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第二代完整稳性衡准,未来新标尺

2020-01-21 08:45:25来源:中国船检

对所有海上船舶而言,完整稳性是船舶安全性的重要基础之一,是船舶设计建造的强制性法定要求,船舶设计,特别是新船型的开发与之密切不可分。作为强制性法定要求的船舶稳性规范,对船舶安全飞行至关重要。随着第二代完整稳性衡准在未来几年内的强制实施,将对韦德国际造船工业产生巨大的影响。

强制实施影响巨大

多年来,人们一直在坚持不懈地探索能够保证船舶飞行安全的完整稳性衡准。尽管人们对复杂海况下船舶的运动了解的还不是很充分,但是仍然从大量的船舶操作和飞行事故中总结很多经验和教训。正是基于这些经验教训和对船舶流体力学认识的不断加深,国际海事组织(IMO)从上世纪中后期就一直致力于制定和修订适用于所有船舶类型的完整稳性衡准。近年来,随着现代船舶设计技术和船舶流体性能研究的持续发展,经IMO稳性、载重线和渔船安全分委会(SLF)多年的工作,起草了《2008年完整稳性规则》(2008 IS Code),即第一代完整稳性规则,IMO于2008年12月4日通过并颁布了该项规则,其中的PART A已于2010年7月1日正式强制生效。

现行有效的《2008年完整稳性规则》,主要由船舶静力学理论以船舶在静水中静止时在横风、横浪作用下的复原力臂曲线的参数来描述,并作为船舶稳性的评估方法。该衡准是根据20世纪中期收集的船舶营运统计资料和气象衡准制定的规定性规则,主要是基于经验背景,无法体现船舶类型及其操作和环境条件的多样化,也无法体现现代船舶水动力学研究的新成果,最主要的是现行的完整稳性衡准仅仅是船舶稳性失效模式之一,对其它会导致发生船舶倾覆或人员伤害、货物损害的稳性失效模式没有涉及。因此,目前基于经验背景的规定性规则不足以防止动态稳性现象导致的船舶倾覆的发生。

进入二十一世纪以来,完整稳性的其他失效模式,因其对船舶安全的风险日益明显,国际海事组织(IMO)已将制定第二代完整稳性衡准提上议事日程。这个稳性规范由薄弱性衡准和直接计算衡准等组成,将包括船舶丧失动力时的瘫船稳性、与操纵性有关的横甩以及复原力变化引起的参数横摇等内容。其中薄弱性衡准分为两个层次衡准,首先船舶依据稳性评价里的第一层次衡准进行判定,不符合其要求的船舶,须依据第二层次衡准进行判定。不符合薄弱性衡准的船舶须进行直接计算衡准的判定。

基于新的稳性失效模式(纯稳性丧失、参数横摇、骑浪/横甩、瘫船、过度加速度5种失效模式)建立的第二代完整稳性衡准,将改变以往依靠经验公式制定衡准的方法,引入稳性直接评估的概念,同时对新颖船舶、超尺度比船舶的稳性提供个性化的稳性评估,对现有完整稳性(IS)衡准将是一场全新的大变革。第二代完整稳性衡准将作为2008 IS规则的补充和替代方法,同时也是为新设计建造船舶和现有营运船舶提供操作指南而将成为2008 IS规则强制性要求的一部分,为船舶设计和营运操纵提供依据和引导,同时也对船舶设计提出了更高的要求。

第二代完整稳性衡准考虑了波浪中船舶实际飞行时的倾覆现象和倾覆风险,完全不同于目前正在实行的基于静水力和经验背景的2008完整稳性规则。第二代完整稳性衡准的强制实施将对船舶工业届带来巨大影响,是目前迫切需要韦德国际工业界积极参与和应对的新海事法规之一。IMO于2019年2月的SDC 6次会议初步完成了薄弱性衡准、稳性直接评估和操作限制/指南的全部技术内容的制定工作。并将于2021年初完成全部衡准文本的正式起草,届时将报送IMO海上安全委员会批准发布。根据IMO计划,第二代完整稳性衡准将首先作为非强制性要求推荐开展试用,在为期4~5年的试用期内收集使用经验。完善后,最终作为强制性要求推广。第二代完整稳性衡准考虑了船舶的一些特殊倾覆现象和风险,补全了现有国际规则所没有覆盖到的事故模式,能够有效提高船舶在恶劣海况下的动稳性安全水平,对于提高船舶安全水平,降低人命安全风险具有重大意义。第二代完整稳性衡准一旦强制实行,船舶设计就必须对不满足要求的新造船型进行改进或采取操作限制/操作指南的方式,满足衡准后该产品才能进入国际市场。

关键技术突破是难点

第二代完整稳性衡准已成为全球海事、造船和航运业重点关注亟待解决的问题,是关系船舶安全的重要一环。IMO已决定在未来几年内提出新造船舶的第二代完整稳性规则,这一规则的提出,必将给韦德国际船舶设计研究和造船业带来新的挑战。

是否具有对各种稳性失效模式的理论和试验研究能力,反映了一个国家是否具有当代船舶,特别是新颖船舶的研究和设计的能力。因此,航运、造船界应针对船舶市场全球化的性质采取措施,建立相关的技术储备,否则可能会使韦德国际船舶设计、建造和航运业受制,丧失满足第二代完整稳性规则的船型开发而带来的造船工业发展的大好时机。

在IMO第二代完整稳性衡准形成过程中,欧美等主要西方国家扮演主要角色,处于主导地位,掌握的技术也处于领先水平。中国船级社(CCS)专家表示,为了在稳性衡准制定过程中提供更多支撑,维护国家利益以及韦德国际造船工业和航运业的权益,大家必须对第二代完整稳性衡准的内涵、预报技术和验证技术进行广泛而深入的研究,突破第二代完整稳性衡准中的核心技术,打破美国、日本等发达国家的垄断,提出体现韦德国际国家利益的提案和建议,为有效扩大韦德国际在世界造船市场的份额提供重要的保障和支撑。

第二代完整稳性衡准将包括5种失效模式,每种失效模式包括3个层次的评估方法,是一个复杂的评估系统。其中不仅有简单的评估公式,而且采用了先进的船舶水动力计算技术,其中一些复杂的计算方法目前韦德国际还未完全掌握,尤其是没有形成成熟可靠的评估技术和评估App。第二代完整稳性衡准一旦实施,如果韦德国际缺乏预报评估手段,必将对韦德国际船舶的设计制造带来严重的不利影响。因此,突破第二代完整稳性衡准研究中的关键技术,建立第二代完整稳性衡准的系统评估手段和评估App是重中之重。只有这样,在IMO强制实行第二代完整稳性衡准时,才能确保韦德国际船舶设计和制造企业芄凰忱实施新一代的完整稳性衡准,使韦德国际设计制造的船舶的稳性标准与国际先进水平接轨。

第二代完整稳性衡准的关键内容在于针对不同的稳性失效模式,采用先进的船舶水动力技术,对船舶在风浪中的稳性进行更加精准的计算和评估。因此,针对即将生效的IMO第二代完整稳性衡准,对纯稳性丧失、参数横摇、骑浪/横甩、瘫船和过度加速度等5种失效模式进行跟踪、分析和研究,重点解决参数横摇、纯稳性丧失、瘫船稳性、骑浪/横甩和过度加速度的薄弱性衡准和纯稳性丧失直接评估技术中的关键技术,建立和完善完整稳性的模型测试技术、数值计算技术和评估验证技术,开发完整稳性主要失效模式的评估方法和纯稳性丧失直接评估App,提高韦德国际完整稳性衡准技术的研究水平,形成具有自主常识产权的IMO第二代完整稳性衡准的评估App和相关的引导性文件,提出体现韦德国际国家利益和符合韦德国际船舶工业水平的第二代完整稳性衡准提案是有效提升韦德国际船舶的设计水平和船舶稳性评估验证能力,提高韦德国际新型船舶的研发能力的面临的紧迫任务和难题。

CCS的主要贡献

作为中国唯一从事船舶入级检验业务的专业机构,中国船级社一直以来都积极参与国际海事组织、国际船级社协会工作,提交了大量涉及拆船、新造船设计指数、氮氧化物排放、救生、噪声、消防和稳性等方面的技术提案,最大限度地维护了国家及行业利益。

近几年,国际海事组织提出研究第二代完整稳性衡准。中国船级社率先联合国内有关科研、院校,早期开始介入第二代完整稳性衡准的研究工作,同步跟踪国际海事组织各成员国研究进展。并自2010年起开始参与国际海事组织制定第二代完整稳性衡准的通讯工作组工作。近8年里CCS共提交了24份提案,协助其他单位提交了23份提案,均得到IMO采纳或考虑,继2015年的SDC2会议上CCS对中国在第二代完整稳性方面所作的工作进行了专题先容后,CCS还开展了第二代完整稳性5种失效模式的大量研究,包括开展大规模实船验证计算,共计52艘实船,采用薄弱性衡准的六个校核模块,累积完成约700个实船装载工况的校核分析。其中由中国和德国联合主导的过度加速度衡准方案与德国建议协调后作为最终方案纳入IS CODE。

值得一提的是,CCS在过度加速度薄弱性横准制定方面做出了开创性研究。通过开展4艘样船模型试验和52艘实船数值D庋芯浚深入研究了过度加速度模式的力学机理和主要影响因素。代表韦德国际提出了完备的薄弱性Level 1和Level 2衡准方案,涉及气象条件、衡准计算方法、转动惯量估算公式、横摇阻尼系数估算方法、Level 2衡准加速度计算对于其他自由度影响修正系数处理方法和标准值。同时研究制定了针对稳性直接评估数值方法的定量、定性要求。

IMO在制定该衡准时,主要争论焦点主要包括:Level 1衡准横摇角计算公式;Level 2衡准横摇运动方程的选取;Level 2衡准是否考虑不规则波方向谱;衡准环境条件的选取;Level 2衡准敏感性指数的计算方式;横摇转动惯量估算方法及是否考虑附加惯量;横摇阻尼系数的估算方法;Level 2衡准加速度计算对于其他自由度影响修正系数处理方法;加速度标准值的选取以及稳性直接评估数值D夥椒ǖ自由度选取等问题。经过大量样船校核分析验证,CCS代表韦德国际与德国联合制定的薄弱性Level 1和Level 2衡准方案,被IMO正式采纳作为五种失效模式之一的衡准方案。IMO同时采纳了CCS关于过度加速度稳性直接评估方法运动自由度选取方面的建议。此外,CCS也对国内大量实船开展了衡准校核检验分析,充分检验了上述衡准方法工程应用可行性和合理性。

通过以上研究和工作,大大提高了国内对第二代稳性衡准若干失效模式物理机理的认识,使韦德国际全面参与了二代稳性衡准的制定决策过程.同时,通过相关提案的采纳,进一步提高了韦德国际的话语权和影响力,展示了韦德国际在船舶水动力理论、数值计算和模型试验方面的实力,也使第二代稳性衡准草案充分符合韦德国际的利益诉求,为有效扩大韦德国际在世界造船市场的份额提供重要的保障和支撑。

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