油船意外泄油性能的分析

吴晓莲杨博

（上海船舶研究设计院，上海201203）

油船意外泄油性能的分析

吴晓莲杨博

（上海船舶研究设计院，上海201203）

意外泄油性能的引入，实现了油船纵向分舱的灵活性。介绍了意外泄油性能的计算方法，重点分析了概率密度函数对平均泄油量参数的影响。增加货舱数量、抬高双层底、增大边舱宽度、调整分舱，均可以提高概率密度函数值，从而减小舷侧或者船底的破损概率，减少泄油量。应用NAPA MANAGER工具编写了快速计算程序，并利用该程序对实船进行优化，以验证不同方案对意外泄油性能的影响。

油船；意外泄油；概率密度函数；NAPA MANAGER

0 前言

为了最大可能地减小因为碰撞和搁浅导致的货油泄漏对环境的影响，国际防污染公约（MARPOL）不仅对油船提出了双壳体和双层底的要求，而且要求进行全面有效的限制泄油的设计。以往的确定性方法（MARPOL附则I第24、25和26条）限制了油船货舱纵向的长度，束缚了其在分舱方面的变化，所以需要采用一种基于意外泄油的方法来促成油船分舱的灵活性，MARPOL附则I第23条应运而生。该规则通过评估各个货油舱在舷侧碰撞破损和底部搁浅破损时可能出现的最大泄油量，采用组合概率的方法计算平均泄油量参数［1］，适用于2010年1月1日之后交船的5 000 DWT及以上的油船。

1 计算方法

对5 000 DWT及以上的油船，平均泄油量参数OM要求如下［2］（C为98%满舱时货油的总舱容）：

通过改变货舱数量、边舱宽度、双层底高度获得96艘参数化油船，用简化方法计算该96艘船，综合分析确定平均泄油量参数［3］。这96艘油船覆盖5 000～460 000 DWT，98%货舱舱容覆盖5 720～515 790 m3。图1表明，95%参数化油船的平均泄油量参数在标准线以下，所以平均泄油量参数的指标选取是科学合理的。

图1 参数化油船平均泄油量参数

在平均泄油量参数的计算中，舷侧破损平均泄油量和船底破损平均泄油量的计算比例为0.4和0.6。其中，舷侧破损平均泄油量是指两侧的平均值，对称布置则只需计算一侧。在船底破损平均泄油量的计算中，根据全球范围内潮位高的概率密度函数引入在搁浅状态下受潮汐影响舱内静压平衡后的泄油情况，确定在0 m和-2.5 m潮汐条件下的平均泄油量的计算比例分别为0.3和0.7。计算见式（1）和式（2）。

式中：OMS、OMB——分别表示舷侧和船底破损的平均泄油量，m3；

0、2.5——分别表示对应0 m和-2.5 m潮汐条件下的平均泄油量

舷侧和船底破损的平均泄油量的计算公式见式（3）和式（4）。

式中：C3——具有2道纵舱壁的油舱舷侧破损折减系数；

PS（i）——贯穿某一货油舱舷侧破损的概率；

OS（i）——某一货油舱舷侧破损的泄油量，假定为98%装载时该货油舱的舱容，m3；

PB（i）——贯穿某一货油舱底部破损的概率；

OB（i）——某一货油舱舷侧破损的泄油量，m3；

CDB（i）——底部破损折减系数

2 主要参数的探讨

2.1 概率密度函数

在上面计算舷侧和船底破损的平均泄油量中，舷侧和船底的破损概率计算见（5）和式（6）：

式中：PSf、PSa、PSu、PSl、PSy——某一货油舱在垂向、纵向以及横向范围以外的舷侧破损概率密度函数；

PBf、PBa、PBp、PBs、PBz——某一货油舱在横向、纵向以及垂向范围以外的底部破损概率密度函数

图2～11给出了货舱边界的相对位置参数，包括后端壁位置Xa/L、前端壁位置Xf/L、底端位置Zl/DS、顶端位置Zu/DS、侧壁距离舷侧外板程度y/BS、距离基线0.3倍型深高度及以下的左壁位置Yp/BB和右壁位置Ys/BB，以及底端距离船底板的程度z/DS的概率密度函数。其中，L为船长；DS为型深；BS最大吃水及以下的最大船宽；BB为距离基线0.3倍型深高度及以下的最大船宽。这些函数分布是通过对1980年到1990年间的52宗碰撞事故和63宗搁浅事故中30 000 DWT及以上载重吨的油船、化学品船、兼装船的统计资料进行全面分析，转换为一组反映了舷侧和船底破损中的位置、范围、贯穿度的表格数据［3］。

图2 Xa/L—PSa

图3 Xf/L—PSf

图4 Zl/DS—PSl

图5 Zu/DS—PSu

图6 Xa/L—PBa

图7 Xf/L—PBf

图8 Yp/BB—PBp

图9 YS/BB—PBs

图10 y/BS—PSy

图11 z/DS—PBz

式（5）和式（6）表明，增大各个方向对应的概率密度函数，可以减小舷侧或者船底的破损概率，从而减少泄油量。图2～3、图6～7表明，货舱的后端壁往前移，前端壁往后移，即减小货舱长度，货舱区总长一定时，通过增加货舱数量来提高纵向概率密度函数。由图4～5和图11的趋势走向来看，抬高舱底，降低舱顶可以增加垂向的概率密度函数。图8～10则表明增大货舱侧壁与舷侧外板的距离，可以提高横向的概率密度函数。但是这些措施需要增加货舱数量或者损失货舱总舱容。图2和图3中，PSa和PSf大部分范围呈现互补性的线性分布走向；图6和图7中，PBa与PBf中也呈现互补性的分布走向。但它们的互补基本往船首方向递减，见图12。由此可知，舱长基本均等的布置，舷侧破损概率基本均等，而船底破损概率往船首方向递增，所以适当地调整分舱，也可以减小破损概率。综上所述，增加货舱数量、抬高舱底、降低舱顶、增加内壳宽度以及调整分舱，都可以提高概率密度函数，从而减小舷侧或者船底的破损概率。

2.2 舷侧破损的折减系数

基于简化的意外泄油计算（MARPOL 23）和假定的单位舱计算方法［3］，在液货舱舱容大于300 000 m3，即货舱内存在2道纵舱壁时，两种方法存在一定的差异，如图13所示。由图13可见，简化的意外泄油计算值明显偏大，在标准值以上，偏离了标准值设置的初衷。所以设置了2道纵舱壁的油舱，在计算舷侧破损泄油量时采用系数C3（取值为0.77），以平衡两种方法之间的差距，使两者的计算结果尽可能相近。

图12 Xf/L—PSa+PSf/PBa+PBf

图13 简化的意外泄油计算和假定的单位舱计算方法计算结果

2.3 底部破损的折减系数

在底部破损中，货油舱下面以非载油舱室或以船底板为界限对泄油量的影响是不一样的。为确定底部破损时的折减系数，对10艘双壳油船及上文提到的96艘参数化油船，考虑双层底舱室对货油滞留的影响做对比计算。结果表明，所有实船和83%的参数化油船的值都位于0.5～0.7，所以取为0.6，表明有40%的货油留存在油舱下方的非油舱室里［3］。

2.4 名义密度

规范要求货油的名义密度ρn的计算见式（7）：

式中：DWT——载重量，t；

C——98%满舱时货油的总舱容，m3

载重量实际上应包含油水等消耗品的重量，而不仅仅是货油，可见计算的名义密度大于实际密度。从底部破损后货油油位hC的计算公式（8）可以看到，当名义密度ρn增大时，会导致破损后货舱的油位降低，即货油的溢出量增大，所以名义密度的取法是基于安全的考虑。

式中：ds——结构吃水，m；

tc——潮汐变化；

Zl——基线以上货油舱内最低点的高度，m；

ρs——海水密度，（ρs=1.025 g/cm3）；

p——正常的超压，Pa；

g——重力加速度，m/s2

3 基于NAPA MANAGER的计算程序开发

对平均泄油量参数的计算，需要量取各个货油舱在三个方向的相应距离，尤其是货油舱与船体外板之间的最小横向距离。如果用手工量取，工作量大且极易出错。为此，利用已经被广泛应用的船舶性能计算软件NAPA的MANAGER工具，编写了名为MARPOL 23 Prob.Cal.for Accidental Outflow的程序用于计算平均泄油量参数。利用NAPA数据库中的几何模型实现各个数据的自动拾取，不仅保证了计算的准确性而且提高了效率。

NAPA MANAGER工具是在NAPA软件中用以运行和开发MANAGER程序的工具。MANAGER程序是多个宏文件的组合，可以对一批对象执行特定的动作。对比使用宏文件，MANAGER的最大优势在于为用户提供了图形界面，操作方便，达到所见即所得的效果。

如图14所示，MANAGER窗口由目录树区域、预览区域、输入区域和标准工具箱4部分组成。目录树区域用以显示MANAGER程序的结构，其中的目录项展开后，其包含的子项便显示出来。预览区域用以显示图形、文字或表格形式的计算结果。输入区域用来输入初始变量，由一系列的变量表VERDEF组成。标准工具箱用以执行动作［4］。

图14 MANAGER窗口

目录树区域显示程序结构，在MARPOL 23 Prob. Cal.forAccidentalOutflow目录下有SideDamageInput、Bottom Damage Input、Calculation Result、Critical Sections、Print和Cover 6个子项，如图15所示。该目录用于主要变量的输入，Side Damage Input和Bottom Damage Input子项用于货油舱变量自动生成，Critical Sections项用于输出每个货油舱对应舷侧破损和船底破损最关键的横剖面，Calculation Result用于计算并显示计算结果，Print和Cover子项用于打印计算结果和计算书封面。

计算程序的流程见图16。

图15 MARPOL 23计算窗口

图16 计算流程图

4 实船优化

在16 000 DWT成品油船的开发中，初始的分舱方案平均泄油量参数不满足要求。该船的主要尺度如下：

垂线间长128.00 m

型宽23.60 m

型深12.00 m

结构吃水8.00 m

载重量16 000 t

货舱舱容17 950 m3

边舱宽度1.32 m

底舱高度1.58 m

平均泄油量参数0.015 4＞0.015（不满足要求）

通过上述意外泄油性能破损概率密度函数的分析，采用以下三种方案来优化意外泄油性能。由于用户限制了货舱数量，所以没有采用增加货舱数量的方案。计算利用MARPOL 23 Prob.Cal.for Accidental Outflow程序快速实现。

方案一：调整货舱的分布，总舱容不变。该方案通过调整货舱区域的横舱壁位置，给出了7个设计，第1货油舱至第5货油舱由船首至船尾依次排列。表1进一步验证舷侧破损概率只与货油舱的长度有关，与纵向位置无关。如舱长为16 m的油舱，它在第2至第5货油舱的位置时，舷侧的破损概率均为0.044 10。在第1货油舱的位置时，破损概率有所减小，是因为货油舱距离舷侧的最小距离由于内壳的变化有所增大，导致PSy增加。而底部破损概率则与纵向位置密切相关，从船首向船尾方向递减，如舱长为16 m的油舱，在第1至第5货油舱的位置时，船底的破损概率由0.060 37减小到0.020 79。从表2可看出，货油舱均匀分布，有利于减小舷侧破损泄油量。而第1货油舱因为最小距离的增大，导致破损概率减小，从而初始设计的舷侧破损泄油量是最小的。当货油舱舱长由船首到船尾增大时，船底破损

泄油量减小，比如改型四。综合考虑平均泄油量参数，初始设计已是最理想设计，单纯地调整分舱，效果有限，无法满足要求。

表1 调整分舱对应的舷侧和船底破损概率

表2 调整分舱对应的泄油量和平均泄油量参数

方案二：增大边舱的宽度，减少货舱舱容。调整分舱没有达到减小平均泄油量参数的目的，所以从减小舷侧破损概率的角度出发，增加边舱的宽度，增大PSy。以50 mm为步长，给出了表3中的4个设计。边舱宽度每增加50 mm，货油舱舱容减小91 m3。由表3可以看出，边舱宽度增加100 mm，平均泄油量参数可以满足要求。

表3 增加边舱宽度对应的泄油量和平均泄油量参数

方案三：增加双层底的高度，减少舱容。同样，从减小船底破损概率的角度出发，增加双层底的高度，增大PSz，从而减小平均泄油量参数。设计通过表4中的4个方案进行比较分析。双层底高度每增加50 mm，货舱舱容减小74 m3。表4中可以看到，双层底抬高150 mm，平均泄油量参数满足要求。

表4 增加双层底高度对应的泄油量和平均泄油量参数

方案二和方案三中，将边舱宽度增加100 mm或者双层底抬高150 mm都可以减小平均泄油量参数至要求值以下。但是增加边舱宽度的方案舱容减小值为182 m3，而抬高双层底方案舱容减小值为222 m3，并且增加边舱宽度的方案达到的平均泄油量参数更小。另外，适当增加边舱宽度，有利于检验通道的布置，而抬高双层底高度会导致货油舱重心的提高，不利于稳性，所以该船采用了将边舱宽度增加100 mm的方案。上述分析可得，如果货舱数量受到限制，增大边舱宽度对减小泄油量的效果最佳，抬高双层底高度其次，调整分舱稍差。

5 结语

提高油船意外泄油性能需要减少泄油量。增加货舱数量、增大边舱宽度、抬高双层底高度，以及调整分舱，均可以提高概率密度函数，从而减小舷侧或者船底的破损概率达到减少泄油量的目的。实船的优化表明：如货舱数量受到限制，增大边舱宽度对减小泄油量的效果最佳，抬高双层底高度其次，调整分舱稍差。基于NAPA MANAGER开发的程序利用NAPA数据库中的几何模型实现计算所需数据的自动拾取，保证计算准确性的同时提高了效率，为前期开发设计提供了便利。

［1］陈晓隆.关于油船意外泄油性能的优化［J］.广东造船，2011，30（1）：32-35.

［2］IMO.The International Convention for the Prevention of Pollution from Ships［S］.1973.

［3］IMO.Resolution MEPC.122（52）Explanatory Notes on Matters Related to the Accidental Oil Outflow Performance under Regulation 23 of the Revised MARPOL Annex I［S］.2011.

［4］杨博.概率燃油舱保护计算在NAPA中的实现［J］.上海造船，2010（2）：17-20.

Analysis of the Accidental Oil Outflow Performance of Oil Tankers

WU Xiao-lianYANG Bo
（Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute，Shanghai 201203，China）

The accidental oil outflow performance was introduced to handle the subdivision of oil tankers flexibly.The methodology of accidental oil outflow performance was presented.The influence of the probability density function on the mean oil outflow parameter was highlighted.The probability density function value could be improved by raising the number of cargo tanks，increasing the bottom height of the tanks，widening the double skin and adjusting the subdivision so as to lower the damage probability of both sides and bottoms and reduce the oil outflow.A program based on NAPA MANAGER for quickly calculating the mean oil outflow parameter was developed.An example for optimizing the accidental oil outflow performance was given to show the influence of the different proposals.

oil tankers；accidental oil outflow；probability density function；NAPA MANAGER

U674.13+3.1

A

1001－4624（2016）02－0015－08

2016-08-26；

2016-11-30

吴晓莲（1983—），工程师，从事船舶总体研发和设计工作。杨博（1981—），高级工程师，长期从事船舶总体研发和管理工作。