55 2017海洋科学考察船技术高峰论坛 论文集 科考船破舱稳性计算特点及优化研究 初绍伟 （中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011） 摘 要该文总结了科考船破舱稳性计算的特点及需注意的事项，分析了科考船破舱稳性计算适用的规范要求。分别探讨 了双层底舱室划分、横贯进水装置、累进进水等对破舱稳性的影响和优化改进方法。为避免详细设计改动影响破舱稳性最 终结果，提出了前期设计过程中的预防方法和措施。 关键词科考船 ； 破舱稳性 ； SPS 2008 ； 横贯进水装置 ； 累进进水 中图分类号 U674/81 ； U661/2+2 文献标志码A 文章编号1001-9855（2017）增刊 -0055-06 Characteristics and optimization of damage stability calculation for research vessel CHU Shao-wei (Marine Design damage stability/ SPS 2008/ cross-flooding fitting/ progressive flooding 作者简介 ： 初绍伟（1986-） ，男，工程师。研究方向 ： 船舶总体设计。 DOI ： 10/19423 / ki/31-1561 / u/2017/s1/055 引 言 海洋是资源的宝库，具有富饶的生物资源和 丰富的海底矿产资源 ； 海洋还是人类认识并了解地 球奥秘、探索生命起源、发展科技的前沿领域 ； 深 邃广袤的海洋空间是一个国家的战略边疆和外延腹 地，提供了***的防御纵深 ； 同时海洋还是世 界贸易的主要通道， 是世界经济的大动脉。近年来， 随着海洋科学和海洋战略的重要性日益凸显，越来 越多的国家把海洋资源开发作为重要课题1。海 洋科学考察船（以下简称科考船）作为海洋科学调 查研究最重要的平台越来越受到各国的重视。 为完成复杂多样的海上科学考察任务，科考船 上除了船员外还搭乘了数量可观的科考人员，故定 员相比常规运输船要增加很多。如何保证船员和科 考人员在海上的航行安全是设计人员在项目初期就 必须认真考虑的问题。2014 年 10 月 10 日，台湾 科考船“海研五号”在澎湖外海触礁沉没，造成 2 人死亡 24 人受伤2，再一次为船舶安全特别是船 舶的破舱稳性安全敲响了警钟。另外破舱稳性的计 算结果直接影响船舶主尺度尤其是船宽的选取，这 种影响在有的船型上起决定性作用。故科考船的设 56 初绍伟 ： 科考船破舱稳性计算特点及优化研究船 舶 计中，必须研究其破舱稳性计算的特点并进行优化 设计。 1 科考船破舱稳性计算特点 科考船定员一般较多，因而其破舱稳性的要求 也较高。科考人员通常具有一定的海上航行或科考 工作的经验，其海上生存能力较一般的乘客要强， 故以往的规范将科考人员当作特殊人员考虑，根据 特殊人员的数量确定科考船应满足的破舱稳性要 求。目前国内航行的科考船仍沿用该做法，无限航 区科考船则按照定员确定应满足的破舱稳性要求， 定员少于 240 人时可在客船要求的分舱指数基础上 进行折减。 科考船的舱室划分灵活多变，不同用途的科 考船的分舱特点也各不相同。国内航行科考船舱室 划分需尽量满足确定性破舱关于最小分舱长度的要 求 ； 无限航区科考船因采用概率法分舱长度的选取 可更灵活一些。 科考船布置紧凑，通常没有专门的管弄布置 轮机管路。若相关管路的阀门为方便管理集中布 置在机舱内，则需特别注意管路破损引起的累进 进水问题。 科考船主甲板以上通常布置长首楼和各种科 考设备，主甲板以下通风、透气的开口为避开上建 和各种设备，其管路常需穿越水密舱壁，需特别注 意管路位置和走向，避免因管路穿越水密舱壁引起 较多的破舱稳性指数的损失。 2 适用规范 科考船在规范中的船型划分上属于特种用途 船，根据航区的不同适用不同的规范（此处仅论述 海船） 。 2/1 国内航行科考船 国内航行科考船的破舱稳性按照国内航行海 船法定检验技术规则 3第 4 篇 第 2-1 章 1/11 节 中“特种用途船的分舱与稳性的要求”来采用确定 法进行计算。 船上的科考人员作为特殊人员考虑。当特殊 人员不超过 50 名时按单舱破损考虑（机器处所除 外） ； 特殊人员在 50 名以上、200 名以下时按单舱 破损考虑，且船长 100 m 及以上时，首端破损应 包含防撞舱壁 ；特殊人员超过 200 名时破舱稳性 按照同等数量乘客的客船考虑。 船舶破损后需满足 1/11/4 的要求方可认为达到 所要求的残存标准。实际计算中通常最难满足的是 1/11/4/2 中“由不对称进水造成的横倾角在平衡之 后应不超过 7”的要求。 2/2 无限航区科考船 无限航区科考船的破舱稳性按照国际特种用 途船舶安全规则（2008） 4第 2 章的要求，统一 按 SOLAS 第 II-15章中对客船的要求进行考虑， 采用三吃水概率法进行计算。 船上的船员与科考人员不区分对待，按照定员 人数确定适用的破舱稳性要求 ： 定员不超过 60 名 时要求达到的分舱指数在客船要求值 R 的基础上 取系数 0/8，即 0/8R ； 定员 240 名及以上时，要求 达到的分舱指数取客船的要求值 R ；定员 61239 名时，要求达到的分舱指数根据人数在 0/8R 至 R 之间线性插值得到。 达到的分舱指数 A 按照客船的破舱计算方法， 故计算时应注意相比货船，科考船增加了最终平衡 阶段之前所有进水中间阶段的残存概率 Sintermediate。 3 破舱计算优化 3/1 双层底舱室划分优化 根据规范规定，科考船破损进水平衡之后允 许的横倾角比货船小很多。如无限航区科考船根据 SOLAS 的要求，最终的平衡角在 7 15 之间时生 存因数应进行折减，超过 15 时生存概率等于 0 ； 而货船则要求平衡角在 15 30 之间时进行折减， 横倾角超过 30 时生存概率才等于 0。国内航行科 57 2017海洋科学考察船技术高峰论坛 论文集 考船破损进水平衡之后最终横倾角不得大于 7 。 实际计算经验也表明，各衡准中最终横倾角通常是 最难满足的要求。 某科考船的双层底舱室划分如图 1 所示，优 化后的舱室划分如图 2 所示，左右边舱连通变成 U 形舱6，相当于一种横贯进水装置，减少了边舱 破损后最终平衡时的横倾角。当双层底以上船体为 双壳设计时，双层底以上的边舱与底舱连通一起作 为大的 U 形舱， 如图 3 所示， 其优化效果更为明显。 该优化设计应用的前提是左右连通的舱应为 空舱，或在航行过程中保持全空或全满的液舱，否 则完整稳性计算时较大的***液面引起较大的 GM 值损失，得不偿失。另外，最好在接近船舯处采用 这种设计 ： 一方面，由于这种设计破损后进水量比 常规设计大，设置在船舯处不会引起较大的船舶纵 倾 ； 另一方面，船舯处较宽可有效减少破损后的横 倾力矩，优化效果更明显。 根据图 1、图 2 和图 3 按照概率法分别计算常 规设计、仅底边舱左右连通和左右边舱全部连通时 的破舱稳性。表 1 中列出三种设计对应的边舱破损 后的浮态以及最终总的破舱稳性指数。相比常规设 计， 优化设计 1 和优化设计 2 破损后船的吃水更深， 但横倾明显变小。最终的破舱稳性指数优化量分别 是 0/005 35 和 0/012 87，对破舱稳性比较紧张的科 考船而言已是较明显地改善了 ； 而且，若船舯附近 多处采用该设计优化效果将更加明显。 图3 某科考船双层底左右边舱全部连通（优化设计2） NO/4压载水舱 左右舱通过底部局部连接形成U形舱 NO/4空舱 NO/4空舱 图2 某科考船双层底仅底边舱左右连通（优化设计1） NO/4空舱 50 ***水泄放舱 污油舱 油渣舱 NO/4压载水舱 60 图1 某科考船双层底常规设计 NO/4空舱（左） 50 ***水泄放舱 污油舱 油渣舱 NO/4空舱（右） NO/4压载水舱 60 表1 双层底舱室划分优化 设计方法吃水/m 纵倾/m 横倾/ 破舱稳性 指数 优化量 常规设计6/2500/0233/420/535 99 优化设计16/3030/0241/790/541 340/005 35 优化设计26/3350/0290/000/548 860/012 87 3/2 横贯进水装置 从上一节可以看出，减少破损后船舶的横倾可 有效优化科考船的破舱稳性，而 3/1 中的优化方式 有诸多***，此时可考虑设置专门的横贯进水装置 用于调节破损后的船舶横倾。横贯进水装置的适用 58 初绍伟 ： 科考船破舱稳性计算特点及优化研究船 舶 条件是左右舷均有较大的舱室，单侧破损，会引起 较大横倾力矩。 根据 SOLAS 的要求，横贯进水装置的平衡时 间不得超过 10 min，具体的核算方法参照 A/266 （VIII）决议关于查明符合客船横贯进水装置要 求的标准方法的建议 。为保证横贯进水装置的有 效性，需保证横贯进水装置的连通管路具有足够的 净横截面积，管路转弯处需尽量平滑过渡，以减少 形状因子对流速的影响。 3/3 累进进水的处理 常规货船通常设有专用的管弄用于布置管路 和阀，管路上的遥控阀靠近液舱就地布置，故某一 液舱破损后海水不会沿着管路进入其他完整舱室。 科考船布置紧凑，通常并无专门的管弄，其遥控阀 通常有两种布置方式 ： 一种方式是就地布置，遥控 阀浸没在液舱之内，此种方式有利于破舱稳性但是 遥控阀封闭在液舱内，维护和检修很不方便 ； 另一 种方式是阀门非就地布置在远离液舱的机舱等处所 内，以便于维护和检修，但管路破损时因没有阀门 的***，容易顺着管路引起累进进水，对破舱稳性 不利。为了便于船东使用，阀门位置通常按照第二 种方式进行设计，此时累进进水的处理成为科考船 破舱稳性计算面临的重要问题。 如图 4 所示，9 号压载水舱的管路穿过 5 号柴 油舱后将阀布置在推进电机舱内。若 5 号柴油舱连 同穿过其中的压载水管路一起破损，由于没有就地 阀的***海水会沿着破损管路进入尚未破损的 9 号 压载水舱内。为避免产生该问题，建议可采取以下 方式之一来进行处理。 处理方式 1 ： 将 9 号压载水舱和 5 号柴油舱单 向连通，即 5 号柴油舱进水时即视为 9 号压载水舱 也进水 ； 反之，9 号压载水舱进水时，5 号柴油舱 不进水。该功能在 NAPA 中可通过 CCONN 表格实 现。该方式可以较好的处理累进进水问题，但是舱 室较多时需连接的舱室也较多，实现起来比较复杂 容易出错。 处理方式 2 ： 在船舯处划分一段安全区域，如 59 2017海洋科学考察船技术高峰论坛 论文集 图 5 所示。所有可能引起累进进水的管路和阀均布 置在安全区域内，破舱计算时仅计算到安全区域之 外，安全区域破损时即认为生存概率为 0，所以不 存在累进进水的问题。该处理方式简单易行，适用 于所有科考船，缺点是排除了安全区的破损情况， 故破舱稳性指数有一定的损失。 处理方式 3 ： 在破舱计算模型中将所有可能引 起累进进水的管路均进行建模，管路作为舱室的一 部分进行处理，该种处理方式与实际破损情况最接 近，得到的破舱稳性指数在三种处理方式中最高， 但相关建模工作较为繁琐。 3/4 其他注意事项 对于无限航区科考船，需要注意根据 SOLAS 第 II-1 章 B-1 部分第 6 条规定，除了总的破舱稳 性指数 A 要不小于要求值 R，部分指数 As、Ap 和 Al 还要求不小于 0/9R。 需考虑将上建和与之相连的主船体定义为一 个水密舱室，或者将连接处的室内梯定义为非保护 开口。主船体以下也存在类似情况，即上下层甲板 之间通过室内梯连接，通常的做法是将主船体内彼 此连通的舱室定义为一个***的水密舱室而非将室 内梯定义为非保护开口，这样通常可获得更大的破 舱稳性指数。 风管穿水密舱壁或绞车缆通道穿水密舱壁的 处理可参考本文 3/3 节。 因布置需要，科考船常为左右非对称，需选取 较危险的一侧进行破舱稳性计算或左右舷分别计算 然后取两者的平均值。 根据 SOLAS B-2 部分第 II-1 章第 9 条的要求， 双层底高度应满足 B/20 或 2 m，取二者小者，其 中 B 为船宽，且双层底需横向延伸到船舶的舭部。 科考船由于线型及布局原因常有局部不满足标准双 层底要求的情况，需单独核算非常规双层底的破舱 稳性，尤其是在船舶首尾处。 对破舱稳性十分紧张的科考船可考虑采用累 进进水模式进行计算，即发生累进进水时不认为生 存概率为 0， 而是继续计算累进进水后的破舱稳性。 60 初绍伟 ： 科考船破舱稳性计算特点及优化研究船 舶 4 前期设计时的预控制 科考船设备繁多、布置复杂，设计细化过程 中布置常根据功能需求进行调整，相应的管路走 向、通风透气的开口位置等也需作相应调整，从 而影响最终的破舱稳性计算结果。虽然可通过预 留一定的余量预防后期改动的不利影响，但预留 多少余量具有不确定性，且每次布置调整均需查 核对破舱稳性的影响，工作量较大。当破舱计算 结果很紧张时，可以采取一定措施，控制后续修 改对破舱稳性的影响。 根据 SOLAS 的规定，船舶破损后的生存因子 按式（1）进行计算 ： （1） 式中的“范围”是指从破损进水后的最终平衡位置 到非水密开口被淹没的角度，最大取 16 。可见， 当非水密开口保持在破舱水线 16 范围以外时开 口位置的调整不会对计算结果产生影响，故可采用 图 6 所示方式作出开口控制线，对开口位置提出限 制要求。 其具体方法是 ： 首先进行破舱稳性的计算
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