船舶穩(wěn)性影響因素分析*

張 棘

（浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 海運(yùn)學(xué)院，浙江 杭州311112）

船舶穩(wěn)性是指船舶受到傾斜力矩的作用會(huì)偏離其初始的平衡位置，當(dāng)傾斜力矩消除之后，船舶具有能恢復(fù)到初始平衡位置的能力，這種能力就是船舶的穩(wěn)性。船舶穩(wěn)性是船舶抵御外力作用，達(dá)到安全航行目的的重要保障。影響船舶穩(wěn)性的因素很多，除了船體主尺度設(shè)計(jì)的自身因素外，還有貨物裝載和移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的傾斜力矩和風(fēng)浪作用在船舶上所產(chǎn)生的外力作用，另外，旅客集中于某一舷側(cè)、拖船的急牽、自由液面、懸掛重物、火炮的發(fā)射以及船舶回轉(zhuǎn)等因素對(duì)穩(wěn)性也有不利的影響，但其中貨物裝載方式不當(dāng)是造成船舶穩(wěn)性降低的主要因素。

1 船舶穩(wěn)性的概述及分類(lèi)

1.1 船舶穩(wěn)性的概述

其中：KB為浮心高度[1]（或以浮心垂向坐標(biāo)zB表示）為初穩(wěn)心半徑（或稱(chēng)橫穩(wěn)心半徑）；KG為重心高度（或以重心垂線坐標(biāo)zG表示）。

對(duì)于船舶穩(wěn)性來(lái)說(shuō)，穩(wěn)性高也不是越大越好。穩(wěn)性高過(guò)大時(shí)，船舶的復(fù)原周期會(huì)很小，船舶橫搖會(huì)比較厲害，船上的人員舒適度較差，容易引起暈船。貨物也會(huì)由于晃動(dòng)或移位而產(chǎn)生毀壞，同時(shí)由于貨物的移位也會(huì)對(duì)船舶穩(wěn)性有不利的影響。所以針對(duì)不同的船型，船舶的初穩(wěn)性高都會(huì)有一個(gè)合理的范圍值。表1是不同類(lèi)型船舶的參考橫穩(wěn)性高。

表1 不同船型初穩(wěn)性高參考表

1.2 船舶穩(wěn)性按不同的研究方向分類(lèi)

（1）按傾角大小分：當(dāng)傾角小于10°～15°時(shí)為小傾角穩(wěn)性或初穩(wěn)性。當(dāng)傾角大于10°～15°時(shí)成為大傾角穩(wěn)性。

（2）按傾斜方向分：當(dāng)船舶單純繞縱向軸x傾斜時(shí)的穩(wěn)性稱(chēng)為橫穩(wěn)性[2]。當(dāng)船舶單純繞橫向軸y傾斜時(shí)的穩(wěn)性稱(chēng)為縱穩(wěn)性。

（3）按作用力矩的性質(zhì)[3]分：當(dāng)不計(jì)及作用力矩引發(fā)的船舶傾斜時(shí)產(chǎn)生的角加速度和慣性矩的穩(wěn)性稱(chēng)為靜穩(wěn)性。相反，計(jì)及作用力矩引發(fā)的船舶傾斜時(shí)產(chǎn)生的角加速度和慣性矩的穩(wěn)性稱(chēng)為動(dòng)穩(wěn)性。

（4）按船艙狀態(tài)完整性分：船艙為完整狀態(tài)時(shí)的穩(wěn)性稱(chēng)為完整穩(wěn)性。船艙破艙進(jìn)水時(shí)的穩(wěn)性稱(chēng)為破艙穩(wěn)性。

2 船舶穩(wěn)性影響因素分析

2.1 貨物裝載對(duì)船舶穩(wěn)性分析

船舶穩(wěn)性與許多因素有關(guān)，除了船舶主尺度、空船重心高度位置、甲板上浪、船舶水下線型以及船舶甲板以上受風(fēng)面積大小等因素以外，船舶裝載方式與船舶穩(wěn)性也有緊密聯(lián)系。船造好了以后，船舶主尺度就是定值了，基本不會(huì)改變了，但船舶裝載卻是個(gè)變量，會(huì)隨船舶營(yíng)運(yùn)情況的不同而不同，因而導(dǎo)致船舶穩(wěn)性也在發(fā)生變化。也可以說(shuō)裝載情況是否得當(dāng)直接影響到船舶穩(wěn)性和船舶的安全。近年來(lái)，我國(guó)發(fā)生的幾起船舶翻沉重大事故除了天氣惡劣和人員操作不當(dāng)?shù)仍蛞酝?，船舶裝載不當(dāng)導(dǎo)致的船舶失穩(wěn)或船舶穩(wěn)性不足也是造成事故的重要原因。

船舶裝載不當(dāng)引起船舶穩(wěn)性變差主要有三種情況。第一種情況是超載。船舶超載之后，吃水加大，儲(chǔ)備浮力變小，艙室進(jìn)水角減小。第二種情況是貨物裝載位置偏高或在甲板上裝貨，同時(shí)又未做適當(dāng)?shù)膲狠d，因而造成船舶重心提高，船舶受風(fēng)面積增大。第三種情況是貨物出港前未進(jìn)行必要的綁扎而造成滑動(dòng)或滾動(dòng)，使船舶在航行過(guò)程中受外力傾斜進(jìn)而又引起貨物的移位，再次增大了船舶的傾斜，形成惡性循環(huán)。

2.2 裝卸貨實(shí)船計(jì)算初穩(wěn)性比較分析

2.2.1 船舶穩(wěn)性計(jì)算步驟

在船上（x，y，z）位置裝載W貨物，船舶穩(wěn)性計(jì)算如下：（1）先假定重量為W的貨物裝在A（坐標(biāo)xF，0，z）處，則

（2）再將重量W的貨物自A（坐標(biāo)xF，0，z）移至A1坐標(biāo)x，y，z）處，則

船舶的橫傾角φ為：

船舶的縱傾角θ為：

2.2.2 實(shí)船計(jì)算穩(wěn)性比較分析

某海船參數(shù)如下：船長(zhǎng)L＝100m，船寬B＝16.0m，艏吃水dF＝3.75m，艉吃水dA＝4.45m，平均吃水dm=4.1m，排水Δ＝3400t，橫穩(wěn)性高GM=0.76m，縱穩(wěn)性高GML=101m，水線面面積AW=940m2，xF=-3.66m，現(xiàn)假設(shè)有一重量為W噸的貨物，要裝在重心坐標(biāo)均在x＝3.5m，y＝3.5m，z＝7m的位置。

（1）通過(guò)計(jì)算比較隨W的改變船舶初穩(wěn)性高和橫傾角的變化程度，詳見(jiàn)表2。

從表2可以看出，當(dāng)貨物位置不變時(shí)，初穩(wěn)性高GM隨貨物重量的增加呈近似線性遞減的趨勢(shì)。當(dāng)貨物橫向位置y比較大時(shí)，橫傾角φ隨貨物重量的增加呈顯著增加的趨勢(shì)，因此裝貨時(shí)應(yīng)十分重視貨物的位置是否得當(dāng)，不應(yīng)離船舶中心線過(guò)遠(yuǎn)。

表2 船舶初穩(wěn)性高和橫傾角隨W的變化值

（2）當(dāng)W（設(shè)W=100t）為固定值時(shí)，通過(guò)計(jì)算比較隨橫坐標(biāo)y的改變，船舶橫傾角的變化趨勢(shì)，詳見(jiàn)表3。

表3 橫傾角隨y的變化值

（3）通過(guò)計(jì)算比較當(dāng)W（設(shè)W=100t）為固定值時(shí)，隨貨物重心垂向坐標(biāo)z的改變，船舶初穩(wěn)性高的改變程度，詳見(jiàn)表4。

表4 橫傾角隨GM的變化值

2.3 橫浪作用甲板水對(duì)船舶穩(wěn)性影響分析

船舶在航行過(guò)程中會(huì)遇到風(fēng)浪的作用，部分海水打到甲板上，這種現(xiàn)象稱(chēng)為甲板上浪。甲板上浪的危害是很大的，比如淹濕或毀壞甲板上的貨物、損壞甲板上的設(shè)備等等。如果浪比較大，打到甲板上的速度比較快時(shí)還會(huì)引起船體的震動(dòng)效應(yīng)。甲板上浪根據(jù)方向不同，可以分為迎浪和橫浪，迎浪甲板水可視為左右舷水量對(duì)稱(chēng)，所以不會(huì)對(duì)船舶橫穩(wěn)性產(chǎn)生影響。當(dāng)橫浪發(fā)生時(shí)，由于上浪水左右舷不對(duì)稱(chēng)，會(huì)對(duì)船舶橫穩(wěn)性產(chǎn)生一定的影響。

2.3.1 橫浪作用甲板水重量計(jì)算

當(dāng)上浪速度不大時(shí)，可假設(shè)船體一側(cè)上浪以后上浪水為靜態(tài)，應(yīng)用切片理論計(jì)算上浪水的重量和重心位置。在計(jì)算甲板上浪水對(duì)船舶穩(wěn)性的影響時(shí)，可以靜態(tài)化處理的甲板上浪水，根據(jù)船舶少量裝卸貨時(shí)的穩(wěn)性計(jì)算方法來(lái)計(jì)算甲板上浪水對(duì)船舶穩(wěn)性的影響。

設(shè)每站距長(zhǎng)為ΔL，第n站上浪水寬度為bn，第n+1站上浪水寬度值為bn+1，甲板上浪水平均高度為Δh，則可得出每站距甲板上浪水的總重量為:

其重心坐標(biāo)為（xn，yn，zn）。

甲板總上浪水的重量W可疊加生成為：

其中：n+j為船舶的最大站號(hào)；j最小值為0，ω為海水的密度。

2.3.2 橫浪作用甲板水重心位置計(jì)算

設(shè)甲板水重心坐標(biāo)為（x，y，z），則根據(jù)靜力學(xué)原理可知：

2.4 大貨量裝載對(duì)船舶穩(wěn)性的影響分析

當(dāng)船上裝卸的貨物重量超過(guò)排水量Δ的10%時(shí)，在計(jì)算船舶初穩(wěn)性和浮態(tài)時(shí)就不能用前述有關(guān)公式來(lái)進(jìn)行了。這是因?yàn)樾∝浟垦b卸時(shí)，初穩(wěn)性的計(jì)算公式推導(dǎo)過(guò)程中運(yùn)用了很多近似假設(shè)，比如第一，船舶左右舷出水、入水等體積橫傾假設(shè)。第二，浮心移動(dòng)時(shí)是假設(shè)以穩(wěn)心為圓心，以穩(wěn)心半徑為半徑[4]畫(huà)弧移動(dòng)的。第三，在推導(dǎo)復(fù)原力矩時(shí)，把浮心移動(dòng)曲線按直線處理，并做了直角三角形假設(shè)。而所有這些假設(shè)都是源于裝卸少量的貨物時(shí)，船舶橫傾角很小，吃水的改變量較小，新水線與原來(lái)水線面的面積、漂心位置改變不大，可以假設(shè)兩個(gè)水線面面積近似重疊。

但當(dāng)裝卸貨物量較大，大于排水量的10%時(shí)，船舶吃水的改變量也比較大，上述所作的三個(gè)假設(shè)就都不成立了。新水線面和原水線面的面積及漂心位置都發(fā)生了較大的改變，所以再用小貨量裝卸時(shí)的穩(wěn)性及浮態(tài)計(jì)算公式就不準(zhǔn)確了。

因此，當(dāng)裝卸貨量大于排水量的10%時(shí)，可以根據(jù)船舶靜水力曲線圖中有關(guān)資料進(jìn)行計(jì)算，大體有三步：

第一步確定裝載后船舶重心位置

第二步計(jì)算新的初穩(wěn)性高

第三步計(jì)算橫傾角

3 其他影響因素分析

3.1 自由液面對(duì)船舶穩(wěn)性的影響

自由液面指的是可以自由流動(dòng)的液面，船上的很多液體，如淡水艙、燃油艙、壓載水艙等艙柜，如果艙柜里的液體沒(méi)有裝滿(mǎn)就會(huì)形成自由液面。淡水和燃油都是易耗品，隨著船舶航行的時(shí)間推移，原來(lái)裝滿(mǎn)的淡水艙和燃油艙在消耗一段時(shí)間后就會(huì)形成自由液面。自由液面會(huì)隨著船舶的傾斜而流動(dòng)，最終液面保持與水面平行。液體的流動(dòng)會(huì)使液體形狀發(fā)生改變，液體的重心移向船舶傾斜的一側(cè)，從而產(chǎn)生與復(fù)原力矩反向的傾斜力矩，其最終結(jié)果就是降低船舶的穩(wěn)性。

自由液面的存在降低了船舶的初穩(wěn)性。如果自由液面的面積很大，也可能使船失掉初穩(wěn)性。為了減小自由液面對(duì)初穩(wěn)性的不利影響，最有效的辦法是在船內(nèi)設(shè)置縱向艙壁。雖然設(shè)置縱向艙壁是減小自由液面非常有效的辦法，但縱向艙壁設(shè)置不當(dāng)也會(huì)給船舶性能帶來(lái)不利影響。比如縱向艙壁設(shè)置過(guò)多會(huì)加大船舶重量、帶來(lái)作業(yè)操作的不便、船體內(nèi)有效空間利用率低等問(wèn)題。

3.2 懸掛重物對(duì)船舶穩(wěn)性的影響

船舶的懸掛重物包括懸掛未固定的救生艇、用吊桿起貨，以及未加固定的懸掛重量等。在船舶發(fā)生傾斜時(shí)，它們對(duì)穩(wěn)性均會(huì)產(chǎn)生不利影響，因此船舶在航行過(guò)程中要盡量收回吊桿以及吊桿上的懸掛物，減少懸掛重物對(duì)船舶穩(wěn)性的影響。

3.3 船寬對(duì)船舶穩(wěn)性的影響

在船舶主尺度中，船寬是影響船舶穩(wěn)性的量值之一，從穩(wěn)性要求看，船寬增大對(duì)提高船舶的穩(wěn)性有顯著的效果[5]。船寬增大以后，橫穩(wěn)心半徑BM增大，而船舶重心垂向位置到基線的距離KG沒(méi)改變的情況下，橫穩(wěn)心高GM就增加。由于船寬對(duì)船舶穩(wěn)性的影響相對(duì)較大，所以在造船規(guī)范中會(huì)有航海界根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，并以橫搖周期不小于9s為限所提出的初穩(wěn)性高與船寬的比值GM/B值參考數(shù)據(jù)，具體如表5。

表5 GM/B值參考數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

船舶穩(wěn)性影響因素很多，但其中船舶裝載不當(dāng)引起的船舶穩(wěn)性不足或失穩(wěn)現(xiàn)象帶來(lái)的危險(xiǎn)性是很大的，多次事故分析表明，船舶從發(fā)生險(xiǎn)情到沉沒(méi)時(shí)間間距很小，可能只有短短幾分鐘的時(shí)間，船上人員來(lái)不及自救，船上救生設(shè)備來(lái)不及啟用船就沉沒(méi)了。因此船舶的裝載與穩(wěn)性，特別是中小型船舶，因其抗沉性較小，更應(yīng)該引起重視。建議在船舶的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）嚴(yán)格按船舶檢驗(yàn)證書(shū)上核定的參考載重量或核定乘客定額進(jìn)行裝貨或載客，以確保船舶有足夠的儲(chǔ)備浮力、穩(wěn)性和抗沉性。

（2）對(duì)易滑動(dòng)的貨物在開(kāi)航前要進(jìn)行牢固的綁扎，防止船舶航行過(guò)程中因貨物滑動(dòng)或移位造成船舶傾斜，對(duì)船舶穩(wěn)性和浮態(tài)產(chǎn)生不利的影響。

（3）裝載貨物時(shí)應(yīng)注意盡量降低船舶重心的高度，或適當(dāng)壓載。同時(shí)，貨物不要過(guò)遠(yuǎn)地離開(kāi)船舶中心線位置，以避免產(chǎn)生過(guò)大的傾斜力矩，要確保船舶穩(wěn)性能達(dá)到規(guī)范要求。