半潜船装载特定货物前初稳性高度可行域探讨*

汪　洋　谢新连　李晓君

(大连海事大学综合运输研究所　大连　116026)

半潜船装载特定货物前初稳性高度可行域探讨*

汪洋谢新连李晓君

(大连海事大学综合运输研究所大连116026)

摘要：对于载运重大件的半潜船，多数权威机构只规定了初稳性高(GM)的最小限值，但未对GM最高限值做出规定.GM过大时，船舶横摇周期就会变短，船舶在风浪中会产生剧烈摇荡.为保障运输安全，从提供足够的复原力及避免谐摇这两个角度出发，推导出半潜船稳性高可行域计算公式.在装载某一特定重大件前，利用该公式初步判断半潜船装载该重大件时初稳性高是否满足要求.以一艘半潜船运载自升式钻井平台为例，利用该计算公式对其稳性进行了分析，同时根据该公式提出提高船舶航行稳性的方法.

关键词：半潜船；初稳性高度；最低复原力；谐摇

汪洋 (1991- ):男，硕士生，主要研究领域为综合运输

0引言

近年来随着对海洋能源的开发和利用不断增加，油气生产设备、钻井平台等大型装备的整体运输需求快速增长，为适应海洋资源的开发利用，迫切需要安全可靠的重大件运输工具，半潜船应需而生[1].由于钻井平台等油气生产装备的质量和尺寸都很大，对半潜船的稳性提出了较高要求.

初稳性高GM是衡量船舶稳性的一个重要指标[2].GM值过低，船舶在受到风浪作用横倾时难以提供足够的复原力回复到平衡状态[3].GM值过大，船舶的横摇周期就会变短，在风浪中会产生剧烈摇荡，对船舶的安全性同样有不利影响[4].然而，国际上很多权威机构只对半潜船的GM最低限值作出了要求，却没有规定GM的上限.因此，确定半潜船GM的合理取值范围值得研究.

货物装上船后，船舶的稳性变化是复杂的，且对于不同的货物，船舶稳性也不同.本文试图从满足最低复原力及避免谐摇2个方面，推导出船舶装载某一特定货物后为保证稳定航行所要求的船舶空载稳性高度的取值范围.通过与实船空载稳性高度做简单对比，即可对船货组合体稳性作出预判断.

1半潜船初稳性高度限定标准

国际上有很多机构对半潜船的稳性高度做出了要求.如国际海事组织(IMO)在RESOLUTION A.749(18)决议中要求GM不小于0.15 m[5]，中国船级社《半潜船检验指南》[6]、中国海事局《船舶与海上设施法定检验规则》[7]、GL Noble Denton公司“Guidelines for Marine Transportations”[8]都指出半潜船GM不应小于 1.0 m.虽然各机构对半潜船GM的最低值的规定存在一定差异，但是，值得一提的是，所有的机构只对船舶GM最低值做出要求，并没有对其设置上限.

当船舶与波浪发生谐摇时，船舶的横摇幅度很大，容易发生险情，船舶在航行过程中应避免与波浪的谐摇.船舶谐摇取决于船舶横摇固有周期与波浪周期之比，而横摇固有周期由船宽、GM等因素决定.因此，通过以上关系可推导出GM的最高限值.

2初稳性高度限值计算

2.1满足最低复原力要求

船舶受到风浪等因素作用时，发生横倾，重力作用点和浮力作用点不在同一铅垂线上，会产生一个复原力矩.船舶的完整稳性将取决于该复原力矩与扰动力矩的相对大小[9].而复原能力的强弱与初稳性高度GM的大小呈正相关[10].因此，该复原力矩能否使船舶恢复到平衡状态与船舶初稳性高GM相关.为了保证船舶横倾时有足够的复原力，GM应满足一个最低限值.

本文采用中国船级社及GL Noble Denton公司等机构的规定，要求半潜船的初稳性高GM在任何情况下不得小于1.0 m，即：

GM≥1

(1)

令GMe为船舶空载时的初稳性高度.当半潜船载货航行时，船货组合体的GM值变为

GM=GMe+ΔGM

(2)

(3)

式中：ΔGM为装货后稳性高度改变量；P为货物重量；d为装卸前吃水；zp为货物重心距船舶基线高；e为装货后船舶排水体积改变量的浮心与装货前WL水线的距离.

基于半潜船的船体形状特点，可以取：

(4)

式中：Δdp为吃水改变量.

在半潜船中，吃水改变量Δdp可近似等于：

(5)

(6)

式中：ρ为海水密度；Aw为水线面面积；L为船长；B为船宽.

由式(1)～(6)可得：

(7)

对于某一特定货物，只有船舶GMe满足式(7)计算的最低限值时，才能使船货组合体的稳性高度满足最低复原能力的要求.

2.2避免谐摇

船舶在波浪中横摇幅值的大小，与波浪扰动力的大小相关，也与横摇调谐因数相关.令Λφ表示横摇调谐因数，它等于船舶横摇固有周期与波浪周期之比，即[11]

(8)

式中：Tφ为船舶横摇固有周期；T为波浪周期.

当Λφ=1，即船舶横摇固有周期等于波浪周期时称为谐摇.此时，波浪对船做的功最多，船舶的横摇幅度很大，稳性最差.当0.7<Λφ<1.3时，船舶处于谐摇区，船舶的稳性仍会受到很大影响.因此，为保证安全航行，Λφ需满足：Λφ≤0.7或Λφ≥1.3.

当Λφ≤0.7时，船舶不处于谐摇区，但船舶的固有横摇周期Tφ相对于波浪周期T较小，船舶的横摇固有频率较快，船体遇到风浪后会产生急剧的摇摆.因此，当Λφ≤0.7时，虽然船舶可以避免与波浪的谐摇，但这是以加快船舶横摇频率为代价的，对船舶的稳性同样有不利影响.在船舶航行中，也应该尽量避免Λφ≤0.7这种情况.

当Λφ≥1.3时，船舶的横摇固有周期Tφ相对于波浪周期T较大.此时，船舶横摇频率较慢，在有效地避免谐摇区的同时，能够保证船舶平稳航行.综合考虑，Λφ应满足：

(9)

船舶横摇固有周期Tφ是表征横摇的一个重要参数，对于状态确定的船舶来说，Tφ是一个固定数值.Tφ的计算如下[12]

(10)

式中：k为系数，一般取0.4.

在深水中，波浪的波长、周期及波速之间的关系为

(11)

(12)

式中：T为波浪周期；λ为波浪波长；cw为波速.

然而，当船舶以一定的速度和航向航行时，船体感受到的波速已经不是波浪的实际速度，作用在船体上的波浪周期也已经发生了变化，波浪的周期已经不是自然周期T，而是遭遇周期Te.船舶在海上航行时，其航行方向与波浪去向的夹角称为遭遇浪向角β.β如图1所示，当船舶顺浪航行时，β为0o；横浪时，β为90o；顶浪时，β为180°.

图1　船舶遭遇浪向角β

假设船舶在规则波中以船速V,遭遇浪向角β航行时，波浪的遭遇周期Te为

(13)

由式(9)～(13)可得：

(14)

由式(2)～(6)及式(14)可得，为了使船舶避免谐摇，船舶空载时的初稳性高度GMe应满足

(15)

综合式(7)和式(15)，得

(16)

对于一个特定的重大件货物，在装货前，可以利用式(16)对船货组合体的稳性进行简要的判断.将货物的相关参数、船舶相关参数及航线所经海域的相关参数代入式(16)计算得出船舶装载该货物时GMe所需满足的取值范围.若GMe满足式(16)计算得出的取值范围，那么，就可以认为该半潜船装载这个重大件后，具有足够的稳性.

当知道船舶吃水与排水量的关系时，上式还可以用于计算半潜船下潜过程中的稳性要求.

3算例验证与分析

3.1算例

某半潜船，运载一件自升式钻井平台.该半潜船的相关参数如下：船长L为207.93 m；型宽B为44.5 m；最大航速为14 kn；船舶未载货时GMe为15.64 m,吃水d为7.1 m，重量D为51 713.41 t.

该自升式钻井平台的相关参数如下：重量P为13 931.13 t；装上船后重心高度zp为42.259 m.

航线为天津到新加坡.假设船舶以最大航速14节航行，遭遇浪向角β为60°，已知太平洋的平均波长为73 m.

根据式(16)计算，要使船舶装载该自升式钻井平台后具有足够的稳性，船舶GMe应在[10.54,18.35 m]这个区间内，而此半潜船的GMe为15.64 m，属于这个区间.因此，该半潜船装载该自升式钻井平台后稳性较好.

3.2分析

图2～4分别为改变船速、遭遇浪向角以及货物重心高度后，GMe取值范围的变化情况.

图2　β分别为0°,60°,120°,180°，GM取值范围随V的变化

图3　λ分别为50,73,100 m时，GM取值范围随β的变化

图4　货物重量不变，GM取值范围随货物重心的变化

以图2中的β=60o的曲线为例.令β=60°的曲线与GM最低限值曲线围成的范围为S,那么，对于GMe这条曲线上的所有点来说，在范围S内的点即满足稳性要求，而在范围S外的点，不满足稳性要求.由图2可知，β=60°,120°,180°时，无论船速为多少，GMe上的点都在相应的S内，即在这种状况下无论船速为多少，船舶都满足稳性高的要求.而对于β=0°来说，只有当航速小于等于9.24 kn时，船舶才满足稳性要求.

4结束语

本文提出了一个通用判别式，判别式能对半潜船装载货物后是否满足稳性要求进行简要的判断.对于一个特定的货物，船舶以一定的速度、遭遇浪向角航行时，可以计算出为平稳载运该货物船舶空载GMe所需满足的范围.如果实船的GMe值在该范围内，则该船舶装载这个货物航行时，船货组合体既可以满足最低复原力的限定，也可以有效地避免与波浪的谐摇，船舶的稳性可以满足安全航行的要求.

若船舶装载货物后，船舶平稳航行所要求的GM取值范围不包括GMe,即船货组合体不满足稳性要求，则可以通过改变以下条件来改变船舶的稳性状态：(1)调整航速；(2)改变船舶遭遇浪向角；(3)通过合理压载调整船货组合体的重心高度.

参 考 文 献

[1]钟毓凌,闵娟娟.半潜船操作仿真软件的设计[J].中国水运,2009(9):86-87.

[2]胡丽芬,马坤,纪卓尚,等. 破损舰船最小初稳性高计算方法研究[J]. 武汉理工大学学报:交通科学与工程版,2012,36(6):1225-1227.

[3]张平,何斌.改善船舶完整稳性的措施[J].江苏船舶,2001(2):8-11.

[4]VOOTG A J,SOLES J J,DIJK R.Mean and low frequeney roll for semi-submersibles in wavcs[C].ISOPE Conff,2002:1-6.

[5]国际海事组织. 完整稳性规则2008 [S].北京:人民交通出版社,2008.

[6]中国船级社. 半潜船检验指南(评审稿) [EB/OL].http://www.eworldship.com/uploadfile/2012/0904/20120904103904467.pdf, 2006.

[7]中华人民共和国海事局. 船舶与海上设施法定检验规则:2011 [S]. 北京: 人民交通出版社,2011.

[8]GL Noble Denton.Guidelines for marine transportations [EB/OL].http://www.dnv.com/industry/oil_gas/rules_standards/noble_denton_rules_guidelines.asp, 2010.

[9]TAYLAN M.Overall stability performance of alternative hull forms [J].Ocean engineering, 2002, 29(13):1663-1681.

[10]杜嘉立,姜华.船舶原理[M].大连：大连海事大学出版社, 2011.

[11]盛振邦,刘应中.船舶原理[M].上海：上海交通大学出版社, 2003.

[12]黄志.杂货船初稳性测定及其误差分析[J].集美航海学院学报，1996(1)：23-26.

中图法分类号：U661.2

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2015.01.026

收稿日期：2014-05-27

Stability Judgment of the Semi-Submersible Vessel Before Laden

WANG YangXIE XinlianLI Xiaojun

(IntegratedTransportInstitute,DalianMaritimeUniversity,Dalian116026,China)

Abstract：For semi-submersible vessels carrying special heavy cargo, most authorities only provides a minimum limit of GM, without a provision for the maximum limit of GM. However, when GM is too high, the rolling period of the vessel will become shorter, which will cause severe shaking. From the aspects of providing sufficient righting arm and avoiding harmonic shake, this paper deduces a formula to calculate the feasible range of GM to maintain the stability of the semi-submersible vessel. Before the semi-submersible vessel loading a specific special heavy cargo, this formula can be used to preliminary judge whether the GM of this vessel meeting the requirement to load this cargo. Finally, a semi-submersible vessel carrying a jack up drilling platform is taken an example, by using this calculation formula, the stability of the semi-submersible vessel is analyzed and some methods improving sailing stability have been put forward.

Key words：semi-submersible vessel；metacentric height；righting arm；harmonic shake

*国家自然科学基金资助项目 (批准号：50778029)