許文杰，楊亞東，b，張　兢，b

(武漢理工大學(xué) a.航院學(xué)院; b.內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430063)

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內(nèi)河船舶干舷對(duì)穩(wěn)性的影響

許文杰a，楊亞東a，b，張兢a，b

(武漢理工大學(xué) a.航院學(xué)院; b.內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430063)

針對(duì)內(nèi)河干散貨船傾覆事故時(shí)有發(fā)生的現(xiàn)象，從分析典型船舶事故原因入手，根據(jù)典型船舶資料定量計(jì)算船舶干舷與穩(wěn)性的關(guān)系，分析貨物積載對(duì)船舶航行安全的影響。結(jié)果表明，船舶超載會(huì)使船舶穩(wěn)性大幅度降低，并且積載不當(dāng)可能增加船舶傾翻概率。

干貨船；船舶超載；船舶積載；穩(wěn)性；干舷

《長江海事局2014年安全形勢通報(bào)》刊載，2014年，長江海事局轄區(qū)共發(fā)生水上交通事故125件。其中，船舶自沉事故12件，占事故總數(shù)9.6%。船舶超載、貨物積載不當(dāng)、裝卸作業(yè)不當(dāng)是導(dǎo)致自沉事故多發(fā)的要因。2012年2月2日，某自卸運(yùn)砂船在某水域發(fā)生傾覆，10人死亡，1人失蹤。2014年3月17日，某船下行至長江干線沙沱水域發(fā)生翻覆，3 人死亡，1人失蹤。船舶翻沉事故的后果不僅僅造成經(jīng)濟(jì)損失，更嚴(yán)重的是奪取生命，對(duì)航行安全造成威脅[1]。

目前，我國內(nèi)河船舶運(yùn)輸存在超載、積載不當(dāng)?shù)痊F(xiàn)象。內(nèi)河船舶載重線勘劃不規(guī)范，部分船舶存在沒有勘劃載重線及勘劃載重線不清晰。內(nèi)河駕駛員對(duì)船舶穩(wěn)性知之甚少，對(duì)風(fēng)、流及其他因素對(duì)船舶影響認(rèn)識(shí)不足，船舶事故經(jīng)常發(fā)生，對(duì)我國內(nèi)河運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成一定影響。國內(nèi)外學(xué)者的研究主要集中于船舶超載原因及治理方法、波浪中船舶穩(wěn)性、破艙穩(wěn)性等方面，對(duì)于定量計(jì)算分析船舶超載及積載方式對(duì)船舶穩(wěn)性影響的研究鮮有報(bào)道。為此，對(duì)內(nèi)河船舶不同裝載狀態(tài)下船舶干舷及穩(wěn)性進(jìn)行計(jì)算，分析船舶超載及船舶積載方式對(duì)船舶安全造成的影響，使內(nèi)河船舶駕駛員、船東都能夠清楚認(rèn)識(shí)到船舶超載及配載不當(dāng)?shù)奈：Α?/p>

1　船舶不同載重量裝載狀態(tài)

以長江干散貨船船舶資料為基礎(chǔ)，按照《內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》(以下簡稱《規(guī)則》)要求，進(jìn)行船舶不同裝載狀況下船舶干舷、初穩(wěn)性、大傾角穩(wěn)性等穩(wěn)性指標(biāo)進(jìn)行定量計(jì)算及趨勢變化分析，判斷其能否滿足《規(guī)則》要求并進(jìn)行船舶不同裝載狀態(tài)下干舷及穩(wěn)性各個(gè)指標(biāo)的比較對(duì)比分析[2-3]。

該船舶為B級(jí)航區(qū)某半艙干貨船，船舶總長53.52 m，型寬9 m，滿載排水量717.6 t，空載排水量為141.6 t，B級(jí)航區(qū)載貨量為550 t。本文主要以船舶未超載、船舶滿載、船舶超載等不同裝載狀態(tài)進(jìn)行研究分析，船舶裝載量取500～700 t，間隔50 t對(duì)船舶載重狀態(tài)進(jìn)行穩(wěn)性計(jì)算分析。根據(jù)《規(guī)則》要求，內(nèi)河船舶運(yùn)輸嚴(yán)禁超載運(yùn)輸，船舶應(yīng)進(jìn)行平艙作業(yè)。但內(nèi)河船舶貨物運(yùn)輸通常所裝貨物高出貨艙圍壁，未經(jīng)平艙，且貨物堆裝狀態(tài)已達(dá)到其自然傾斜角。內(nèi)河船舶運(yùn)輸卵石密度通常為1.4～2.0 t/m3，卵石堆積的自然傾斜角為38°～42°，取卵石密度平均值約為1.74 t/m3，卵石堆積的自然傾斜角40°。以船舶到港狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算分析，根據(jù)貨艙尺度及裝載情況，假設(shè)該船下層貨物為矩形立方體，上層為近似三棱柱體，裝載情況見示意見圖1、2。

圖2　干散貨船貨物堆裝橫剖面示意

圖1干散貨船貨物堆裝側(cè)視示意

為了便于比較，在貨物裝載量為500～700 t范圍內(nèi)假設(shè)了5種裝載狀態(tài)，見表1。

表1　貨物裝載狀態(tài)　t

2　船舶干舷與穩(wěn)性分析

2.1船舶不同裝載狀態(tài)的干舷分析

根據(jù)船舶靜水力曲線圖可知船舶不同裝載狀態(tài)下船舶吃水，計(jì)算求得船舶不同裝載狀態(tài)下船舶干舷，見圖3。

圖3　載重量與干舷的關(guān)系

由圖3可見，船舶干舷與船舶載重量近似成線性反比例關(guān)系，隨著船舶載重量的增加而減少。其中，船舶狀態(tài)5的干舷僅為船舶狀態(tài)2的1/3；船舶狀態(tài)4為船舶狀態(tài)2的54%，大大降低了船舶儲(chǔ)備浮力，降低了船舶抵抗外力矩能力。

2.2船舶不同裝載狀態(tài)的初穩(wěn)性分析

穩(wěn)性高度為

(1)

式中：KG——重心距基線高，m；

KM——初穩(wěn)心基線高，m。

船舶重心距基線高度為：

(2)

式中：Pi——船上某一重物重量，t；

zi——Pi的重心坐標(biāo)，m。

根據(jù)船舶裝載狀態(tài)可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的初穩(wěn)性高度，初穩(wěn)性高度與船舶裝貨量的關(guān)系見圖4。

圖4　裝貨量與初穩(wěn)性高度的關(guān)系

根據(jù)《規(guī)則》要求，船舶初穩(wěn)性高度不應(yīng)小于0.2 m，該船舶不同裝載狀態(tài)初穩(wěn)性高度能滿足要求。該船舶初穩(wěn)性高度隨著船舶貨物量的增加而降低，但降低的幅度相對(duì)比較小。船舶狀態(tài)2的初穩(wěn)性高度為1.784 m，船舶狀態(tài)5的初穩(wěn)性高度為1.429 m，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過《規(guī)則》的要求值。與船舶狀態(tài)2相對(duì)比，船舶狀態(tài)5的初穩(wěn)性高度下降了0.355 m，下降幅度為19.9%。

2.3船舶不同裝載狀態(tài)的大傾角穩(wěn)性分析

船舶大傾角穩(wěn)性與船舶初穩(wěn)性不相同，大傾角穩(wěn)性一般采用曲線表示。

(3)

式中：D——船舶排水量，t；

g——重力加速度，m/s2；

根據(jù)船舶資料，計(jì)算出船舶不同裝載狀況下大傾角穩(wěn)性復(fù)原力臂、極限靜傾力臂及穩(wěn)性范圍，船舶不同裝載狀況下的復(fù)原力臂見圖5。

圖5　船舶不同裝載狀況下的復(fù)原力臂

根據(jù)船舶完整穩(wěn)性計(jì)算書可知船舶進(jìn)水點(diǎn)(z=3.2 m,x=3.9 m)，進(jìn)而求得船舶不同裝載狀態(tài)下船舶的進(jìn)水角、與之對(duì)應(yīng)的復(fù)原力臂見圖6。

圖6　船舶不同裝載狀態(tài)下進(jìn)水角

通過對(duì)該事故船舶初穩(wěn)性、大傾角穩(wěn)性、進(jìn)水角的計(jì)算得到表2。

根據(jù)表2中該船舶不同裝載狀況下穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果可知，船舶的干舷、初穩(wěn)性高度、最大復(fù)原力臂及對(duì)應(yīng)角度、進(jìn)水角及進(jìn)水角對(duì)應(yīng)的復(fù)原力臂、穩(wěn)性消失角等穩(wěn)性指標(biāo)不同程度的下降。該船航行于B級(jí)航區(qū)，其穩(wěn)性曲線面積值在船舶狀態(tài)3～5均不能滿足《規(guī)則》要求。船舶狀態(tài)2的最大復(fù)原力臂及對(duì)應(yīng)角度均為船舶狀態(tài)5的2倍以上，減少了船舶抵抗外力矩的能力。狀態(tài)2的進(jìn)水角為狀態(tài)5的1.3倍，進(jìn)水角對(duì)應(yīng)的復(fù)原力臂為狀態(tài)5的4.6倍，增加了船舶翻沉的風(fēng)險(xiǎn)。雖然船舶不同裝載狀態(tài)初穩(wěn)性高度滿足《規(guī)則》要求及超載運(yùn)輸具有一定的儲(chǔ)備浮力，但是該船的其他穩(wěn)性指標(biāo)隨著因船舶超載大為下降，抵抗外力矩能力減弱，增加了船舶翻沉的可能性[4-6]。

表2　穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果

3　不同裝載狀況對(duì)航行安全的影響

3.1貨物移動(dòng)

當(dāng)船舶在航行過程中或停泊中，船舶受風(fēng)、流、及其他外力矩影響，會(huì)產(chǎn)生橫傾。根據(jù)船舶的裝載情況進(jìn)行計(jì)算，只要存在一個(gè)不大的橫傾角，如2°～3°左右，貨物就可能發(fā)生移動(dòng)，由于船舶貨艙圍板的阻擋，移動(dòng)的貨物不會(huì)落入江中使得船舶產(chǎn)生貨物移動(dòng)橫傾力矩。根據(jù)船舶產(chǎn)生不同橫搖角，貨物移動(dòng)對(duì)船舶產(chǎn)生橫傾力矩進(jìn)行計(jì)算分析。假設(shè)貨物移動(dòng)前的船舶狀態(tài)見圖7，貨物移動(dòng)后，船舶狀態(tài)則見圖8。下雨，摩擦系數(shù)下降，容易移動(dòng)[7-8]。

圖7　正浮時(shí)貨物狀態(tài)

圖8　單次貨物移動(dòng)后狀態(tài)

經(jīng)計(jì)算，對(duì)應(yīng)船舶不同裝載狀態(tài)下相同的橫傾角，貨物的移動(dòng)量、船舶產(chǎn)生的橫傾力矩是相同的。對(duì)應(yīng)船舶不同橫傾角θ產(chǎn)生的船舶橫傾力矩M見表3。

表3　船舶不同橫搖角度對(duì)應(yīng)橫傾力矩

由表3可見，船舶因貨物移動(dòng)產(chǎn)生的橫傾力矩隨著船舶橫搖角度增加而增大。同時(shí)，假設(shè)船舶裝載同量貨物進(jìn)行平艙，與船舶裝載貨物不平艙相比，船舶只會(huì)因船舶橫搖角達(dá)到貨物的自然傾斜角度時(shí)，貨物才會(huì)發(fā)生貨物移動(dòng)，所以船舶不會(huì)因船舶發(fā)生小角度橫搖而發(fā)生貨物移動(dòng)。由于船舶穩(wěn)性復(fù)原力矩的作用，當(dāng)外力矩消失時(shí)，船舶又會(huì)回到初始平衡狀態(tài)。船舶貨物運(yùn)輸不進(jìn)行平艙作業(yè)，因船舶產(chǎn)生橫搖角而發(fā)生貨物移動(dòng)，造成船舶產(chǎn)生橫傾角，降低了船舶穩(wěn)性，減少了船舶抵抗外力矩的能力，增大了船舶翻沉事故的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2船舶抵抗橫傾力矩能力

當(dāng)船舶不考慮貨物移動(dòng)及其他自身因素影響，一個(gè)較大外力矩作用于船舶時(shí)，將使船舶會(huì)發(fā)生傾斜。如果船舶突然受到一個(gè)較大的外力矩，由于船舶復(fù)原力矩小于外力矩，則船舶就會(huì)直接傾覆。根據(jù)表2船舶穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果可知，船舶正浮時(shí)，船舶不同裝載狀況下突然受到最小外力矩就會(huì)發(fā)生船舶傾覆事故，見圖9。

圖9　船舶不同裝載狀態(tài)下對(duì)應(yīng)最小傾覆力矩

根據(jù)圖9可知，船舶突然受到最小傾覆力矩隨著船舶裝載貨物重量增加而下降，大大降低了船舶抵抗外力矩的能力，狀態(tài)5的最小傾覆力矩相當(dāng)于船舶狀態(tài)2最小傾覆力矩的1/2，船舶發(fā)生傾覆事故風(fēng)險(xiǎn)增加。假設(shè)船舶不同裝載狀態(tài)存在一定的船舶橫傾角度，船舶不同裝載狀態(tài)的最小傾覆力矩則可能會(huì)下降，降低了船舶抵抗外力矩的能力，增加了船舶發(fā)生傾覆事故的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3船舶航行安全

船舶發(fā)生傾覆事故往往不是因?yàn)閱蝹€(gè)橫傾力矩的作用，而是多個(gè)外力矩及船舶本身產(chǎn)生的橫傾力矩共同作用的結(jié)果。船舶發(fā)生碰撞或擱淺事故，導(dǎo)致船體進(jìn)水，船舶產(chǎn)生橫傾角，喪失部分浮力。當(dāng)船舶貨物積載不當(dāng)、超載運(yùn)輸時(shí)，船舶各穩(wěn)性指標(biāo)下降，船舶儲(chǔ)備浮力不夠，將導(dǎo)致船舶發(fā)生傾覆。船舶使用大舵角改變航行過程中，船舶遇不正常水流、風(fēng)傾力矩作于船舶時(shí)，致使船舶產(chǎn)生較大的橫傾角，貨物積載不當(dāng)產(chǎn)生移動(dòng)從而致使船舶發(fā)生傾覆事故。根據(jù)該船舶資料計(jì)算，不同裝載狀況下船舶發(fā)生橫傾時(shí)，船舶剩余復(fù)原力矩及貨物移動(dòng)產(chǎn)生的橫傾力矩見圖10。

圖10　船舶橫傾角與剩余復(fù)原力矩、貨物移動(dòng)產(chǎn)生橫傾力矩變化關(guān)系

當(dāng)船舶受外力矩產(chǎn)生船舶橫傾時(shí)，船舶裝載狀態(tài)5、4及船舶裝載狀態(tài)3在船舶因外力矩導(dǎo)致產(chǎn)生橫傾角度10°左右時(shí)，船舶剩余復(fù)原力矩幾乎為零，相對(duì)于狀態(tài)1、2增加了船舶傾覆風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)船舶橫傾角度為5°時(shí)，船舶裝載狀態(tài)4、5的復(fù)原力矩?cái)?shù)值僅為船舶滿載狀態(tài)1/3；船舶裝態(tài)3復(fù)原力矩?cái)?shù)值比船舶滿載狀態(tài)減少了滿載狀態(tài)剩余復(fù)原力矩的41%。由此可知，船舶因超載運(yùn)輸減少了船舶儲(chǔ)備浮力及抵抗外力矩的能力。

如果船舶貨物積載方式不當(dāng)，船舶由于橫傾導(dǎo)致貨物移動(dòng)，船舶將會(huì)產(chǎn)生貨物移動(dòng)橫傾力矩，這橫傾力矩將減少船舶剩余復(fù)原力矩，易因大量貨物移動(dòng)船舶直接發(fā)生傾覆事故。由圖10可見，船舶不同裝載狀態(tài)因受外傾力矩及貨物移動(dòng)產(chǎn)生的橫傾力矩作用，船舶極限橫傾角θ隨著船舶裝載量增加而減少，見圖11。

圖11　船舶不同裝載量極限橫傾角曲線

由圖11可見，船舶狀態(tài)5受外力矩及貨物移動(dòng)產(chǎn)生橫傾力矩在船舶橫傾角達(dá)到4.2°時(shí)，船舶會(huì)直接因船舶剩余浮力不夠?qū)е掳l(fā)生傾覆事故。同理，船舶狀態(tài)4橫傾角達(dá)到5.6°時(shí)船舶就會(huì)直接傾覆。船舶狀態(tài)4、5極限橫傾角為船舶滿載狀態(tài)1/2左右，降低了船舶抵抗外力矩能力，造成船舶儲(chǔ)備浮力不足導(dǎo)致船舶傾覆。

綜上所述，在船舶滿載狀態(tài)，即使受到較大的外力矩作用也很難發(fā)生傾覆。但當(dāng)船舶超載運(yùn)輸，減少了船舶復(fù)原力矩，抵抗外力矩的能力減少，易造成船舶傾覆。當(dāng)船舶超載運(yùn)輸及積載方式不恰當(dāng)，船舶在外力矩及貨物移動(dòng)產(chǎn)生的橫傾力矩作用下即使發(fā)生很小的橫傾角，船舶也會(huì)發(fā)生傾覆。

4　結(jié)論

1)通過計(jì)算分析船舶不同裝載狀態(tài)的干舷及穩(wěn)性，雖然船舶初穩(wěn)性高度能夠滿足《規(guī)則》要求，但是穩(wěn)性曲線面積均隨著船舶載重量的增加而下降幅度較大，該船舶貨物裝載量超載5.5%及以上時(shí)，不能滿足《規(guī)則》的要求。

2)雖然船舶超載運(yùn)輸具有一定儲(chǔ)備浮力，但船舶超載運(yùn)輸及貨物積載方式不當(dāng)對(duì)船舶大傾角穩(wěn)性、進(jìn)水角、極限橫傾角影響較大。其中，船舶極限橫傾角隨著船舶裝載量的增加而降低，船舶橫傾達(dá)到幾度時(shí)，船舶就可能發(fā)生傾翻事故。船舶超載運(yùn)輸及貨物積載方式不恰當(dāng)大大降低了船舶抵抗外力的能力，減少了船舶儲(chǔ)備浮力，致使船舶更易發(fā)生翻沉事故。

3)建議相關(guān)海事部門對(duì)內(nèi)河駕駛員進(jìn)行船舶超載運(yùn)輸對(duì)船舶安全影響的教育及宣傳，能夠使船舶駕駛員、船東能夠清楚了解船舶超載運(yùn)輸、貨物積載方式對(duì)船舶安全性的影響及危害。

4)建立了船舶不同裝載狀態(tài)穩(wěn)性計(jì)算模型，通過船舶干舷、初穩(wěn)性、大傾角穩(wěn)性等穩(wěn)性指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)船舶超載及貨物積載方式對(duì)船舶航行安全進(jìn)行研究分析。其中，內(nèi)河干貨船一般分為深艙貨船、半艙貨船、甲板貨船等，本文只是利用半艙貨船船舶資料進(jìn)行研究。對(duì)于船舶裝載不同品種貨物及不同積載方式，其穩(wěn)性有待進(jìn)一步深入研究。

[1] 海法規(guī)[2011]391.《內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》.2011[S].

[2] 殷毅.夫妻船需轉(zhuǎn)換航道[J].中國船檢，2008(7)：56-58.

[3] 王玉平.基于政府規(guī)制的長江干線船舶超載綜合治理研究[D].大連：大連海事大學(xué)公共管理，2011.

[4] 章文俊.散裝谷物船舶穩(wěn)性計(jì)算及計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2007.

[5] MARCOS Miguez Gonzalez. Fishing vessel stability assessment system[J]. Ocean Engineering,2012,41:67-78.

[6] IGOR Backalov. Impact of contemporary ship stability regulations on safety of shallow-draught inland container vessels[J]. Safety Science,2015,72:105-115.

[7] YAO Zhenghua. New level sensor system for ship stability analysis and monitor[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,1999,48(6)：1014-1017.

[8] 王寧.世界海難事故現(xiàn)狀分析及應(yīng)對(duì)措施[J].世界海運(yùn)，2010(2):70-71.

The Influence of Freeboard upon Stability of the Inland Ships

XU Wen-jiea, YANG Ya-donga,b, ZHANG Jinga,b

(a.School of Navigation; b.Hubei Key Laboratory of Inland River Shipping Technology,Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

The causes of the typical overturning accidents of the inland dry bulk carriers are analyzed. According to the relationship between ship's freeboard and stability, the influence of storage upon navigation safety is investigated. The results show that the ship overloading will significantly reduce the stability of the ship, and stowage improperly can greatly increase the probability of tipping the ship.

dry cargo ship; ship overload; ship stowage; stability; freeboard

2015-11-29

2016-09-22

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(5147957)

許文杰(1990—)，男，碩士生

U661.2

A

1671-7953(2016)04-0157-05

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.037

研究方向:交通運(yùn)輸工程

E-mail:1175187006@qq.com