陳志飚，朱顯玲，張帆，侯超

(1.中國(guó)船級(jí)社武漢規(guī)范研究所，武漢 430022;2.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430050;3.中國(guó)船級(jí)社重慶分社，重慶 401121)

2017年8月28日，某集裝箱船下行至長(zhǎng)江干線長(zhǎng)壽水域，在彎道航行時(shí)發(fā)生集裝箱落水事故[1]。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，本次事故主要原因[2]是船員操作失誤，在彎道航行時(shí)引航操作不當(dāng)致使船舶駛?cè)肱蒌?，之后又未能及時(shí)減速和正確操舵，最終造成船體傾斜、綁繩(綁扎鋼絲繩)崩斷，船上載運(yùn)的24個(gè)集裝箱落水。為了預(yù)防再次發(fā)生類似事故，收集該事故的數(shù)據(jù)資料，分析事故的力學(xué)機(jī)理和影響因素，提出改進(jìn)和防范措施。

1 事故過程

事發(fā)時(shí)船舶處于夜航下行狀態(tài)，航速較快(24 km/h)，集裝箱落水過程可簡(jiǎn)化為3個(gè)階段。

1)船舶左轉(zhuǎn)，舷外水漫上甲板，見圖1a)。

2)漫上甲板的舷外水持續(xù)增多，淹至貨艙艙口圍板根部，集裝箱相對(duì)船體右傾，集裝箱綁繩繃緊，見圖1b)。

3)集裝箱右傾加劇，最終側(cè)翻落水(見圖1c))，從落水后的綁繩狀態(tài)(見圖1d))可推知，綁繩在落水前已經(jīng)崩斷。

圖1 右舷集裝箱落水過程截圖及示意(截圖來自右舷看向尾的監(jiān)控視頻，示意圖為尾視圖)

此外，根據(jù)貨艙內(nèi)未進(jìn)水這一事后檢查結(jié)果可知，事故中舷外水并未淹沒貨艙艙口圍板。

2 力學(xué)分析

2.1 事故時(shí)的力學(xué)模型

該船為典型的內(nèi)河集裝箱船，集裝箱系固采取整垛八字綁扎[3](見圖1b)和圖2)，左右舷綁繩緊貼最外側(cè)延伸至頂部，即規(guī)范[4]中規(guī)定的頂部交叉綁扎。以最先側(cè)翻的集裝箱行(即BAY，圖1a)和1b)中綁繩所在位置)作為研究對(duì)象，所有集裝箱為40 FEU，積載情況見圖2，圖中數(shù)字為單箱質(zhì)量，t。

圖2 落水集裝箱堆垛的積載與綁扎

不同于碼頭堆裝時(shí)集裝箱側(cè)翻落水[5]，針對(duì)船舶彎道航行中集裝箱相對(duì)于船體開始側(cè)傾的瞬間，建立力學(xué)分析模型，見圖3。

圖3 落水集裝箱堆垛的力學(xué)模型

1)集裝箱與船舶一起右傾，對(duì)地的傾角與船舶傾角θ0相同。

2)船舶急速左轉(zhuǎn)，集裝箱承受離心慣性力，離心加速度ar。

3)集裝箱承受重力，重力加速度g。

4)據(jù)船首監(jiān)控錄像，事發(fā)時(shí)風(fēng)平浪靜，因此忽略風(fēng)浪等引起的船舶運(yùn)動(dòng)影響。

5)各列集裝箱之間頂層有橋鎖連接，列間存在相互作用力，整行視為一體，由綁繩提供拉力T抵抗集裝箱堆垛右傾，綁繩從右側(cè)頂層集裝箱橫穿左側(cè)頂層集裝箱最后連接至左舷艙口，左舷側(cè)部分的綁繩與船舶基平面夾角α。

2.2 側(cè)翻堆垛的受力分析

為防止集裝箱側(cè)翻落水，需要防止綁繩崩斷，而綁繩崩斷意味著其承受的負(fù)荷(拉力)大于本身的許用負(fù)荷。因此，需要分析確定集裝箱側(cè)翻時(shí)綁繩承受的拉力。

如圖3所示，假定綁繩不會(huì)崩斷，則該行集裝箱堆垛首尾兩端的綁繩拉力T產(chǎn)生的抵抗力矩等于集裝箱堆垛的側(cè)傾力矩，即：

2TH0cosα=∑Mi

(1)

式中：H0、α見圖3，按實(shí)船作圖測(cè)量得13.095 m和87.5°；Mi為堆垛中單個(gè)集裝箱的側(cè)傾力矩。

Mi=Gi(gsinθ0+arcosθ0)hi-

(2)

集裝箱層間未使用扭鎖，下層箱不會(huì)給上層箱提供拉力以幫助上層抵抗側(cè)傾，因此取Mi≥0；Gi為單個(gè)集裝箱箱重(質(zhì)量)；hi為集裝箱中心至艙底的垂直距離，從積載圖上測(cè)量；b為集裝箱寬度，取2.438 m；θ0為圖3所示橫傾角，具體數(shù)值未知；g為重力加速度，取9.81 m/s2；ar為離心加速度。

(3)

其中：Vm為轉(zhuǎn)彎航速，按事故資料取24 km/h；R為轉(zhuǎn)彎半徑，按該船試航資料取127.6 m。

依據(jù)式(1)，T為

(4)

分析式(4)(2)(3)可知，為計(jì)算確定綁繩拉力T，尚需確定橫傾角θ0的具體數(shù)值。

2.3 側(cè)傾時(shí)橫傾角的確定

該事故船型深5.2 m，型寬17.2 m，貨艙寬12.7 m，甲板梁拱0.2 m，圍板頂緣距基線6.2 m，事發(fā)時(shí)船舶吃水為3.9 m，舷外水漫過了主甲板，超過了艙口圍板根部，但貨艙尚未進(jìn)水(未超過艙口圍板頂緣)，據(jù)此可測(cè)算得船舶橫傾角處于12.3°～19.9°之間，見圖4。

圖4 橫傾角測(cè)算圖(單位:m)

因?yàn)闊o法觀測(cè)到舷外水的具體位置，所以無法測(cè)算船舶橫傾角的準(zhǔn)確值，本文分析計(jì)算時(shí)取θ0=12.3°，此時(shí)計(jì)算所得的綁索拉力為最小值。

2.4 綁繩拉力計(jì)算與崩斷判定

將集裝箱箱重(見圖2)和測(cè)算所得橫傾角θ0等參數(shù)代入式(2)，可得單個(gè)集裝箱的側(cè)傾力矩，見表1，與圖2對(duì)應(yīng)。表1中正值表示如無綁繩拉力約束則會(huì)發(fā)生側(cè)傾，負(fù)值則相反。

表1 單個(gè)集裝箱側(cè)傾力矩Mi kN·m

根據(jù)式(4)計(jì)算得T≥4 484 kN。在實(shí)際計(jì)算過程中按前述Mi的取值規(guī)則取為0。

該船采用的綁扎鋼絲繩直徑為15 mm，其破斷負(fù)荷為127～160 kN(具體取決于鋼絲繩結(jié)構(gòu)和抗拉強(qiáng)度，這些參數(shù)現(xiàn)已無法確定)，遠(yuǎn)小于實(shí)際承受的拉力4 484 kN，因此必然會(huì)崩斷。

3 改進(jìn)措施

為防止綁繩崩斷導(dǎo)致集裝箱落水，總體上可以從兩方面著手：①降低綁繩承受的負(fù)荷(拉力)；②提高綁繩本身的許用負(fù)荷。具體可采取如下4種措施。

3.1 綁扎方式優(yōu)化

分析圖3所示的力學(xué)模型和式(4)可見，綁繩拉力T與綁繩夾角α關(guān)系非常大，當(dāng)α=90°時(shí)T為無窮大，而當(dāng)α=0°時(shí)T達(dá)到極小值。因此，可以通過優(yōu)化綁扎方式，盡可能降低綁繩夾角α，從而降低綁繩拉力T。具體做法為：將綁繩的八字形綁扎方式修改為端面交叉綁扎，見圖5a)。對(duì)于存在空缺箱位的情況，需特別對(duì)待，見圖5b)和圖5c)。

圖5 改進(jìn)后的綁扎系固方式

此外，考慮到內(nèi)河集裝箱船積載時(shí)集裝箱行與行的間距非常小，由于操作空間不足等原因，手動(dòng)扭鎖通常難以實(shí)施鎖閉操作，集裝箱列的層與層之間垂向連接有效性難以保證。因此，在最外側(cè)布置額外的垂向綁繩(見圖5)，主要用于確保最外側(cè)集裝箱列的層與層之間不會(huì)分離。

假設(shè)本船采用了改進(jìn)后的綁扎方式，則對(duì)于前面分析的集裝箱堆垛，綁繩夾角α將從87.5°降低到31.6°，綁繩拉力T將從4 484 kN降低到230 kN，降低幅度超過94.8%。

3.2 駕駛行為優(yōu)化

再次分析式(4)、(2)和(3)可知：當(dāng)減少船舶橫傾角θ0、降低航速Vm、增大轉(zhuǎn)彎半徑R，也能降低綁繩拉力T。3個(gè)參數(shù)中，控制轉(zhuǎn)彎時(shí)的船舶橫傾角θ0最為有效。以前面分析的集裝箱堆垛為例，若能將橫傾角θ0從12.3°降至8°(根據(jù)前文橫傾角測(cè)算方法，船舶主甲板入水時(shí)對(duì)應(yīng)橫傾角為8.6°)，則T將從4 484 kN降低到1 716 kN，若同時(shí)采用改進(jìn)后的交叉綁扎，則T將能降低到88 kN，降低幅度超過98%。

因此，可以考慮在船舶出港前，針對(duì)當(dāng)時(shí)的積載狀態(tài)和綁扎方式，先計(jì)算確定一個(gè)轉(zhuǎn)彎時(shí)的最大允許橫傾角θ0max，具體做法為：以全速回航為假想狀態(tài)(航速和回轉(zhuǎn)半徑R已知)，將綁繩(鋼絲繩)的許用負(fù)荷作為其最大允許拉力Tmax，然后通過取不同的橫傾角θ0代入式(2)、(3)和(4)進(jìn)行迭代計(jì)算，使得綁繩計(jì)算拉力T盡可能接近但不大于Tmax，此時(shí)所得橫傾角即為轉(zhuǎn)彎時(shí)的最大允許橫傾角θ0max，若該值大于主甲板入水時(shí)的橫傾角則取甲板入水橫傾角。

船舶航行過程中，駕駛?cè)藛T需將計(jì)算確定的最大允許橫傾角θ0max作為彎道航行時(shí)船舶橫傾角的最大限值，并實(shí)時(shí)優(yōu)化駕駛行為(如調(diào)整舵角和主機(jī)轉(zhuǎn)速等)，使船舶實(shí)際橫傾角不超過該限值，以此確保綁繩不致于承受過大的拉力而崩斷。

3.3 積載布置優(yōu)化

進(jìn)一步分析式(4)和(2)可知，同樣質(zhì)量的集裝箱，當(dāng)其位于上層時(shí)hi較大，傾側(cè)力矩Mi較大，這意味著需要綁繩提供的拉力更大。因此，集裝箱在積載布置時(shí)，應(yīng)盡可能將重箱放在下層，即應(yīng)符合“下重上輕”的基本原則，此舉也是降低綁繩拉力的重要措施。

分析圖2中各集裝箱的質(zhì)量分布，發(fā)現(xiàn)重箱大多分布在上層，這也是導(dǎo)致綁繩崩斷的一個(gè)重要因素。若依次采取上述降低綁繩拉力的改進(jìn)措施，即先將八字綁扎改為端面交叉綁扎，再限制轉(zhuǎn)彎時(shí)船舶橫傾角不大于8°，最后按“下重上輕”的原則調(diào)整集裝箱積載布置，則綁繩拉力T可從4 484 kN降至34 kN，降幅超過99.2%。

3.4 綁繩強(qiáng)化

即選用直徑更大和強(qiáng)度更高的綁繩，此舉旨在提高綁繩的許用負(fù)荷。許用負(fù)荷一般以安全工作負(fù)荷表達(dá)，取值等于最小破斷負(fù)荷除以安全系數(shù)(船舶規(guī)范中一般取3)。因此，所選用的綁扎鋼絲繩，其最小破斷負(fù)荷應(yīng)至少大于3倍的綁繩拉力T。

對(duì)于前面分析的集裝箱堆垛，在綜合采取綁扎方式優(yōu)化、駕駛行為優(yōu)化和積載布置優(yōu)化措施之后，其綁繩拉力降至34 kN，則選取的鋼絲繩的最小破斷負(fù)荷應(yīng)不小于108 kN。

根據(jù)鋼絲繩標(biāo)準(zhǔn)[6-7]選用直徑18 mm、抗拉強(qiáng)度1 870 MPa、結(jié)構(gòu)6×7+FC的纖維芯鋼絲繩(因其柔韌性優(yōu)于鋼芯鋼絲繩而更受歡迎)，其最小破斷負(fù)荷為201 kN(鋼芯鋼絲繩為218 kN)，是需求的最小破斷負(fù)荷的1.86倍，是綁繩拉力的5.58倍，足以避免在彎道航行時(shí)崩斷。

4 結(jié)論

1)改進(jìn)綁扎方式，將八字形綁扎修改為端面交叉綁扎，并在最外側(cè)布置額外的垂向綁繩以防層間分離，以此降低綁繩所需承受的拉力；對(duì)于最外側(cè)和中間列存在空缺箱位的特殊情況，也給出了對(duì)應(yīng)的解決方案；

2)優(yōu)化駕駛行為，出港前根據(jù)積載狀態(tài)和綁扎方式，計(jì)算確定船舶轉(zhuǎn)彎允許的最大橫傾角，并通過調(diào)整舵角和主機(jī)轉(zhuǎn)速確保轉(zhuǎn)彎時(shí)實(shí)船橫傾角不超過該限值，以此降低綁繩所需承受的拉力；

3)優(yōu)化積載布置，確保其符合“下重上輕”的基本原則，以此降低綁繩所需承受的拉力；

4)強(qiáng)化綁繩，選用直徑更大和強(qiáng)度更高的鋼絲繩，以提高綁繩的許用負(fù)荷。

綜合采取上述4項(xiàng)改進(jìn)措施，將可使綁繩所需承受的拉力小于其許用負(fù)荷，從而有效防止綁繩崩斷所導(dǎo)致的集裝箱落水。

更智能的解決方案是：船舶積載前獲取準(zhǔn)確箱重，利用船載裝載儀計(jì)算確定配載與綁扎系固方案，以及彎道航行等各種狀態(tài)下的船舶限制橫傾角；實(shí)船航行時(shí)實(shí)時(shí)比對(duì)船載數(shù)字化傾角儀對(duì)應(yīng)的橫傾角，并在分析研判船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)后向駕駛?cè)藛T告警；甚至可以通過智能技術(shù)應(yīng)用為駕駛?cè)藛T推薦最佳的舵角、主機(jī)轉(zhuǎn)速等，最終實(shí)現(xiàn)在限制船舶橫傾角條件下的船舶自主航行。

由于事發(fā)時(shí)風(fēng)平浪靜，所以沒有計(jì)及風(fēng)浪造成的船舶運(yùn)動(dòng)影響，在實(shí)船設(shè)計(jì)與營(yíng)運(yùn)中尚應(yīng)對(duì)這一因素進(jìn)行考量。