散货船第二代完整稳性的薄弱性衡准计算分析

陈继峰,张亚晖

(上海船舶研究设计院,上海 201203)

2008年IMO开始制定第二代完整稳性衡准,经过14年的发展,形成了参数横摇、纯稳性丧失、骑浪/横甩、瘫船稳性、过度加速度5种稳性失效模式。针对每个失效模式,有3层评估方法及航行作业指南[1]。以上内容构成的第二代完整稳性衡准构架体系。国际海事组织2020年11月发布了MSC.1/Circ.1627通函《第二代完整稳性衡准暂行指南》,基于对运动中的船舶有关大倾角横摇及其稳性问题的研究以及船舶在规则波和不规则波中运动问题的研究,例如,对船舶在波浪中的回复力臂的变化情况,初稳性高度,重心高度,横摇周期,横摇、纵摇和首摇的惯性矩及回转半径等参数进行评估。并基于这些参数形成一个性能指标,提供的以性能表现为导向的动稳性衡准,用于解决船舶在波浪中的动稳性安全问题。

根据MSC.1/Circ.1627的顺序应用逻辑,对于5种稳性失效模式的评估应从薄弱性衡准开始：第一层是初始检查,如果特定装载工况下的船舶评估不存在受测试的失效模式的薄弱性,则该失效模式的评估可结束;否则,设计将进行到第二层。如果特定装载工况下的船舶评估不存在第二层受测试的失效模式的薄弱性,则评估结束;否则,设计将进行到应用直接稳性评估,应用操作限制,修改船舶设计或丢弃装载工况。

目前,针对第三层稳性直接评估,有模型和理论计算研究[2],针对不同船型和不同衡准,国内也有计算分析[3-5],在此基础上,考虑采用NAPA计算软件对85 000 DWT散货船进行薄弱性衡准计算分析,讨论目前衡准方法的适用性和合理性,提出关键设计参数的建议。

1 二代完整稳性评估流程

二代完整稳性评估应用结构见图1。

图1 二代完整稳性衡准评估应用结构示意

薄弱性衡准仅仅包含前两个步骤(第一层和第二层)的评估。

2 薄弱性衡准

针对5种失效模式,薄弱性衡准如下。

2.1 参数横摇

1)参数横摇第一层薄弱性衡准。如果同时满足

2)参数横摇第二层薄弱性衡准。若船舶不满足第一层,则需要进行第二层薄弱性衡准的计算。如果满足

C1≤RPR1或C2≤RPR2

则认为船舶不存在参数横摇失效模式的薄弱性。

其中：RPR1=0.06,RPR2=0.025,C1为按规范规定的一组波浪的加权平均值计算;C2为考虑船舶在顶浪和随浪中的性能后得到的波浪组的加权平均值。

2.2 纯稳性丧失

1)纯稳性丧失第一层薄弱性衡准。如果满足

2)纯稳性丧失第二层薄弱性衡准。如船舶以服务航速VS航行时满足

max(CR1,CR2)≤RPL0

则认为船舶不存在纯稳性丧失失效模式的薄弱性。其中RPL0=0.06,CR1和CR2为根据规范获得的定义高度和长度的波浪条件下某些稳性参数的加权平均数。

2.3 骑浪/横甩

1)骑浪/横甩第一层薄弱性衡准。如果满足

L≥200 m或Fr≤0.3

则认为船舶不存在骑浪/横甩失效模式的薄弱性。

2)骑浪/横甩第二层薄弱性衡准。若满足

C≤RSR

则认为船舶不存在骑浪/横甩失效模式的薄弱性。其中RSR=0.005,C为按照规范计算的考虑波浪特性的加权值。

2.4 瘫船稳性

1)瘫船稳性第一层薄弱性衡准。类似《2008年国际完整稳性规则》中的气象衡准,比较船舶受风情况下的回复能力和风压倾覆能力,如果船舶能抵抗横风和横摇联合作用的能力,则船舶视为不具备瘫船状态失效模式的薄弱性。

2)瘫船稳性第二层薄弱性衡准。如果满足

C≤RDS0

则认为船舶不存在骑浪/横甩失效模式的薄弱性。其中RDS0=0.006,C为按照规范规定的短期环境条件发生概率来衡量瘫船状态稳性失效的船舶薄弱性的长期概率指数。

2.5 过度加速度

在本衡准的适用范围内：

1)过度加速度第一层薄弱性衡准。对于任何装载工况以及沿船舶长度乘客或船员可能在场的位置,如果满足

则认为船舶不具备过度加速度失效模式的薄弱性。其中REA1=4.64 m/s2;φ为特征横摇幅度;kL为考虑了横摇、首摇和纵摇运动同时作用时的因数;hr乘客或船员可能在场的位置的假定横摇轴以上的高度;Tr为自然横摇周期。

2)过度加速度第二层薄弱性衡准。对于沿船舶长度乘客或船员可能在场的任何位置,如果满足

C≤REA2

则认为装载工况下的船舶不具备过度加速度失效模式的薄弱性。其中REA2=0.000 39,C为按照规范规定,对于考虑的装载工况和位置并基于短期环境条件发生概率,测量过度加速度引起的稳性失效的船舶薄弱性的长期概率指数。

3 应用实例

某常规的超巴拿马型85 000 DWT散货船主要船体参数见表1。

表1 主尺度及主要船型参数

该船典型装载工况描述见表2,其中选取的工况主要依据《2008年国际完整稳性规则》中要求的压载工况和满载工况,以及船级社对于散货船要求的需要计算的常规工况,这些具有代表性的工况覆盖了船东的主要营运需求。

表2 典型装载工况描述

4 计算结果

4.1 参数横摇

第一层薄弱性衡准评估结果见表3。

表3 参数横摇第一层薄弱性衡准评估结果

4.2 纯稳性丧失第一层薄弱性衡准结果

所有工况的计算值为0.165,都能满足规范要求,低于规范要求值0.240。因为纯稳性丧失第一层薄弱性衡准全部满足规范要求,无需再校核第二次薄弱性衡准。

4.3 骑浪/横甩第一层薄弱性衡准评估结果

所有工况的计算值为0.165,都能满足规范要求,低于规范要求值0.300。因为骑浪/横甩第一层薄弱性衡准全部满足规范要求,无需再校核第二次薄弱性衡准。

4.4 瘫船

瘫船第一层薄弱性衡准评估结果见表4。表4表明工况计算值均大于规范要求值1.00,都能满足规范要求,所以无需再校核第二次薄弱性衡准。

表4 瘫船第一层薄弱性衡准评估结果

4.5 过度加速度

过度加速度第一层薄弱性衡准评估结果见表5。

表5 过度加速度第一层薄弱性衡准评估结果

过度加速度第二层薄弱性衡准评估结果见表6。

5 结果分析

综合计算结果见表7。

依据规范适用性,虽然Napa软件给出了纯稳性丧失、瘫船和骑浪/横甩衡准的计算结果,但是对于纯稳性丧失衡准,本船的主尺度和服务航速傅汝德数Fn<0.24,因此根据规范无需进行纯稳性丧失的衡准计算;对于瘫船衡准,本船装载工况全部满足《2008年国际完整稳性规则》中A部分第2章的要求,认为本船自动满足瘫船失效模式第一层薄弱性衡准;对于骑浪/横甩衡准,本船船长为L=222.958≥200 m,并且Fn≤0.3,满足骑浪/横甩失效模式第一层薄弱性衡准。而针对参数化横摇衡准,根据本船典型的散货船特点,相比较于集装箱船,船宽吃水比大,稳性富余多,根据工况的GM值进行核算,参数横摇的薄弱性衡准均能满足。

对于过度加速度衡准,根据文献[6-7],其主要影响因素有船宽、浮心纵向位置、船舶重心高度、舭龙骨宽度和船舶固有横摇周期等。而通常针对本例这样的主尺度散货船而言,由于港口限制和排水量等因素的限制,其船宽取值基本比较固定;而浮心纵向位置,则与船舶快速性密切相关,同时还会影响到船舶营运工况的浮态。在散货船的合同设计中,根据规范要求,满载出港工况浮态调整的裕度小,浮心纵向位置的影响非常有限。

本例中,满载工况的水线到船员所在的最高位置的距离不超过船宽的70%,根据规范要求,不需要核算,而剩余的工况则无法满足。其主要原因在于对于本例这样的干散货船,其完整稳性富裕较多,重心低,当船舶横摇的时候,会导致位置过高的人员出现安全问题。重心高度对于过度加速度衡准影响最为敏感,在保证船舶稳性的情况下,适当降低重心高度,对过度加速度衡准的改善非常有利。

舭龙骨宽度的影响体现在改变船舶的横摇阻尼,增加舭龙骨的宽度,即增加其面积,对于过度加速度第一层和第二层均有利。但在本例中,由于营运需要,必须经过巴拿马运河,而巴拿马运河规则中对于舭龙骨的限制,导致舭龙骨的调整也非常有限。

船舶的横摇固有周期和船舶重心高度以及初稳性高度值密切相关,属于一个导出量,虽然固有周期值越大对于过度加速度衡准的满足越有利,但是根据以上分析,其变化值也非常有限。

综上,当过度加速度的薄弱性衡准无法满足要求时,可以在有限的范围内尝试调整相关工况的重心高度,或者增加舭龙骨宽度。如果仍然无法满足,则需要进一步进行直接稳性失效评估,或者制定操作措施指南。

6 结论

1)对于目前GM值较富余的散货船来说,针对其基本的压载和满载工况,参数化横摇衡准都能满足。

2)对于瘫船衡准,典型的运营于国际航线的散货船都要求满足《2008年国际完整稳性规则》,因此这一衡准也能满足。

3)对于骑浪/横甩和纯稳性丧失衡准,因为绝大对数散货船的傅汝德数小于0.3,因此这一衡准都能够满足。

4)对于过度加速度衡准的校核,需要根据船舶的营运吃水情况以及船舶布置确定其适用性,然后再此基础上确定是否需要进一步核算。