（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）vlcc船舶主船体分舱优化方法研究.pdf

摘要 随着世界经济的发展，人们对石油能源的需求量日益增大，v l c c 成为海上石油运 输的主要载体之一，其远距离运输的良好经济性使之成为不可替代的船型。但与此同时， 随着不断发生的油船海损事故，以及人们对环境保护意识的增强，其分舱和稳性问题已 经引起人们的高度重视，并逐渐制定了相应的强制性规范，至今已对分舱和稳性有了严 格而详尽的要求。 为了探讨各种舱室要素在油船典型载况条件下对完整稳性、分舱以及破舱稳性的影 响，本文通过大量的计算分析，对参数进行了分类比较，得出了各主要舱室要素变化对 船舶破损后剩余稳性的影响规律，并可用于指导分舱设计。 论文主要研究内容包括： ( 1 ) 系统地阐述了m a r p o l 规范对油船分舱以及船舶稳性的要求及其注意点。对规 范的新规定进行了研究，分析其变化对现代大型油船分舱设计的影响，并探讨 了解决的方法。 ( 2 ) 通过对超大型油船主船体货油舱段的舱室要素进行分析，探讨了双壳体压载舱 的划分方式和尺度变化对破舱稳性的影响，并讨论了不同压载方式对m a r p o l 规范新规定的船底撕裂后剩余稳性的影响。重点对压载舱的组合形式、双舷侧 宽度和双层底高度进行分析讨论，并给出其变化规律蓝线。这样就可以对分舱 方案进行调整，确定要变化的舱室要素及其变化程度，为设计人员提供参考。 ( 3 ) 在理论研究的基础上，进行油船分舱设计和方案比较，运用s h i pc a ds y s t e m 软件进行计算并校核结果。对于不满足规范要求的参数进行分析，根据舱室要 素的变化规律，对船舶分舱及总布置设计进行改进，使之从稳性的角度考虑达 到规范的要求。 本文对今后采用遗传算法或模糊优化算法等优化方法对分舱和破舱稳性计算进行 建模时，目标函数的选取以及约束条件、遗传算子、主要影响因素的确定起到参考的作 用，是前期的、基础性的工作。 关键词：超大型油船；分舱；破舱稳性；优化设计；i a r p o l 公约 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fi n t e r n a t i o n a le c o n o m y , t h er e q u i r e m e n t o fo i li s g r e a t l y i n c r e a s i n g n o wv l c ch a sb e c o m et h em a i nv e s s e lo fs e a b o m eo i lt r a n s p o r t a t i o n t h e e x c e l l e n te c o n o m i ce f f i c i e n c yi nl o n gd i s t a n c et r a n s p o r t a t i o nm a k e sv l c cm o s ti m p o r t a n t v e s s e lt y p e a ts a m et i m e ，t h e r ea r cm o r ea n dm o l es h i p w r e c k sa n d p e o p l eh a v e r e a l i z e dt h e i m p o r t a n c e o fp r o t e c t i n ge n v i r o n m e n t e x p e r t sb e g i nt op u t t h e i r s t r e n g t h o nv l c c s s u b d i v i s i o na n ds t a b i l i t y s o m ec o m p e l l e n tc r i t e r i o n so fs u b d i v i s i o na n ds t a b i l i t yh a v eb e e n e s t a b l i s h e d t h ep a p e rd i s c u s s e sh o wt h ef a c t o r so fc o m p a r t m e mi n f l u e n c et h es u b d i v i s i o na n d d a m a g es t a b i l i t y t h ea u t h o rg i v e st h er u l e so fd a m a g es t a b i l i t yt h r o u g hm a n yc a l c u l a t i o n s ， a n a l y s e sa n dc o m p a r i s o n w h e nt h em a i nf a c t o r so f c o m p a r t m e n tc h a n g e s t h ec o n c l u s i o nc a n b eu s e dt od i r e c ts u b d i v i d i n g f 1 1i n t r o d u c et h ec o n s t r m n t so fs u b d i v i s i o na n ds t a b i l i t yi nm a r p o l t h ep a p e rs t u d i e s m a r p o li nd e t a i l ，a n a l y z e st h ei n f l u e n c eo fv a r i a t i o no nt h ed e s i g n i n go fm o d e m l a r g e t a n k e r n es o l u t i o ni sa l s od i s c u s s e di nt h i sp a r t ( 2 ) b yt r a n s f o r m i n gt h em a i nf a c t o r so fl a r g eo i lt a n ks h i p sc o m p a r t m e n t ，t h ep a p e r d i s c u s s e st h ed a m a g es t a b i l i t yc a nb ei n f l u e n c e dw h e nt h ep a r t i t i o na n ds i z eo fd o u b l e - h e l l b a l l a s tt a n kc h a n g e o nt h ec o n t r a r y , d i f f e r e n th a v ei n f l u e n c eo nt h er e m a i n d e rs t a b i l i t yi n m a r p o l t h i ss e c t i o ni st oa n a l y z et h ec o m b i n a t i o nm o d e s ，t h ew i d t hb e t w e e nt w os i d e so f s h i pa n d t h eh e i g h tb e t w e e nt h et o pa n db o t t o mo fc o m p a r t m e n t t h e nt h ea c c o r d i n gc u r v ei s p r e s e n t e d a f t e rt h i s o n ec a na d j u s tt h es u b d i v i s i o np l a n s c o u l da l s od i r e c tt h ed e s i g n e r t oc o n f o r mw h i c hc o m p a r t m e n ts h o u l db ec h a n g e da n dg i v et h el i m i to f c h a n g e ( 3 ) c o m p a r et h ed i f f e r e n td e s i g n i n gp l a no f t a n k c r sc o m p a r t m e n ti nt h e o r ya n da p p l y s h i pc a ds y s t e m t od oc a l c u l a t i o na n dc h e c k t h ep a p e r5 1 1 l d i e st h ef t o md i s s a t i s f y i n gt h e c r i t e r i o nt om e n dt h ep l a na c c o r d i n gt ot h ec h a n g er u l e a tl a s tt h ep l a nw i l ls a t i s f yt h e c r i t e r i o na tt h ea s p e c to f s t a b i l i t y i n f u t u r e ，g e n e t i ca l g o r i t h ma n df u z z yo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mm i g h tb e u s e di n b m l d i n g t h em o d e lo fs u b d i v i s i o na n dd a m a g es t a b i l i t y t h ep a p e rd o e ss o m e p r e l i m i n a r ya n d f o u n d a t i o n a lw o r ki ns e l e c t i o no fo b j e c t i v ef u n c t i o n , c o n s t r a i n tc o n d i t i o n , g e n e t i co p e r a t o r a n d k e y f a c t o r si nt h em o d e l k e yw o r d s ：v l c c ：s u b d i v i s i o n ；d a m a g e ds t a b i l i t y ：o p t i m a z i t i o nd e s i g n ：m a r p o l 一星二至堕童 1 前言 1 1 论文的研究背景 随着世界经济的发展，各国对能源的需求越来越大，而石油则成为获取能源的主 要力式，海洋已经成为世界航运的重要途径，超过6 0 的石油是通过海上运输来实现 的。但是油船增加导致的海损事故却给我们赖以生存的海洋环境带来了极其严重的污 染，海洋生态遭到极大的破坏。大量的海损事故让我们触目惊心：j 1 9 7 8 年3 月1 6 日，“a m o c oc a d i z ”在法国的布列塔尼海岸搁浅，泄露6 8 7 0 万加 仑原油，如图1 1 所示。这在目前的漏油排行榜e 排在了第6 1 立【”。 图1 1 “地t o c oc a d i z ”号搁浅沉没 f i 9 1 1 t h eg e ta g r o u n da n ds i n k i n go f “a b i o c oc a d i z ” 1 9 8 9 年3 月2 4 日“e x x o nv a l d e z ”号油轮在美国阿拉斯加的布莱礁搁浅，造成 1 0 8 0 万加仑油全部泄漏。这一影响巨大的促使美国政府通过“1 9 9 9 年防油污污染法” 的事故在目前的漏油排行榜上仅排名第6 3 位f 2 】( 如图1 2 所示) 。可见，世界大型油 船事故发生的频率和破坏性。 图1 2 “e x x o nv a l d e z ”号搁浅造成的海湾油污 f i g1 2 t h a l a s s i co o l l u t i o nt h a tc a u s e db yt h eg e ta g r o u n do f “e x x o nv a l d e z ” 2 0 0 1 年月，一艘悬挂巴哈马国旗作为方便旗，船龄已达2 6 年的老旧单壳体油 轮“威望”号，在西班牙西北海域断裂沉没，造成了严重的油污事故。 v l c c 船舶主船体分舱优化方法研究 图1 3 碰撞燃烧一断裂后的单壳体v l c c 3 j f i 9 1 3s i n g l eh u l lv l c ca f t e rc o l l i s i o n ，b u ma n dr u p t u r e 这些船舶均是单壳体结构的油船，其船龄一般都在1 5 年以上，均是由于搁浅或碰 撞而导致最终漏油事故的发生。从船型看，在世界现役油船中，有6 0 左右是在七、 八十年代中后期建造的单壳油船，船龄一般都在1 5 年以上卜”。这就给石油航运带来 了诸多隐患。而近年来频繁发生的严重海损泄油事故也多为单壳体油船。这使得拥有 1 6 3 个f 式成员的国际海事组织( i m o ) 做出了加快淘汰单壳体油轮速度的新法令，它 们将在2 0 1 0 年之前全部退役，而不是原先规定的2 0 1 5 年。 连续不断的严重海损事故，使得人们不断探索新的分舱方式和舱室布局，相应的 规范也日益完善。当前，油船的分舱和破损稳性主要依据的是国际防止船舶造成污染 公约( m a r p o l 7 3 7 8 ) ，现在m a r p o l 对大型油船的规定愈加严格，其9 2 年修正案已于 1 9 9 3 年7 月6 号生效，规定其完整稳性的9 7 年修正案也已于1 9 9 9 年2 月1 日生效。 规范严格的规定了要设定专用压载舱等对分舱和破舱稳性密切相关的规定。对此，我 们有必要对大型油船的分舱和破舱稳性进行必要的研究，并仔细对规范及其新的修正 案进行探讨，以便用于更好的指导分舱，使分舱方案符合现有的规定并尽量使方案最 佳。 船舶分舱的好坏直接影响到破舱稳性的优劣；在船舶装载货物时，良好的分舱也 会使货物的配载相对方便，减少限制。舱室的要素决定了舱室的形状、位置及舱室的 大小，其各个要素对分舱的影响程度亦：不相m t s d “。因此，研究各舱室要素对分舱及 破舱稳性的影响，找出变化的规律性，则将会更好地指导设计人员实现合理的分舱。 1 2 船舶分舱与破损稳性研究方法的发展及现状 船舶分舱，就是用一定数量的舱壁把船体空间按照一定的要求分隔开来。很久以 前的人们就已经意识到了分舱的好处。但是直到二十世纪中期，在建立了有关于船舶 破损的基本理论之后，人们才在真正意义上对船舶进行分舱i 1 2 j 。 】9 t 2 年，蒸汽机动力的“泰坦尼克号”客船在其首航中不幸沉没，造成全世界为 之震惊的多达1 4 9 0 人丧生的海难事故。由于客船没有铺设水密舱壁，客舱及大厅均 设计为通舱，致使在船首撞上冰山之后，海水沿着船长方向迅速蔓延至全船，导致中 部断裂倾覆，酿成惨剧【n 1 。直到那时，包括英国在内的各国政府才意识到如何为船舶 进行恰当的分舱这一问题的重要性，人们为此展开了一系列的科学研究。当时在英囝 蔓二!堕童 进行恰当的分舱这一问题的重要性，人们为此展开了一系列的科学研究。当时在英国 的阿姆斯特朗学院( 现新卡斯特理工大学) 的韦尔茨教授的主持下，相关人员进行了 大量的试验，根据试验结果，最终于1 9 2 9 年形成了基于“业务衡准数”、“分舱因数” 和“平均渗透率”的分舱计算方法，并于1 9 7 4 年由政府间海事协商组织第八届大会 通过。这一具有里程碑意义的举措，为自此以后客船的法定分舱计算奠定了科学的理 论依据和基础。 现在，国际分舱规则收录在国际海上人命安全公约( 1 9 7 4 ) 里，它在假设的 基础上充分的考虑了船舶在海上破损的各种可能状态，然而由于这些状态并不一定会 在现实环境中出现，因此规则里列举的有些条款尚未在实际中验证。 国际分舱规则萋于如下的假设：船体外部破损使船体整体密闭性遭到破坏，并且 这种破损情况通常会因为船体相关构件的牵连、客观环境或者舱内货物的分布等等因 素变得越来越糟。我们来分析一下这个过程：船舶破损后，海水灌入破损舱室，并趋 向于使舱内外水平面平齐。由于该舱室损失了浮力( 或者说船舶增加了等同子损失浮 力的海水重量) ，船舶将会下沉，吃水增加，为了维持内外水平面的平衡，海水将继 续灌入，船舶继续下沉，直到船内外最终获得平衡，如果无法达到此平衡，则船舶将 沉没。另一方面，除非破损的舱室在船肿，否贝船舷或船舰破损入水会导致船舶产生 严重纵倾。同时，破损入水也会使船的横稳性改变，船的初稳性高度会因此增加或减 少。若初稳性减小，船舶能稳定在横倾状态算是较幸运的情形，严重的船舶将会倾覆。 让我们来看两种情况，假若船舶因为部分舱室丧失了浮力而下沉，这种过程也许需要 几个小时乃至几天：若是船舶因舱室破损发生横向倾侧同时伴随舱内入水，则其翻沉 过程将是急剧的，也许几分钟内便告完成。所以，分舱规则的制定便是基于这些假设， 以保证船舶在一舱或数舱破损后，仍能够保持一定的浮性和稳性，以最大限度地保障 人命财产安全。 在分舱规则中还有许多重要的理论概念，例如：船舶任一舱室的入水程度往往视 该舱的剩余空阋大小。对于空舱来说，其入水过程是完全符合上述假设的，但对于满 压载舱，根本就不会发生任何入水过程，这就是舱室渗透率这一概念的来源。也就是 说，舱室的渗透率视舱室的种类，在0 和1 之间变化。例如机舱的渗透率通常是0 8 5 ， 这一渗透率是指海水完全注满机舱的各个角落的情况。在分舱规剐中，通常需要依据 舱室的渗透率来进行船舶抗沉性计算。然而，如何为各种各样的舱室选择一个恰当的 渗透率是困难的。在不同的航行状态下，即使是同一个舱室，其渗透率亦相差甚远， 故只好取其平均值，这样便导致抗沉性计算的结果是一种基于理想环境下的相对评 估，而不是可能发生的实际状态a 对客船和船长超过1 0 0 米的货船以及某些重要船舶，都需要进行分舱计算，并提 出抗沉性要求，这种计算是复杂的。往往要利用可迸长度曲线进行分舱校验。这样做 的目的是为了使船舶在一舱或数舱破损后，仍能够保持一定的浮性和稳性。 对于船舶分舱和破舱稳性的研究，是船舶设计过程中非常重要而又特别繁琐的工 作。目前，分舱的方法一般有两种：一是参考母型法，根据相关的母型船分舱方式资 料对船舶进行改进式的分舱。另一种是自行设绘法，根据相关的规范、公约及船东的 具体要求对船舶进行全新的舱室定义和划分，并充分考虑舱室的布置。 我们要设计出一条永不沉没的船舶是有可能的，只要对船舶的舱室进行无限的细 婴苎塑圭笙堡坌墼垡垡童垄堡壅 分，但是对船东来讲，这样的船丝毫没有经济效益可言。所以，在进行船舶总布置、 分舱设计的时候，对船舶进行合理有效的分舱，最基本的是要满足规范的各项要求； 其次，要使船舶的货油舱舱容尽量大，以达到最大经济性的要求。这其中就是要在这 一对矛盾中寻找一种最佳的方案。以达到既满足规范对浮性稳性的要求又使得船舶的 经济性能达到最佳。 1 3 船舶分舱和破舱稳性研究概况 良好的船舶分舱，最基本的一点是要很好的满足安全性的要求。对于分舱来讲， 完整稳性与破舱稳性是考虑的主要方面。人们在很久以前就已经注意到分舱的好处， 但是直到1 9 7 4 年由政府间海事协商组织第八届大会通过了基于“业务衡准数”、“分 舱因数”和“平均渗透率”的分舱计算方法，在国际海上人命安全公约( 1 9 7 4 ) 里 已收录了国际分舱规则，由于公约的不断更新、计算方法的不断进步，现在的分舱规 则日益完善。 1 3 1 分舱与破舱稳性衡准计算方法 目前的船舶分舱主要是依据规范进行设计，或者参考母型船进行恰当的修改。依 据的规范主要有：钢质海船入级与建造规范；7 3 7 8 防污公约( m a r p o l 7 3 7 8 ) 等。 目前破舱稳性衡准计算方法有两种：确定性计算方法与概率计算方法。前者是经 典的传统方法，认为：船舶在破损前的环境参数及自身状态( 包括外力和船舶自身浮 态、稳性、淹水舱情况) 都是确定的，根据这些已知条件经过计算来确定船舶某一舱 室破损进水后的浮态和稳性，并进一步判断是否满足分舱与破舱稳性的有关规范或衡 准的要求【1 4 l 。确定性方法有如下特点：规定了船舶在纵向、横向和垂向的破损范围 以及破损在船内或沿船长的位置；规定了计算时相应的破舱前船的状态( 或一组状 态) ，确定一个或多个最危险的破损舱组；规定了对残存船舶浮态及稳性要求； 要求计算出满足上述要求破舱前船的极限初稳性高( 或极限重心高) ，不允许任一要求 计算状态不满足有关破舱稳性的要求。 概率方法是以概率计算为基础，以大量海损事故数据为依据，采用分舱指数，以 船舶在破损后具有的残存能力一残存概率作为安全程度的衡准【l ”。虽然破损位置和范 围是随机的，但是当破损位置和范围的概率分布知道后，破损处所的进水概率船舶在 此状态下的残存概率是可以预测的。但是，概率计算方法仍以确定性方法的计算结果 为基础，现在所作的只是对破损后的状态进行校核。所以说确定性方法是破舱稳性计 算的基础。本文是基于确定性方法进行计算校核与比较的。 i 3 2 国外分舱研究概况 最早研究分舱英国的阿姆斯特朗学院( 现新卡斯特理工大学) 的韦尔茨教授，在他 的主持下，相关人员进行了大量的试验，最终于1 9 2 9 年形成了基于“业务衡准数”、 “分舱因数”和“平均渗透率”的分舱计算方法l l 副。 1 9 7 6 年，b r u c e 1 日先定义内部舱室的构造，再装配进船体外表面围成的空间中， 这种方法近似于体索拼加法。它把船内部的分隔空间按层次定义- 即舱室包含于层中， 层包含于块中，这需要一个预先定义好的图形库来定义某一分块或某一层的水平投 4 墨二童墅童 影、横向投影和纵向投影的结构图，而且这些图案都是基于四边形的聚合，能否充分 描述实船复杂的舱室组成还是一个疑问。1 9 8 5 1 9 8 9 年，b e r l in 【”】和h i l l s u b 】采用边 界表示的实体造型方法，这种方法正好与b r u c e 的设计思想相反，提出了用数据库和 维护信息的新方法。但没有提及如何考虑船体曲面问题，也没有提及如何定义一个具 有阶梯式变化的舱壁的舱室或类似的较复杂的舱室。 9 0 年代初，国外造船界为适应美国关于油污染法案( o p a ) 的规定和国际海事组织 的有关规则，从防污染角度出发，对油船( 包括v l c c ) 船体提出了双壳体结构及其等效 结构的多种方案：双层底、双舷侧、l 型布置的双壳体、u 型布置的双壳体、双层底 双舷侧和双舷侧双层底，对船舶适合环保的分舱方式进行了广泛的讨论u 9 也】。 m r ab j o r h m a n 提出的被称为“哥伦布鸡蛋”的新型油船设计方案也受到重视【4 。 此方案已与劳氏船级社和挪威船级社就认可该新设计问题进行了讨论该方案是在普 通油舱高度的中央加装一层水平舱壁，将油船分为上下两舱，油经过围阱装到下舱， 而上油舱的翼舱用来装压载水。在正常营运对，水平舱壁处于水线以下，万一与其他 船只相攮，油也不会外溢，只是翼舱受损。据称这种方案与双壳体相比更简单、更安 全 z s l 。 “中高甲板”( 肋t ) 己被i m o 认可。岫t 原理为：在货油舱中部设一道甲板，将 油舱分割为上下两部分。当触礁时，由于海水压力大于货油内压力，使海水流入，在 舱底形成一海水层，使下部货油舱内原油不致外流口4 】。日本曾进行过模型试验，结果 表明m d t 防止货油外流效果良好。m d t 钢料重量比双壳体在同尺度条件下轻2 0 0 一3 0 0 吨，施工方便。 2 0 0 1 年，欧洲五大造船厂联合研制的一种符合生态要求、具有经济性和欧洲特点 的e 3 型( e u r o p e a n 、e c o l o g i - c a l 、e c o n o m i c a l ) v l c c l 2 5 】，被称为2 1 世纪的油船。这是 当今v l c c 最新发展的一个标志，也是匿欧船厂联和起来欲与远东船厂在v l c c 上进行 竞争的新动向。该方案采用双壳体结构，不仅能满足美国一切新法规，而且其在安全 性和经济性方面高于法规要求。 1 3 3 国内分舱研究概况 国内对分舱与稳性的研究起步较晚。在完整与破舱稳性方面，日本已经很完善， 现在已基本不对这方面进行研究，走在世界前列。中国在这方面还有很多工作要做。 近年来，国内很多学者在船舶破舱稳性与分舱方法等领域进行了很多研究，取得了一 定的成果。 江南造船厂的柳存根教授等人对、r l c c 的破舱稳性进行了详细的分析，对2 3 6 万 吨油船双壳体压载舱的划分方式和尺度变化进行了讨论【2 叼，并对不同压载形式对船底 撕裂剩余稳性的影响进行了分析计算，总结了各种状态时的影响程度。 蒋玮、潘斌等对特定的巴拿马型油船进行了探讨，指出m a r p o l 规范对设计产生 的影响，对比分析了某总体分舱方案的优缺点，针对巴拿马型船舶给出了设计时为满 足分舱和破损稳性要求而采取的一些改进措施【2 7 j 。 天津大学的剐安社在2 0 0 3 年以气浮稳性分析理论为基础，针对单体气浮结构， 给出了分舱结构气浮稳性的计算方法，提出了通过分舱增强气浮稳性的方法瞰j 。舱格 位置的优化办法。对大型油船的分舱有一定的借鉴意义。 大连理工大学的林焰教授等税】运用神经网络专家系统来进行油船分舱的智能 v l c c 船舶主船体分舱优化方法研究 设计，在给定规范要求后，t a g n e s 进行智能推力计算与校核，输出若干可行的、优选 的分舱方案，设计者可以直接采用这些方案，也可以在给出的方案下进行修改：同一 时期，林焰等人还将分舱进行电算化，对其进行仿真。通过对建立在数据库基础上的 b - r e p 方法的应用，描述了用无界平面逐步分割船体内部任意有界空间，从而划分出 每个舱室。并提出了较完整的关于船体及其内部各种不同形状和位置的舱室几何拓扑 关系的描述，解决了船体内部空间分隔具有任意性的问题。 2 0 0 2 年，王自力、顾永宁提出了提高v l c c 侧向抗撞能力的一种新式双壳结构， 引入耐撞结构n o a h si i 的设计思想，提出了一种改进的双壳设计概念c c t 。与现有的 舷侧双壳结构设计相比，不仅具有最大的耐幢力，而且具有最好的耐撞性能【3 3 1 。 另外，还有许多学者对油船需要满足的m a i l p o l 规范的具体内容和发展变化进行 分析与研究，给出自己有利于分舱和破舱稳性要求的方法和建议。随着人们的环保意 识的增强以及超大型油船的特点，各种规反对油船的要求和限制蒋会越来越苛刻，单 壳体油船的迅速淘汰以及新型环保型经济油船的研究将是未来几年世界油船的发展 特点。未来的研究方向将是经济型与环保，尽量做到合理分舱，使超大型油船的海损 事故对人们的影响降到最低。 1 4 论文的意义及主要内容 1 4 1 论文的意义 分舱是总布置中重要的组成部分，对船舶的完整稳性和抗沉性满足与否起着至关 重要的作用。良好的分舱不仅使船舶耐碰撞并具有良好的抗风浪性，而且好的分舱也 会有利舾装件的装配与维修及管路的设计安装，减少管路接缝，降低船舶建造成本。 对于客船来说，合理的分舱在满足安全性的同时，亦可使船舶的布局美观、舒适。对 于本文研究的v l c c 类油船，由于装载的是易污染环境的油类货物，因此其防止油污 染等规范对分舱有了特殊的要求。在2 0 世纪的几次大的油船破损漏油导致的海洋污 染事件中，大部分都可以通过增设双层保护舱室等分舱方式避免，如影响巨大的 “e x x o nv a l d e z ”号油船事件。据网上资料显示，若设置2 米高的双层底或减小油舱 长度，其泄油量可减少为5 1 0 。由此可见，对于油船，尤其是超大型油船，做到合 理的分舱是至关重要的，在总布置设计当中起着举足轻重的作用。 船舶分舱优化是一个典型的多目标优化问题，其影响因素( 属性) 很多，判定优 化与否的标准( 目标函数) 也不止一个。目标函数可以是完整稳性和破舱稳性、船舶 的结构性能、经济性能等多种性能，约束条件包括现有的各种规范的要求以及尺度限 制等等。因此可以运用遗传算法或者模糊评判等优化算法来解决船舶分舱优化的问 题。确定各舱室要素，寻找一种合理经济的方案对船舶进行舱室划分，以指导人们的 分舱。 1 4 2 论文的主要内容 本文是以某3 0 万吨v l c c 船型为基础，按照确定性方法对超大型油轮进行分舱与 破舱稳性方法的研究。所述的主船体舱室划分是指油船主体货油舱段内的舱室划分， 包括货油舱、压载舱以及污油水舱等。这一部分的舱室体积占据着整个v l c c 的大部 分。其货油舱容积必须满足船东对载货量的要求；m a r p o l 9 2 修正案中的保护位置也使 6 墨二苎塾蔓 压载水舱被布置在这一部分。污油水舱一般布置在靠近船尾的边货油舱处。本文具体 研究方法和内容如下： ( 1 ) 系统地阐述了m a r p o l 规范对油船分舱以及船舶稳性的要求及其注意点。对 规范的新规定进行研究，分析其变化对现代大型油船分舱设计的影响，并探 讨了解决的方法。 ( 2 ) 通过对超大型油船主船体货油舱段的舱室要素进行变换，探讨了双壳体压载 舱的划分方式和尺度变化对破舱稳性的影响，并讨论了不同压载方式对 m a r p o l 规范新规定的船底撕裂后剩余稳性的影响。重点对压载舱的组合形 式、双舷宽度和双层底高度进行分析讨论，并给出其变化规律曲线。这样就 可以对分舱方案进行调整，并为设计人员确定要变化的舱室要素及其变化程 度进行指导。 ( 3 ) 在理论研究的基础上，进行油船分舱设计和方案比较，运用s h i pf o r m 软件 进行计算并校核结果。对于不满足规范要求的参数进行分析，根据舱室要素 的变化规律，对船舶分舱及总布置设计进行改进，使之从稳性的角度考虑达 到规范的要求。 v l c c 船舶主船体分舱优化方法研究 2 v l c c 船舶发展及世界油船市场 2 1v l c c 概述弘3 5 1 巨型油轮v l c c ( v e r yl a r g ec r u d eo i lc a r r i e r ) 中文称为巨型油船，原指载重 量在2 0 3 0 万吨之间的原油船，现泛指2 0 万载重吨以上的全部原油船，并包括3 0 万载重吨以上的超巨型油船u l c c 。它是当今世界上三大运输船舶( 油船、散货船、集 装箱船) 之一，航行于无限航区，主要适用于载运闪点低于6 0 c 的原油产品。 自1 9 6 6 年第一艘v l c c “出光丸”号在日本建造成功以来，已持续发展了三十多 年，目前已发展到第四代。v l c c 属高技术船舶，世界上只有少数造船国家能够设计与 建造。大连新船重工为伊朗建造的“德尔瓦”号v l c c 的交船，实现了中国造船业在 超大型油轮方面”零”的突破，标志着我国跨入了v l c c 船舶的建造行列。 世界油运市场在经受1 9 9 2 、1 9 9 3 年萧条的冲击后，v l c c 运费率持续低迷，但随 着7 3 7 8 m a r p o l 9 2 修正案的生效和世界经济的复苏，以及近年来石油产量和海运量的 不断增长，造成对v l c c 油船需求量的增加，在九十年代中后期出现大幅反弹。过去 十年及今后十几年，将是世界v l c c 改型换代大批量建造的时期。 2 1 1 v l c c 的兴衰 第一艘v l c c 是在六十年代末建造的。建造这种船舶的日的是想利用一艘船舶装 载尽可能多的货油，以获得最理想的经济效益【3 5 】，六十年代到七十年代初，世界经济 持续增长，石油价格低廉，仅为2 美元左右一桶，石油消费增长迅猛，世界石油消费 量从1 9 5 0 年的5 5 亿吨增至1 9 6 0 年的l o 7 亿吨，1 9 7 0 年达2 2 8 亿吨，几乎每隔十 年增长一倍【3 6 】。西方各国主要从中东等产油国进口，使海上原油运量猛增，v l c c 船 队日益膨胀，1 9 7 8 年v l c c 拥有量达i 9 3 亿载重吨。 由于石油运量大，运距长，从经济角度看，吨位越大成本越低，经济效益越好。 据统计，2 5 万吨级油船，其单位运输成本仅为2 5 万吨级油船的3 2 。苏伊士运河 二度关闭，迫使中东出口西欧的原油必须绕道好望角，单次航程增大大7 0 0 0 海里， 这就进一步促使v l c c 在数量上和尺度上的增大。1 9 8 0 年建造成功的5 6 5 万吨的 k a p i j a i n t o 创造了世界船舶最大吨位记录【3 7 】。1 9 6 0 年到1 9 7 5 年的十几年间，世界上 共建成v l c c5 8 7 艘。 1 9 7 3 年和1 9 7 9 年两度爆发的石油危机，造成了世界石油产量和消耗量的下降， 海上石油运量大幅度下跌，油船大量过剩。作为油船主力的v i x c 陷入了严重的过剩 状态，被迫大量闲置、拆解或作他用。 八十年代中期世界经济回升，亚洲国家的经济增长迅速。原油价格下滑，石油重 新回到了能源结构的主体，海上石油运量开始上升。到8 0 年代末，油轮的供求差额 基本平衡。在此背景下，v l c c 再度兴起。 2 i 2v l c c 的发展 早在1 8 9 5 年，石油运输方式是装在木桶中，再放在杂货船中进行海上运输。为 了安全起见，1 9 世纪8 0 年代设计出专用油轮，世界上第一艘真正的油轮g l u c r a u f 号于1 8 8 6 年问世。后来的油轮发展由开始的1 - 2 万吨左右向大型化方向发展。到1 9 5 9 年出现了1 0 - 2 0 万吨级油轮。1 9 6 7 年苏伊士运河关闭，v l c c 开始出现。1 9 7 5 年中东 窖 第二苹 v l c c 船舶发展及世界油船市场 战争期间，由于芬伊士运河的再次关闭，油轮运输不得不绕经好望角，往返航程增加 了一万多海里，促使该航线的油轮向大吨位的方向发展。1 9 7 7 年5 5 万吨级的巨型油 轮出现，在各类船型中，该油轮吨位是最大的【3 扪。据统计，目前全球拥有v l c c 大约 4 4 0 多艘。 油轮一般采用单层连续甲板，尾机型。从型深角度看，它由早期的最小干舷型发 展成富裕干舷型；从货油舱的结构形式看，由过去的单层底演变成双底双壳。在l l o 多年来的油轮船型的发展过程中，总体趋势是向大型化、自动化、防止船舶对海洋污 染的措旌提高的方向努力。从1 9 6 6 年第一艘v l c c 建造以来，共经历了三代，并开始 迈入第四代。目前正在设计建造的大部分都属于第三代产品。由于所处的油运市场的 不同、运管经济状况的变化及技术水平的发展，这四代v l c c 各有不同的特点p g 。 2 1 2 i 第一代v l c c 的特点 六十年代中期到七十年代所建造的v l c c 称作第一代。它具有装载种类型货油 的巨大油舱。因为当时燃油价格低廉，第一代v l c c 在技术上追求简单、廉价、大型， 基本上采用低碳钢建造并具有较长的寿命，动力一般为蒸汽透平机，功率大( 2 5 2 6 万k w ) ，航速高( 1 5 5 1 6 5 海里h ) 、耗油率高( 约1 7 5 t 天) ，大长宽比( l b 6 5 ) 较小的宽度吃水比( b t 4 的则为超浅吃水的船型。日本曾经开 发一艘1 0 万吨级的油轮，其b t 值达到了6 4 。v m a x 型b t 值一般为“5 5 。 v m a x 未来型与常规型v l c c 相比，具有更高的安全性能( 即在破损后残余稳性较 高) ，以及良好的操纵性能和环保性能。与常规型v l c c 相比，由于这种v l c c 吃水比 较浅，可以直接航行于很多国家水深较浅的航道及港口，而无需像常规v l c c 船舶那 样在港外卸载，因此该船型是v l c c 未来主要的发展方向之一，它将更注重向经济性、 环保性和舒适性方向发展1 3 9 l 。 2 2v l c c 油船航运市场 4 4 剞】 v l c c 油船的订造量主要受世界石油市场和石油海运市场的影响。近年来，世界经 济明显呈上升趋势，对石油的需求量及海运量也相应大幅度增长，因此促进了对大型 油船的需求，v l c c 油船的租金也开始上扬，尤其是韩国、日本和其它东南亚国家石油 需求量不断增长，使得石油运输市场日益兴旺和对y l c c 油船需求增长，并出现了日、 韩等国争先租用v l c c 油船、租金上涨的局面，进而带动了全球航运资金的不断上涨。 以2 8 万载重吨油船为例，中东至东亚航线的曰航运租金近3 年为1 8 5 6 万美 元天范围内上下波动，但总体呈上升趋势。1 9 9 4 年平均为1 5 万美元天，1 9 9 5 年 平均为2 2 6 万美元天，1 9 9 6 年平均为2 7 3 万美元天，1 9 9 7 年则猛增至3 6 7 万美 元天，比1 9 9 5 年增长5 6 ，比1 9 9 6 年增长3 0 。因此，在石油运输市场兴旺、对v l c c 油船需求量增加、租船日租金大幅度提高、收益良好的情况下，船东订造v l c c 油船 的积极性逐步高涨，投人大量资金建造v l c c 油船1 9 9 5 年全球v l c c 新船成交量仅6 艘，1 9 9 6 年增到2 0 艘，1 9 9 7 年则成交5 5 艘，创历史最高记录，v l c c 油船更新订造 热已经到来。在去年签订的5 5 艘v l c c 油船订单中，大部分被日、韩船厂瓜分，签订 日期大部分是在春季和秋季，尤其集中在9 、1 0 两个月共成交2 0 艘，其中一个主 要原因就是当时的航运租金正处于峰值状态。 里! 塑垫圭丝笪坌丝垡些查整翌窒 2 2 i v l c c 油船成交量与船价 虽然近几年v l c c 油船成交活跃，成交量不断上升，但价格却低迷不起，且呈下 降趋势。造成船价持续下降的根本原因，则是不断扩大的世界造船能力，造成造船市 场上供过于求。以韩国为代表的船厂都在不断扩充造船能力，建造大型船坞。韩国的 现代、三星和汉拿三家船厂，在1 9 9 4 1 9 9 6 年间投资约1 0 亿美元建造了5 座大型船 坞，现已全部投产使用，而据称，韩国船厂一座大型船坞每年建造4 6 条v l c c 油船。 因此，为了满足不断扩大的造船能力，韩国船厂只能报出较低的价格，吸引船东，以 承接更多的v l c c 油船订单。v l c c 船的船价从前几年的1 8 8 9 0 万美元，降到8 6 0 0 万 美元，1 9 9 6 年降为8 4 0 0 万美元，, ：i 9 9 7 1 1 年又降至s 2 0 0 万美元，1 9 9 8 年上半年又降到 了7 5 0 0 万美元左右。虽然船厂谦取各种措施降低造船成本以降低船价，但太低的船 价有时使船厂已基本无利润可言m 】。 日元和韩元对美元的汇率不断下降也造成了船价的不断下跌。日元和韩元由于本 国的经济不景气，都在不断贬值，也促成了日、韩船厂可以通过本国货币不断贬值来 降低船价这一主要手段，以承接更多的v l c c 油船订单。日元对美元的汇率由1 9 9 6 年 初的1 0 8 日元兑换1 美元到1 9 9 8 年l o 月约1 2 0 日元兑换l 美元。而韩元更是由8 0 0 韩元兑换l 美元降到今年初的历史最低点1 6 0 0 韩元兑换i 美元，贬值达几乎1 0 0 ， 因此也在一定程度上使以美元计的船价有了降低的空间。 2 2 2 亚洲金融危机对v l c c 油船市场的影响 1 9 9 7 年底已发生的亚洲金融危机致使世界贸易形势不景气，并直接影响航运业， 造成运费下降，进而影响到造船业。在目前船舶建造能力远远供大于求的情况下，不 仅使日、韩两国的造船业受到严重影响，而且造成了世界造船市场的低迷、萧条。船 舶市场开始陷入低谷，新船成交量开始减少，同时，亚洲经济危机将影响亚洲地区石 油的需求量，原油进口量骤减，从而大大打击了本地区对v 1 c c 油船的需求。v l c c 油 船市场迅速恶化，成交量减少，并且价格已从1 9 9 7 年底的8 2 0 0 万美元降至7 5 0 0 万 美元，并突破7 5 0 0 万美元的价位，韩国船厂为填充空缺的船位，竞报出了7 0 0 0 万美 元的历史最低价位附j 。 1 9 9 7 年1 1 月以来，亚洲地区对超级油船的需求明显减少，1 2 月前往韩国的现货 v l c c 的需求量由1 9 9 6 年同期的2 5 艘降至6 艘，中东至东亚航线的日租金从1 9 9 7 年 1 1 月起大幅度下跌，1 0 月平均为5 2 万美元天，1 1 月则降为3 8 万美元天，1 2 月进一步跌至2 3 3 万美元。1 9 9 8 年，再也没有看到以往韩国与日本争先租用v l c c 、 进而推动整个世界油船市场运费上涨的激烈竞争局面。另外，韩国的第四大造船企业 汉拿集团在1 9 9 7 年1 2 月宣布破产，使得船东对韩国船厂表示了普遍担忧，产生不信 任感，同时船东对造船市场开始忧虑，持十分谨慎和观望的态度。在此情况下，v l c c 油船成交量突然降温，1 9 9 7 年最后两个月仅成交3 艘。 目前，虽然船市仍持续低谷状态，并且最低价位在7 8 0 0 万美元左右，但如此低 的船价已开始吸引船东订造新船，成交量逐步回升。同时，v l c c 油船租金开始出现反 弹，1 9 9 8 年1 月平均租金为2 9 万美元天，2 月开始回升到3 3 万美元天，头两 个月v l c c 油船已成交6 艘，已开始出现好转，但受金融危机的深远影响，估计会比 较缓慢。 1 2 第二章v l c c 船舶发展及世界油船市场 2 3 世界v l c c 油船市场预测分析 按载重量的不同，油船可大致分为四种类型：阿芙拉最大型( a f r a m a x ) ，8 - 1 2 万载重吨；苏伊士最大型( s u e z m a x ) ，1 2 - 2 0 万载重吨；大型油轮( v e r yl a r g ec r u d e c a r r i e r ，简称v l c c ) ，2 0 3 0 万载重吨；超大型油轮( u l t r al a r g ec r u d ec a r r i