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远洋渔船鱼货处所概率破损稳性分析

新闻来源:中国船检    浏览量:461 中国船检 2018-11-13
        2018年8月12日上午,由中国船级社(CCS)检验的我国首艘南极磷虾捕捞加工船“深蓝”号在黄埔文冲船厂举行了进坞仪式。“深蓝”号总长120.28米,型宽21.60米,采用了连续泵吸捕捞系统等先进作业方式,设置了冻虾、虾粉等智能化船载加工生产线,是目前我国最大最先进的远洋渔业捕捞加工一体船,也是我国高端远洋渔业装备建造的里程碑,备受业界关注。自从2009年1月1日生效的概率破损稳性新规范(以下简称SOLAS2009)引入到船长80m及以上的远洋渔船法规中以来,业界便加大了对概率破损稳性的研究,以优化远洋渔船设计,为远洋渔船高质量发展提供有效的技术支撑。以该船的概率破损稳性计算为例,结合远洋渔船的布置特点,通过对多个方案的计算和对比,分析鱼货处所渗透率取值对分舱指数A的影响,提出确保鱼货处所隔热层低渗透率的建议,不仅有助于改善破损稳性,优化远洋渔船设计,也为今后法规修订工作提供有效的技术支撑。
        远洋渔船的特殊性要求
        远洋渔船通常集渔业资源勘查、捕捞生产、海产品加工、冷藏运输等诸多功能于一体。鉴于渔业产品的特殊性,保鲜是远洋渔船诸多功能中十分重要的一环。远洋渔船一般设有连续甲板,并设有避光的捕捞加工区,这样可以避免捕捞的鱼货在阳光照晒下发生变质。为了保证鱼货品质,同时在冷藏舱的所有舱壁、外板和甲板均敷设隔热层,以保证低温冷藏的温度要求。
        一、隔热材料——硬质聚氨酯泡沫特性
        目前,法规中对渔船冷藏舱隔热材料的使用并无明确方向性,但新建远洋渔船多采用硬质聚氨酯泡沫作为材料,且以现场喷涂成型,施工简便,如图1所示。硬质聚氨酯泡沫,是一种新型高分子合成材料,具备保温隔热、吸音降噪、防水抗震等多项功能,具有密度小、易切割、比强度高、与结构粘结性强等多种特性,被认为是性能最好的保温材料。近年来,硬质聚氨酯泡沫被广泛应用于渔船隔热层,由于施工时需要现场进行发泡,其质量呈现出良莠不齐的现象。为此,中华人民共和国水产行业标准SC/T 8059-2006《渔船隔热层发泡操作规程》就施工质量给出了各个参数需要达到的验收标准。
图1 硬质聚氨酯泡沫现场喷涂
        考虑到制冷设备投资与运行费用,被喷涂到冷藏舱四周的硬质聚氨酯需要达到一定的厚度以起到保温作用,隔热层也因此占据着冷藏舱不小的货舱体积。如何在破损稳性中考虑这部分体积则是一件很有指导意义的事情。
        二、隔热层工艺现状
        硬质聚氨酯作为远洋渔船冷藏舱重要的隔热材料之一,其质量很大程度上决定于现场发泡能否严格按照工艺要求进行。尽管在中华人民共和国水产行业标准SC/T 8059-2006《渔船隔热层发泡操作规程》给出了硬质聚氨酯隔热层发泡操作的施工资质、发泡原料、发泡设备、施工条件、发泡操作、质量要求极其检验方法等,但目前在渔船上承揽施工的多为乡镇企业,对船上冷库施工技术要求不甚了解,又缺乏严格的质检意识和制度,这样时常会出现以下问题:施工人员对工艺要求不清楚,配方的比例也掌握不准,隔热材料的敷设质量和性能很难保证,如:喷涂成型质量差;闭孔率低;隔热材料整体密度、硬度都达不到设计要求等等。特别是一些使用多年的渔船在后期检修中发现,货舱内的海水渗透到隔热层后,会造成潮解霉变,发生溃烂,用手一抓即脱落。这样的渔船如若发生破损,其隔热层将很难提供浮力。即使在硬质聚氨酯广泛应用的高速船上,船检部门也缺乏详细的现场施工检验监督流程。
        在《渔船隔热层发泡操作规程》种给出了隔热层发泡成型后应达到吸水率不超过4%的要求,然而这个吸水率的测定与远洋渔船实际的破损环境是有区别的。根据中华人民共和国国家标准GB/T 8810-2005《硬质泡沫塑料吸水率的测定》,通过测量规定尺寸样品浸没在蒸馏水下50mm、96h后的浮力来测定其吸水率,并且该蒸馏水应至少放置48h。实际远洋渔船一旦发生冷藏舱破损,隔热层将面临内外温差突变以及一定深度的海水压力,这与国标中的试验环境大不相同。因此,如何合理的选取隔热层渗透率取值是一个值得商榷的问题。
        规范要点
        根据SOLAS2009第II-1章B-1部分第6条和第7条,对于货船,如果达到的分舱指数A值不小于要求的分舱指数R值,同时在不同吃水下的部分指数As、Ap和Al不小于0.5R,则认为船舶分舱是足够的。实际上,影响达到的分舱指数A值的因素很多,例如分舱布置、开口位置、渗透率取值、初始条件等。由于隔热层占据着冷藏舱的四周空间,如何考虑隔热层的渗透率,对破损稳性的计算结果影响很大。是把隔热层作为货舱的一部分整体考虑,还是作为独立处所特殊对待,这对远洋渔船的破损稳性结果起着至关重要的作用。关于隔热层渗透率取值,尽管在SOLAS中没有给出明确的说明,但仍然可以从相关法规中予以借鉴。
        一、SOLAS2009
        SOLAS2009第II-1章B-1部分第7-3.2条,干货处所在最深分舱吃水ds、部分分舱吃水dp和轻载航行吃水dl时的渗透率分别取:0.70、0.80、0.95。并在第7-3.3条中指出:“如经计算证实,渗透率可用其他数字”。与此同时,国际海事组织IMO发布的SOLAS2009解释文件MSC.281(85),就第7-3.3条渗透率的解释如下:
       “关于‘若通过计算证实’可以使用其它渗透率,这样的渗透率应反映船舶整个营运生命期中的普遍情况而非特殊装载工况” 
        由此可以看出,SLOAS2009允许渗透率采用直接计算的方法。如果占据货舱空间的物体不透水,那么直接计算渗透率是相对容易的;如果占据货舱空间的物体具有一定的吸水性,那么渗透率的取值则需慎重对待。作为远洋渔船隔热层的硬质聚氨酯泡沫,尽管渗透率不高,但也并非完全不透水。假如把隔热层简单地看作是货舱的一部分,由于该部分体积占比较大,无疑将会大大降低分舱指数A。真实地考虑硬质聚氨酯泡沫本身的渗透率,不仅有利于破损稳性计算,也更加贴近于实际情况。
        二、MSC.1/Circ.1461
        海安会第92届会议通函MSC.1/Circ.1461发布了《液货船破损稳性要求验证指南》,在该指南的第6.4.4.2条提到,当货舱空间周围设有绝缘层,并且绝缘材料同时满足如下条件时,那么货舱破损进水体积可以扣除绝缘层所占据的空间:
        1、在相应的假定进水压力下具有不透水性;
        2、在相应的假定进水压力下不会导致材料破碎;
        3、对于所处位置的预期环境能够长期保持性能稳定性;
        4、对相关碳氢化合物的作用具有很强的抵抗力;
        5、如果遭受碰撞而随之发生移,支撑结构变形,海水反复快速进出和因浸水引起的浮力,仍然连接牢固,保持原位。
        通过上述条款可以看出,指南中就货舱渗透率采用非推荐值时提出了很高要求,并且将材料不透水性放在了第一点,实际上法规在接下来的条款中也没有给出从不透水到空舱的中间状态。从而在考虑货舱的渗透率时,要么采用法规的推荐值,要么严格满足上述条款要求才可以扣除货舱中绝缘层体积。
        三、HSC-Code2000
        在海安会第73届会议上以MSC.97(73)决议通过的《2000年国际高速船安全规则》(简称2000 HSC Code)第2章第2.6.4条提到:
       “主管机关可以允许在空舱利用低密度泡沫材料或其他介质提供浮力,条件是应提供足够的证据表明任何此类推荐的介质是最合适的替代物,且满足下列要求:
        1、如果是泡沫材料,应呈封闭网眼形,否则,应为不透水;
        2、在营运条件下结构稳固;
        3、相对于与之接触的结构材料,或相对于与之接触的结构材料,或相对于可能与该介质接触的其他物质应是化学惰性的;
        4、应就地适当固定,并应易于搬移,以便检查该空舱。”
        事实上,这一条款在1994年HSC-Code中就已经存在。硬质聚氨酯泡沫应用于高速船,并为其提供浮力也早已是司空见惯的现象。在破损稳性计算时,通过降低空舱渗透率的方式来考虑硬质聚氨酯泡沫所提供的浮力。
        将上述法规借用在远洋渔船破损稳性计算中,特别是那些布置有连续双层甲板的远洋渔船,合理考虑冷藏舱隔热层渗透率的重要性是不言而喻的。
        计算实例
图2 “深蓝”号南极磷虾捕捞加工船
        如图2所示,以“深蓝”号南极磷虾捕捞加工船为例,分析探讨隔热层渗透率对远洋渔船概率破损稳性的影响。该船的破损稳性计算使用NAPA软件,计算中用到的主要参数、初始条件及规范要求如下:垂线间长111.20m;分舱船长120.31m;型宽21.60m;设计吃水7.00m;下甲板至基线12.50m;上甲板距基线9.00m;人数99人;最深分舱吃水工况ds=7.00m,GM=1.20m,Trim=0.00m (level);部分分舱吃水工况 dP=6.36m,GM=1.20m,Trim=0.00m (level);轻载分舱吃水工况dl=5.40m,GM=1.20m,Trim=1.50m (aft);规范要求的分舱指数R:0.529 95。
        一、隔热层布置
        本船中部区域设有三个磷虾产品冷藏舱,其中两个冷藏舱(Frozen Hold 1和Frozen Hold 2)布置在下甲板与双层底之间,另一个冷藏舱(Frozen Hold 3)位于上甲板和下甲板之间。三个冷藏舱的周围采用硬质聚氨酯泡沫作为隔热层,并且隔热层的厚度在舷侧、横舱壁、顶部和底部不尽相同,见图3黄色区域。隔热层和磷虾舱的体积(扣除隔热层之后)分别是2026m3和5730m3,其中隔热层大约占据冷藏舱总体积(隔热层和磷虾舱的体积之和)的26%。
图3 隔热层布置
        二、隔热层渗透率的影响
表1 不同渗透率时的A值
        其中:μ—闭孔聚氨酯泡沫渗透率;A—要求的分舱指数;R—达到的分舱指数;
        根据上面给出的初始条件,选取不同的隔热层渗透率分别计算该船的概率破损稳性,计算结果如表1所示。其中,μ=0表示隔热层完全不透水,一旦船舶发生破损时可以提供相应的浮力,而μ=0.95是将隔热层所占据的空间作为空舱对待,二者A值相差约18%。μ=0.7/0.8/0.95则是把隔热层看作冷藏舱的一部分整体考虑,这时得到的A值与μ=0时相差约14%。表1中只有μ=0时A>R,并且各部分指数As、Ap和Al不小于0.5R,满足法规要求。从图4中可以更加明显地看到分舱指数A随着渗透率μ的增大趋于线性降低。
图4 分舱指数A随硬质聚氨酯渗透率μ的变化
        隔热层渗透率提高将直接导致渔船破损后的进水量增大,无论是单舱破损、亦或是多舱破损后的分舱指数A都会随之大幅度减小。先后分别计算了隔热层两种状态下从1舱到4舱的分舱指数,一种状态是将隔热层作为完全不透水材料,另一种状态是将隔热层作为冷藏舱一部分。通过两种状态下的计算结果对比,该南极磷虾船2舱破损后的分舱指数A下降最快,这也使得最终概率破损计算结果从最初的满足法规要求A>R,变为远远达不到。
        图5是部分分舱吃水dp时,该船左舷破损后不同渗透率下生存概率S对比图。从图中可以看出,相邻冷藏舱所在的破损区域,其2舱以及多舱组合在破损后的生存概率急剧减小,甚至变为0。这一点在最深分舱吃水ds时尤其明显,几乎只有单舱破损对最终的分舱指数A起到了贡献作用。因此,确保隔热层的低渗透率将是提高远洋渔船分舱指数A行之有效的办法。
图5 不同渗透率下生存概率S对比图
        相关建议
        通过对硬质聚氨酯多个渗透率的计算和对比分析,为远洋渔船的概率破损稳性计算提供了参考,也为如何改善远洋渔船概率破损稳性提供了思路。相对于常规货船,远洋渔船的下甲板多从船艉连通到船艏,一旦破损进水,需要有足够的储备浮力保证,而低渗透率的隔热层所提供的浮力是非常可观的。因此,隔热材料及厚度不仅关系到冷藏和营运成本,也影响着远洋渔船破损后的生存能力。
        我们建议,一方面严格实施《渔船隔热层发泡操作规程》要求,加强船检部门的现场监督检验,以确保隔热层的施工质量;另一方面通过模拟破损环境,对一定数量的硬质聚氨酯泡沫进行渗透率的测定并找到其变化范围。只有在渗透率取值合理的前提下,才能使远洋渔船的破损稳性计算更有意义。
        综上所述,隔热层不仅关系到远洋渔船的保鲜功能,也关系着远洋渔船的航行安全,一定程度上起到了保障远洋渔船和渔民生命财产安全,节约有效能源,防止环境污染的作用。要完成好远洋渔船隔热层的检测任务,除了渔检部门要加强对渔船建造施工的技术监督和质量抽查、检测工作者的技术服务,更需要渔船建造者、使用者的高度重视和自觉配合。进一步探索隔热层的渗透率特性,不仅为远洋渔船的破损稳性计算提供科学依据,也是保证渔船质量复合技术的要求。
        备注:本课题为中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所基本科研业务费专项资金资助项目渔船鱼货处所破损稳性渗透率研究(编号2018YJS001)。
(本文作者:李颖  郑建丽  杨浩)
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