內(nèi)容提要：基于國際船級(jí)社協(xié)會(huì)發(fā)布的統(tǒng)一要求S17 提出的單船殼散貨船滿足任一貨艙進(jìn)水后的船體梁的總縱強(qiáng)度要求，論文根據(jù)IACS UR S17 介紹了考慮貨艙進(jìn)水后的總縱強(qiáng)度計(jì)算方法，通過實(shí)船計(jì)算闡述了IACS URS17 的生效對(duì)營運(yùn)中散貨船總縱強(qiáng)度的影響，并提出了航海人員在散貨船強(qiáng)度控制時(shí)應(yīng)注意的問題。旨在提醒航海人員遵照國際規(guī)則IACS URS17加強(qiáng)散貨船強(qiáng)度控制，減小營運(yùn)中存在的風(fēng)險(xiǎn)。
關(guān)鍵詞：散貨船 總縱強(qiáng)度 LACS UR S17
0 引言
散貨船在海上貨物運(yùn)輸中所占的地位十分重要，但近來頻頻發(fā)生事故給其造成了嚴(yán)重威脅。為了提高散貨船的安全性，有關(guān)散貨船的國際規(guī)則不斷出臺(tái)。國際船級(jí)社協(xié)會(huì)（IACS）發(fā)布了統(tǒng)一要求S17（以下簡(jiǎn)稱IACS UR S17）“單船殼散貨船考慮進(jìn)水后船體梁的總縱強(qiáng)度要求”（Longitudinal strength of hull girder inflooded condition for single side skin bulk carriers）。IACS UR S17要求2003年7月1日以后簽訂建造合同，船長(zhǎng)在150m及以上擬授予BC-A或BC-B協(xié)調(diào)附加標(biāo)志的單船殼散貨船滿足任一貨艙進(jìn)水后的縱向強(qiáng)度要求。也就是說對(duì)于船長(zhǎng)在150m及以上，裝載密度為1.0及以上固體散貨的單船殼散貨船，不但要校核船舶完整狀態(tài)時(shí)的總縱強(qiáng)度， 而且要校核考慮任一貨艙進(jìn)水后的總縱強(qiáng)度。只有二者均滿足要求，才能認(rèn)為該裝載狀態(tài)時(shí)的總縱強(qiáng)度滿足要求。
傳統(tǒng)的散貨船總縱強(qiáng)度校核僅保證船舶完整狀態(tài)時(shí)各剖面的剪力和彎矩不超出許用范圍，并未考慮貨艙進(jìn)水后的船體的總縱強(qiáng)度要求。而IACS UR S17 生效以后，許多按照傳統(tǒng)強(qiáng)度校核方案認(rèn)為是安全的工況，如根據(jù)新要求卻成為了危險(xiǎn)工況。對(duì)于2003年7月1日以后建造的單船殼散貨船的配載儀中，都提供了考慮任一貨艙進(jìn)水的總縱強(qiáng)度校核的功能；裝載手冊(cè)中也提供了多種典型裝載工況的計(jì)算結(jié)果，但有些航海人員對(duì)此卻了解較少。基于此，本文根據(jù)IACS UR S17介紹了考慮貨艙進(jìn)水后的總縱強(qiáng)度計(jì)算方法，通過實(shí)船計(jì)算闡述了IACS UR S17 的生效對(duì)營運(yùn)中散貨船總縱強(qiáng)度校核的影響，并提出了航海人員進(jìn)行散貨船強(qiáng)度控制時(shí)應(yīng)注意的問題。
1 按IACS UR S17 考慮貨艙進(jìn)水后的總縱強(qiáng)度計(jì)算
1.1 滲透率的確定
貨艙內(nèi)實(shí)際進(jìn)水體積與理論進(jìn)水體積之比稱為貨艙滲透率。根據(jù)IACS UR S17規(guī)定：對(duì)于空貨艙，滲透率取0.95；對(duì)于裝載貨物的貨艙，將貨艙分為貨物以上空間和貨物所占空間，貨物以上空間的滲透率取0.95，固體散裝貨物所占空間的滲透率通常取0.3，包裝貨物滲透率取0。
1.2 考慮貨艙進(jìn)水后的總縱強(qiáng)度校核方法
根據(jù)IACS UR S17規(guī)定，考慮貨艙進(jìn)水后校核總縱強(qiáng)度時(shí)，認(rèn)為船體梁是完整的，剖面模數(shù)不變，所以船舶各剖面的許用合成剪力和許用合成彎矩與完整狀態(tài)時(shí)相比是不變的。對(duì)某一船舶來說，如不考慮腐蝕和疲勞，各剖面的許用合成彎矩及合成剪力是定值?？紤]貨艙進(jìn)水后的船舶波浪載荷取海上波浪載荷的80%，又由于船舶許用靜水載荷等于許用合成載荷減去計(jì)算波浪載荷，根據(jù)后面的公式（1）和（4）不難發(fā)現(xiàn)，考慮貨艙進(jìn)水后的許用靜水剪力和許用靜水彎矩要比完整狀態(tài)時(shí)大波浪載荷的20%。
第一步分別計(jì)算船體梁各剖面的靜水彎矩和靜水剪力許用值，其中靜水彎矩許用值按下式計(jì)算：
式（1）中，M軓為許用合成彎矩，根據(jù)《鋼質(zhì)海船入級(jí)和建造規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱《鋼規(guī)》）給出的公式，按下列兩式計(jì)算，取較小者：
式（2）為局部構(gòu)件尺寸的折減系數(shù)，確定方法參見《鋼規(guī)》第二篇；［σ］為許用彎曲應(yīng)力，N/mm2；Wd和Wb分別為甲板剖面模數(shù)和船底剖面模數(shù)。
式（1）中，MW（+）和MW（－）分別為船體梁各剖面的中拱波浪彎矩和中垂波浪彎矩，計(jì)算公式為：
MW（+）=+190MCL2BCb×10-3kN·m （3）
MW（－）=－110MCL2B（Cb+0.7）×10-3kN·m
式（3）中，Cb為方形系數(shù)，取值不小于0.6；L為船長(zhǎng)，m；
B為船寬，m；對(duì)于系數(shù)C，當(dāng)90≤L≤300，C=10.75－[（300－L）/100]3/2；M為彎矩分布系數(shù)，當(dāng)x/L≤0.4，M=2.5·x/L；當(dāng)0.4≤x/L≤0.65，M=1；當(dāng)0.65≤x/L≤1，M=（1-x/L）/0.35，其中x為計(jì)算剖面至船尾垂線的水平距離。
船體梁各剖面的靜水剪力許用值按下式計(jì)算：
式（4）中，［τ］為許用剪切應(yīng)力，110MPa；I為計(jì)算橫剖面對(duì)水平中和軸的慣性矩，cm4；S為計(jì)算橫剖面上有效縱向構(gòu)件對(duì)水平中和軸的靜矩，cm3；ts為中和軸處舷側(cè)處外板厚度，mm；FW（+）和FW（－）分別為船體梁各橫剖面的中拱波浪剪力和中垂波浪剪力，計(jì)算公式為：
FW（+）=+30F1CLB（Cb+0.7）×10-2kN （5）
FW（－）=－30F2CLB（Cb+0.7）×10-2kN
式（5）中，C、Cb、L、B與（3）式相同；F1和F2為剪力分布系數(shù)，確定方法參見《鋼規(guī)》第二篇。
第二步，分別假定每一貨艙進(jìn)水，且艙內(nèi)水面與舷外水相通，用重量增加法確定出貨艙進(jìn)水后最終水線。其基本思路是將進(jìn)水視為船舶載重增加，由于增加載重的重心不一定在船舶的漂心上，所以船舶除下沉外還會(huì)發(fā)生縱傾和橫傾，形成新的水線面；新的水線面可能高于進(jìn)水位置，則該處的進(jìn)水量將增加，于是又形成新的水線面，依次類推，經(jīng)過一段時(shí)間后，艙內(nèi)水面與舷外水面一致，進(jìn)水量不再發(fā)生變化[7]。然后根據(jù)船體強(qiáng)度計(jì)算方法計(jì)算考慮各貨艙分別進(jìn)水情況下的船舶各剖面實(shí)際靜水彎矩和實(shí)際靜水剪力。
第三步，將計(jì)算出的考慮各貨艙進(jìn)水后的各剖面實(shí)際靜水彎矩和實(shí)際靜水剪力與第一步計(jì)算出來的許用值進(jìn)行比較，若任一貨艙進(jìn)水后的各剖面的實(shí)際值小于許用值，則表明滿足IACS UR S17要求；反之，若有任何一貨艙進(jìn)水后的靜水彎矩及剪力超出許用值，則表明該裝載工況不滿足IACS UR S17要求，亦即不滿足貨艙進(jìn)水時(shí)的總縱強(qiáng)度要求。
2 散貨船總縱強(qiáng)度危險(xiǎn)工況實(shí)例
本文通過對(duì)B.G輪并利用該輪裝載儀計(jì)算考慮任一貨艙進(jìn)水后的總縱強(qiáng)度，來闡述IACS UR S17 的生效對(duì)散貨船總縱強(qiáng)度校核的影響。B.G輪垂線間長(zhǎng)185.0 m，型寬32.26 m，夏季滿載吃水12.5 m，被授予BC-A協(xié)調(diào)標(biāo)志，共五個(gè)貨艙，其中第2、4艙在滿載時(shí)允許空艙。
2.1 船舶裝載狀態(tài)
船舶載運(yùn)密度為3.0t/m3（積載因數(shù)SF=0.33m3/t）的散裝礦石，按照航運(yùn)習(xí)慣，為提高船舶重心高度，避免初穩(wěn)性高度過大而造成劇烈橫搖，采取隔艙裝載方案。各艙貨物重量分配與裝載手冊(cè)推薦工況相同，如圖1所示：即No.1貨艙15 967t，No.3貨艙20 180t，No.5
貨艙17 218t，No.2和No.4貨艙不裝貨，所有油艙裝至艙容的90%，所有淡水艙裝滿，壓載艙全空。
2.2 船舶強(qiáng)度校核
利用本船的裝載儀計(jì)算結(jié)果如圖2所示：船舶首吃水為12.13m，尾吃水為12.86m，平均吃水12.50m。對(duì)船舶在完整狀態(tài)時(shí)總縱強(qiáng)度校核，其中最大靜水剪力百分比為73%，最大靜水彎矩百分比為72%，滿足船舶在完整狀態(tài)時(shí)的總縱強(qiáng)度要求，如圖3所示。根據(jù)IACSURS17要求對(duì)考慮船舶任一貨艙進(jìn)水后的總縱強(qiáng)度校核，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)分別考慮No.2、No.3、No.4及No.5貨艙進(jìn)水時(shí)，船舶的剪力和彎矩都在許用值范圍內(nèi)，而當(dāng)考慮No.1貨艙進(jìn)水時(shí)，在142-143肋位處船舶最大靜水彎矩百分比達(dá)到了103%，如圖4所示，超出了許用范圍。由此可以判斷該工況下的總縱強(qiáng)度不滿足IACSURS17要求，按新規(guī)則是不允許的。
圖3、圖4說明如下：圖中a為實(shí)際靜水剪力S.F.曲線；b為實(shí)際靜水彎矩B.M.曲線；c為允許靜水剪力Allow S.F.曲線；d為允許靜水彎矩Allow B.M.曲線；·，*：After BHD Correction表示經(jīng)橫艙壁修正的靜水剪力計(jì)算值；圖上部DMG即DAMAGE的縮寫，為警報(bào)，警告該裝載工況在考慮IACSURS17時(shí)是危險(xiǎn)的。圖4下部e表示貨艙進(jìn)水后的載荷重量分布曲線；標(biāo)有○的曲線段指實(shí)際靜水彎矩超出許用值的區(qū)域。
2.3 工況分析
本例表明：該輪在隔艙裝載密度為3.0t/m3及以上的固體散貨時(shí)，該裝載方案不滿足總縱強(qiáng)度要求。但若裝載密度為2.8t/m3（SF=0.357m3/t）及以下的固體散貨，其他裝載情況不變，經(jīng)校核發(fā)現(xiàn)，考慮貨艙進(jìn)水后的總縱強(qiáng)度滿足要求。當(dāng)裝載密度為2.8t/m3的固體散貨時(shí)，考慮No.1貨艙進(jìn)水后的總縱強(qiáng)度校核結(jié)果如圖5所示?？梢?，貨物密度對(duì)考慮貨艙進(jìn)水后的總縱強(qiáng)度的影響是很大的。對(duì)于本船，實(shí)驗(yàn)表明，一旦由于航次需要，隔艙裝載密度為3.0t/m3及以上的固體散貨時(shí)，必須根據(jù)情況減少航次貨運(yùn)量，重點(diǎn)是要減少造成危險(xiǎn)的No.1貨艙的裝貨量。
3 結(jié)束語
如果按照傳統(tǒng)的散貨船強(qiáng)度校核方法，僅校核完整狀態(tài)時(shí)的總縱強(qiáng)度，而不考慮任一貨艙進(jìn)水狀態(tài)的總縱強(qiáng)度要求，上面的危險(xiǎn)工況都將被認(rèn)為是安全的。但這是與國際船級(jí)社協(xié)會(huì)為保證散貨船安全推出的統(tǒng)一要求S17相違背的，造成看似安全的裝載工況實(shí)際上是存在安全隱患的。通過分析可以發(fā)現(xiàn)：如果裝運(yùn)非裝載手冊(cè)推薦的高密度固體散貨時(shí)，即使按裝載手冊(cè)建議的各貨艙貨物分配方案配裝，雖然完整狀態(tài)時(shí)的總縱強(qiáng)度在允許范圍內(nèi)，但考慮任一貨艙進(jìn)水時(shí)的總縱強(qiáng)度可能不滿足要求。如果裝運(yùn)此類貨物，最佳調(diào)整方案是減少航次貨運(yùn)量，船舶將不能達(dá)到滿載，對(duì)于承租人及船東，只有犧牲部分運(yùn)費(fèi)來換取船舶的安全。
實(shí)踐中，航海人員根據(jù)IACS UR S17校核散貨船考慮任一貨艙進(jìn)水后的總縱強(qiáng)度已成為強(qiáng)制性要求。對(duì)于2003年7月1日以后簽訂建造合同的單船殼散貨船的配載儀中都提供了考慮任一貨艙進(jìn)水的總縱強(qiáng)度校核的功能，航海人員必須利用該功能校核任一貨艙進(jìn)水后的總縱強(qiáng)度；若配載儀中未提供該功能，可以參照裝載手冊(cè)中提供的各種裝載工況的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校核，或采用本文介紹的方法進(jìn)行校核。
參考文獻(xiàn)
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4中國船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)和建造規(guī)范.人民交通出版社，2006.
5李榮輝，基于國際新規(guī)則的散貨船強(qiáng)度控制研究，大連海事大學(xué)，2006.
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7沈華，杜嘉立，徐邦禎.船舶穩(wěn)性與強(qiáng)度計(jì)算.大連海事大學(xué)出版社，2001.
作者：李榮輝 張軍 來源：航海技術(shù)
