吉春正 劉志堅 趙 勇 郭冬雪

（中國長江航運集團金陵船廠 南京210015）

引 言

船舶載貨時常用到設計吃水、結構吃水、滿載吃水和夏季吃水［1］。設計吃水用于設計優(yōu)化，是船舶性能最佳的吃水；結構吃水用于結構設計，是結構所能承受的最大吃水；滿載吃水用于實際運營，是船舶裝滿貨物時所達吃水；夏季吃水用于法規(guī)計算，是相應于夏季干舷的吃水。

結構吃水概念始于30多年前，最初僅比設計吃水大200～300 mm，是船廠從建造角度選取，作為設計裕量以保證載重量要求，與所裝貨物性質無關。后來船東從經(jīng)濟角度出發(fā)，為多裝貨少交費，將這一概念加以發(fā)揮，使結構吃水大大增加。

從設計角度講，之所以設定設計吃水和結構吃水，是因為船舶設計時需進行兩方面計算：穩(wěn)性計算和結構計算。穩(wěn)性計算時在設計吃水下考核航速、核算穩(wěn)性。但船舶在艙內裝載重物時，重心低，即使裝載超過設計吃水，穩(wěn)性上也是安全的，于是有了新說法——重載。問題是，重載時穩(wěn)性沒問題，但按設計吃水核算的結構可能是不安全的。于是在船舶最初設計時就定義結構吃水，按結構吃水進行結構校核，從而保證了重載時的結構安全。

另外，設定結構吃水還為以后船舶改裝留下余地，畢竟設備可隨時更換，結構則要伴隨一生。所以散貨船、干貨船和工程船等都設有設計吃水和結構吃水。

在追求綠色、節(jié)能、環(huán)保的背景下，原先作為設計裕量用來保證載重量的結構吃水，重新進入船東視野。在近兩年的合同談判中，船東通常要求論證增加結構吃水的可行性。本文綜合分析了金陵船廠已建造的滾裝船、在建造的散貨船和將建造的雜貨船增加結構吃水的案例，尤其詳細總結了在建造的35 000載重噸散貨船增加結構吃水的整個設計過程（論證→計算→送審→退審）。通過案例分析，梳理了論證思路和設計的流程并分析主要影響因素，得出了一些定量的結論。

1 總體設計

1.1 干舷計算

無論是設計吃水還是結構吃水，均不能超過夏季吃水，所以首先要根據(jù)載重線公約（ICLL）計算最小夏季干舷［2］。文獻［3］提及的散貨船，干舷計算結果見表1。在船東的強烈要求下，最大夏季吃水根據(jù)最小干舷直接推算，不留裕量。這就要求船廠在建造中要密切關注建造型深，尤其是載重線標志位置，以免小于理論型深，造成核準的夏季吃水小于要求的結構吃水，不能滿足合同約定。

表1 干舷計算結果

1.2 破艙穩(wěn)性計算

根據(jù)干舷求得的夏季吃水只是初步值，還需進一步進行破艙穩(wěn)性計算，以確定最小干舷高度。

1.2.1 折減干舷船舶確定性破艙穩(wěn)性計算

對船長大于100 m的折減干舷船舶，要滿足ICLL公約第27條法規(guī)關于確定性破艙要求，其中B-60干舷船要求單艙破損不沉，B-100干舷船要校核兩鄰艙破損，還可能要校核機艙單獨破損［2］。

因結構吃水增加，儲備浮力降低，故折減干舷船舶確定性破艙穩(wěn)性一般比較危險，可能所需最小干舷較大。此時有兩項解決方案：

（1）增加分艙，主要是貨艙區(qū)艏部壓載艙，但代價較高，尤其是已處于建造階段；

（2）增加開孔（通風口、透氣管等）高度，代價較低，但一般交船時才能收到完工退審，工期緊、返工量大，所以船廠對臨界開孔要提前考慮。

文獻［4］中的船舶，采用B-60折減干舷，為滿足單艙破損要求，需將1號貨艙艙口圍增高0.60 m，艙口寬度減少1.60 m，并降低該艙甲板貨高度，以保證甲板貨距基線高度不變，以免引起克令吊高度、駕駛視線和航行燈布置等一系列變化。

1.2.2 非折減干舷船舶概率破艙穩(wěn)性計算

對于非折減干舷船舶，只需滿足海上人命安全公約（SOLAS）第2章第1條，Part B-1概率破艙穩(wěn)性，要求相對較低，只要初始設計達到的分艙指數(shù)A有一定裕度，一般都能滿足要求。文獻［3］中案例的概率破艙穩(wěn)性計算結果見表2。

表2 概率破艙穩(wěn)性計算結果

從表中可見，增加結構吃水后，達到指數(shù)A仍滿足要求，但平浮時已經(jīng)非常接近要求指數(shù)R。如果船廠透氣管施工有偏差，可能造成完工破艙穩(wěn)性不滿足要求。萬一出現(xiàn)如此情況，則可選以下兩項補救措施：一是提高GM值，二是增高透氣管。前者在完工時已不可行，因會推翻所有總體完工文件的基礎；后者也頗費周折，所以船廠應注意控制臨界透氣管的施工，避免返工。

1.3 完整穩(wěn)性計算

經(jīng)干舷和破艙穩(wěn)性核算后的吃水，完整穩(wěn)性一般沒問題，此處校核目的是為結構設計作準備。

1.3.1 滿載工況浮態(tài)

增加結構吃水后，額外的載重量用于載貨，即貨艙區(qū)重量會增加，船艏勢必下沉。目前主流設計的船舶，均是緊湊型機艙布置，滿載出港、中途一般都是艉傾，船艏下沉對減小縱傾、浮態(tài)調平有好處，所以這些工況沒問題。但因為這些船舶消耗性液艙大部分均位于機艙，滿載到港可能會出現(xiàn)不理想艏傾工況，這要重點關注。

1.3.2 總縱強度包絡線

文獻［4］研究的雜貨船，不需滿足SOLAS公約第12章關于散貨船的附加措施，即不需考慮單個貨艙破損時總縱強度問題［5］，所以總縱彎矩臨界工況是壓載工況，不受增加結構吃水影響，但總縱剪力約增加2%。

文獻［3］研究的散貨船，要滿足散貨船共同規(guī)范（CSR-BC）要求。規(guī)范允許提議較小總縱強度設計值（可比規(guī)范計算值還?。灰采w所有裝載工況［5］?？偪v強度設計包絡線在包絡所有裝載工況前提下，船級社一般要求彎矩留5%裕量，剪力留10%裕量，以覆蓋完工狀態(tài)與設計狀態(tài)的誤差。增加結構吃水最恰當?shù)臅r機，是在船級社完成所有審圖，對船舶各部分裕量了如指掌時進行，此時船舶已經(jīng)開工，對各項設計指標已有確切把握，所以船級社一般會同意個別工況吃掉上述裕量。

滿足CSR-BC的散貨船，需要滿足SOLAS公約第12章關于散貨船的附加措施，單個貨艙破損工況往往是總縱強度的臨界狀態(tài)。

文獻［3］研究的BC-A型散貨船，在輕壓載出港工況下，1號貨艙破損時，船體梁中拱彎矩達到臨界，為設計彎矩的98.5%，裕量幾乎被全部吃掉（見圖1）。在重貨隔艙裝載出港工況下，1號或5號貨艙破損時，船體梁總縱剪力達到臨界，修正前已超出設計包絡線，根據(jù)規(guī)范修正后達到設計值的95.3%，裕量也被吃掉大部分（見圖2）。

1.3.3 貨物載重量曲線

增加結構吃水后，為兼顧浮態(tài)和總縱強度，各艙裝載量需調整，會引起貨物載重量曲線變化，從而影響局部強度，如需增加或加大雙層底和邊艙結構扶強材。另一方面，吃水增加引起靜水壓力增大，外底板以及雙層底肋板和縱桁上挺筋會受影響。文獻［4］ 研究的雜貨船，預計由此會增加約10 t局部加強。文獻［3］研究的船舶，由于1號和5號貨艙貨物載重量曲線初始有700～800 t裕量，使調整后的實際裝載量仍在設計貨物載重量曲線內，對局部強度幾乎沒有影響，且浮態(tài)易于調整。

圖1 船體梁總縱彎矩臨界工況

圖2 船體梁總縱剪力臨界工況

由此可見，增加結構吃水后，完整穩(wěn)性有所改善，需關注的只是滿載到港工況浮態(tài)，而最重要的是通過調整貨物配載，將實際總縱彎矩和剪力控制在設計包絡線內，并盡量保持貨物載重量曲線不變，從而將增加結構吃水對結構的影響降至最小。

1.4 EEDI指數(shù)驗證

為配合環(huán)保要求，國際海事組織推出了新船能效設計指數(shù)（EEDI）。

EEDI指數(shù)驗證分兩個階段：一是設計時的初步驗證；二是試航時的最終驗證。驗證吃水相應于夏季吃水（結構吃水）。除液貨船外的其他船舶，很難在夏季吃水狀態(tài)試航，所以驗證中最重要的是提供可靠的船模水池試驗報告，以便將試航時實際功率-航速測量數(shù)據(jù)與同狀態(tài)的水池試驗數(shù)據(jù)比較，得到可靠的修正系數(shù)，再修正得到夏季吃水時實船功率-航速曲線，從而求出EEDI指數(shù)［6］。

增加結構吃水后，EEDI指數(shù)要在新吃水下驗證，獲得所需功率—航速曲線有兩種途徑：一是數(shù)值模擬，二是船模試驗。因論證增加吃水一般較晚，且要以最終批準吃水為準，此時水池試驗早已結束，再補做船模試驗，代價較高且周期也難保證。

文獻［3］中所研究散貨船屬于志愿滿足EEDI驗證范疇，船級社同意使用數(shù)值模擬方法來替代。

波斯坦船模水池建議的數(shù)值模擬流程如下：

（1）使用其他吃水下阻力試驗數(shù)據(jù)驗證Holtrop等經(jīng)驗方法的可靠性，按需引入修正系數(shù)以盡可能接近測量結果；

（2）使用選擇的經(jīng)驗方法計算阻力，并確定新吃水的修正系數(shù)；

（3）因吃水變化很小，認為對推進效率的影響可以忽略不計；

（4）數(shù)值模擬中，使用算得的新阻力和測量的推進效率進行模擬。

表3為數(shù)值模擬結果，保持14.0 kn航速，主機功率需增加1.5%，而載重量會增加3.8%，最終EEDI指數(shù)相對參考線值又降低約1.1%［3］。

表3 達到的EEDI指數(shù)比較

2 結構設計

2.1 規(guī)范校核

增加結構吃水對規(guī)范校核影響：

（1）總縱設計剪力和彎矩變化；

（2）載荷計算點變化；

（3）關鍵計算參數(shù)變化。

總縱設計剪力和彎矩在總體設計中已妥善解決。載荷計算點變化引起靜水壓力增大1%，影響甚微。關鍵計算參數(shù)變化主要是方形系數(shù)CB增大，但波浪彎矩受吃水影響不大，而靜水彎矩依賴于重量分布，所以文獻［3］中，CB由0.82增至0.83，波浪彎矩僅增大0.6%，影響甚微。

2.2 有限元分析

在艙段有限元分析中，起決定作用的是總縱彎矩、貨物載重量曲線和吃水。文獻［3］研究的散貨船，除吃水變化很小外，總縱彎矩和載重量曲線沒變化，應力變化很小，對結構影響可忽略。

2.3 有結構設計結果

增加結構吃水評估結果見表4。從中可見，船東在幾乎無額外代價的情況下，結構吃水可以增加約 200 mm、載重量增加約 1 000 t［3-4，7］。

public delegate void InitiatedChangedEventHandler(object sender,MyEventArgs e);

表4 增加結構吃水評估結果

3 其他考慮

3.1 冰區(qū)帶設計

文獻［7］研究的是艘載重型滾裝船，運營數(shù)年后，滿載率較高，所以船東希望增加結構吃水。和文獻［3］和［4］一樣，從總體和結構角度考慮，吃水增加200 mm沒問題，此案例關鍵在于冰區(qū)帶設計，焦點在于對冰級規(guī)范理解。規(guī)范中定義的冰區(qū)滿載水線是“相應于船舶意圖在冰區(qū)航行的最深吃水”，在原設計中是按7.07 m夏季淡水載重線確定冰帶上限。船東提出異議后重新解讀規(guī)范，統(tǒng)一認識為冰區(qū)滿載水線相應于夏季海水載重線，而不是淡水載重線，所以冰帶范圍能滿足結構吃水從6.90 m增加到7.07 m要求。

3.2 沖擊加強

增加結構吃水，對結構的其他影響有：

（1）吃水增加后，艏部沖擊加強垂向范圍相應提高，可能會影響此處外板厚度；

（2）吃水增加后，可能使水線附近一列外板變成干濕交替區(qū)，腐蝕余量增加0.5 mm，尤其是滿足 CSR 的船舶要特別注意［5，8］。

3.3 航行安全

為保證航行安全，規(guī)范對航行燈布置有明確要求，尤其前后桅燈要在1 000 m外分辨出來，如1.2.1所述，增加結構吃水和減小縱傾均對航行燈布置有利。另外，基于同樣原因，也使駕駛視線得以改善。

3.4 艉軸密封

增加結構吃水，使艉軸密封和舵桿密封所受的水壓力會變大，但一般影響甚微，可忽略不計。

4 結 論

有增加吃水需求，為何設計時不直接加大結構吃水，這是困惑很久的問題。通過調研，筆者了解到：

（2）設計時直接增加結構吃水，一般仍會留足設計裕量，無法取得2.3所述收益；

（3）船東比較航速時，較大吃水對競標不利。

最終，對幾個船型增加結構吃水案例分析結論如下：

論證增加結構吃水時，首先要校核干舷和破艙穩(wěn)性，確定穩(wěn)性上可行；然后校核完整穩(wěn)性，為結構設計提供依據(jù)；最后進行結構規(guī)范校核和有限元分析。另外，還要考慮其他因素，如冰帶加強、艏部抨擊、航行燈布置以及艉軸/舵桿密封。

在干舷滿足的前提下，結構吃水增加200 mm，基本不影響穩(wěn)性和強度，空船質量變化很小，但載重量收益很大，EEDI指數(shù)也會提高。

［1］ 船舶工程名詞審定委員會.船舶工程名詞［M］.北京:科學出版社，1998.12.

［2］ IMO.International Convention on Load Line，1966，including the Protocol of 1988 ［S］.2013.

［3］ 金陵船廠.35000載重噸散貨船增加結構吃水論證報告［R］.2012.12.

［4］ Deltamarin Ltd.Study for increasing scantling draft of General Cargo Carrier ［R］.2013.1.

［5］ IACS.Common Structure Rules for Bulk Carriers［S］.

［6］ IMO.Guideline on the Method of calc.of the Attained EEDI for New Ship［S］.MEPC.224（64）.

［7］ 上海船舶研究設計院.10500載重噸滾裝船增加結構吃水可行性分析報告［R］.2013.4.

［8］ 周良根 .型船空船重量推算法［J］.船舶，2010（1）：9-12.