沈进威，宋竞正.船舶波浪载荷[M].北京：国防工业出版社，2007.

[4]刘岳元，冯铁城，刘应中.水动力学基础[M].上海：上海交通大学出版社，1990.

[5]Newman，J.N.The Drift Force and Moment on Ships in Waves[J].Journal of Ship Research，1967，4(1)：51-60.

[6]王晓强，李陈峰，任慧龙.破损舰船运动与波浪载荷预报方法[J].中国舰船研究，2012，7(4)：30-35.

[7]黄衍顺，汪娟娟，王珊珊.破舱进水对船舶横摇运动的影响[J].天津大学学报，2012，45(7)：577-584.

交通运输部海事局调整下放13项海事执法事权

日前，交通运输部海事局印发了《直属海事系统行政执法事权层级调整方案》，调整下放13项海事执法事权，并明确了各级海事机构在每一项海事执法事项中的具体权责，明晰层级事权，理清权责边界，海事行政审批事权将主要由分支海事局和基层海事处负责实施。预计2015年6月30日前，各项调整下放事项将全部落实到位。

经过调整，审批事权由部海事局下放至直属海事局和分支海事局的有：外国船员证书承认签证、跨省实施的大型设施移动式平台超限物体水上拖带等3项。

直属海事局审批事权下放至分支海事局的有：通航水域岸线安全使用和水上水下活动许可、打捞或者拆除沿海水域内沉船沉物审批、航行通警告发布、一类内河船舶船员适任证书核发、船舶油污损害民事责任保险或其他财务保证证书签发、船舶所有人经营人或者管理人防治船舶污染海洋环境应急预案审批、危险化学品水路运输人员资格认可、跨市实施的大型设施移动式平台超限物体水上拖带等8项，直属海事局将不再承担具体审批工作。船舶安全证书、文书将全部由基层海事处直接核发。

据悉，交通运输部直属海事系统实施分级管理，其中部海事局负责宏观管理，直属海事局负责综合管理，而分布在基层一线的分支海事局和基层海事处承担着业务管理和现场管理。通过行政执法事权调整，将进一步减少审批层次，缩短审批时间，促进完善规范统一、分工合理、运转高效、便民利民的海事监管模式。

收稿日期：2014-11-18

基金项目：船体破损生存能力动态分析及控制方法研究(2013329742320)

作者简介：乔继潘(1990—)，男，安徽阜阳人，研究生，主要从事船舶与海洋工程结构物设计制造。

文章编号：1674-5949(2015)01-001-06

中图分类号：U661.3；U698

文献标志码：A

Study on the Emergency Response Measures of Damaged Ship

QiaoJipan，XiaXue，JinYunlong，JiangJinhui

(Shanghai Ship & Shipping Research Institute, State Key Laboratory of Navigation and

Safety Technology, Shanghai 200135，China)

Abstract:When damaged compartment is flooded, the floating condition and stability of ship, therefore, the motion response and the loads of ship hull girder in wave will change. The emergency response measures can improve the sailing conditions of damaged ship effectively. Taking a typical damaged condition as example, floating condition, stability, motion response and load of post-damaged condition of a ship are calculated, and compared with its pre-damaged condition. The results show that the heeling angle, amplitude of rolling increase significantly, the wave torque, vertical shear, horizontal shear and bending moment are bigger than before. The effects of five emergency plans are investigated respectively. While the five plans all give good results, some plans gave better results. In the investigated case, to fill NO.1&2&3&4&5 bottom ballast tank at port side to ninety-five percent performs the best.

Key words:damaged ship； motion response； loads of ship hull girder； floating condition and stability； emergency response