13000DWT敞口多用途船耐波性试验研究

何新宇，杨 博，陈晓敏

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

13000DWT敞口多用途船耐波性试验研究

何新宇，杨 博，陈晓敏

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

对国内设计建造的首艘无限航区13000DWT敞口多用途船进行敞口耐波性模型试验研究，包括模型参数确定、货舱上浪进水量测量、排水舷口有效性评估及模型试验结果分析，用以确定最小干舷；同时，对其后续设计提出改进建议。研究结果表明：设计一定高度的舱口围可减少大量的上浪进水；排水舷口的数量、尺寸和位置无法通过理论公式计算并确定，采用模型试验的方法比较有效。该研究可为同类型船舶的设计提供参考。

无舱盖；多用途船；模型试验；耐波性；上浪；排水舷口

0 引 言

在全球航运市场中，重吊多用途船一直是航运公司较为关注的船型。随着货物逐步朝重型化、大型化及不拆解装运方向发展，拥有超长箱型货舱、超大甲板载货面积及超强起重能力的多用途船具有一定的市场空间。同时，随着一些船东提出在垂直状态下运输超高工程货物的需求，敞口（无舱盖）多用途船的概念随之产生。

2015年3月，上海船舶研究设计院专门为中国船舶（香港）航运租赁有限公司开发设计了13 000 DWT敞口多用途船。该船集合了上述多用途船的所有特征，是国内设计建造的首艘可敞口航行的多用途船。该船总长150.0m，宽25.6m，载重量约13000t，服务航速约15.3kn，入级挪威-德国劳氏船级社（DNV-GL），可装运集装箱、干散货、谷物、木材、钢卷、超长超大超高工程设备及危险品等；全船设有2个货舱，其中大货舱长达105m，货舱上方舱盖及载货平台形成长达125m的露天平整载货区域；上层建筑和驾驶室位于艏部；左舷配2台450t重型甲板起重机，联吊能力为900t；申请德国劳氏船级社（GL）船级符号HATCHCOVERLESS（无舱盖）。

国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）对敞口船的规定仅有针对集装箱船的《敞口集装箱船临时导则》（简称《临时导则》）[1]，对多用途船尚无明确要求。原GL在敞口多用途船检验方面有许多成功案例，具体做法是在与挂旗国当局达成一致的前提下，参照《临时导则》并结合多用途船的特征融入原GL的特殊要求。

《临时导则》要求最小干舷应由耐波性特性、稳性（包括完整稳性和破损稳性）和结构强度确定[2]，取其中的最大者，且耐波性特性应通过模型试验得出。因此，对该船的耐波性模型试验进行深入研究，包括模型参数的确定和货舱上浪进水量的测量。此外，为减少大货舱上浪进水量，降低货舱内底承受的水压，保证货舱进水后船舶的稳性[3]，分别在干舷甲板以下的左右舷设置货舱排水舷口，并对其有效性进行评估。

2015年11月12日，在德国汉堡船模水池（HSVA）进行敞口耐波性试验，并由DNV-GL验船师现场见证。该模型试验在长峰不规则波中进行，选用JONSWAP波谱，最不利波浪周期（HSVA理论计算值为11s）对应的有义波高为8.5m。

1 敞口耐波性试验模型参数的确定

试验采用自航无拘束模型，配置有螺旋桨和舵，并充分模拟实船，包含上甲板、舱口围、载货平台、克令吊基座、烟囱、舷墙、上层建筑、防浪罩及舭龙骨等；实船上的各种间隙及开孔（如舱口围与载货平台间隙、防浪罩上的观察和系泊孔及货舱排水舷口等）均按一定比例缩放在模型上。

试验前，需估算船舶在敞口状态下的最大吃水、营运纵倾范围、营运最小初稳性高（GM）、最大持续航速、最小船舶操纵航速、排水舷口的直径、排水舷口的数量及排水舷口的位置等。试验过程中，第2货舱完全开敞，无货舱舱盖及集装箱遮蔽。水池模型见图1。

图1 水池模型

1.1 敞口状态下的最大吃水

选取船舶营运中最恶劣的工况（即GM最小的工况）作为基本工况，对于重吊多用途船，一般取重大件运输工况，此时堆放的超高货物突出于货舱舱口，重心较高。向船舶配载压载水及消耗液体，使其装载至敞口最大吃水，正浮。假定敞口货舱进水至排水舷口下缘，货舱渗透率取0.9，水的密度取1.025t/m3，进水的重心高度取进水区域的形心高度，货舱内的自由液面按实际情况计算。进水稳性应满足《国际海上人命安全公约》（SOLAS公约）[4]及其修正案关于概率破舱计算方法的生存概率S=1。此外，进一步考核货舱进水的中间状态（如20%，50%及75%货舱容积），进水稳性是否全部满足S=1[5]。初步确定该船在敞口状态下的最大吃水为6.6m，并将6.3m作为备选吃水。

1.2 营运纵倾范围

按照《2008年国际完整稳性规则》[6]计算敞口营运工况的完整稳性。在确定进水角时，敞口货舱舱口是未保护开口，货舱排水舷口能有效控制关闭且不作为进水点。按照SOLAS公约的要求计算破舱稳性，根据DNV-GL的要求，货舱渗透率在轻载、部分分舱吃水及最深分舱吃水状态下分别取0.95，0.9和0.9。通过调整货舱舱盖和活动二甲板的堆放位置，该船可保证载货营运工况下的纵倾在±0.5%LS范围内。模型试验仅考虑平浮状态，无附加纵倾。

1.3 营运最小GM

不同于常规船舶，在求取敞口船的许用GM曲线时，不仅要计算完整稳性和破舱稳性，还需通过敞口模型试验确定最大吃水对应的最小GM。对于装载超高货物的船舶，在满足稳性的前提下，GM越小对船东的装载限制越少。经计算，“1.1”节中基本工况下的GM=1.7m，HSVA估算与最不利波浪周期共振的GM=3.87m，此时该船在横摇状态下敞口货舱上浪进水量最大。但是，GM=3.87m明显不符合实际营运情况，重心过低，通过与DNV-GL沟通，最终确定货舱上浪进水量试验的GM取2.75m，排水舷口有效性评估试验的GM取1.7m。

1.4 最大持续航速及最小船舶操纵航速

最大持续航速是指在规则波中航行时受波浪增阻影响导致失速的最大服务航速，自愿降速不予考虑。最小船舶操纵航速是指维持航向控制且符合船舶操纵特性的最小航速。根据模型阻力和自航试验结果，该船最大持续航速为16.5kn，最小船舶操纵航速为5kn。

1.5 货舱排水舷口直径、数量及位置

排水舷口的垂向位置越低越好（但要在货舱进水后的水线上方）[7]，纵向位置越靠近货舱端壁越好。在综合考虑船舶的结构强度和总体布置之后，确定在FR11和FR146附近左右两舷各设置1个排水舷口，其最低点距离基线10.95m。由于货舱上浪进水和舷口排水都是动态的，与瞬间上浪进水量、同时排水的舷口数及船舶的运动[8]等多种因素有关，排水过程复杂多样，排水舷口的直径无法通过公式估算，结合HSVA的经验及其建议，准备600mm，910mm和1160mm等3个排水舷口直径进行模型试验评估。

2 敞口耐波性试验内容

2.1 敞口货舱每小时上浪进水量测量

进行随浪（0°/360°）、艉斜浪（45°/315°）、横浪（90°/270°）、艏斜浪（135°/225°）和迎浪（180°）等5种浪向的模型试验，试验航速分别为迎浪和艏斜浪中的最大持续航速、艉斜浪和随浪中的最小操纵航速及横浪中的零速（船舶无动力状态）。每种工况的试验时间至少对应于实船航行时间1h。受水池尺度的限制，艏斜浪模型试验和艉斜浪模型试验采用Z形迎浪前进及Z形随浪前进的方式。每种浪向反复测试数次，以达到试验规定的时间。试验程序见表1。

表1 试验程序

船模在试验过程中处于自航、非约束状态（见图2）。在每个航次结束之后，均将舱内的上浪进水全部抽出并测量其体积[9]，以消除积水对惯性矩、GM和排水量的影响，同时记录船舶运动、航速、相对运动和舵角等数据。

试验前除了准备6.6m的吃水以外，还准备6.3m的备用吃水，若6.6m吃水试验的结果不满足要求，可及时调整至6.3m吃水，以确保试验顺利进行。根据HSVA初步估算，货舱在最大持续航速Z形迎浪前进和零速横浪2种工况下的上浪进水量最大，因此先进行6.6m吃水时的上述2种最恶劣工况的试验，试验测得值远小于《临时导则》限定的开敞货舱每小时最大上浪进水量不超过敞口开敞面积乘以400mm/h的要求值；随后，在6.6m吃水时进行剩余工况的试验，结果与HSVA估算的相同，进水量小于之前的2种恶劣工况。

图2 模型试验

2.2 货舱排水舷口有效性评估

DNV-GL认为进行该项试验主要是为了考核稳性，GM须对应于船舶营运中可能出现的最恶劣工况，取1.7m。初始吃水与货舱上浪进水测量试验一致，取6.6m。试验开始前，假定货舱渗透率为0.9（DNV-GL要求），向货舱内注水至排水舷口下缘，使船模处于静平衡状态。试验开始时，利用水池造波机制造波浪，船模处于横浪零速状态，观察上浪进水能否从货舱排水舷口有效排出，以确保船模不发生倾覆（见图3）。该船的货舱采用非对称设计，左右舷都要进行该项评估。

试验过程中，船模用吊钩和软绳保护（软绳处于松弛状态），以防止船模倾覆后难以打捞。该试验预先准备600mm，910mm和1160mm等3种直径的排水舷口，首先进行910mm直径的排水舷口试验，效果良好；随后进行600mm直径的排水舷口试验，其有效性也满足要求，由此，1160mm直径的排水舷口试验就省略了。

图3 货舱排水舷口试验照片

2.3 货舱排水舷口的模型等效处理

该船货舱排水舷口的位置较低，为确保稳性不使排水舷口作为计算进水角的进水开口，需安装截止止回阀以防止舱外海水进入货舱，即货舱内的水可通过排水舷口流出，但不能流入。为模拟该单向开启的排水舷口，在船模上安装铰链式挡片（见图4）。

此外，开启止回阀需有一定的压力，货舱内的水位只有高于止回阀约1m才能将止回阀打开。为模拟该水压，在与DNV-GL现场见证人员统一意见之后，创造性地采用等效弯管（见图5）。该等效弯管既可增加货舱模型内流进排水舷口的水位高度，又不会影响水流出排水舷口的速度，但在进行货舱上浪进水的稳性计算及结构强度计算时需考虑增加该1m的进水量。

图4 排水舷口挡片

图5 等效弯管

3 敞口耐波性试验结果分析

《临时导则》要求模型试验测得的开敞货舱每小时最大上浪进水量不应超过开敞舱口面积乘以400mm/h。按照该船开敞舱口尺度计算，每小时上浪进水量应≤843.6m3/h（见表2）。货舱上浪进水量测量试验（6.6m吃水）结果见表3。

表2 每小时上浪进水极限

表3 货舱上浪进水测量试验（6.6m吃水）结果

由试验结果可知：

1) 艏斜浪和横浪工况下的上浪进水量相对最大，但远小于《临时导则》要求的843.6m3/h。根据现场观察，大部分进水来自于载货平台与舱口围之间的间隙及载货平台上方，干舷甲板上的通道被淹没，少部分进水从防浪罩的系泊和观察孔流进货舱，可见把舱口围设计得高且内缩能避免大量进水。

2) 迎浪工况下的上浪进水量居中，仅有少量进水从防浪罩的系泊和观察孔流进货舱，这得益于艏部外飘的线型及前置上层建筑。

3) 对于艉斜浪和随浪工况，货舱基本无上浪进水，波浪仅偶尔出现在干舷甲板高度处，但经常出现螺旋桨飞车现象。

该试验仅考核船舶正浮状态，没有考虑带附加纵倾的情况，因此该船所有载货工况下的纵倾需控制在±0.5%Ls范围内，对船船的实际营运有一定的限制。对于后续同类船的设计，建议根据具体情况增加对附加纵倾的测量，提高船舶实际营运的灵活性。

在进行货舱排水舷口有效性评估试验时，首先使用直径为910mm的排水舷口，上浪进水能有效排出，结果良好；随后改为600mm直径的排水舷口，也可满足要求。最终的设计采用左右舷前后各设置1个直径为600mm的排水舷口。对于后续设计，建议尝试直径更小的排水舷口进行试验，以减小安装在实船上的排水舷口管系的直径和阀件的尺寸，进而节省成本、降低施工难度。此外，该船大货舱的艉部下方为机舱，左舷边舱因布置重型起重机而比右舷边舱宽，导致货舱形心偏向右前。当向货舱注水至排水舷口最低点（最低的等效弯管上口）时，船舶有初始艏倾和右倾，艉部机舱平台上方的货舱面几乎无水。通过现场观察，大部分货舱上浪进水从艏部右舷的排水舷口排出。后续船可根据实船构造，结合模型试验更合理地设计排水舷口的尺寸、数量和位置，并不一定采用同等尺寸或对称布置方式。

4 结 语

本文对13000DWT敞口多用途船的耐波性模型试验进行了深入研究，并通过试验确定了该船的最小干舷（敞口状态下船舶最大吃水）及货舱排水舷口的设计。该船是国内设计建造的首艘无限航区敞口多用途船，可供参考的资料很少，在对其进行耐波性模型试验前准备了多项预案，包括2个敞口最大吃水、3个排水舷口直径等，以确保试验顺利进行。模型参数的确定对试验结果起着关键性作用，需在精确计算并与HSVA和DNV-GL共同协商之后确定。研究结果表明：设计一定高度的舱口围可减少大量的上浪进水；排水舷口的数量、尺寸和位置无法通过理论公式计算并确定，采用模型试验的方法比较有效。该研究可为其他同类型船舶的设计提供参考。

[1] IMO. 敞口集装箱船临时导则：MSC/Circ.608/Rev.1[S]. 1994.

[2] 王琦，胡可一. 无舱盖集装箱船的设计进展[J]. 造船技术，1999 (5): 11-17.

[3] 裘泳铭，张滨，陆伟东. 无舱盖集装箱船（HCS）完整稳性的计算研究[J]. 船舶工程，1998 (5): 5-7.

[4] IMO. 国际海上人命安全公约[S]. 1974.

[5] 朱永峨. 有限航区敞口集装箱船的载重线核定与总体设计[J]. 上海造船，2006 (2): 46-48.

[6] IMO. 国际完整稳性规则：MSC.267 (85)[S]. 2008.

[7] 于刚. 浅谈无舱盖集装箱船[J]. 船舶设计通讯，2002 (S2): 32-36.

[8] 朱仁传，藤公男. 无舱盖船舶甲板上浪的研究[J]. 上海交通大学学报，2003, 37(8): 1164-1167.

[9] 郜焕秋，谢楠. 无舱盖集装箱船及其安全性研究[J]. 船舶力学，1999, 3(2): 70-76.

Research on the Seakeeping Model Test of a 13000dwt Open-Top Multi-Purpose Vessel

HE Xin-yu，YANG Bo，CHEN Xiao-min

(Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute, Shanghai 201203, China)

This paper studies the seakeeping model test for the first 13000dwt hatchcoverless multi-purpose vessel designed and constructed by a Chinese institute for the unlimited navigation areas. The seakeeping model test is to determine the minimum freeboard, which includes the determination of model parameters, green water measurement in cargo tanks, assessment on the effectiveness of freeing ports and the analysis of the model test results, along with the suggestions for the improvement of subsequent designs. The result shows that the hatch coaming of certain height can significantly reduce green water onboard and the theoretical formulae cannot determine quantity, dimensions and positions of freeing ports, instead it is more effective to rely on the model test. This study provides references for the design of same ship types.

hatchcoverless; multi-purpose vessel; model test; seakeeping; green water; freeing port

U661.73；U674.138

A

2095-4069 (2017) 05-0023-05

10.14056/j.cnki.naoe.2017.05.004

2016-05-10

何新宇，女，工程师，1984年生。2007年毕业于哈尔滨工程大学船舶与海洋工程专业，现从事船舶总体设计工作。